Αλκυλαλογονίδια

Τα αλκυλαλ(ο)ογονίδια ή (μον)αλ(ογον)αλκάνια είναι η ομόλογη σειρά οργανικών ενώσεων με γενικό τύπο C_nH_2n+1Χ, όπου n = 1,2,3..., ο αριθμός ατόμων του άνθρακα της ένωσης, X αλογόνο, δηλαδή φθόριο (F), χλώριο (Cl), βρώμιο (Br ή ιώδιο (I). Το αστάτιο (At) θεωρητικά δεν αποκλείεται, αλλά τα αλκυλοαστατίδια ουσιαστικά δεν έχουν μελετηθεί και επιπλέον, λόγω της σχετικά μικρής ηλεκτραρνητικότητάς του είναι αμφίβολο, αν κάποτε υπάρξουν, ότι θα συμπεριφέρονται όμοια με τα υπόλοιπα αλκυλαλογονίδια. Θεωρητικά προέρχονται από τα αλκάνια, αν αντικατασταθεί ένα (1) άτομο υδρογόνου τους από ένα (1) άτομο αλογόνου. Συνοπτικά συμβολίζονται και με RX. Αποτελούν ένα υποσύνολο της ευρύτερης κατηγορίας των αλυδρογονανθράκων (C_xH_y-zX_z), αν και υπάρχουν εγχειρίδια δεν γίνεται καθόλου τέτοια διάκριση. Τα αλκάνια χρησιμοποιούνται ευρύτατα και για εμπορικούς σκοπούς και γι' αυτό πολλά από αυτά είναι σε ευρύτερο κοινό γνωστά με διαφορετικές εμπορικές ή και μη συστηματικές (κατά IUPAC) χημικές ονομασίες. Ανάλογα με τις ιδιότητές τους, χρησιμοποιούνται ως ψυκτικά υγρά, προωθητικά υγραέρια, διαλύτες και φαρμακευτικά προϊόντα. Παρ' όλο που χρησιμοποιούνται ευρύτατα και για εμπορικούς σκοπούς, πολλά αλαλκάνια είναι επίσης σημαντικοί τοξικά ή και περιβαντολλογικοί ρυπαντές. Ιδιαίτερα οι «φθοροχλωράνθρακες» (εννοούνται γενικότερα και οι φθοροχλωρούδρογονάνθρακες, όχι μόνο τα αντίστοιχα αλκυλαλογονίδια) έχουν γίνει πασίγνωστοι ως υπεύθυνοι για την «καταστροφή του στρατοσφαιρικού στρώματος του όζοντος». Επίσης, το βρωμομεθάνιο και το ιωδομεθάνιο χρησιμοποιήθηκαν ως αμφιλεγόμενα υποκαπνιστικά. Μόνο τα αλαλκάνια που περιέχουν χλώριο ή βρώμιο είναι επικίνδυνα για το στρατοσφαιρικό στρώμα του όζοντος. Όμως και τα αέρια φθοραλκάνια (ή και οι ατμοί τους) έχουν δράση ως αέρια του θερμοκηπίου, και άρα ούτε αυτά είναι «αθώα». Τα αλαλκάνια είναι γνωστά εδώ και αρκετούς αιώνες. Το χλωραιθάνιο είναι γνωστό ότι παράχθηκε συνθετικά από τον 15ο αιώνα. Ωστόσο, η συστηματική σύνθεση τέτοιων ενώσεων αναπτύχθηκε κατά τον 19ο αιώνα, ως ένα βήμα στην ανάπτυξη της οργανικής χημείας και της κατανόησης της δομής των αλκανίων. Αναπτύχθηκαν μέθοδοι για την επιλεκτική δημιουργία δεσμών C-X. Ειδικότερα, πολύπλευροι μέθοδοι περιλαμβάνουν την προσθήκη υδραλογόνων σε αλκένια και τη μετατροπή αλκανολών σε αλαλκάνια. Αυτές οι μέθοδοι είναι τόσο αξιόπιστες και τόαο εύχρηστες, ώστε τα αλαλκάνια έγιναν (σχετικά) οικονομικά διαθέσιμα για τη χημική βιομηχανία, γιατί επιπλέον τα αλογόνα των αλαλκανίων μπορούν με τη σειρά τους να υποκατασταθούν από μεγάλο εύρος άλλων λειτουργικών ομάδων.

Παρ' όλο που τα περισσότερα αλαλκάνια είναι ανθρωπογενή, υπάρχουν και μη τεχνητά αλαλκάνια στη φύση της Γης, τα περισσότερα από τα οποία συνθέτονται από ένζυμα βακτηριδίων και ειδικότερα αλγών. Έχουν ταυτοποιηθεί πάνω από 1.600 αλογονούχες οργανικές ενώσεις που παράγονται από ζωντανούς οργανισμούς της Γης, από τις οποίες τα βρωμαλκάνια είναι τα πιο συνηθισμένα, ανάμεσα στα αλαλκάνια που ανήκουν σ' αυτές (τις παραπάνω αναφερόμενες ενώσεις). Οι βιογικά παραγώμενες αλογονούχες οργανικές ενώσεις έχουν ένα εύρος πολυπλοκότητας από το βρωμομεθάνιο ως αλογονούχες ακόρεστες ή και αρωματικές ενώσεις. Αλογονούχες οργανικές ενώσεις που παράγονται από φυτά της ξηράς είναι πολύ σπάνιες, αλλά υπάρχουν. Για παράδειγμα το φθοραιθανικό οξύ είναι μια τοξίνη που παράγεται από τουλάχιστον 40 γνωστά είδη φυτών. Είναι ακόμη γνωστές δεαλογονάσες, δηλαδή ειδικά βακτηριακά ένζυμα που απομακρύνουν άτομα αλογόνων από αλογονούγες οργανικές ενώσεις. Τα αλαλκάνια έχουν ένα ευρύ διαφέρον επειδή είναι ευρέως διαδεδομένες και έχουν μια ποικίλα ευεργετικών αλλά και επιβλαβών επιπτώσεων. Οι ωκεανοί τις Γης εκτιμάται ότι εκλύουν 1 - 2 εκατομμύρια τόνους βρωμομεθανίου ετησίως.

Ταξινόμηση των αλκυλαλογονιδίων

΄Ενα κριτήριο ταξινόμησης των αλκυλαλογονιδίων είναι η δομή τους. Σύμφωνα με αυτό, τα αλκυλαλογονίδια ταξινομούνται ως εξής:

1. Πρωτοταγή ονομάζονται τα αλκυλαλογονίδια στα οποία το άτομο του αλογόνου τους ενώνεται με πρωτοταγές (1^ο) άτομο άνθρακα, δηλαδή άτομο άνθρακα που συνδέεται το πολύ με ένα (1) άλλο άτομο άνθρακα. Π.χ. το φθορομεθάνιο.
2. Δευτεροταγή ονομάζονται τα αλκυλαλογονίδια στα οποία το άτομο του αλογόνου τους ενώνεται με δευτεροταγές (2^ο) άτομο άνθρακα, δηλαδή άτομο άνθρακα που συνδέεται με δύο (2) άλλα άτομα άνθρακα. Π.χ. το 2-φθοροπροπάνιο.
3. Τριτοταγή ονομάζονται τα αλκυλαλογονίδια στα οποία το άτομο του αλογόνου τους ενώνεται με τριοταγές (2^ο) άτομο άνθρακα, δηλαδή άτομο άνθρακα που συνδέεται με τρία (3) άλλα άτομα άνθρακα. Π.χ. το μεθυλο-2-φθοροπροπάνιο.

Ένα άλλο κριτήριο ταξινόμησης των αλκυλαλογονιδίων είναι το είδος του αλογόνου που περιέχουν. Σύμφωνα με αυτό, τα αλκυλαλογονίδια ταξινομούνται ως εξής:

1. Φθοραλκάνια ονομάζονται τα αλκυλαλογονίδια που περιέχουν φθόριο. Π.χ. το φθορομεθάνιο.
2. Χλωραλκάνια ονομάζονται τα αλκυλαλογονίδια που περιέχουν χλώριο. Π.χ. το χλωρομεθάνιο.
3. Βρωμαλκάνια ονομάζονται τα αλκυλαλογονίδια που περιέχουν βρώμιο. Π.χ. το βρωμομεθάνιο.
4. Ιωδαλκάνια ονομάζονται τα αλκυλαλογονίδια που περιέχουν ιώδιο. Π.χ. το ιωδομεθάνιο.

Ονοματολογία

Η συστηματική ονοματολογία (δηλαδή ονοματολογία κατά IUPAC) κατά των αλαλκανίων ακολουθεί την κατά IUPAC ονοματολογία των αντίστοιχων αλκανίων, με τη διαφορά ότι το χαρακτηριστικό για το αλογόνο τους πρόθεμα («φθορο-», «χλωρο-», «βρωμο-» ή «ιωδο-») τίθεται μπροστά από το όνομα της «κύριας» ανθρακικής αλυσίδας, μαζί με τα προθέματα των διακλαδώσεων αυτής, αν υπάρχουν. Αν τα προθέματα αυτά είναι συνολικά περισσότερα από ένα (1), η σειρά τοποθέτησής τους, στην τελική συνολική συστηματική ονομασία της ένωσης, καθορίζεται από την αλφαβητική τους σειρά. Ωστόσο, για πολλές από αυτές τις ενώσεις υπάρχον και «εμπειρικά» ονόματα, δηλαδή ονομασίες που τους δόθηκαν πριν από την καθιέρωση της συστηματικής ονοματολογίας, αλλά πολλές από αυτές τις ονομασίες, επιβιώνουν σε χρήση ως τις μέρες μας. Π.χ. για το φθορομεθάνιο υπάρχει η ονομασία «μεθυλοφθορίδιο».

Παραγωγή

Τα αλαλκάνια μπορούν να παραχθούν πρακτικά (άμεσα ή έμμεσα) από όλες τις οργανικές ενώσεις. Ωστόσο, οι πιο σημαντικές (ιδίως) για τη βιομηχανία πρώτες ύλες για την παραγωγή αλαλκανίων είναι κυρίως τα αλκάνια και τα αλκένια και δευτερευγόντως αλκοόλες. Πιο σπάνια, αξιοποιούνται και άλλες δυνατότητες.

Από αλκάνια

Τα αλκάνια (RH ή C_vH_2v+2) αντιδρούν με τα αλογόνα (X₂) με το μηχανισμό της αλογόνωσηε με ελεύθερες ρίζες. Σύμφωνα με το μηχανισμό αυτόν, αρχικά το μόριο του αλογόνου διασπάται:

$\mathrm {X_{2}{\xrightarrow[{\triangle }]{UV}}2X^{\bullet }}$

Για να πραγματοποιηθεί, αυτή η αντίδραση διάσπασης, απαιτεί σημαντική ποσότητα ενέργειας, που συνήθως προέρχεται από υπεριώδες φως ή και θερμότητα (ειδικότερα το ιώδιο επιρεάζεται σχεδόν μόνο από τη θερμότητα). Η παραγωγή των ελεύθερων ριζών αλογόνου αποτελεί την «έναρξη» της συνολικής αντίδρασης αλογόνωσης των αλκανίων. Οι παραγώμενες αυτές ελεύθερες ρίζες είναι πολύ ασταθείς και επομένως πολύ δραστικές, με αποτέλεσμα το φαινόμενο παραγωγής τους να μπορεί να «διαδίδεται», όταν αυτές συναντούν κάποιο ουδέτερο μόριο. Πιο συγκεκριμένα, έχουμε τις ακόλουθες «αντιδράσεις διάδωσης ελευθέρων ριζών»:

$\mathrm {RH+X^{\bullet }{\xrightarrow {}}R^{\bullet }+HX}$
$\mathrm {R^{\bullet }+X_{2}{\xrightarrow {}}RX+X^{\bullet }}$

Σε ένα μικρότερο βαθμό, κάποια από τα παραγώμενα μόρια αλαλκανίων (RX ή C_vH_2v+1X), προλαβαίνουν να συμμετάσχουν στην αντίδραση διάδωσης:

$\mathrm {C_{v}H_{2v+1}X+X^{\bullet }{\xrightarrow {}}C_{v}H_{2v}X^{\bullet }+HX}$
$\mathrm {C_{v}H_{2v}X^{\bullet }+X_{2}{\xrightarrow {}}C_{v}H_{2v}X_{2}+X^{\bullet }}$

Ομοίως παράγονται σε ολοένα μικρότερο βαθμό πολυαλαλκάνια με ακόμη περισσότερα άτομα αλογόνου ανά μόριο. Ο βαθμός παραγωγής τους ελαττώνεται και για λόγους κινητικούς, επειδή έχουν ολοένα μικρότερη συγκέντρωση και λιγότερο διαθέσιμο χρόνο αντίδρασης, αλλά και γιατί ότι οι ρίζες C_vH_2vX^● (και ακόμη περισσότερο οι πολυαλογονούχες) είναι ακόμη πιο ασταθείς από τις C_vH_2v+1^●. Η σχετική σημασία της κινητικότητας και της σταθερότητας των ριζών εξαρτώνται από το είδος του αλογόνου. Τα ελαφρύτερα αλογόνα, δηλασή το φθόριο και το χλώριο, είναι περισσότερο «κινητικά», δηλαδή αντιδρούν γρήγορα και γι' αυτά έχει μεγαλύτερη σημασία η διαθέσιμη συγκέντρωση των αντίστοιχων αντιδρόντων, ενώ το βρώμιο και το ιώδιο, είναι περισσότερο «εκλεκτικά», δηλαδή αντιδρούν πιο αργά και πιο εκλεκτικά, και γι' αυτά έχει μεγαλύτερη σημασία η σταθερότητα των ριζών με τις οποίες αντιδρούν. Η συγκέντρωση των πολυαλααλκανίων, αν είναι ανεπιθύμητη, μπορεί να περιοριστεί με τη χρήση περίσσειας αλκανίου, δηλαδή ποσότητας αλκανίου μεγαλύτερης από την απαραίτητη στοιχειομετρικά. Έτσι αυξάνεται η σχετική πιθανότητα συνάντησης μορίων RH με X^● και μειώνεται η αντίστοιχη RX και X^●, εφόσον οι ρίζες X^● καταναλώνονται με μεγαλύτερη (σχετικά) ταχύτητα. Πάντως, τελικά, η αντίδραση τερματίζεται, γιατί, έστω και στατιστικά πολύ πιο σπάνια, συναντιούνται και αντιδρούν μεταξύ τους ελεύθερες ρίζες. Αυτές είναι οι λεγόμενες «αντιδράσεις τερματισμού»:

$\mathrm {2X^{\bullet }{\xrightarrow {}}X_{2}}$
$\mathrm {R^{\bullet }+X^{\bullet }{\xrightarrow {}}RX}$
$\mathrm {2R^{\bullet }{\xrightarrow {}}R_{2}}$

Η συνολική αντίδραση αλογόνωσης αποδίδεται συνήθως με τη στοιχειομετρική εξίσωση:

$\mathrm {RH+X_{2}{\xrightarrow[{\triangle }]{UV}}RX+HX}$

Στην πραγματικότητα βέβαια, η παραπάνω εξίσωση αγνοεί την αναπόφευκτη συμπαραγωγή πολυλαλκανίων, καθώς και τις (τυχόν) ενδομοριακές αντιδράσεις μετάθεσης των ελευθέρων ριζών των αλκυλίων (R^●) και των αλαλκυλίων (C_vH_2vX^●), που οδηγούν στην παραγωγή παραπροϊόντων, που αν είναι ανεπιθύμητα, μερικές φορές είναι εφικτό να αφαιρεθούν από το μίγμα που προκύπτει με (κλασματική) απόσταξη. Ακόμη, στις περισσότερες περιπτώσεις από κάθε αλκάνιο (RH), μπορεί να προκύψει ένας αριθμός διαφορετικών αλκυλίων (R^●), ακόμη και αν δεν ληφθούν υπόψη και οι (τυχόν) ενδομοριακές αντιδράσεις μετάθεσης των ελευθέρων ριζών των αλκυλίων αυτών. Η κατανομή των πιθανότερων παραγώγων μπορεί σε ορισμένες περιπτώσεις να προβλεφθεί ικανοποιητικά και εξαρτάται και πάλι από το είδος του αλογόνου, τη συγκέντρωση κάθε πιθανού αλκυλίου που προκύπτει, αλλά και από τη σχετική σταθερότητά τους, ιδιαίτερα αν το αλογόνο είναι το βρώμιο ή το ιώδιο. Η δραστικότητα των διαφόρων αλογόνων διαφέρει σημαντικά. Οι σχετικές αναλογίες είναι οι ακόλουθες: φθόριο (108) > χλώριο (1) > βρώμιο (7·10^-11) > ιώδιο (2·10^-22). Έτσι, οι αντιδράσεις με το φθόριο είναι δύσκολο να ελεγχθούν και αποφεύγονται ως επικίνδυνες. Οι αντιδράσεις με το βρώμιο είναι αργές και απαιτούν μεγάλη ποσότητα και ισχύ υπεριώδους ακτινοβολίας για να παραχθούν, ενώ οι αντιδράσεις με το ιώδιο είναι πρακτικά ανύπαρκτες μόνο με ακτινοβολία και απαιτούν έντονη θέρμανση, γιατί είναι θερμοδυναμικά ασύμφορες.

Από αλκένια

Σε μια υδροαλογόνωση, ένα αλκένιο (π.χ. RCH=CH₂) αντιδρά με ξηρό υδραλογόνο (HX), παράγοντας ένα αλαλκάνιο. Ο διπλός δεμός του αλκενίου αντικαθίσταται με δυο (2) νέους απλούς δεσμούς, ένας (1) με το αλογόνο και ένας (1) με το υδρογόνο του υδραλογόνου. Κατά την προσθήκη αυτή ισχύει ο περιβόητος «κανόνας Markovnikov», σύμφωνα με τον οποίο το αλογόνο συνδέεται με το ηλεκτροθετικότερο τμήμα του μορίου του αλκενίου, δηλαδή εκείνο που συνδέεται με τις περισσότερες ανθρακούχες ομάδες. Είναι όμως δυνατή και η «αντι-Markovnikov προσθήκη», με τη χρήση υπεριώδους φωτός ή παρουσία υπεροξειδίων (ROOR):

$\mathrm {RCH=CH_{2}+HX{\xrightarrow {}}RCHXCH_{3}}$
$\mathrm {RCH=CH_{2}+HX{\xrightarrow {UV\;{\acute {\eta }}\;ROOR}}RCH_{2}CH_{2}X}$

Η πρώτη από τις παραπάνω αντιδράσεις είναι μια «ηλεκτρονιόφιλη προσθήκη». Η παρουσία νερού είναι ανεπιθύμητη σ' αυτήν την αντίδραση, γιατί μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή παραπροϊόντων, με αντίδραση προσθήκης ύδατος στο αλκένιο παράγοντας αλκοόλη (RCH(OH)CH₃). Έτσι, η αντίδραση συνήθως πραγματοποιείται σε (σχετικά) αδρανή διαλύτη, όπως ο τετραχλωράνθρακας (CCl₄) ή και κατευθείαν στην αέρια κατάσταση (αν βέβαια το χρησιμοποιούμενο αλκένιο είναι αέριο).

Ιδιότητες

Οι φυσικές ιδιότητες των αλαλκανίων γενικά μοιάζουν με εκείνες των αντίστοιχων («πατρικών») αλκανίων, εφόσον είναι άχρωμα, σχετικά άοσμα και υδρόφοβα. Τα σημεία βρασμού τους είναι υψηλότερα από τα αντίστοιχα αλκάνια και η διαφορά κλιμακώνεται ανάλογα με το ατομικό βάρος του περιεχόμενου σε αυτά αλογόνου. Αυτό οφείλεται λόγω της αύξησης της ισχύος των διαμοριακών δεσμών διπόλου και της αύξησης της πολικότητας (σε σύγκριση με τα αντίστοιχα αλκάνια, πάντα). Π.χ. το φθορομεθάνιο είναι αέριο, ενώ το ιωδομεθάνιο είναι υγρό (στις συνηθισμένες συνθήκες). Επιπλέον, επειδή περιέχουν λιγότερους δεσμούς C-H, είναι λιγότερο εύφλεκτα από τα αντίστοιχα αλκάνια. Τα αλαλκάνια είναι καλύτεροι διαλύτες από τα αντίστοιχα αλκάνια, εξαιτίας της μεγαλύτερης πολικότητάς τους (που επιτρέπει ισχυρότερους δεσμούς συνάφειας με τα διαλυόμενα σώματα). Τα αλαλκάνια, και ιδιαιτερα αυτά που δεν περιέχουν φθόριο, είναι πιο δραστικά σε σύγκριση με τα αντίστοιχα αλκάνια. Τα αλαλκάνια, με εξαίρεση τα φθοραλκάνια, που απαιτούν δραστικότερες συνθήκες για να δράσουν, είναι από τα κυριότερα αλκυλιωτικά μέσα. Οι δυνατότητες καταστροφής του στρατοσφαιρικού όζοντος από τα σλσλκάνια (εκτός των φθοραλκανίων), προέρχονται από την τη σχετική ευαισθησία για φωτόλυση των δεσμών C-Χ (και αντίστοιχα όχι των δεσμών C-F, που είναι πολύ σταθερότεροι).

Εφαρμογές

Δομή τεφλόν.

Ένας μεγάλος αριθμός φαρμακευτικών προϊόντων περιέχουν αλογόνα, και περισσότερο το φθόριο. Εκτιμάται ότι το 20% των φαμακευτικών προϊόντων περιέχει φθόριο, περιλαμβάνοντας αρκετά από τα ευρύτερα καταναλωνόμενα φάρμακα. Μερικά παραδείγματα περιλαβάνουν την 5-φθορουρακίλη, τη φλουοξετίνη (Prozac), την παροξετίνη (Paxil), την σιπροφλοξασίνη (Cipro), τη μεφλοκίνη και τη φλουκοναζόλη. Τα συγκριτικά οφέλη των σκευασμάτων αυτών προκύπτουν επειδή ο δεσμός C-F, που περιέχουν, είναι σχετικά αδρανής. Επίσης, χρησιμοποιούνται φθοροϋποκατεστημένοι αιθέρες ως πτητικά αναισθητικά, περιλαμβάνοντας τα εμπορικά προϊόντα μεθοξυφλουράνιο, ενφλουράνιο, ισοφλουράνιο, σεβοφλουράνιο και δεσφλουράνιο. Τα φθοροανθρακούχα αναισθητικά μειώνουν τον κίνδυνο της ευφλεκτότητας του διαιθυλαιθέρας και του κυκλοπροπανίου. Υπερφθορικά παράγωγα αλκανίων χρησιμοποιήθηκαν ως υποκατάστατα αίματος.

Χλωριούχα ή φθοριούχα αλαλκένια δίνουν πολυμερή. Σημαντικά αλογονούχα πολυμερή περιλαμβάνουν το πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC) και το τετραφθοραιθένιο (PTFE ή Teflon). Η παραγωγή αυτών των υλικών έχει ως συνέπεια την παραγωγή ποσοτήτων ρυπογόνων ουσιών.

Πηγές

1. SCHAUM'S OUTLINE SERIES, «ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ», Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
2. «Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας» Ν. Α. Πετάση 1982
3. Αναστάσιου Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», Παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
4. Καραγκιοζίδη Σ. Πολυχρόνη, «Ονοματολογία Οργανικών Ενώσεων στα Ελληνικά & Αγγλικά» Β΄ ΈκδοσηΘεσσαλονίκη 1991
5. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, «Γενική Οργανική Χημεία», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1985
6. Δημητρίου Ν. Νικολαΐδη, «Ειδικά Μαθήματα Οργανικής Χημείας», ΑΠΘ, θεσσαλονίκη 1983
7. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, Αναστάσιου Βάρβογλη, Φαίδωνα Χατζημηχαλάκη, «Εργαστηριακός Οδηγός», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1986
8. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, Αναστάσιου Βάρβογλη, Δημητρίου Ν. Νικολαΐδη: «Χημεία Ετεροκυκλικών Ενώσεων», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1985