הלואלקאן

כלורופורם, מההלואלקאנים המוכרים ביותר

הלואלקאנים (באנגלית ביחיד: Haloalkane) הם קבוצה של תרכובות אורגניות. ההלואלקאנים קרויים גם, בעיקר בספרות המיושנת, אלקיל-הלידים (Alkylhalides).

הלואלקאנים הם אלקאנים (פחמימנים רווים בעלי קשרים קוולנטיים יחידים בלבד) בעלי אטום הלוגן (כלור, ברום, פלואור או יוד) אחד או יותר. השם הלואלקאן מהווה שילוב של "הלוגן" ו"אלקאן". השם אלקיל-הליד מציג דרך נוספת להסתכלות על הלואלקאנים, שהרי הם מורכבים מקבוצת אלקיל (אלקאן נטול אטום מימן אחד) ומהליד (יון של אטום הלוגן). שמותיהם של ההלואלקאנים זהים לאלו של האלקאנים המקבילים, בתוספת תחילית המציינת את ההלוגן ואת מיקומו בשרשרת הפחמנית. אטום הלוגן כלשהו מסומן לעיתים קרובות באות X; הנוסחה הכללית RX מציין כל הלואלקאן שהוא.

1,2-דיברומו-3-כלורופרופאן

הלואלקאן עשוי להכיל יותר מאטום הלוגן אחד. כלורופורם, למשל, מקביל למתאן אך מכיל שלושה אטומי כלור. קבוצת החומרים הידועה כ-CFC, כלורופלואורופחמנים, כוללת הלואלקאנים בעלי אטומי כלור ופלואור יחדיו.

קיימים אלפים רבים של האלואלקאנים, מהם תרכובות בעלות חשיבות רבה בכימיה ובתעשייה. הלואלקאנים משמשים במקררים, במטפים לכיבוי אש, בתעשיית המוליכים למחצה וכממסים אורגניים.

סינתזה ותגובות

סינתזה

הלואלקאנים מעורבים במספר תגובות כימיות בסיסיות בכימיה האורגנית. ניתן לסנתז הלואלקאנים באמצעות תגובת התמרה רדיקלית בין אלקאן ובין תרכובת הלוגנית דו-אטומית. תגובה רדיקלית היא המנגנון היחידי האפשרי במקרה זה, כיוון שאלקאנים אינם מסוגלים להשתתף בתגובות קוטביות (הם אינם מכילים אטומים אלקטרושליליים או קשרים קוולנטיים כפולים או משולשים). כך, למשל, בתגובה פשוטה בין מתאן ובין גז כלור מתקבל כלורומתאן (CH₃Cl). המשך התגובה מביא להתמרת שאר אטומי המימן, בזה אחר זה, עד לקבלת התרכובת האי-אורגנית טטרהכלורומתאן (CCl₄).

אפשרות נוספת לסינתזת הלואלקאנים היא הלוגנציה של אלקנים. זוהי תגובת סיפוח אלקטרופילית: מולקולת ההלוגן משמשת כאלקטרופיל והקשר הכפול של האלקן משמש כנוקלאופיל. היות שמולקולת ההלוגן מורכבת משני אטומים זהים, הרי שהיא אינה קוטבית ואינה יכולה לשמש בפני עצמה כאלקטרופיל. כדי להתניע את התגובה יש לקטב את ההלוגן, זאת באמצעות קישורו למולקולה אחרת, בדרך כלל ברזל תלת-ברומי (FeBr₃).

הלוגנציה של אתן (אלקן) לקבלת 1,2-דיברומואתאן

בנוסף ניתן לסנתז הלואלקאנים באחת הדרכים הבאות:

• תגובת סיפוח אלקטרופילית בין תרכובת מימן-הלוגן (מימן כלורי, למשל) ובין אלקן. תגובה זו זהה להלוגנציה שהוזכרה לעיל, אך במקרה זה אין צורך לקטב את ההלוגן, שכן מימן-הלוגן מהווה תרכובת קוטבית. בסיפוח מימן-הלוגן לאלקן מתקיים כלל מרקובניקוב, הקובע לאיזה צד של הקשר הכפול יסתפח אטום המימן ולאיזה צד יסתפח ההלוגן. לכלל מרקובניקוב קיימים מספר יוצאים מן הכלל.
• תגובת התמרה נוקלאופילית בין מימן-הלוגן ובין כוהל. קבוצת ההידרוקסיל (OH) של הכוהל עוזבת את המולקולה וההלוגן נקשר במקומה.

תגובות

הלואלקאנים מהווים דוגמה קלאסית לאחת התגובות החשובות בכימיה האורגנית: התמרה נוקלאופילית. היות שלהלוגנים אלקטרושליליות גבוהה בהרבה משל פחמן, הקשר C-X קוטבי מאוד: אטום ההלוגן מושך את אלקטרוני הקשר אליו; סביב אטום ההלוגן נוצר מטען חשמלי חלקי שלילי, וסביב אטום הפחמן—מטען חיובי. ההלוגן מהווה, אם כן, נוקלאופיל, והפחמן—אלקטרופיל. הלואלקאנים מהווים יעד לתקיפה על ידי נוקלאופילים חיצוניים. הנוקלאופיל תוקף את אטום הפחמן האלקטרופילי וגורם לעזיבת ההלוגן:

התמרה נוקלאופילית של ברומואתאן לקבלת אתנול

לעיתים עוזב ביחד עם ההלוגן אטום מימן. מקרה זה מהווה תגובת אלימינציה ומביא לקבלת אלקן; האלקטרונים ששימשו לקשירת ההלוגן והמימן מתאחדים ליצירת קשר קוולנטי כפול:

תגובת אלימינציה; חומר המוצא הוא 2-כלורו-2-מתיל פרופאן והתוצר הוא 2-מתיל פרופן

בדומה לתגובת ההתמרה הרדיקלית, המביאה ליצירת הלואלקאן מאלקאן ומגז הלוגני, תיתכן התגובה ההפוכה, בה הלואלקאן מתפצל לרדיקל אלקיל ולרדיקל הלוגני. תגובה זו היא הגורם העיקרי להידלדלות שכבת האוזון. תרכובות CFC (כלורופלואורופחמנים) שמקורן בתעשייה ובתרסיסים (דאודורנטים, למשל) מרחפות בצורה גזית באטמוספירה. קרינת UV מהשמש גורמת לתגובת פיצול רדיקלית; הרדיקלים ההלוגניים שנוצרים תוקפים את האוזון ומביאים לפירוקו למולקולת חמצן דו-אטומית ולאטום חמצן חופשי. בסיום התגובה הרדיקלית נוצר רדיקל ההלוגן מחדש, כך שהוא אינו מתכלה במשך זמן רב (עד שהוא נפגש במקרה עם רדיקל הלוגני אחר ויוצר מולקולה דו-אטומית); מולקולת CFC בודדה מסוגלת, אם כן, לפרק אלפי מולקולות של אוזון. השימוש בתרכובות CFC הוגבל בשנים האחרונות בצורה ניכרת, וכיום קיימים להם תחליפים רבים.