Арилгалогені́д (також відомий як галогенаре́н) – це ароматична сполука, в якій один або кілька атомів водню, безпосередньо зв'язаних з ароматичним кільцем, заміщені атомом галогену (таким як фтор, хлор, бром або йод). Арилгалогеніди суттєво відрізняються від галогеналканів (алкілгалогенідів) за методами їх отримання, хімічною реакційною здатністю та фізичними властивостями. Найпоширенішими та найважливішими представниками цього класу є арилхлориди, проте група охоплює широкий спектр похідних, які знаходять різноманітне застосування в органічному синтезі, фармацевтиці та матеріалознавстві.
Класифікація за типом галогену Арилфториди Арилфториди використовуються як проміжні продукти в органічному синтезі, зокрема для отримання фармацевтичних препаратів, пестицидів та рідких кристалів. Перетворення солей діазонію є добре вивченим і надійним шляхом добування арилфторидів. Таким чином, аніліни виступають вихідними речовинами для їхнього синтезу. У класичній реакції Шимана донором фторид-іонів є тетрафторборат: [C6H5N2+]BF4- -> C6H5F + N2 + BF3 У деяких випадках використовують безпосередньо фторидну сіль: [C6H5N2+]F- -> C6H5F + N2
Багато промислових арилфторидів добувають з арилхлоридів за допомогою реакції галогенного обміну. Цей метод часто застосовують для арилхлоридів, які також містять електроноакцепторні групи. Прикладом є синтез 2-фторнітробензену з 2-нітрохлоробензену: O2NC6H4Cl + KF -> O2NC6H4F + KCl
Арилхлориди Арилхлориди – це арилгалогеніди, які виробляються в найбільших промислових масштабах: лише в США обсяг виробництва становив 150 000 тонн на рік (станом на 1994 рік). Наразі рівні виробництва знижуються через екологічні застереження. Хлоробензени використовуються переважно як розчинники.
Головним методом синтезу є галогенування Фріделя — Крафтса (або «пряме хлорування»). Ці реакції каталізуються кислотами Льюїса, наприклад, хлоридом заліза(III). Цим шляхом добувають наймасовіший у виробництві арилгалогенід — хлоробензен: C6H6 + Cl2 -> C6H5Cl + HCl
Монохлорування бензену супроводжується утворенням похідних дихлоробензену. Арени з електронодонорними групами реагують із галогенами навіть за відсутності кислот Льюїса. Наприклад, феноли та аніліни швидко реагують із хлорною та бромною водою з утворенням багатогалогенованих продуктів. Описано багато детальних лабораторних методик їхнього отримання. Для похідних алкілбензенів (наприклад, толуену) за умов вільнорадикального заміщення галогенування зазвичай відбувається в алкільні замісники, тоді як за наявності кислот Льюїса переважає галогенування в ядро. Знебарвлення бромної води під дією електроннозбагачених аренів використовується як якісна реакція на ці сполуки (бромна проба).
Оксихлорування бензену також є добре вивченим процесом; інтерес до нього зумовлений прагненням уникнути утворення побічного продукту HCl, який виділяється під час прямого галогенування: 4 C6H6 + 4 HCl + O2 -> 4 C6H5Cl + 2 H2O Проте ця технологія не набула широкого промислового застосування.
Реакція Гаттермана також може бути використана для перетворення солей діазонію на хлоробензени за допомогою реагентів на основі міді. Через високу вартість солей діазонію цей метод застосовують виключно для синтезу спеціальних (малотоннажних) хлоридів.
Арилброміди Основними арилбромідами, які виробляються в промислових масштабах, є тетрабромфталевий ангідрид, декабромодифеніловий ефір та тетрабромбісфенол-А. Ці речовини використовуються як антипірени (уповільнювачі горіння). Їх добувають шляхом прямого бромування фенолів та арилових ефірів. Фталевий ангідрид має низьку реакційну здатність щодо брому, що вимагає використання кислих середовищ для проведення реакції.
Реакція Гаттермана також може бути використана для перетворення солей діазонію на бромобензени за допомогою реагентів на основі міді. Через високу вартість солей діазонію цей метод застосовують виключно для синтезу спеціальних (малотоннажних) бромідів.
Арилйодиди Синтетичні арилйодиди використовуються як рентгеноконтрастний препарат, проте в інших сферах ці сполуки не мають великого промислового масштабу виробництва. Арилйодиди є «легкими» субстратами для багатьох процесів, таких як реакції перехресного сполучення та перетворення на реактиви Гріньяра, але вони значно дорожчі за легші й менш реакційноздатні арилхлориди та арилброміди.
Арилйодиди можна добути шляхом обробки солей діазонію солями йодидної кислоти. Електроннобагаті арени, такі як аніліни та диметоксипохідні, здатні реагувати з йодом безпосередньо.
Ариллітієві сполуки та арильні реактиви Гріньяра реагують із йодом з утворенням відповідного арилгалогеніду: ArLi + I2 -> ArI + LiI
Цей метод є універсальним і застосовним для добування будь-яких арилгалогенідів. Його основним обмеженням є те, що більшість (хоча й не всі) ариллітієвих реагентів та реактивів Гріньяра самі добуваються з інших арилгалогенідів.
Класифікація за типом арильної групи Галогенобензени та їхні похідні Хоча термін «арилгалогенід» включає галогеновані похідні будь-яких ароматичних сполук, найчастіше під ним мають на увазі галогенбензени – тобто специфічно галогеновані похідні бензену. До груп галогенобензенів належать фторобензени, хлоробензени, бромобензени та йодобензени, а також змішані галогенобензени, які містять щонайменше два різні типи галогенів, зв'язаних з одним бензеновим кільцем. Окрім цього, існує велика кількість інших похідних галогенобензенів.
Галогенопіридини Галогенопіридини є похідними ароматичної сполуки піридину. До цієї групи належать, зокрема, хлоропіридини та бромопіридини. Хлоропіридини є важливими проміжними продуктами у синтезі фармацевтичних препаратів та агрохімікатів.
Галогеновані нафталени Галогеновані нафталени є похідними нафталену. Поліхлоровані нафталени широко використовувалися з 1930-х по 1950-ті роки у виробництві кабелів та конденсаторів завдяки їхнім ізоляційним, гідрофобним і вогнестійким властивостям. Однак згодом їхнє використання в цій сфері було припинено через токсичність, стійкість до впливу навколишнього середовища та впровадження нових матеріалів.
Арилгалогеніди в природі Гормони щитоподібної залози трийодтиронін (T3) та тироксин (T4) є природними арилйодидами. Тироксин (T4), який є тетрайодидом, біосинтезується шляхом електрофільного йодування похідного тирозину. Синтетичний T4 (левотироксин) є одним із найпопулярніших лікарських препаратів за кількістю виписаних рецептів у США.
Багато хлорованих і бромованих ароматичних сполук виробляються морськими організмами. Джерелом цих галогенів є хлорид- та бромід-іони, що містяться в океанічній воді. Різноманітні пероксидазні ферменти (наприклад, бромопероксидаза) каталізують утворення цих природних арилхлоридів та арилбромідів. Значна їх частина є похідними електронозбагачених кілець, які входять до складу тирозину, триптофану та різних піролів. Деякі з цих природних арилгалогенідів виявляють корисні медичні властивості.
Структурні закономірності Довжини зв'язків C–X в арилгалогенідах змінюються відповідно до очікуваних закономірностей. Для фторобензену, хлоробензену, бромобензену та метил-4-йодобензоату ці відстані становлять 135,6(4), 173,90(23), 189,8(1) та 209,9 пм відповідно.
Хімічні властивості Реакції заміщення На відміну від типових алкілгалогенідів, арилгалогеніди зазвичай не беруть участі у класичних реакціях заміщення. Проте арилгалогеніди, що містять електроноакцепторні групи в орто- та пара-положеннях, можуть вступати в реакції нуклеофільного ароматичного заміщення (SNAr). Наприклад, 2,4-динітрохлоробензен реагує в лужному розчині з утворенням відповідного фенолу.
На відміну від більшості інших реакцій заміщення, у цьому випадку фторид є найкращою відхідною групою, а йодид – найгіршою. Стаття 2018 року вказує на те, що така ситуація насправді може бути досить поширеною і характерною для систем, які раніше вважалися такими, що проходять за механізмом SNAr, тоді як насправді вони відбуваються шляхом узгодженого заміщення.
Бензин Під дією сильних основ деякі арилгалогеніди часто реагують через утворення проміжної сполуки – бензину (дегідробензену). Бензин є проміжним продуктом у реакції хлоробензену з такими сильноосновними реагентами, як амід калію, що відбувається навіть за температури −33 °C. Він також бере участь у процесі перетворення хлоробензену на фенол за допомогою гідроксиду натрію, який вимагає високих температур.
Утворення металоорганічних реагентів Арилгалогеніди реагують із металами, зазвичай із літієм або магнієм, з утворенням металоорганічних похідних, які виступають джерелами арильних аніонів. За допомогою реакції металогалогенного обміну арилгалогеніди перетворюються на ариллітієві сполуки. Прикладом цього є отримання феніллітію з бромобензену з використанням н-бутиллітію: C6H5Br + BuLi → C6H5Li + BuBr
Пряме утворення реактивів Гріньяра шляхом додавання магнію до арилгалогеніду в етерному розчині проходить успішно, якщо ароматичне кільце не є суттєво дезактивованим електроноакцепторними групами.
Інші реакції Галогеніди можуть витіснятися сильними нуклеофілами в реакціях за участю радикальних аніонів (механізм SRN1). Крім того, арилгалогеніди, особливо броміди та йодиди, здатні вступати в реакції окисного приєднання, і тому є субстратами в реакціях типу амінування за Бухвальдом — Гартвігом.
Біодеградація Rhodococcus phenolicus – це вид бактерій, здатних розкладати дихлоробензен як єдине джерело вуглецю.
Застосування
Арилгалогенідами, що виробляються в найбільших масштабах, є хлоробензен та ізомери дихлоробензену. Одним із головних, але нині припинених застосувань було використання хлоробензену як розчинника для диспергування гербіциду «Лассо». Загалом, виробництво арилхлоридів (а також похідних нафталіну) скорочується починаючи з 1980-х років, зокрема через екологічні застереження. З хлоробензену також отримують трифенілфосфін: 3 C6H5Cl + PCl3 + 6 Na → P(C6H5)3 + 6 NaCl
Деякі відомі гербіциди є арилхлоридами.
Кілька похідних хлоробензену використовуються як пігменти та барвникиK. Hunger. W. Herbst "Pigments, Organic" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2012. .
Арилброміди широко використовуються як антипірени (інгібітори горіння). Відомим представником цієї групи є тетрабромбісфенол-А, який отримують прямим бромуванням дифенолу.
Примітки