Χλωραιθένιο

Το χλωραιθένιο είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα, υδρογόνο και χλώριο, με χημικό τύπο C2H3Cl, αλλά συχνά αποδίδεται με το σύντομο συντακτικό τύπο CH2=CHCl. Ανήκει στην ομόλογη σειρά των αλαλκενίων, δηλαδή στους άκυκλους με ένα διπλό δεσμό αλυδρογονάνθρακες. Το καθαρό χλωραιθένιο, στις «συνηθισμένες συνθήκες», δηλαδή θερμοκρασία 25°C και πίεση 1 atm, είναι άχρωμο αέριο με γλυκιά οσμή. Είναι πολύ τοξικό, εύφλεκτο και καρκινογόνο. Είναι σημαντική για τη βιομηχανία ένωση, της οποίας η κύρια χρήση είναι να πολυμερίζεται για την παραγωγή του πολυβινυλοχλωρίδιου (PVC). Περίπου 13 εκατομμύρια τόννοι χλωραιθενίου παράγονται κάθε χρόνο παγκοσμίως. Το χλωραιθένιο είναι ανάμεσα στα πρώτα 20 σε παραγωγή πετροχημικά στον πλανήτη μας. Οι ΗΠΑ παραμένουν προς το παρόν η χώρα με τη μεγαλύτερη παραγωγή χλωραιθενίου, γιατί έχει διαθέσιμες χαμηλού κόστους πρώτες ύλες για την παραγωγή του, δηλαδή χλώριο και αιθένιο. Η Κίνα είναι επίσης ένας μεγάλος παραγωγός, αλλά και ένας από τους μεγαλύτερους καταναλωτές χλωραιθενίου. Εκτός από την άμεση ανθρωπογενή παραγωγή του, μπορεί να παραχθεί στο περιβάλλον, όταν εδαφικοί οργανισμοί βιοδιασπούν διάφορες χλωριούχες οργανικές ενώσεις. Το χλωραιθένιο που εκλύεται από τις βιομηχανίες παραγωγής ή κατανάλωσής του ή παράγεται στο περιβάλλον από βιοδιάσπαση άλλων χλωριούχων οργανικών ενώσεων μπορεί στη συνέχεια να ρυπάνει την ατμόσφαιρα ή και τον υδροφόρο ορίζοντα. Το χλωραιθένιο είναι ένας συνηθισμένος ρυπαντής που βρίσκεται κοντά σε χωματερές. Στο παρελθόν χρησιμοποιήθηκε και ως ψυκτικό.

 Η ονομασία «χλωραιθένιο» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα: Η ονομασία διαιρείται σε δύο (2) κύρια τμήματα: Το δεξί αναφέρεται στη δομή της «κύριας ανθρακικής» αλυσίδας που φέρει την «κύρια χαρακτητιστική ομάδα», εφόσον υπάρχει και προβλέπεται γι' αυτήν χαρακτηριστική κατάληξη, ενώ το αριστερό στους «υποκαταστάτες» (δηλαδή τυχόν «δευτερεύουσες χαρακτηριστικές ομάδες» ή και κύριες χαρακτηριστικές ομάδες για τις οποίες δεν έχουν προβλεφθεί χαρακτηριστικές καταλήξεις) ή και τις «διακλαδώσεις» (δηλαδή τυχόν δευτερεύουσες ανθρακικές αλυσίδες). Στη συγκεκριμένη ένωση, υπάρχει το αρχικό πρόθεμα «χλωρ(ο)-» που δηλώνει την ύπαρξη ενός (1) ατόμου χλωρίου ως κύριας χαρακτηριστικής ομάδας αλλά χωρίς προβλεπόμενη κατάληξη. Ως προς το τμήμα που αφορά την κύρια ανθρακική αλυσιδα ισχύουν τα ακόλουθα: το πρόθεμα «αιθ-» δηλώνει την παρουσία δύο (2) ατόμων άνθρακα ανά μόριο της ένωσης, το ενδιάμεσο «-εν-» δείχνει την παρουσία ενός (1) διπλού δεσμού μεταξύ ατόμων άνθρακα στο μόριο και η κατάληξη «-ιο» φανερώνει ότι δεν περιέχει κύρια χαρακτηριστική ομάδα και προβλεπόμενη χαρακτηριστική κατάληξη. Το χλωραιθένιο παρασκευάστηκε για πρώτη φορά το 1835 από τον Γιούστας φον Λίεμπιγκ (Justus von Liebig') και το φοιτητή του (Χένρι Βίκτορ Ρεγκνάλτ) (Henri Victor Regnault). Το παρήγαγαν με επίδραση αλκολούχου διαλύματος (CH3CH2OH) υδροξειδίου του καλίου (ΚΟΗ) σε 1,2-διχλωραιθένιο. Το 1912 ο Φρανς Κλάττε (Frans Klatte), ένας Γερμανός χημικός που εργαζόταν για την εταιρεία Griesheim-Elektron, κατωχήρωσε ως πατέντα την παραγωγή χλωραιθινίου με επίδραση υδροχλωρίου (HCl) σε αιθίνιο (HC ≡ CH), χρησιμοποιώντας χλωριούχο υδράργυρο (HgCl2) ως καταλύτη. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε ευρύτατα κατά τις δεκαετίες 1930-1940. Μετά θεωρήθηκε πιο συμφέρουσα (οικονομικά) η προηγούμενη μέθοδος, που βασίζεται έμμεσα στο αιθένιο (CH2=CH2), τουλάχιστον στο Δυτικό κόσμο. Ωστόσο, η μέθοδος παραγωγής χλωραιθινίου από αιθίνιο παραμένει η κύρια μέθοδος παραγωγής στην Κίνα. Έχει επίπεδη μοριακή μορφή, ανάλογη με εκείνη του αιθενίου, αν και είναι μη συμμετρικό, γιατί ο δεσμός C-Cl έχει διαφορετικό μήκος δεσμού από το δεσμό C-H. Το χλωραιθένιο παραγόταν σε μια κλίμακα της τάξης των 31,1 τόννων παγκοσμίως το 2000. Οι δυο μέθοδοι που χρησιμοποιούνται, για τη βιομηχανική του παραγωγή, είναι με υδροχλωρίωση αιθινίου και με αφυδροχλωρίωση 1,2-διχλωραιθάνιου, που με τη σειρά του παράγεται από αιθένιο και χλώριο. Πολυάριθμες απόπειρες έχουν γίνει για την απευθείας μετατροπή αιθανίου σε χλωραιθένιο. Το χλωραιθένιο μπορεί επίσης να παραληφθεί ως παραπροϊόν της σύνθεσης φθοροχλωρανθράκων, όταν κορεσμένοι φθοροχλωράνθρακες αποχλωριώνονται καταλυτικά από αιθένιο. Η θειοχλωρίωση αιθανίου έχει προταθεί ως μια παραγωγική οδός χλωραιθενίου, που χρησιμοποιεί θείο αντι για οξυγόνο. Περίπου το 95% του χλωραιθενίου παράγετάι με ένα σύνολο αντιδράσεων που ξεκινά από χλώριο, αιθένιο και αέρα. Δυο διεργασίες χρησιμοποιούνται για την παραγωγή 1,2-διχλωραιθανίου (EDC). Η αναμενόμενη κατανάλωση πρώτων υλών ανά τόννο χλωραιθενίου είναι οι ακόλουθες: Απευθείας χλωρίωση Το 1,2-διχλωραιθάνιο παράγεται με αντίδραση αιθενίου και χλωρίου, παρουσία τριχλωριούχου σιδήρου ως καταλύτη. Οι παραπάνω ενώσεις (αιθένιο και χλώριο) αντιδρούν εξώθερμα: Η παραπάνω διεργασία καταλήγει σε υψηλής καθαρότητας 1,2-διχλωραιθάνιο, σε υψηλή απόδοση. Ο διαλυμμένος καταλύτης και η υγρασία πρέπει να αφαιρεθούν πριν το 1,2-διχλωραιθάνιο μπει στη διεργασία παραγωγής χλωραιθενίου. Οξυχλωρίωση αιθενίου Οι μονάδες παραγωγής χλωραιθενίου χρησιμοποιούν, ακόμη, ανακυκλωμένο υδροχλώριο για την παραγωγή περισσότερου 1,2-διχλωραιθανίου με οξυχλωρίωση, που εμπλέκει σε αντίδραση αιθένιο, οξυγόνο και υδροχλώριο, πάνω από διχλωριούχο χαλκό, ως καταλύτη: Η αντίδραση είναι πολύ εξώθερμη. Εξαιτίας του σχετικά μικρότερου κόστους του αιθενίου, σε σύγκριση με το αιθίνιο, το περισσότερο χλωραιθένιο παράγονταν με αυτήν την τεχνική από τα τέλη της δεκαετίας του 1950. Αυτό παρά τη μικρότερη απόδοση, τη χαμηλότερη καθαρότητα και το υψηλότερο κόστος διαχείρησης αποβλήτων. Τα παραπροϊόντα της αντίδρασης οξυχλωρίωσης μπορούν να ανακτηθούν, ως παράγουσες ύλες για παραγωγή χλωριούχων διαλυτών. Ένα χρήσιμο προϊόν της οξυχλωρίωσης αιθενίου είναι το χλωραιθάνιο, που χρησιμοποιήθηκε ως τοπικό αναισθητικό. Με μερική υδροχλωρίωση αιθινίου παράγεται βινυλοχλωρίδιο: Με απόσπαση ενός ατόμου υδραλογόνου από 1-αλο-1-χλωροαιθάνιο ή 1-αλο-2-χλωροαιθάνιο, όπου το άλλο αλογόνο δεν πρέπει να είναι φθόριο, παράγεται βινυλοχλωρίδιο: Αν το άλλο αλογόνο είναι φθόριο παράγεται βινυλοφθορίδιο, γιατί το χλώριο αποσπάται πρώτο. Η βιομηχανία συνήθως χρησιμοποιεί ως πρώτη ύλη το 1,2-διχλωραιθάνιο, το οποίο παράγει προσθήκη χλωρίου σε αιθένιο, που αποτελεί την κύρια οργανική πρώτη ύλη της, τουλάχιστον μεταπολεμικά. Μια βιομηχανική παραλλαγή είναι η θερμική (αντί χημική με NaOH) απόσπαση υδροχλωρίου από 1,2-διχλωροαιθάνιο: Με ενδομοριακή αφυδάτωση 2-χλωροαιθανόλης παράγεται βινυλοχλωρίδιο. Η αντίδραση ευνοείται σε σχετικά υψηηλές θερμοκρασίες, >150 °C: Με απόσπαση αλογόνου (X2) από 1,2-διαλο-1-χλωροαιθάνιο παράγεται βινυλοχλωρίδιο. Τα άλλα αλογόνα δεν πρέπrι να είναι φθόριο: Με μερική καταλυτική υδρογόνωση χλωροαιθινίου παράγεται βινυλοχλωρίδιο Παρέχει δυνατότητες προσθήκης στο διπλό του δεσμό, όσο και προσθήκης ή απόσπασης με το αλογόνο του, αν και το οποίο είναι το δεύτερο χειρότερο (μετά το φθόριο για τέτοιες αντιδράσεις. Ενυδάτωση 1. Επίδραση θειικού οξέος και στη συνέχεια νερού (ενυδάτωση). Παράγεται αιθανάλη: Αρχικά παράγεται 1-χλωροαιθανόλη που αφυδροχλωριώνεται παράγοντας αιθενόλη, η οποία τελικά ισομερειώνεται σε αιθανάλη.2. Υδροβορίωση και στη συνέχεια επίδραση με υπεροξείδιο του υδρογόνου. Παράγεται τρι(2-χλωροαιθυλο)βοράνιο και στη συνέχεια 2-χλωροαιθανόλη: Προσθήκη διβορανίου έχει το ίδιο αποτέλεσμα.3. Αντίδραση με οξικό υδράργυρο και έπειτα αναγωγή, αρχικά παράγεται 1-χλωροαιθανόλη που αφυδροχλωριώνεται παράγοντας αιθενόλη, η οποία τελικά ισομερειώνεται σε αιθανάλη: 4. Υπάρχει ακόμη η δυνατότητα αλλυλικής υδροξυλίωσης κατά Prins με επίδραση αλδευδών ή κετονών σε αιθένιο απουσία νερού. Π.χ. με μεθανάλη προκύπτει 2-χλωροπροπεν-2-όλη-1: Προσθήκη υποαλογονώδους οξέως Με επίδραση (προσθήκη) υποαλογονώδους οξέος (HOX) σε βινυλοχλωρίδιο παράγεται αλαιθανάλη: Το HOX παράγεται συνήθως επιτόπου με την αντίδραση: Αρχικά παράγεται 2-αλο-1-χλωροαιθανόλη που αφυδροφθοριώνεται παράγοντας 2-αλοαιθενόλη, η οποία τελικά ισομερειώνεται σε αλοαιθανάλη. Καταλυτική υδρογόνωση Με καταλυτική υδρογόνωση βινυλοχλωριδίου σχηματίζεται αιθυλοχλωρίδιο. Π.χ.: Αλογόνωση Με επίδραση αλογόνου (X2) (αλογόνωση) σε βινυλοχλωρίδιο έχουμε προσθήκη στο διπλό δεσμό. Παράγεται 1,2-διαλο-1-χλωροαιθάνιο. Π.χ.: Υδραλογόνωση Με προσθήκη υδραλογόνων (HX) (υδραλογόνωση) σε βινυλοχλωρίδιο παράγεται 1-αλο-1-χλωροαιθάνιο: Υδροκυάνωση Με προσθήκη υδροκυανίου (HCN) (υδροκυάνωση) σε βινυλοχλωρίδιο παράγεται 2-χλωροπροπανονιτρίλιο: Καταλυτική φορμυλίωση Με προσθήκη μεθανάλης (CO + H2) σε βινυλοχλωρίδιο παράγεται μίγμα 2-χλωροπροπανάλης και 3-χλωροπροπανάλης. Π.χ.: Τα παραπάνω μέταλλα που αναφέρονται στη θέση του καταλύτη χρησιμοποιούνται με τη μορφή συμπλόκων τους και όχι σε μεταλλική μορφή. Όπου x ∈ [ 0 , 1 ] {\displaystyle \mathrm {x\in [0,1]} } . Εξαρτάται απο την επιλογή του καταλύτη. Οι σχετικά ογκώδεις καταλύτες ευνοούν το δεύτερο παραγωγο. Διυδροξυλίωση Η διυδροξυλίωση προπενίου, αντιστοιχεί σε προσθήκη H2O2: 1. Επίδραση αραιού διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου. Παράγει υδροξυαιθανάλη: 2. Επίδραση καρβονικού οξέος και υπεροξείδιου του υδρογόνου. Παράγει υδροξυαιθανάλη: 3. Μέθοδος Sharpless. Παράγει υδροξυαιθανάλη: 4. Μέθοδος Woodward. Παράγει προπανοδιόλη-1,2: Στις μεθόδους 1-4 παράγεται αρχικά 1-χλωροαιθανοδιόλη-1,2 που αφυδροχλωριώνεται σχηματίζοντας αιθενοδιόλη-1,2 που με τη σειρά της ισομερειώνεται σε υδροξυαιθανάλη.5. Υπάρχει ακόμη δυνατότητα για 1,3-διυδροξυλίωση με επίδραση αλδευδών ή κετονών σε βινυλοχλωρίδιο, παρουσία νερού. Αντίδραση Prins. Π.χ. με μεθανάλη παράγεται 2-χλωροπροπανοδιόλη-1,3: Οζονόλυση Με επίδραση όζοντος (οζονόλυση) σε προπένιο, παράγεται ασταθές οζονίδιο που τελικά διασπάται σε μεθανάλη και φορμυλοχλωρίδιο: Επίδραση πυκνού υπερμαγγανικού καλίου Με επίδραση πυκνού διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου (KMnO4) παράγονται μεθανικό οξύ και χλωρομεθανικό οξύ: Πολυμερισμός Διακρίνονται τα ακόλουθα είδη πολυμερισμού βινυλοχλωρίδιο, που όλα παράγουν πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC): 1. Κατιονικός. Π.χ.: 2.. Ελευθέρων ριζών. Π.χ.: Όπου v ο βαθμός πολυμερισμού. Υποκατάσταση από υδροξύλιο Υδρόλυση με διάλυμα υδροξειδίου του αργύρου (AgOH) προς αιθανάλη (CH3OH): Αρχικά σχηματίζεται αιθενόλη που ισομερειώνεται προς αιθανάλη. Υποκατάσταση από αλκοξύλιο Με αλκοολικά άλατα (RONa) προς αλκυλβινυλυλαιθέρα (CH2=CHOR): Υποκατάσταση από αλκινύλιο Με αλκινικά άλατα (RC≡CNa) προς αλκενίνιο (RC≡CCH3). Π.χ.: Υποκατάσταση από ακύλιο Με καρβονικά άλατα (RCOONa) προς καρβονικό βινυλεστέρα (RCOOCH=CH2): Υποκατάσταση από κυάνιο Με κυανιούχο νάτριο (NaCN) προς προπενονιτρίλιο (CH2=CHCN): Υποκατάσταση από αλκύλιο Με αλκυλολίθιο (RLi) προς αλκένιο: Υποκατάσταση από σουλφυδρύλιο Με όξινο θειούχο νάτριο (NaSH) προς αιθανοθειάλη (CH3CHS): Αρχικά παράγεται αιθενοθειόλη που ισομερειώνεται προς αιθανοθειάλη. Υποκατάσταση από αλκυλοσουλφύλιο Με θειολικό νάτριο (RSNa) προς αλκυλβινυλοθειαιθέρα (RSCH=CH2): Υποκατάσταση από φωσφύλιο Με φωσφίνη (PH3) προς βινυλοφωσφίνη (CH2=CHPH2): Υποκατάσταση από νιτροομάδα Με νιτρώδη άργυρο (AgNO2) προς νιτροαιθένιο (CH2=CHNO2): Υποκατάσταση από φαινύλιο Με βινυλίωση κατά Friedel-Crafts βενζολίου παράγεται στυρόλιο: Υποκατάσταση από μέταλλα 1. Με λίθιο (Li). Παράγεται βινυλολίθιο: 2. Με μαγνήσιο (Mg) (αντιδραστήριο Grignard): Απόσπαση του υδροχλωρίου Με επίδραση διαλύματος υδροξειδίου του νατρίου (NaOH) σε αλκοόλη αφυδροχλωριώνεται προς αιθίνιο: Γ. Βάρβογλη, Ν. Αλεξάνδρου, Οργανική Χημεία, Αθήνα 1972 Α. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991 SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999 Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982