Хлорорганическое соединение, хлоруглерод или хлорированный углеводород, - это органическое вещество, содержащее по крайней мере один ковалентно связанный атом хлора, который влияет на химическое поведение молекулы. Класс хлоралканов (алканы с одним или несколькими атомами водорода, замещенными хлором) дает общие примеры. Широкое структурное разнообразие и различные химические свойства хлорорганических соединений приводят к широкому спектру названий и областей применения. Органохлориды являются очень полезными веществами во многих областях применения, но некоторые из них представляют серьезную экологическую проблему.
Влияние на свойства
Хлорирование изменяет физические свойства углеводородов несколькими способами. Соединения, как правило, более плотные, чем вода, из-за более высокого атомного веса хлора по сравнению с водородом. Алифатические органохлориды являются алкилирующими агентами, потому что хлорид является уходящей группой.
Определение хлорорганических соединений
Многие такие соединения были выделены из природных источников, от бактерий до людей. Хлорированные органические соединения содержатся почти в каждом классе биомолекул, включая алкалоиды, терпены, аминокислоты, флавоноиды, стероиды и жирные кислоты. Органохлориды, включая диоксины, образуются в высокотемпературной среде лесных пожаров, а диоксины были обнаружены в сохранившемся пепле пожаров, вызванных молнией, которые предшествовали синтетическим диоксинам.
Кроме того, различные простые хлорированные углеводороды, включая дихлорметан, хлороформ и четыреххлористый углерод, были выделены из морских водорослей. Большая часть хлорметана в окружающей среде образуется естественным путем в результате биологического разложения, лесных пожаров и вулканов. Широко известны и хлорорганические соединения в нефти (по ГОСТу - Р 52247-2004).
Эпибатидин
Природный хлорорганический эпибатидин, алкалоид, выделенный из древесных лягушек, обладает сильным обезболивающим действием и стимулирует исследования новых обезболивающих препаратов. Лягушки получают эпибатидин через пищу, а затем изолируют его на коже. Вероятными источниками пищи являются жуки, муравьи, клещи и мухи.
Алканы
Алканы и арилалканы могут быть хлорированы в условиях свободных радикалов с ультрафиолетовым излучением. Однако степень хлорирования трудно контролировать. Арилхлориды могут быть получены галогенированием Фриделя-Крафтса с использованием хлора и кислотного катализатора Льюиса. Методы определения хлорорганических соединений включают в себя в том числе и применение этого катализатора. Другие методы также упомянуты в статье.
Реакция галоформа с использованием хлора и гидроксида натрия также способна генерировать алкилгалогениды из метилкетонов и родственных соединений. Хлороформ ранее производился таким образом.
Хлор добавляет к множественным связям алкены и алкины, давая ди- или тетрахлорсоединения.
Алкилхлориды
Алкилхлориды являются универсальными строительными блоками в органической химии. Хотя алкилбромиды и йодиды являются более реакционноспособными, алкилхлориды менее дорогие и более доступные. Алкилхлориды легко подвергаются атаке нуклеофилов.
Нагревание алкилгалогенидов с гидроксидом натрия или водой дает спирты. Реакция с алкоксидами или ароксидами дает эфиры в синтезе эфира Уильямсона; реакции с тиолами дают тиоэфиры. Алкилхлориды легко вступают в реакцию с аминами с образованием замещенных аминов. Алкилхлориды замещены более мягкими галогенидами, такими как йодид, в реакции Финкельштейна.
Также возможна реакция с другими псевдогалогенидами, такими как азид, цианид и тиоцианат. В присутствии сильного основания алкилхлориды подвергаются дегидрогалогенированию с образованием алкенов или алкинов.
Алкилхлориды реагируют с магнием с образованием реактивов Гриньяра, превращая электрофильное соединение в нуклеофильное. Реакция Вюрца восстанавливающим образом соединяет два алкилгалогенида с натрием.
Применение
Крупнейшим применением хлорорганической химии является производство винилхлорида. Годовой объем производства в 1985 году составил около 13 миллиардов килограммов, почти все из которых были преобразованы в поливинилхлорид (ПВХ). Определение хлорорганических соединений (по ГОСТу) является процессом, который невозможно совершить без специального стандартизованного оборудования.
Большинство низкомолекулярных хлорированных углеводородов, таких как хлороформ, дихлорметан, дихлорэтан и трихлорэтан, являются полезными растворителями. Эти растворители имеют тенденцию быть относительно неполярными; поэтому они не смешиваются с водой и эффективны при очистке, такой как обезжиривание и химическая чистка. Эта очистка также относится к методам определения хлорорганических соединений (нефть и другие вещества очень богаты этими соединениями).
Наиболее важным является дихлорметан, который в основном используется в качестве растворителя. Хлорметан является предшественником хлорсиланов и силиконов. Исторически значимым, но меньшим по масштабу является хлороформ, в основном предшественник хлордифторметана (CHClF2) и тетрафторэтена, который используется при производстве тефлона.
Двумя основными группами хлорорганических инсектицидов являются вещества типа ДДТ и хлорированные алициклические растворы. Механизм их действия немного отличается от хлорорганических соединений в нефти.
ДДТ-подобные соединения
ДДТ-подобные вещества воздействуют на периферическую нервную систему. В натриевом канале аксона они предотвращают закрытие ворот после активации и деполяризации мембраны. Ионы натрия просачиваются через нервную мембрану и создают дестабилизирующий отрицательный «постпотенциал» с повышенной возбудимостью нерва. Эта утечка вызывает повторные разряды в нейроне либо спонтанно, либо после одного стимула.
Хлорированные циклодиены включают альдрин, дильдрин, эндрин, гептахлор, хлордан и эндосульфан. Длительность воздействия от 2 до 8 часов приводит к снижению активности центральной нервной системы (ЦНС), за которой следуют повышенная возбудимость, тремор, а затем приступы. Механизм действия заключается в связывании инсектицидов на участке ГАМК в комплексе ионофоров хлорида гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), который препятствует поступлению хлорида в нерв.
Другие примеры включают дикофол, мирекс, кепон и пентахлорфенол. Они могут быть либо гидрофильными, либо гидрофобными, в зависимости от их молекулярной структуры.
Дифенилы
Полихлорированные дифенилы (ПХД) когда-то были широко используемыми электрическими изоляторами и теплоносителями. Их использование, как правило, было прекращено из-за проблем со здоровьем. ПХБ были заменены полибромированными дифениловыми эфирами (ПБДЭ), которые вызывают аналогичные проблемы с токсичностью и биоаккумуляцией.
Некоторые типы хлорорганических соединений обладают значительной токсичностью для растений или животных, включая человека. Диоксины, образующиеся при сжигании органических веществ в присутствии хлора, являются стойкими органическими загрязнителями, которые представляют опасность при их выбросе в окружающую среду, как и некоторые инсектициды (такие как ДДТ).
Например, ДДТ, который широко использовался для борьбы с насекомыми в середине 20-го века, также накапливается в пищевых цепях, как и его метаболиты DDE и DDD, и вызывает проблемы с репродуктивной системой (например, истончение яичной скорлупы) у некоторых видов птиц. Некоторые соединения такого типа, такие как серная горчица, азотная горчица и люизит, даже используются в качестве химического оружия из-за своей токсичности.
Интоксикация хлорорганическими соединениями
Однако наличие хлора в органическом соединении не обеспечивает токсичность. Некоторые органохлориды считаются достаточно безопасными для употребления в пищу и лекарства. Например, горох и бобы содержат природный хлорированный растительный гормон 4-хлориндол-3-уксусную кислоту и подсластитель сукралоза (Splenda) широко используются в диетических продуктах.
По состоянию на 2004 год по крайней мере 165 органохлоридов были одобрены во всем мире для использования в качестве фармацевтических препаратов, включая природный антибиотик ванкомицин, антигистамин лоратадин (кларитин), антидепрессант сертралин (золофт), антиэпилептический ламотриджин (ламиктал) и ингаляционные препараты. анестетик изофлуран. Знать эти соединения обязательно для определения хлорорганических соединений в нефти (по ГОСТу).
Выводы ученых
Рэйчел Карсон представила общественности вопрос о токсичности пестицидов ДДТ в своей книге «Тихая весна» 1962 года. Несмотря на то, что во многих странах прекращено использование некоторых видов хлорорганических соединений, таких как запрет США на ДДТ, стойкие ДДТ, ПХБ и другие остатки хлорорганических соединений по-прежнему обнаруживаются у людей и млекопитающих по всей планете через много лет после того, как производство и использование были ограничены.
В арктических районах особенно высокие уровни встречаются у морских млекопитающих. Эти химические вещества концентрируются у млекопитающих и даже содержатся в грудном молоке человека. У некоторых видов морских млекопитающих, особенно тех, которые производят молоко с высоким содержанием жира, у самцов, как правило, гораздо более высокие уровни, так как самки снижают концентрацию, передавая вещества потомству в результате лактации. Также эти вещества могут находиться в нефти, что важно учитывать во время определения хлорорганических соединений в нефти (по ГОСТу). Обычно это касается пестицидов, хотя может также относиться к любому соединению такого типа.
Хлорорганические пестициды можно классифицировать по их молекулярным структурам. Циклопентадиеновые пестициды представляют собой алифатические циклические структуры, полученные в результате реакций Пентахлорциклопентадиена Дильса-Альдера, и включают хлордан, нонахлор, гептахлор, эпоксид гептахлора, дильдрин, альдрин, эндрин, мирекс и кепон. Другими подклассами хлорорганических пестицидов являются семейство ДДТ и изомеры гексахлорциклогексана. Все эти пестициды имеют низкую растворимость и летучесть и устойчивы к процессам разрушения в окружающей среде. Их токсичность и стойкость в окружающей среде привели к их ограничению или приостановке для большинства видов применения в Соединенных Штатах.
Пестициды
Хлорорганические пестициды очень эффективны для уничтожения вредителей, особенно насекомых. Но многие из этих химических продуктов негативно воспринимаются экологическими активистами и потребителями из-за одного хорошо известного и ныне запрещенного хлорорганического пестицида: дихлордифенилтрихорэтана, более известного как ДДТ.
Хлорорганические пестициды относятся к химическим веществам с углеродом, хлором и водородом. Как пояснила Служба рыбного хозяйства и дикой природы США, хлор-углеродные связи особенно прочны, что не позволяет этим химическим веществам быстро разрушаться или растворяться в воде. Химическое вещество также привлекает жир и накапливается в жировой ткани животных, которые его потребляют.
Долговечность химического состава хлорорганических пестицидов является одной из причин, по которой он так же эффективен, как и инсектицид, и потенциально вреден - он может защищать сельскохозяйственные культуры в течение длительного времени, но также может оставаться в организме животного.
Наряду с ДДТ агентство по охране окружающей среды США запретило использование других хлорорганических пестицидов, таких как альдрин, дильдрин, гептахлор, мирекс, хлордекон и хлордан. В Европе аналогичным образом запрещены многие хлорорганические пестициды, но в обоих этих регионах хлорорганические химические вещества по-прежнему являются активными ингредиентами в ряде продуктов для борьбы с вредителями в домашних условиях, в саду и в окружающей среде, согласно данным EPA. Хлорорганические пестициды также чрезвычайно популярны в развивающихся странах по всему миру для использования в сельском хозяйстве.
Независимо от того, исследуете ли вы сельскохозяйственные угодья, чтобы убедиться, что они все еще заполнены летними хлорорганическими пестицидами, или осматриваете воду на наличие хлорорганических соединений, тестирование - лучший способ узнать, есть ли эти химические вещества рядом с вами. EPA методы 8250A и 8270B могут быть использованы для проверки этих химических веществ. 8250A может тестировать отходы, почву и воду, в то время как 8270B использует газовую хроматографию/масс-спектрометрию (ГХ/МС).
Хотя хлорорганические пестициды наиболее известны тем, что они наносят ущерб способности некоторых птиц откладывать здоровые яйца, известно, что эти химические вещества негативно влияют на людей, которые потребляют или вдыхают пестициды. Случайное вдыхание или употребление загрязненной рыбы или тканей животных является наиболее вероятным способом проглатывания хлорорганических пестицидов. Чтобы подтвердить, что кто-то имеет признаки отравления хлорорганическим соединением, кровь или мочу обычно отправляют в университет или государственное учреждение, которое использует ГХ/МС для проверки химических соединений.
Признаки отравления
Предупреждающие признаки токсичности хлорорганических пестицидов включают судороги, галлюцинации, кашель, кожную сыпь, рвоту, боль в животе, головные боли, спутанность сознания и, возможно, дыхательную недостаточность согласно Мэтью Вонгу, доктору философии, доктору философии, и медицинскому центру Beth Israel Deaconess, Medscape. Хотя в США и Европе существуют запреты на многие из этих пестицидов, их использование в других частях света и хранение в некоторых частях США и Европы создают ситуации, когда отравления хлорорганическими соединениями все еще возможны.
Хлорорганические пестициды включают в себя большое количество стойких химических веществ, которые являются одновременно эффективными и несут значительный риск по всему миру.
Хотя галогенированные органические соединения относительно редки по природе по сравнению с негалогенированными, многие такие соединения были выделены из природных источников, от бактерий до людей. Существуют примеры природных хлорсодержащих соединений, обнаруживаемых почти в каждом классе биомолекул, включая алкалоиды, терпены, аминокислоты, флавоноиды, стероиды и жирные кислоты.
Органохлориды, в том числе диоксины, образуются в высокотемпературной среде лесных пожаров, а диоксины были обнаружены в сохранившемся пепле пожаров, вызванных молнией, которые предшествовали синтетическим диоксинам. Кроме того, различные простые хлорированные углеводороды, включая дихлорметан, хлороформ и четыреххлористый углерод, были выделены из морских водорослей.
Большая часть хлорметана в окружающей среде образуется естественным путем в результате биологического разложения, лесных пожаров и вулканов. Природный хлорорганический эпибатидин, алкалоид, выделенный из древесных лягушек, обладает сильным обезболивающим действием и стимулирует исследования новых обезболивающих препаратов.
Диоксины
Некоторые типы хлорорганических соединений обладают значительной токсичностью для растений или животных, включая человека. Диоксины, образующиеся при сжигании органических веществ в присутствии хлора, и некоторые инсектициды, такие как ДДТ, являются стойкими органическими загрязнителями, которые представляют опасность для окружающей среды. Например, чрезмерное использование ДДТ в середине двадцатого века, которое накапливается у животных, привело к серьезному сокращению популяций некоторых птиц. Хлорированные растворители при неправильном обращении с ними и их утилизации создают проблемы с загрязнением подземных вод.
Некоторые органохлориды, такие как фосген, даже использовались в качестве боевых отравляющих веществ. Некоторые из искусственно созданных и токсичных органохлоридов, таких как ДДТ, будут накапливаться в организме с каждым воздействием, что в конечном итоге приведет к смертельному количеству, потому что организм не может их разрушить или избавиться от них. Однако присутствие хлора в органическом соединении никоим образом не обеспечивает токсичность. Многие хлорорганические соединения достаточно безопасны для употребления в пищу и лекарства.
Например, горох и бобы содержат природный хлорированный растительный гормон 4-хлориндол-3-уксусную кислоту (4-Cl-IAA) и подсластитель сукралоза (Splenda) широко используются в диетических продуктах. По состоянию на 2004 год во всем мире было одобрено, по меньшей мере, 165 хлорорганических соединений для применения в качестве фармацевтических препаратов, включая антигистамин лоратадин (кларитин), антидепрессант сертралин (золофт), антиэпилептический ламотриджин (ламиктал) и ингаляционный анестетик изофлуран.
Открытие Рэйчел Карсон
Книгой «Безмолвная весна» (1962 года) Рэйчел Карсон обратила внимание общественности на проблему токсичности хлорорганических соединений. В то время как многие страны прекратили использование некоторых типов этих соединений (таких как запрет США на ДДТ в результате работы Карсона), стойкие органохлориды продолжают наблюдаться у людей и млекопитающих по всей планете на потенциально опасных уровнях спустя много лет после производства. Их использование было ограничено.
Хлорорганические соединения (по ГОСТу) входят в список веществ, опасных для человека.
