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Compuestos halogenados

A-Level Química · Topic 15 · ⁨Tema 15⁩

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7:31

Compuestos halogenados

Presiona el botón de una lata de spray para congeladora, y tu piel se adormece con frío. Adentro hay un halogenoalcano: un alcano con un átomo de halógeno en lugar de uno…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Narración en inglés · Subtítulos en inglés + 中文 quemados en pantalla⁩

15.1

Halogenoalkanes · ⁨Halogenoalcanos⁩

Syllabus
English
  1. recall the reactions (reagents and conditions) by which halogenoalkanes can be produced: (a) the free-radical substitution of alkanes by $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in the presence of ultraviolet light, as exemplified by the reactions of ethane (b) electrophilic addition of an alkene with a halogen, $\text{X}_2$, or hydrogen halide, $\text{HX(g)}$, at room temperature (c) substitution of an alcohol, e.g. by reaction with $\text{HX(g)}$; or with $\text{KCl}$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ or concentrated $\text{H}_3\text{PO}_4$; or with $\text{PCl}_3$ and heat; or with $\text{PCl}_5$; or with $\text{SOCl}_2$
  2. classify halogenoalkanes into primary, secondary and tertiary
  3. describe the following nucleophilic substitution reactions: (a) the reaction with $\text{NaOH(aq)}$ and heat to produce an alcohol (b) the reaction with $\text{KCN}$ in ethanol and heat to produce a nitrile (c) the reaction with $\text{NH}_3$ in ethanol heated under pressure to produce an amine (d) the reaction with aqueous silver nitrate in ethanol as a method of identifying the halogen present as exemplified by bromoethane
  4. describe the elimination reaction with $\text{NaOH}$ in ethanol and heat to produce an alkene as exemplified by bromoethane
  5. describe the $\text{S}_\text{N}1$ and $\text{S}_\text{N}2$ mechanisms of nucleophilic substitution in halogenoalkanes including the inductive effects of alkyl groups
  6. recall that primary halogenoalkanes tend to react via the $\text{S}_\text{N}2$ mechanism; tertiary halogenoalkanes via the $\text{S}_\text{N}1$ mechanism; and secondary halogenoalkanes by a mixture of the two, depending on structure
  7. describe and explain the different reactivities of halogenoalkanes (with particular reference to the relative strengths of the C–X bonds as exemplified by the reactions of halogenoalkanes with aqueous silver nitrates)
Español
  1. Recordar las reacciones (reactivos y condiciones) mediante las cuales se pueden obtener haluroalcanos: (a) la sustitución de radicales libres de alcanos por $\text{Cl}_2$ o $\text{Br}_2$ en presencia de luz ultravioleta, ejemplificada por las reacciones del etano; (b) la adición electrofílica de un alqueno con un halógeno, $\text{X}_2$, o un haluro de hidrógeno, $\text{HX(g)}$, a temperatura ambiente; (c) la sustitución de un alcohol, p. ej., mediante reacción con $\text{HX(g)}$; o con $\text{KCl}$ y ácido sulfúrico concentrado ($\text{H}_2\text{SO}_4$) o ácido fosfórico concentrado ($\text{H}_3\text{PO}_4$); o con $\text{PCl}_3$ y calor; o con $\text{PCl}_5$; o con $\text{SOCl}_2$.
  2. Clasificar los haluroalcanos en primarios, secundarios y terciarios.
  3. Describir las siguientes reacciones de sustitución nucleofílica: (a) la reacción con $\text{NaOH(aq)}$ y calor para producir un alcohol; (b) la reacción con $\text{KCN}$ en etanol y calor para producir un nitrilo; (c) la reacción con $\text{NH}_3$ en etanol calentado bajo presión para producir una amina; (d) la reacción con nitrato de plata acuoso en etanol como método para identificar el halógeno presente, ejemplificado por el bromoetano.
  4. Describir la reacción de eliminación con $\text{NaOH}$ en etanol y calor para producir un alqueno, ejemplificada por el bromoetano.
  5. Describir los mecanismos $\text{S}_\text{N}1$ y $\text{S}_\text{N}2$ de sustitución nucleofílica en haluroalcanos, incluyendo los efectos inductivos de los grupos alquilo.
  6. Recordar que los haluroalcanos primarios tienden a reaccionar a través del mecanismo $\text{S}_\text{N}2$; los haluroalcanos terciarios, a través del mecanismo $\text{S}_\text{N}1$; y los haluroalcanos secundarios, mediante una mezcla de ambos, dependiendo de la estructura.
  7. Describir y explicar las diferentes reactividades de los haluroalcanos (con referencia particular a las fuerzas relativas de los enlaces C–X, ejemplificadas por las reacciones de haluroalcanos con nitratos de plata acuosos).

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Fuente: Plan de estudios Cambridge International⁩

English

A halogenoalkane 卤代烷 is an alkane with one or more halogen atoms in place of hydrogen (a C–X bond, where X is a halogen).

Making halogenoalkanes

  • free-radical substitution 自由基取代 of an alkane with $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in ultraviolet light.
  • electrophilic addition 亲电加成 of an alkene with a halogen $\text{X}_2$ or a hydrogen halide $\text{HX}$.
  • substitution of an alcohol 醇, for example by $\text{HX}$, by $\text{PCl}_5$, by $\text{PCl}_3$ with heat, or by $\text{SOCl}_2$.

Three classes

A halogenoalkane is primary 伯, secondary 仲 or tertiary 叔, depending on how many carbon atoms are joined to the carbon that holds the halogen (one, two or three).

Español

Un halogenoalcano 卤代烷 es un alcano con uno o más átomos de halógeno en lugar de hidrógeno (un enlace C–X, donde X es un halógeno).

Una lata de spray congelante liberando un vapor frío de halogenoalcano
Los halogenoalcanos volátiles se usaban anteriormente como refrigerantes y propulsores de aerosoles

Síntesis de halogenoalcanos

  • Sustitución por radicales libres 自由基取代 de un alcano con $\text{Cl}_2$ o $\text{Br}_2$ bajo luz ultravioleta.
  • Adición electrofílica 亲电加成 de un alqueno con un halógeno $\text{X}_2$ o un haluro de hidrógeno $\text{HX}$.
  • Sustitución de un alcohol 醇, por ejemplo mediante $\text{HX}$, $\text{PCl}_5$, $\text{PCl}_3$ con calor, o $\text{SOCl}_2$.

Tres clases

Un halogenoalcano es primario 伯, secundario 仲 o terciario 叔, dependiendo de cuántos átomos de carbono están unidos al carbono que porta el halógeno (uno, dos o tres).

Tres estructuras con el carbono que sostiene el bromo resaltado: primario con un carbono unido, secundario con dos, terciario con tres
Halogenoalcanos primarios, secundarios y terciarios, definidos por cuántos carbonos están unidos al carbono portador del halógeno
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English · ⁨Inglés⁩ Chinese · ⁨Chino⁩ Pinyin
halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ 卤代烷 lǔ dài wán
free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 自由基取代 zì yóu jī qǔ dài
electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 亲电加成 qīn diàn jiā chéng
alcohol/ˈælkəhɒl/ 醇 chún
primary/ˈpraɪməri/ 伯 bó
secondary/ˈsekəndəri/ 仲 zhòng
tertiary/ˈtɜːʃjəri/ 叔 shū
nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 亲核取代 qīn hé qǔ dài
nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/ 亲核试剂 qīn hé shì jì
nitrile/ˈnaɪtraɪl/ 腈 jīng
amine/ˈæmaɪn/ 胺 àn
silver nitrate/ˈsɪlvə ˈnaɪtreɪt/ 硝酸银 xiāo suān yín
precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/ 沉淀 chén diàn
15.1

Nucleophilic substitution · ⁨Sustitución nucleofílica⁩

English

The C–X bond is polar, so the carbon is slightly positive. A nucleophilic substitution 亲核取代 happens when a nucleophile 亲核试剂 (a lone-pair species) attacks that carbon and replaces the halogen.

Reagent and conditions Product
$\text{NaOH(aq)}$, heat an alcohol
$\text{KCN}$ in ethanol, heat a nitrile 腈 (adds one carbon to the chain)
$\text{NH}_3$ in ethanol, heated under pressure an amine 胺

To identify the halogen, warm the halogenoalkane with silver nitrate 硝酸银 in ethanol. A silver halide precipitate 沉淀 forms, and its colour shows which halogen is present (white $\text{AgCl}$, cream $\text{AgBr}$, yellow $\text{AgI}$).

Español

El enlace C–X es polar, por lo que el carbono tiene una carga parcial positiva. Una sustitución nucleofílica 亲核取代 ocurre cuando un nucleófilo 亲核试剂 (una especie con par solitario) ataca a ese carbono y reemplaza al halógeno.

Un matraz de fondo redondo con líquido hirviendo con un condensador vertical devolviendo el vapor
Muchas reacciones de halogenoalcanos se realizan calentando la mezcla bajo reflujo
Reactivo y condiciones Producto
$\text{NaOH(aq)}$, calor un alcohol
$\text{KCN}$ en etanol, calor un nitrilo 腈 (añade un carbono a la cadena)
$\text{NH}_3$ en etanol, calentado a presión una amina 胺
Un evaporador rotatorio: un matraz redondo con solución girando en un baño de agua caliente, con el vapor del solvente condensándose en un matraz receptor separado
Un evaporador rotatorio elimina el disolvente bajo presión reducida —el paso posterior a la reacción—

Para identificar el halógeno, caliente el halogenoalcano con nitrato de plata 硝酸银 en etanol. Se forma un precipitado 沉淀 de haluro de plata, y su color indica qué halógeno está presente (blanco $\text{AgCl}$, crema $\text{AgBr}$, amarillo $\text{AgI}$).

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Sustitución nucleofílica

Un nucleófilo reemplaza al grupo saliente en un haloalcano.

15.1

Elimination · ⁨Eliminación⁩

English

The same halogenoalkane can instead undergo elimination 消去 to form an alkene 烯烃. The conditions decide which reaction wins:

  • $\text{NaOH}$ in water → nucleophilic substitution → an alcohol.
  • $\text{NaOH}$ in ethanol, heated → elimination → an alkene.
$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$
Español

El mismo halogenoalcano puede someterse en cambio a eliminación 消去 para formar un alqueno 烯烃. Las condiciones determinan cuál reacción prevalece:

  • $\text{NaOH}$ en agua → sustitución nucleofílica → un alcohol.
  • $\text{NaOH}$ en etanol, con calor → eliminación → un alqueno.
$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$
Un diagrama ramificado: bromoetano con hidróxido de sodio acuoso da un alcohol por sustitución, pero con hidróxido de sodio en etanol da un alqueno por eliminación
Mismo halogenoalcano: NaOH en agua sustituye para dar un alcohol, mientras que NaOH en etanol (con calor) elimina para dar un alqueno
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English · ⁨Inglés⁩ Chinese · ⁨Chino⁩ Pinyin
elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ 消去 xiāo qù
alkene/ˈælkiːn/ 烯烃 xī tīng
15.1

The S$_\text{N}$1 and S$_\text{N}$2 mechanisms · ⁨Mecanismos S$_\text{N}$1 and S$_\text{N}$2⁩

English

Nucleophilic substitution can follow two routes:

  • S$_\text{N}$2: one step. The nucleophile attacks at the same time as the halogen leaves, passing through a crowded transition state 过渡态 where both are half-bonded. The rate depends on both the halogenoalkane and the nucleophile.
  • S$_\text{N}$1: two steps. First the C–X bond breaks to give a carbocation 碳正离子; then the nucleophile attacks it. The rate depends only on the halogenoalkane.

Alkyl groups push electrons towards the positive carbon (the inductive effect 诱导效应), so they stabilise the carbocation. This is why:

  • primary halogenoalkanes mostly react by S$_\text{N}$2.
  • tertiary halogenoalkanes mostly react by S$_\text{N}$1 (their carbocation is well stabilised).
  • secondary halogenoalkanes use a mixture of the two.
Español

La sustitución nucleofílica puede seguir dos rutas:

  • S$_\text{N}$2: un solo paso. El nucleófilo ataca al mismo tiempo que el halógeno sale, pasando por un estado de transición 过渡态 congestionado donde ambos están parcialmente enlazados. La velocidad depende tanto del halogenoalcano como del nucleófilo.
  • S$_\text{N}$1: dos pasos. Primero se rompe el enlace C–X para formar un carbocatión 碳正离子; luego el nucleófilo lo ataca. La velocidad depende únicamente del halogenoalcano.
S N 2 mostrado como un paso donde la nucleófila ataca mientras el halógeno sale a través de un estado de transición; S N 1 mostrado como dos pasos a través de un catión alquilo
S$_\text{N}$2 is a single step through a crowded transition state; S$_\text{N}$1 son dos pasos vía un carbocatión

Los grupos alquilo empujan electrones hacia el carbono positivo (el efecto inductivo 诱导效应), estabilizando así el carbocatión. Por esto:

  • Los halogenoalcanos primarios reaccionan mayoritariamente por S$_\text{N}$2.
  • Los halogenoalcanos terciarios reaccionan mayoritariamente por S$_\text{N}$1 (su carbocatión está bien estabilizado).
  • Los halogenoalcanos secundarios utilizan una mezcla de ambos mecanismos.
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El mecanismo SN2, paso a paso

Recorra la sustitución nucleofílica. El nucleófilo ataca por detrás mientras el halógeno se desprende — todo en un solo paso suave, invirtiendo la molécula.

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transition state/trænˈsɪʃn steɪt/ 过渡态 guò dù tài
carbocation/ˌkɑːbəˈkeɪʃn/ 碳正离子 tàn zhèng lí zi
inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/ 诱导效应 yòu dǎo xiào yìng
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 键能 jiàn néng
15.1

Different reactivities · ⁨Diferentes reactividades⁩

English

How fast a halogenoalkane reacts depends on the strength of the C–X bond, measured by its bond energy 键能. The C–I bond is the weakest, so iodoalkanes react fastest; the C–Cl bond is the strongest of the three, so chloroalkanes react slowest. So when tested with silver nitrate, an iodoalkane gives its precipitate first — its higher reactivity 反应活性 comes from the weaker C–X bond.

Worked example. Predict the mechanism for the hydrolysis of 1-bromobutane and of 2-bromo-2-methylpropane. Classify the halogenoalkane first. 1-bromobutane is primary: the carbon carrying the $\text{Br}$ is barely shielded, so the nucleophile can attack the back of it and the mechanism is $\text{S}_\text{N}2$ - one step, with the rate depending on both the halogenoalkane and the nucleophile. 2-bromo-2-methylpropane is tertiary: three bulky methyl groups block that attack, but they also stabilise the carbocation formed once the $\text{Br}$ leaves, so it goes $\text{S}_\text{N}1$ - two steps, with the rate depending on the halogenoalkane only. Decide from the class (primary → $\text{S}_\text{N}2$, tertiary → $\text{S}_\text{N}1$), and note that the tertiary one hydrolyses faster despite being the more crowded.

Español

La velocidad de reacción de un halogenoalcano depende de la fuerza del enlace C–X, medida por su energía de enlace 键能. El enlace C–I es el más débil, por lo que los iodoalcanos reaccionan más rápido; el enlace C–Cl es el más fuerte de los tres, por lo que los cloroalcanos reaccionan más lentamente. Así, al probarlos con nitrato de plata, un iodoalcano forma su precipitado primero —su mayor reactividad 反应活性 proviene del enlace C–X más débil.

Un gráfico de barras de la energía del enlace C-X disminuyendo desde C-F hasta C-I, con una flecha indicando que un enlace más débil reacciona más rápido
Cuanto más débil es el enlace C–X, más rápido reacciona el halogenoalcano —por eso los iodoalcanos reaccionan más rápido y los cloroalcanos más lento

Ejemplo resuelto. Prediga el mecanismo para la hidrólisis de 1-bromobutano y de 2-bromo-2-metilpropano. Clasifique primero el halogenoalcano. El 1-bromobutano es primario: el carbono que porta el $\text{Br}$ está poco impedido, por lo que el nucleófilo puede atacar por la parte trasera y el mecanismo es $\text{S}_\text{N}2$ —un solo paso, con la velocidad dependiendo de ambos el halogenoalcano y el nucleófilo—. El 2-bromo-2-metilpropano es terciario: tres voluminosos grupos metilo bloquean ese ataque, pero también estabilizan el carbocatión formado una vez que el $\text{Br}$ sale, por lo que sigue $\text{S}_\text{N}1$ —dos pasos, con la velocidad dependiendo solo del halogenoalcano—. Decida según la clase (primario → $\text{S}_\text{N}2$, terciario → $\text{S}_\text{N}1$), y observe que el terciario se hidroliza más rápido a pesar de estar más impedido estéricamente.

Vocabulary · ⁨Vocabulario⁩ Train · ⁨Entrenar⁩
English · ⁨Inglés⁩ Chinese · ⁨Chino⁩ Pinyin
reactivity/rɪəkˈtɪvɪti/ 反应活性 fǎn yìng huó xìng
15.1

Exam tips · ⁨Consejos para el examen⁩

English
  • Draw nucleophilic substitution with a curly arrow from the nucleophile's lone pair to the $\delta+$ carbon and one from the $\text{C-X}$ bond.
  • Match mechanism to class: $S_\text{N}1$ (tertiary, carbocation, two steps) vs $S_\text{N}2$ (primary, one step, transition state).
  • Reactivity is set by bond enthalpy: $\text{C-I}$ is weakest, so iodoalkanes react fastest (not electronegativity).
  • Elimination (hot, ethanolic KOH) vs substitution (warm, aqueous KOH) — the conditions decide the product; state them.
Español
  • Dibuje la sustitución nucleofílica con una flecha curva desde el par solitario del nucleófilo al carbono $\delta+$ y otra desde el enlace $\text{C-X}$.
  • Asocie el mecanismo a la clase: $S_\text{N}1$ (terciario, carbocatión, dos pasos) vs $S_\text{N}2$ (primario, un paso, estado de transición).
  • La reactividad viene determinada por la entalpía de enlace: $\text{C-I}$ es el más débil, por lo que los iodoalcanos reaccionan más rápido (no por electronegatividad).
  • Eliminación (KOH etanólica caliente) vs sustitución (KOH acuosa tibia): las condiciones determinan el producto; indíquelas explícitamente.

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