استخدامات رباعي كلوريد التيتانيوم وتفاعلاته

يعمل رباعي كلوريد التيتانيوم كحمض في محلول مائي، وأثناء اختزال رباعي كلوريد التيتانيوم إلى معدن التيتانيوم بالبوتاسيوم يحدث انفجار، عندما تم تسخين النظام إلى 90 درجة مئوية، أدت الإضافة مباشرة إلى رباعي هيدرو الفوران إلى تفاعل طارد للحرارة عنيف، ويمكن أن يتبلمر الإيثيلين عند ضغط منخفض إذا تم تحفيزه بواسطة هاليدات التيتانيوم.

استخدامات رباعي كلوريد التيتانيوم

• ينتج رباعي كلوريد التيتانيوم (TiCl4) بخارًا أبيض كثيفًا يشبه الدخان عند تعرضه للهواء الرطب، يتم استخدامه كشاشات دخان وكتابة السماء، وكذلك في الإنتاج المسرحي حيث يكون الضباب أو الدخان مطلوبًا للمشهد، ينشط البيروليدينات لتحسين التحويل، عبر تفاعل (Bouveault) المعدل إلى (α – dimethylamine).

• يستخدم رباعي كلوريد التيتانيوم كوسيط في تصنيع معدن التيتانيوم وفي ثاني أكسيد التيتانيوم وفي أصباغ لكوريد التيتانيوم والزجاج المتقزح اللامع واللآلئ الاصطناعية وكمواد أولية لمجموعة متنوعة من مركبات التيتانيوم العضوية وغير العضوية، كما ويستخدم رباعي كلوريد التيتانيوم كصبغة، ومحفز بلمرة وكمحفز في العديد من التركيبات العضوية بسبب حموضته وقابليته للتأكسد في العديد من التطبيقات في الصناعة الكيميائية.

• كان رباعي كلوريد التيتانيوم يستخدم في السابق كحاجز من أجل إنتاج الدخان مع الأمونيا للجيش ومع ذلك، نظرًا لخصائصه المزعجة للغاية والمسببة للتآكل في كل من التركيبة السائلة والدخان، فإنه نادرًا ما يتم استخدام التطبيقات العسكرية، يتم تحويل رباعي الكلوريد إلى معدن التيتانيوم عن طريق اختزال الكلوريد بالمغنيسيوم الذي ينتج معدن التيتانيوم وكلوريد المغنيسيوم ويشار إليه باسم عملية كرول بعد مخترعها:

2Mg ＋ TiCl4→2 MgCl2 ＋ Ti

تطبيقات رباعي كلوريد التيتانيوم

• أن أول تطبيقات رباعي كلوريد التيتانيوم هو إنتاج معدن التيتانيوم، في البداية المعادلة التالية تبين آلية تحضير رباعي كلوريد التيتانيوم :

TiO2 + 2Cl2 + 2C → TiCl4 + 2CO

• يؤدي اختزال رباعي كلوريد التيتانيوم باستخدام فلز المغنيسيوم إلى إنتاج معدن تيتانيوم، وهذه في الواقع هي الخطوة الأخيرة في عملية كرول، ويتم ذلك تبعا للمعادلة الكيميائية التالية:

2Mg + TiCl4 → 2MgCl2 (l) + Ti

• يستخدم الصوديوم السائل أحيانًا بدلاً من المغنيسيوم على شكل عامل اختزال في إنتاج معدن التيتانيوم، كما في المعادلة التالية:

4Na + TiCl4 → 4NaCl + Ti

• أما التطبيق الثاني لرباعي كلوريد التيتانيوم  فهو إنتاج ثاني أكسيد التيتانيوم، يستخدم حوالي 90٪ من إنتاج رباعي كلوريد التيتانيوم في صناعة الصباغ، من خلال أكسيد التيتانيوم (TiO2)، والمفتاح هو تفاعل رباعي كلوريد التيتانيوم مع الماء لتكوين حمض الهيدروكلوريك:

TiCl4 + 2H2O → TiO2 + 4HCl

• أو في بعض الأحيان يتأكسد مباشرة بالأكسجين النقي، كالتالي:

TiCl4 + 2O2 → TiO2 + 2Cl2

• أما التطبيق الثالث لرباعي كلوريد التيتانيوم فهو شاشات الدخان، إذ أنه في الماضي، تم استخدامه أيضًا من أجل إنشاء ستائر دخان بحرية، وعند رشه في الهواء فإنه يتفاعل رباعي كلوريد التيتانيوم بسرعة مع الرطوبة الجوية:

TiCl4 + 2H2O → TiO2 + 4HCl

• يمتص كلوريد الهيدروجين على الفور المزيد من الماء لتكوين قطرات صغيرة من حمض الهيدروكلوريك، والتي (حسب الرطوبة) قد تمتص المزيد من الماء، لإنتاج قطرات كبيرة تبعثر الضوء بكفاءة، بالإضافة إلى ذلك فإن ثاني أكسيد التيتانيوم الأبيض بشكل مكثف هو أيضًا مشتت ضوئي فعال، نظرًا لتآكل هذا الدخان لم يعد رباعي كلوريد التيتانيوم مستخدمًا.

تفاعلات كيميائية لرباعي كلوريد التيتانيوم

الكيمياء العضوية والفلزية وغير العضوية

• يتبنى رباعي كلوريد التيتانيوم (TiCl4) تراكيب مشابهة لكلا من رباعي بروميد التيتانيوم (TiBr4) ورباعي يوديد التيتانيوم (TiI4)، تشترك جميع هذه المركبات في الكثير من أوجه التشابه، منها أنه يتفاعل كلا من (TiCl4) و (TiBr4) من أجل إعطاء هاليدات مختلطة (TiCl4-xBrx)، حيث (x = 0 ،1 ،2 ،3 ،4)، تشير قياسات الرنين المغناطيسي أيضًا إلى أن تبادل الهاليد سريع أيضًا بين (TiCl4 و VCl4).

• رباعي كلوريد التيتانيوم هو حمض لويس رائع ومتعدد الاستخدامات، كما يتضح من ميله إلى التحلل المائي والذي يشير إلى وسيطة (TiCl4 (H2O)) مع (THF)، يشكل رباعي كلوريد التيتانيوم بلورات صفراء من (TiCl4 (THF)2)، مع الجهات المانحة (Cl)، يتفاعل رباعي كلوريد التيتانيوم ليشكل بالتتابع (-[Ti2Cl9]، 2- [Ti2Cl10]، و 2- [TiCl6]).

• ومن المثير للاهتمام أن تفاعل أيونات الكلوريد مع رباعي كلوريد التيتانيوم يعتمد على المعاكس، يتفاعل (NBu4Cl مع TiCl4) لإعطاء المركب الخماسي التنسيق (NBu4TiCl5)، بينما يتفاعل (NEt4) الأصغر ليعطي ((NEt4) 2Ti2Cl10)، تسلط هذه التفاعلات الضوء على تأثير القوى الكهروستاتيكية على هياكل المركبات ذات الترابط الأيوني العالي.

• يبدأ الكثير من الكيمياء العضوية المعدنية الشاملة للتيتانيوم من رباعي كلوريد التيتانيوم، تفاعله الأكثر أهمية هو مع حلقي البنتادينيل الصوديوم لإعطاء تيتانوسين ثنائي كلوريد (TiCl2 (C5H5)2)، يستخدم هذا المركب في التخليق العضوي، ويتفاعل (Arenes)، مثل: (C6 (CH3)6) ليعطي (+[Ti(C6 (CH3)6)Cl3]).

• يوضح هذا التفاعل حموضة لويس الاستثنائية لكيان (+TiCl3)، والمشتق من رباعي كلوريد التيتانيوم (TiCl4) باستخدام عامل استخلاص الكلوريد الأقوى (AlCl3)، ويتفاعل رباعي كلوريد التيتانيوم مع أربعة مكافئات (LiNMe2) لإعطاء (Ti(NMe2)4)، سائل أصفر قابل للذوبان في البنزين، هذا الجزيء رباعي السطوح، مع مراكز نيتروجين مستوية.

كاشف في التخليق العضوي

• يستخدم رباعي كلوريد التيتانيوم على نطاق واسع في التخليق العضوي مثل حمض لويس، على سبيل المثال في تفاعل (Mukaiyama aldol)، مفتاح هذا التطبيق هو ميل رباعي كلوريد التيتانيوم للتفاعل مع الألدهيدات (RCHO) لإعطاء مقاربات مثل ((RCHO) TiCl4OC (H) R).

• يتم استخدامه أيضًا في تفاعل (McMurry) بالاقتران مع الزنك (Zn) أو هيدريد ألومنيوم الليثيوم (LiAlH4) أو عامل اختزال آخر من أجل الانضمام إلى اثنين من الكاربونيل في تكوين رابطة كربون-كربون مزدوجة.

بلمرة الأوليفين

• رباعي كلوريد التيتانيوم والعديد من مشتقاته هي سلائف مهمة لمحفزات (Ziegler-Natta).

اختزال

• يؤدي اختزال رباعي كلوريد التيتانيوم إلى إنتاج (TiCl3)، وينتج عن اختزال رباعي كلوريد التيتانيوم مع الألومنيوم في (THF) مادة (TiCl3 (3THF)) ذات اللون الأزرق الفاتح.

مخاطر رباعي كلوريد التيتانيوم

• اعتبارات السمية والسلامة: بالنظر إلى ميل رباعي كلوريد التيتانيوم إلى التحلل المائي، تنشأ المخاطر عمومًا من تأثير كلوريد الهيدروجين، رباعي كلوريد التيتانيوم هو حمض لويس قوي، يتشكل طاردًا للحرارة مع قواعد ضعيفة مثل (THF) وينفجر بالماء، ويطلق حمض الهيدروكلوريك مرة أخرى، ورباعي كلوريد التيتانيوم سام عن طريق الاستنشاق، ومهيج قوي للجلد والأنسجة.

• المخاطر الصحية: رباعي كلوريد التيتانيوم مادة شديدة التآكل ومهيجة حادة للجلد والعينين والأغشية المخاطية والجهاز التنفسي، وهو قادر على التسبب في الوفاة أو الإصابة الدائمة بسبب التعرضات التي تمت مواجهتها في الاستخدام العادي، حتى الاتصال القصير قد يؤدي إلى التهاب العين مما قد يؤدي إلى عتامة القرنية.

• خطر الحريق: سوف تتفاعل المادة مع الماء لإنتاج حمض الهيدروكلوريك والحرارة، قد يؤدي رابع كلوريد التيتانيوم إلى إشعال مواد أخرى قابلة للاحتراق (مثل الخشب والزيت وما إلى ذلك)، قد تتراكم الغازات السامة والقابلة للاشتعال في الخزانات، وتصريفها إلى المجاري قد ينشأ حريق أو خطر الانفجار، يجب تجنب الماء والهواء الرطب.

• رباعي كلوريد التيتانيوم مستقر في المحاليل المائية المركزة، تجنب ملامسة الرطوبة، تمتص المادة الكيميائية الرطوبة من الهواء وتنتج أبخرة بيضاء كثيفة، أما عن التعرض المحتمل فذلك بسبب أنه يستخدم في صناعة أملاح التيتانيوم، وكصبغة لاذعة ويستخدم كمادة كيميائية وسيطة لمعدن التيتانيوم، ثاني أكسيد التيتانيوم، وكعامل في شاشات الدخان وكمحفز البلمرة وعامل قزحي الألوان في صناعة الزجاج واللؤلؤ.