ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Алкенами называются ненасыщенные углеводороды, молекулы которых содержат одну двойную связь. Строение молекулы алкенов на примере этилена приведено на рис. 1.
Рис. 1. Строение молекулы этилена.
По физическим свойствам алкены мало отличаются от алканов с тем же числом атомов углерода в молекуле. Низшие гомологи С 2 - С 4 при нормальных условиях - газы; С 5 - С 17 - жидкости; высшие гомологи - твердые вещества. Алкены нерастворимы в воде. Хорошо растворимы в органических растворителях.
Получение алкенов
В промышленности алкены получают при переработке нефти: крекингом и дегидрированием алканов. Лабораторные способы получения алкенов мы разделили на две группы:
- Реакции элиминирования (отщепления)
— дегидратация спиртов
CH 3 -CH 2 -OH → CH 2 =CH 2 + H 2 O (H 2 SO 4 (conc) , t 0 = 170).
— дегидрогалогенированиемоногалогеналканов
CH 3 -CH(Br)-CH 2 -CH 3 + NaOH alcohol → CH 3 -CH=CH-CH 3 + NaBr + H 2 O (t 0).
— дегалогенированиедигалогеналканов
CH 3 -CH(Cl)-CH(Cl)-CH 2 -CH 3 + Zn(Mg) → CH 3 -CH=CH-CH 2 -CH 3 + ZnCl 2 (MgCl 2).
- Неполное гидрирование алкинов
CH≡CH + H 2 →CH 2 =CH 2 (Pd, t 0).
Химические свойства алкенов
Алкены - весьма реакционноспособоные органические соединения. Это объясняется их строением. Химия алкенов - это химия двойной связи. Типичные реакции для алкенов - реакции электрофильного присоединения.
Химические превращения алкенов протекают с расщеплением:
1) π-связи С-С (присоединение, полимеризация и окисление)
— гидрирование
CH 3 -CH=CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 2 (kat = Pt).
— галогенирование
CH 3 -CH 2 -CH=CH 2 + Br 2 → CH 3 -CH 2 -CH(Br)-CH 2 Br.
— гидрогалогенирование (протекает по правилу Марковникова: атом водорода присоединяется преимущественно к более гидрированному атому углерода)
CH 3 -CH=CH 2 + H-Cl → CH 3 -CH(Cl)-CH 3 .
— гидратация
CH 2 =CH 2 + H-OH → CH 3 -CH 2 -OH (H + , t 0).
— полимеризация
nCH 2 =CH 2 → -[-CH 2 -CH 2 -]- n (kat, t 0).
— окисление
CH 2 =CH 2 + 2KMnO 4 + 2KOH → HO-CH 2 -CH 2 -OH + 2K 2 MnO 4 ;
2CH 2 =CH 2 + O 2 → 2C 2 OH 4 (эпоксид) (kat = Ag,t 0);
2CH 2 =CH 2 + O 2 → 2CH 3 -C(O)H (kat = PdCl 2 , CuCl).
2) σ- и π-связей С-С
CH 3 -CH=CH-CH 2 -CH 3 + 4[O] → CH 3 COOH + CH 3 CH 2 COOH (KMnO 4 , H +, t 0).
3) связей С sp 3 -Н (в аллильном положении)
CH 2 =CH 2 + Cl 2 → CH 2 =CH-Cl + HCl (t 0 =400).
4) Разрыв всех связей
C 2 H 4 + 2O 2 → 2CO 2 + 2H 2 O;
C n H 2n + 3n/2 O 2 → nCO 2 + nH 2 O.
Применение алкенов
Алкены нашли применение в различных отраслях народного хозяйства. Рассмотрим на примере отдельных представителей.
Этилен широко используется в промышленном органическом синтезе для получения разнообразных органических соединений, таких как галогенопроизводные, спирты (этанол, этиленгликоль), уксусный альдегид, уксусная кислота и др. В большом количестве этилен расходуется для производства полимеров.
Пропилен используется как сырье для получения некоторых спиртов (например, пропанола-2, глицерина), ацетона и др. Полимеризацией пропилена получают полипропилен.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | При гидролизе водным раствором гидроксида натрия NaOH дихлорида, полученного присоединением 6,72 л хлора к этиленовому углеводороду, образовалось 22,8 г двухатомного спирта. Какова формула алкена, если известно, что реакции протекают с количественными выходами (без потерь)? |
| Решение | Запишем уравнение хлорирования алкена в общем виде, а также реакцию получения двухатомного спирта:
C n H 2 n + Cl 2 = C n H 2 n Cl 2 (1); C n H 2 n Cl 2 + 2NaOH = C n H 2 n (OH) 2 + 2HCl (2). Рассчитаем количество вещества хлора: n(Cl 2) = V(Cl 2) / V m ; n(Cl 2) = 6,72 / 22,4 = 0,3 моль, следовательно, дихлорида этилена тоже будет 0,3 моль (уравнение 1), двухатомного спирта также должно получиться 0,3 моль, а по условию задачи это 22,8 г. Значит молярная масса его будет равна: M(C n H 2 n (OH) 2) = m(C n H 2 n (OH) 2) / n(C n H 2 n (OH) 2); M(C n H 2 n (OH) 2) = 22,8 / 0,3 = 76 г/моль. Найдем молярную массу алкена: M(C n H 2 n) = 76 - (2×17) = 42 г/моль, что соответствует формуле C 3 H 6 . |
| Ответ | Формула алкенаC 3 H 6 |
ПРИМЕР 2
| Задание | Сколько граммов потребуется для бромирования 16,8 г алкена, если известно, что при каталитическом гидрировании такого же количества алкена присоединилось 6,72 л водорода? Каков состав и возможное строение исходного углеводорода? |
| Решение | Запишем в общем виде уравнения бромирования и гидрирования алкена:
C n H 2 n + Br 2 = C n H 2 n Br 2 (1); C n H 2 n + H 2 = C n H 2 n +2 (2). Рассчитаем количество вещества водорода: n(H 2) = V(H 2) / V m ; n(H 2) = 6,72 / 22,4 = 0,3 моль, следовательно, алкена тоже будет 0,3 моль (уравнение 2), а по условию задачи это 16,8 г. Значит молярная масса его будет равна: M(C n H 2n) = m(C n H 2n) / n(C n H 2n); M(C n H 2 n) = 16,8 / 0,3 = 56 г/моль, что соответствует формуле C 4 H 8 . Согласно уравнению (1) n(C n H 2 n) :n(Br 2) = 1:1, т.е. n(Br 2) = n(C n H 2 n) = 0,3 моль. Найдем массу брома: m(Br 2) = n(Br 2) × M(Br 2); M(Br 2) = 2×Ar(Br) = 2×80 = 160 г/моль; m(MnO 2) = 0,3 × 160 = 48 г. Составим структурные формулы изомеров: бутен-1 (1), бутен-2 (2), 2-метилпропен (3), циклобутан (4). CH 2 =CH-CH 2 -CH 3 (1); CH 3 -CH=CH-CH 3 (2); CH 2 =C(CH 3)-CH 3 (3); |
| Ответ | Масса брома равна 48 г |
Алке́ны (олефины , этиленовые углеводороды C n H 2n
Гомологический ряд.
|
этен (этилен) | |
Простейшим алкеном является этилен (C 2 H 4). По номенклатуре IUPAC названия алкенов образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса «-ан» на «-ен»; положение двойной связи указывается арабской цифрой.
Углеводородные радикалы, образованные от алкенов имеют суффикс «-енил» . Тривиальные названия: CH 2 =CH- «винил» , CH 2 =CH-CH 2 - «аллил» .
Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp² гибридизации, и имеют валентный угол 120°.
Для алкенов характерны изомерия углеродного скелета, положения двойной связи, межклассовая и пространственная.
Физические свойства
Температуры плавления и кипения алкенов (упрощенно) увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи.
При нормальных условиях алкены с C 2 H 4 до C 4 H 8 - газы; с пентена C 5 H 10 до гексадецена C 17 H 34 включительно - жидкости, а начиная с октадецена C 18 H 36 - твёрдые вещества. Алкены не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях.
Дегидрирование алканов
Это один из промышленных способов получения алкенов
Гидрирование алкинов
Частичное гидрирование алкинов требует специальных условий и наличие катализатора
Двойная связь является сочетания сигма- и пи-связей. Сигма- связь возникает при осевом перекрывании sp2 – орбиталей, а пи-связь при боковом перекрывании
Правило Зайцева:
Отщепление атома водорода в реакциях элиминирования происходит преимущественно от наименее гидрогенизированного атома углерода.
13. Алкены. Строение. sp 2 гибридизация, параметры кратной связи. Реакции электрофильного присоединения галогенов, галогеноводородов, хлорноватистой кислоты. Гидратация алкенов. Правило Морковникова. Механизмы реакций.
Алке́ны (олефины , этиленовые углеводороды ) - ациклические непредельные углеводороды, содержащие одну двойную связьмежду атомами углерода, образующие гомологический ряд с общей формулой C n H 2n
Одна s- и 2 p-орбитали смешиваются и образуются 2 равноценные sp2-гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120.
Если связь образуется более чем одной парой электронов, то она называется кратной .
Кратная связь образуется в тех случаях, когда имеется слишком мало электронов и связывающихся атомов, чтобы каждая пригодная для образования связи валентная орбиталь центрального атома могла перекрыться с какой-либо орбиталью окружающего атома.
Реакции электрофильного присоединения
В данных реакциях атакующей частицей является электрофил.
Галогенирование:
Гидрогалогенирование
Электрофильное присоединение галогенводородов к алкенам происходит по правилу Марковникова
Марковникова правило
Присоединение хлорноватистой кислоты с образованием хлоргидринов:
Гидратация
Реакция присоединения воды к алкенам протекает в присутствии серной кислоты :
Карбкатион - частица, в которой на атоме углерода сосредоточен положительный заряд, атом углерода имеет вакантную p-орбиталь.
14. Этиленовые углеводороды. Химические свойства: реакции с окислителями. Каталитическое окисление, реакция с надкислотами, реакция окисления до гликолей, с разрывом связи углерод-углерод, озонирование. Вакер-процесс. Реакции замещения.
Алке́ны (олефины , этиленовые углеводороды ) - ациклические непредельные углеводороды, содержащие одну двойную связьмежду атомами углерода, образующие гомологический ряд с общей формулой C n H 2n
Окисление
Окисление алкенов может происходить в зависимости от условий и видов окислительных реагентов как с разрывом двойной связи, так и с сохранением углеродного скелета.
При сжигании на воздухе олефины дают углекислый газ и воду.
H 2 C=CH 2 + 3O 2 => 2CO 2 + 2H 2 O
C n H 2n + 3n/O 2 => nCO 2 + nH 2 O – общая формула
Каталитическое окисление
В присутствии солей палладия этилен окисляется до ацетальдегида. Аналогично образуется ацетон из пропена.
При действии на алкены сильных окислителей (KMnO 4 или K 2 Cr 2 O 7 в среде Н 2 SO 4) при нагревании происходит разрыв двойной связи:
При окислении алкенов разбавленным раствором марганцовки образуются двухатомные спирты – гликоли (реакция Е.Е.Вагнера). Реакция протекает на холоде.
Ациклические и циклические алкены при взаимодействии с надкислотами RCOOOH в неполярной, среде образуют эпоксиды (оксираны), поэтому сама реакция носит название реакции эпоксидирования.
Озонирование алкенов.
при взаимодействии алкенов с озоном образуются перекисные соединения, которые называются озо-нидами. Реакция алкенов с озоном является наиболее важным методом окислительного расщепления алкенов по двойной связи
Алкены не вступают в реакции замещения.
Вакер-процесс -процесс получения ацетальдегида прямым окислением этилена.
Вакер-процесс основан на реакции окисления этилена дихлоридом палладия:
CH 2 =CH 2 + PdCl 2 + H 2 O = CH 3 CHO + Pd + 2HCl
15. Алкены: химические свойства. Гидрирование. Правило Лебедева. Изомеризация и олигомеризация алкенов. Радикальная и ионная полимеризация. Понятие полимер, олигомер, мономер, элементарное звено, степень полимеризации. Теломеризация и сополимеризация.
Гидрирование
Гидрирование алкенов непосредственно водородом происходит только в присутствии катализатора. Катализаторами гидрирования служат платина,палладий, никель
Гидрирование можно проводить и в жидкой фазе с гомогенными катализаторами
Реакции изомеризации
При нагревании возможна изомеризация молекул алкенов, которая
может привести как к перемещению двойной связи, так и к изменению скелета
углеводорода.
CH2=CH-CH2-CH3 CH3-CH=CH-CH3
Реакции полимеризации
Это разновидность реакции присоединения. Полимеризация - это реакция последовательного соединения одинаковых молекул в большие по размеру молекулы, без выделения какого-либо низкомолекулярного продукта. При полимеризации атом водорода присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода, находящемуся у двойной связи, а к другому атому углерода присоединяется остальная часть молекулы.
CH2=CH2 + CH2=CH2 + ... -CH2-CH2-CH2-CH2- ...
или n CH2=CH2 (-CH2-CH2-)n (полиэтилен)
Вещество, молекулы которого вступают в реакцию полимеризации, называются мономером . Молекула мономера обязательно должна иметь хотя бы одну двойную связь. Образующиеся полимеры состоят из большого количества повторяющихся цепочек, имеющих одинаковое строение (элементарных звеньев). Число, показывающее, сколько раз в полимере повторяется структурное (элементарное) звено, называется степенью полимеризации (n).
В зависимости от вида промежуточных частиц, образующихся при полимеризации, различают 3 механизма полимеризации: а) радикальный; б)катионный; в) анионный.
По первому методу получают полиэтилен высокого давления:
Катализатором реакции выступают пероксиды.
Второй и третий методы предполагает использование в качестве катализаторов кислот (катионная полимеризация), металлорганических соединений.
В химии олигомер ) - молекула в виде цепочки изнебольшого числа одинаковых составных звеньев.
Теломеризация
Теломеризация – олигомеризация алкенов в присутствии веществ – передатчиков цепи (телогенов). В результате реакции образуется смесь олигомеров (теломеров), концевые группы которых представляют собой части телогена. Например, в реакции CCl 4 с этиленом телогеном является CCl 4 .
CCl 4 + nCH 2 =CH 2 => Cl(CH 2 CH 2) n CCl 3
Инициирование этих реакций может осуществляться радикальными инициаторами или g -излучением.
16. Алкены. Реакции радикального присоединения галогенов и галогеноводородов (механизм). Присоединение карбенов к олефинам. Этилен, пропилен, бутилены. Промышленные источники и основные пути использования.
Алкены легко присоединяют галогены, особенно хлор и бром (галогенирование).
Типичной реакцией такого типа является обесцвечивание бромной воды
CH2=CH2 + Вr2 → СH2Br-CH2Br (1,2-дибромэтан)
Электрофильное присоединение галогенводородов к алкенам происходит по правилу Марковникова:
Марковникова правило : при присоединении протонных кислот или воды к несимметричным алкенам или алкинаматом водорода присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода
гидрогенизированный атом углерода – тот атом, к которому присоединен водород. Наиболее гидрогенизированный – там где больше всего Н
Реакции присоединения карбенов
Карбены CR 2: - высокореакционные короткоживущие частицы, которые способны легко присоединяться к двойной связи алкенов . В результате реакции присоединения карбена образуются производные циклопропана
Этиле́н - органическое химическое описываемое формулой С 2 H 4 . Является простейшималкеном (олефином )соединение. При нормальных условиях - бесцветный горючий газ со слабым запахом. Частично растворим в воде. Содержит двойную связь и поэтому относится к ненасыщенным или непредельным углеводородам. Играет чрезвычайно важную роль в промышленности. Этилен - самое производимое органическое соединение в мире: Окись этилена; полиэтилен, уксусная кислота, этиловый спирт.
Основные химические свойства (не учи, просто пусть будут на всякий случай, вдруг списать получится)
Этилен - химически активное вещество. Так как в молекуле между атомами углерода имеется двойная связь, то одна из них, менее прочная, легко разрывается, и по месту разрыва связи происходит присоединение, окисление, полимеризация молекул.
Галогенирование:
CH 2 =CH 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br
Происходит обесцвечивание бромной воды. Это качественная реакция на непредельные соединения.
Гидрирование:
CH 2 =CH 2 + H - H → CH 3 - CH 3 (под действием Ni)
Гидрогалогенирование:
CH 2 =CH 2 + HBr → CH 3 - CH 2 Br
Гидратация:
CH 2 =CH 2 + HOH → CH 3 CH 2 OH (под действием катализатора)
Эту реакцию открыл A.M. Бутлеров, и она используется для промышленного получения этилового спирта.
Окисление:
Этилен легко окисляется. Если этилен пропускать через раствор перманганата калия, то он обесцветится. Эта реакция используется для отличия предельных и непредельных соединений. Окись этилена - непрочное вещество, кислородный мостик разрывается и присоединяется вода, в результате образуетсяэтиленгликоль. Уравнение реакции :
3CH 2 =CH 2 + 2KMnO 4 + 4H 2 O → 3HOH 2 C - CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH
C 2 H 4 + 3O 2 → 2CO 2 + 2H 2 O
Полимеризация (получение полиэтилена):
nCH 2 =CH 2 → (-CH 2 -CH 2 -) n
Пропиле́н (пропен) СН 2 =СН-СН 3 - непредельный (ненасыщенный) углеводород ряда этилена, горючий газ. Пропилен представляет собой газообразное вещество с низкой температурой кипения t кип = −47,6 °C
Обычно пропилен выделяют из газов нефтепереработки (при крекинге сырой нефти, пиролизе бензиновых фракций) или попутных газов, а также из газов коксования угля.
1. Окисление алкенов.
1.1 Горение.
В избытке воздуха или кислорода все алкены сгорают до углекислого газа и воды:
СН 3 – СН = СН 2 + 4,5 О 2 3 СО 2 + 3 Н 2 О
Горение алкенов не применяется в двигателях внутреннего сгорания, так как при хранении бензина они осмоляются и смолы забивают топливную аппаратуру (инжектор).
Возможность горения алкенов следует учитывать при транспортировке и хранении на химических предприятиях.
1.2 Окисление алкенов расчётным количеством кислорода воздуха в присутствии серебра.
Эпоксидные соединения применяются для создания клеев различного назначения.
1.3 Окисление алкенов однопроцентным раствором перманганата калия в воде – качественная реакция на алкены Е.Е Вагнера.
Реакция впервые описана Е.Е. Вагнером в «Журнале русского физико-химического общества» в 1886 году. Окисление алкенов или других непредельных соединений происходит при комнатной температуре и сопровождается исчезновением фиолетовой окраски перманганат-иона и выпадением бурого осадка диоксида марганца..Вне зависимости от строения алкена (но не алкадиена, например) коэффициенты в реакции Вагнера всегда одинаковые (324-322). Ниже приведены примеры окисления конкретных алкенов и показаны полуреакции и суммарная ОВР в ионном и молекулярном виде:
:
Как видно в реакции Вагнера конечными органическими продуктами являются двухатомные спирты. Они называются так же гликолями. Например, 1,2-этандиол называется этиленгликолем.
1.4 Окисление алкенов сильными окислителями в жидкой фазе в кислой среде.
В зависимости от строения алкенов при окислении в этих условиях получаются различные продукты, а именно СО 2 , карбоновые кислоты и кетоны. Схема окисления алкенов различного строения приведена ниже.
Для иллюстрации пользования этой схемой приведён пример окисления 2-метилпентена перманганатом калия в сернокислой среде. Согласно схеме окисления конечными органическими продуктами для данного алкена являются карбоновая кислота и кетон:
Полуреакции для этого процесса:
Другой пример: окисление 2-этилбутена-1 дихроматом калия в серной кислоте. В соответствии с правилами схемы окисления в этом случае получаются кетон и углекислый газ:
Третий пример: окисление цис- 3,4,5-триметилгептена-3 висмутатом натрия в разбавленной азотной кислоте. В соответствии с правилами схемы окисления в данном случае получаются два кетона:
1.5 Озонолиз
Озонолизом называется двухстадийный процесс, на первой стадии которого к алкену присоединяется озон и образуется озонид, а на второй стадии этот озонид либо медленно разрушается водой с образованием перекиси водорода, альдегидов и кетонов, либо быстро восстанавливается цинковой пылью с образованием оксида цинка и тех же альдегидов и кетонов.
Ниже приведён пример озонолиза 3-метил-цис -гептена-3.
При озонолизе можно получить два различных кетона:
В качестве одного из продуктов окисления можно получить формальдегид (метаналь), если в реакцию взять терминальный алкен:
2. Реакции присоединения по двойной связи алкенов.
По двойной связи алкенов могут присоединять как неполярные, так и полярные молекулы.
Неполярные: Н 2 , Cl 2 , Br 2 , J 2 . Фтор F 2 не присоединяется к алкенам, а сжигает их до СF 4 и HF:
СН 3 – СН = СН − СН 3 + 12 F 2 → 4 CF 4 + 8 HF
2.1 Присоединение водорода.
Присоединение происходит только в присутствии катализатора. Чаще всего в промышленности используется палладий или платина, которые легко регенерируются путём прокаливания. Никель практически не используется, так как в условиях обычного прокаливания он превращается в оксид, восстанавливать который экономически не выгодно.
СН 3 – СН = СН 2 + Н 2 СН 3 – СН 2 – СН 3
2.2 Присоединение хлора.
Идёт к двум атомам при двойной связи. Получаются дихлорпроизводные алканов. Реакция может протекать как водном растворе при комнатной или более низких температурах, так и в органических растворителях, например, тетрахлорметане CCl 4 или дихлорэтане C 2 H 4 Cl 2:
2.3 Присоединение брома.
Проходит аналогично как с бромной водой при температурах до 0 0 С, так и в тех же органических растворителях. В последнем случае реакция может проходить и при температуре до – 25 0 С, то есть на морозе.
Реакция с бромом является качественной на присутствие алкенов в газообразных и жидких смесях, так как сопровождается обесцвечиванием оранжевых бромных растворов:
2.4 Реакция с йодом.
Реакция широко используется для определения общей ненасыщенности жиров, которые являются производными ненасыщенных жирных кислот, содержащих двойные связи, как в алкенах:
Массу йода в граммах, пошедшую на полное йодирование 100 г жира, называют йодным числом. Чем оно выше, тем полезнее жир для человека, так как только из полиненасыщенных жирных кислот организм синтезирует гормоны. Примеры йодных чисел: пальмовое масло – 12, бараний жир – 35, оливковое масло – 80, соевое масло – 150, жир сельди – 200, тюлений жир - 280
2.5 Реакции с полярными молекулами.
К полярным молекулам типа Н-А относятся следующие: H-F, H-Cl, H-Br, H-J, H-OH,
H-O-R(спирты) и карбоновые кислоты –
Присоединение хлороводорода и других полярных молекул идёт по, то есть атом водорода из полярной молекулы преимущественно присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода при двойной связи, а остаток А к другому атому при двойной связи.
Таким образом реакция малоселективная.
При увеличении разности в гидрогенизированности селективность в реакции возрастает. Действительно разница в гидрогенизированности у атомов 1 и 2 в пропене составляет один атом водорода, и к менее гидрогенизированному атому углерода идёт 85% хлора, тогда как в
2-метилпропене разница в гидрогенизированности у атомов 1 и 2 составляет уже два атома водорода и к атому 2 идёт более 98% хлора:
Аналогично идет присоединение HF, HBr, HJ:
Иначе идет присоединение HBr (и только HBr, а не HCl, HF и HI) в присутствии перекиси водорода H 2 O 2:
Эта реакция называется присоединением HBr по Карашу. Селективность в ней практически меняется на обратную в сравнении с таковой для присоединения HBr в отсутствии перекиси водорода (по правилу Марковникова).
Очень интересна реакция алкенов с хлором при 500 О С. В этих условиях реакция присоединения хлора по двойной связи обратима, более того равновесие в ней сильнейшим образом смещено в сторону исходных веществ. Наоборот гораздо более медленная, но необратимая реакция радикального замещения в аллильное положение, то есть рядом с двойной связью идёт до конца:
Эта реакция имеет большое практическое значение. Например, одна из стадий многотоннажного промышленного синтеза глицерина – хлорирование пропена до
3-хлорпропена-1.
При присоединении воды к алкенам в присутствии каталитических количеств серной или ортофосфорной кислот получаются спирты. Присоединение идет по правилу Марковникова:
При присоединении спиртов к алкенам получаются простые эфиры:
Эти изомерные эфиры можно назвать и как производные алканов, содержащие алкокси-заместители, и как простые эфиры. В первом случае выбирается самая длинная цепь из атомов углерода и нумеруется с той стороны, которая ближе к алкокси-заместителю. Например, для эфира I цепь пронумерованная цифрами в скобках. И соответствующее название тоже в скобках. Для изомера II, наоборот цифрами в скобках пронумерована цепь, начинающаяся от атома углерода, связанного с атомом кислорода. Название в этом случае образуется так: сначала называют более простой радикал, связанный с атомом кислорода, затем более сложный и, наконец, добавляют «овый эфир».
При присоединении карбоновых кислот к алкенам получаются сложные эфиры:
Названия сложных эфиров образуются так: сначала называют углеводородный радикал, связанный с кислородом. При этом за атом номер 1 принимают атом углерода, контактирующий с кислородом. От этого атома нумеруют самую длинную из имеющихся цепей. Группы атомов, не вошедшие в главную цепь, считают заместителями и перечисляют по обычным правилам. Затем добавляют «овый эфир такой-то кислоты».
Физические свойства алкенов похожи на свойства алканов, хотя все они имеют несколько более низкие температуры плавления и кипения, чем соответствующие алканы. Например, пентан имеет температуру кипения 36 °С, а пентен-1 - 30 °С. При обычных условиях алкены С 2 — С 4 - газы. С 5 – С 15 - жидкости, начиная с C 16 - твердые вещества. Алкены не растворимы в воде, хорошо растворимы в органических растворителях.
В природе алкены встречаются редко. Поскольку алкены являются ценным сырьем для промышленного органического синтеза, разработаны многие способы их получения.
1. Основным промышленным источником алкенов служит крекинг алканов, входящих в состав нефти:
3. В лабораторных условиях алкены получают по реакциям отщепления (элиминирования), при которых от соседних атомов углерода отщепляются два атома или две группы атомов, и образуется дополнительная p -связь. К таким реакциям относятся следующие.
1) Дегидратация спиртов происходит при их нагревании с водоотнимающими средствами, например с серной кислотой при температуре выше 150 °С:
При отщеплении Н 2 O от спиртов, НВr и HCl от алкилгалогенидов атом водорода преимущественно отщепляется от того из соседних атомов углерода, который связан с наименьшим числом атомов водорода (от наименее гидрогенизированного атома углерода). Эта закономерность носит название правила Зайцева .
3) Дегалогенирование происходит при нагревании дигалогенидов, имеющих атомы галогена у соседних атомов углерода, с активными металлами:
CH 2 Br —CHBr —CH 3 + Mg → СН 2 =СН-СН 3 + Mg Вr 2 .
Химические свойства алкенов определяются наличием в их молекулах двойной связи. Электронная плотность p -связи достаточно подвижна и легко вступает в реакции с электрофильными частицами. Поэтому многие реакции алкенов протекают по механизму электрофильного присоединения , обозначаемому символом A E (от англ, addition electrophilic ). Реакции злектрофильного присоединения это ионные процессы, протекающие в несколько стадий.
На первой стадии электрофильная частица (чаще всего это бывает протон H +) взаимодействует с p -электронами двойной связи и образует p -комплекс, который затем превращается в карбокатион путем образования ковалентной s -связи между электрофильной частицей и одним из атомов углерода:
алкен p -комплекс карбокатион
На второй стадии карбокатион реагирует с анионом X — , образуя вторую s -связь за счет электронной пары аниона:
Ион водорода в реакциях электрофильного присоединения присоединяется к тому из атомов углерода при двойной связи, на котором больше отрицательный заряд. Распределение зарядов определяется смещением p
-электронной плотности под влиянием заместителей: 
.
Электронодонорные заместители, проявляющие +I -эффект, смещают p -электронную плотность к более гидрогенизированному атому углерода и создают на нем частичный отрицательный заряд. Этим объясняется правило Марковникова : при присоединении полярных молекул типа НХ(X = Hal , ОН, CN и т.п.) к несимметричным алкенам водород преимущественно присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода при двойной связи.
Рассмотрим конкретные примеры реакций присоединения.
1) Гидрогалогенирование . При взаимодействии алкенов с галогеноводородами (HCl , НВr ) образуются алкилгалогениды:
СН 3 -СН=СН 2 + НВr ® СН 3 -СНВr-СН 3 .
Продукты реакции определяются правилом Марковникова.
Следует, однако, подчеркнуть, что в присутствии какого-либо органического пероксида полярные молекулы НХ реагируют с алкенами не по правилу Марковникова:
| R-O-O-R | ||
| СН 3 -СН=СН 2 + НВr | СН 3 -СН 2 -СН 2 Вr |
Это связано с тем, что присутствие перекиси обусловливает радикальный, а не ионный механизм реакции.
2) Гидратация . При взаимодействии алкенов с водой в присутствии минеральных кислот (серной, фосфорной) образуются спирты. Минеральные кислоты выполняют роль катализаторов и являются источниками протонов. Присоединение воды также идет по правилу Марковникова:
СН 3 -СН=СН 2 + НОН ® СН 3 -СН(ОН)-СН 3 .
3) Галогенирование . Алкены обесцвечивают бромную воду:
СН 2 =СН 2 + Вr 2 ® ВrСН 2 -СН 2 Вr.
Эта реакция является качественной на двойную связь.
4) Гидрирование . Присоединение водорода происходит под действием металлических катализаторов:
где R = Н, СН 3 , Cl , С 6 Н 5 и т.д. Молекула CH 2 =CHR называется мономером, полученное соединение - полимером , число n-степень полимеризации.
Полимеризация различных производных алкенов дает ценные промышленные продукты: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и другие.
Кроме присоединения, для алкенов характерны также реакции окисления. При мягком окислении алкенов водным раствором перманганата калия (реакция Вагнера ) образуются двухатомные спирты:
ЗСН 2 =СН 2 + 2КМn О 4 + 4Н 2 О ® ЗНОСН 2 -СН 2 ОН + 2MnO 2 ↓ + 2KOH .
В результате протекания этой реакции фиолетовый раствор перманганата калия быстро обесцвечивается и выпадает коричневый осадок оксида марганца (IV ). Эта реакция, как и реакция обесцвечивания бромной воды, является качественной на двойную связь. При жестком окислении алкенов кипящим раствором перманганата калия в кислой среде происходит полный разрыв двойной связи с образованием кетонов, карбоновых кислот или СО 2 , например:
| [О] | ||
| СН 3 -СН=СН-СН 3 | 2СН 3 -СООН |
По продуктам окисления можно установить положение двойной связи в исходном алкене.
Как и все другие углеводороды, алкены горят, и при обильном доступе воздуха образуют диоксид углерода и воду:
С n Н 2 n + Зn /2О 2 ® n СО 2 + n Н 2 О.
При ограниченном доступе воздуха горение алкенов может приводить к образованию монооксида углерода и воды:
С n Н 2n + nО 2 ® nCO + nH 2 O .
Если смешать алкен с кислородом и пропустить эту смесь над нагретым до 200°С серебряным катализатором, то образуется оксид алкена (эпоксиалкан), например:
При любых температурах алкены окисляются озоном (озон более сильный окислитель, чем кислород). Если газообразный озон пропускают через раствор какого-либо алкена в тетрахлор-метане при температурах ниже комнатной, то происходит реакция присоединения, и образуются соответствующие озониды (циклические перекиси). Озониды очень неустойчивы и могут легко взрываться. Поэтому обычно их не выделяют, а сразу после получения разлагают водой - при этом образуются карбонильные соединения (альдегиды или кетоны), строение которых указывает на строение подвергавшегося озонированию алкена.
Низшие алкены - важные исходные вещества для промышленного органического синтеза. Из этилена получают этиловый спирт, полиэтилен, полистирол. Пропен используют для синтеза полипропилена, фенола, ацетона, глицерина.
Выясним, что представляет собой реакция гидратации алкена. Для этого дадим краткую характеристику данного класса углеводородов.
Общая формула
Алкены - это ненасыщенные органические соединения, имеющие общую формулу СпН2п, в молекулах которых есть одна двойная связь, а также присутствую одинарные (простые) связи. Углеродные атомы при ней находятся в sp2 гибридном состоянии. Представителей этого класса называют этиленовыми, так как родоначальником данного ряда является этилен.
Особенности номенклатуры
Для того чтобы понять механизм гидратации алкена, необходимо выделить особенности их наименования. Согласно систематической номенклатуре, при составлении названия алкена используют определенный алгоритм действий.
Для начала необходимо определить самую длинную углеродную цепочку, включающую двойную связь. Цифрами указывают расположение углеводородных радикалов, начиная с самого маленького в русском алфавите.
При наличии в молекуле нескольких одинаковых радикалов, в названии добавляют уточняющие приставки ди-, три-, тетра.
Только после этого называют саму цепочку из углеродных атомов, добавляя в конце суффикс -ен. Чтобы уточнить расположение в молекуле непредельной (двойной) связи, ее указывают цифрой. Например, 2метилпентен-2.
Гибридизация в алкенах
Чтобы справиться с заданием следующего типа: «Установите молекулярную формулу алкена, гидратацией которого получили вторичный спирт», необходимо выяснить особенности строения представителей этого класса углеводородов. Наличие двойной связи объясняет способность СхНу вступать в реакции присоединения. Угол между двойными связями составляет 120 градусов. По ненасыщенной связи не наблюдается вращения, поэтому для представителей этого класса характерна геометрическая изомерия. В качестве основного реакционного места в молекулах алкенов выступает именно двойная связь.
Физические свойства
Они аналогичны предельным углеводородам. Низшие представители данного класса органических углеводородов являются при нормальных условиях газообразными веществами. Далее наблюдается постепенный переход к жидкостям, а для алкенов, в молекулах которых содержится больше семнадцати атомов углерода, характерно твердое состояние. Все соединения этого класса имеют незначительную растворимость в воде, при этом они отлично растворяются в полярных органических растворителях.
Особенности изомерии
Присутствие в молекулах соединений ряда этилена объясняет многообразие их структурных формул. Помимо изомеризации углеродного скелета, характерной для представителей всех классов органических соединений, у них есть межклассовые изомеры. В их качестве выступают циклопарафины. Например, для пропена межклассовым изомером является циклопропан.
Присутствие в молекулах данного класса двойной связи объясняет возможность геометрической цис- и транс- изомерии. Такие структуры возможны только у симметрических непредельных углеводородов, имеющих в составе двойную связь.
Существование данного варианта изомерии определяется невозможностью свободного вращения углеродных атомов по двойной связи.
Специфика химических свойств
Механизм гидратации алкена имеет определенные особенности. Данная реакция относится к электрофильному присоединению.
Как протекает реакция гидратации алкена? Чтобы ответить на данный вопрос, рассмотрим правило Марковникова. Суть его состоит в том, что гидратация алкенов несимметричного строения осуществляется определенным образом. Атом водорода будет присоединяться к тому углероду, который более гидрогенизирован. Гидроксильная группа присоединяется к углеродному атому, у которого меньше Н. Гидратация алкенов приводит к образованию вторичных одноатомных спиртов.
Для того чтобы реакция протекала в полном объеме, в качестве катализаторов используют минеральные кислоты. Они гарантируют ввод в реакционную смесь необходимого количества катионов водорода.
Гидратацией алкенов нельзя получить первичные одноатомные спирты, поскольку не будет соблюдаться правило Марковникова. Данная особенность используется в органическом синтезе вторичных спиртов. Любая гидратация алкенов осуществляется без использования жестких условий, поэтому процесс нашел свое практическое использование.
Если в качестве исходного представителя класса СпН2п берут этилен, правило Марковникова не работает. Какие спирты нельзя получить гидратацией алкенов? Невозможно получить в результате такого химического процесса первичные спирты из несимметричных алкенов. Как используется гидратация алкенов? Получение спиртов вторичного вида осуществляется именно таким способом. Если в качестве углеводорода выбирается представитель ряда ацетилена (алкины), гидратация приводит к получению кетонов и альдегидов.
По правилу Марковникова осуществляется гидратация алкенов. Реакция имеет механизм электрофильного присоединения, суть которого хорошо изучена.
Приведем несколько конкретных примеров подобных превращений. К чему приводит гидратация алкенов? Примеры, предлагаемые в школьном курсе химии, свидетельствуют о том, что из пропена можно получить при взаимодействии с водой пропанол-2, а из бутена-1 получают бутанол-2.
В промышленных объемах используется гидратация алкенов. Спирты вторичного состава получают именно таким способом.
Галогенирование
Качественной реакцией на двойную связь считается взаимодействие непредельных углеводородов с молекулами галогенов. Мы уже проанализировали, как происходит гидратация алкенов. Механизм галогенирования аналогичен.
Молекулы галогенов имеют ковалентную неполярную химическую связь. При проявлении временных флуктуаций у каждой молекулы возникает электрофильность. В результате вырастает вероятность протекания присоединения, сопровождающегося разрушением двойной связи в молекулах ненасыщенных углеводородов. После завершения процесса продуктом реакции является дигалогенпроизводное алкана. Бромирование считают качественной реакцией на непредельные углеводороды, поскольку происходит постепенное исчезновение бурой окраски галогена.
Гидрогалогенирование
Мы уже рассмотрели, какова формула гидратации алкенов. Аналогичный вариант имеют и реакции взаимодействия с бромоводородом. В данном неорганическом соединении ковалентная полярная химическая связь, поэтому происходит смещение электронной плотности к более электроотрицательному атому брома. Водород приобретает частичный положительный заряд, отдавая галогену электрон, атакует молекулу алкена.
Если непредельный углеводород имеет несимметричное строение, при его взаимодействии с галогеноводородом происходит образование двух продуктов. Так, из пропена при гидрогалогенировании получают 1-бромпроан и 2-бромпропан.
Для предварительной оценки вариантов взаимодействия учитывают электроотрицательность выбираемого заместителя.
Окисление
Двойная связь, присущая молекулам непредельных углеводородов, подвергается воздействию сильных окислителей. Они также имеют электрофильный характер, применяются в химической промышленности. Особый интерес представляет окисление алкенов водным (либо слабощелочным) раствором перманганата калия. Ее называют реакцией гидроксилирования, так как в итоге получают двухатомные спирты.
Например, при окислении молекул этилена водным раствором перманганата калия получают этиндиол-1,2 (этиленгликоль). Это взаимодействие считают качественной реакцией на двойную связь, так как в ходе взаимодействия наблюдается обесцвечивание раствора перманганата калия.
В кислой среде (при жестких условиях) среди продуктов реакции можно отметить альдегид.
При взаимодействии с кислородом воздуха наблюдается окисление соответствующего алкена до углекислого газа, водяного пара. Процесс сопровождается выделением тепловой энергии, поэтому в промышленности его используют для получения тепла.
Наличие двойной связи в молекуле алкена свидетельствует о возможности протекания у данного класса реакций гидрирования. Взаимодействие СпН2п с молекулами водорода происходит при термическом использовании в качестве катализаторов платины, никеля.
Многие представители класса алкенов склонны к озонированию. При невысоких температурах представители данного класса реагируют с озоном. Процесс сопровождается разрывом двойной связи, образованием циклических перекисных соединений, именуемых озонидами. В их молекулах присутствуют связи О-О, поэтому вещества являются взрывоопасными веществами. Озониды не синтезируют в чистом виде, их разлагают, используя процесс гидролиза, затем восстанавливают с помощью цинка. Продуктами такой реакции выступают карбонильные соединения, выделяемые и идентифицируемые исследователями.
Полимеризация
Данная реакция предполагает последовательное объединение нескольких молекул алкена (мономеров) в крупную макромолекулу (полимер). Из исходного этена получают полиэтилен, имеющий промышленное применение. Полимером называют вещество, которое имеет высокую молекулярную массу.
Внутри макромолекулы располагается определенное количество повторяющихся фрагментов, называемых структурными звеньями. Для полимеризации этилена в качестве структурного звена рассматривается группа - СН2—СН2-. Степень полимеризации показывает количество звеньев, повторяющихся в структуре полимера.
Степень полимеризации определяет свойства полимерных соединений. Например, полиэтилен с короткими цепями представляет собой жидкость, имеющую смазочные свойства. Для макромолекулы с длинными цепями свойственно твердое состояние. Гибкость и пластичность материала применяют в изготовлении труб, бутылок, пленок. Полиэтилен, в котором степень полимеризации составляет пять-шесть тысяч, обладает повышенной прочностью, поэтому применяется при производстве прочных нитей, жестких труб, литых изделий.
Среди продуктов, получаемых путем полимеризации алкенов, имеющих практическое значение, выделим поливинилхлорид. Данное соединение получают путем полимеризации винилхлорида. Получаемый продукт имеет ценные эксплуатационные характеристики. Он отличается повышенной стойкостью к воздействию агрессивных химических веществ, негорюч, легко поддается окрашиванию. Что можно изготовить из поливинилхлорида? Портфели, плащи, клеенку, искусственную кожу, кабели, изоляцию электрических проводов.
Тефлон является продуктом полимеризации тетрафторэтилена. Данное органическое инертное соединение устойчиво к резким перепадам температур.
Полистирол представляет собой упругое прозрачное вещество, образуемое путем полимеризации исходного стирола. Он незаменим при изготовлении диэлектриков в радио- и электротехнике. Кроме того, полистирол в большом количестве применяется для производства кислотоупорных труб, игрушек, расчесок, пористых пластмасс.
Особенности получения алкенов
Представители данного класса востребованы в современной химической промышленности, поэтому были разработаны разнообразные способы их промышленного и лабораторного получения. В природе этилен и его гомологи не существуют.
Многие лабораторные варианты получения представителей данного класса углеводородов связаны с реакциями, обратными присоединению, именуемые отщеплением (элиминированием). Например, при дегидрировании парафинов (предельных углеводородов) получают соответствующие алкены.
При взаимодействии галогенпроизводных алканов с металлическим магнием также можно получить соединения с общей формулой СпН2п. Элиминирование осуществляется по правилу Зайцева, обратному правилу Марковникова.
В промышленных объемах непредельные углеводороды ряда этилена получают путем крекинга нефти. В газах крекинга и пиролиза нефти и газа содержится от десяти до двадцати процентов непредельных углеводородов. В смеси продуктов реакции находятся и парафины, и алкены, которые отделяют друг от друга путем фракционной перегонки.
Некоторые области применения
Алкены являются важным классом органических соединений. Возможность их применения объясняется отличной реакционной способностью, простотой получения, приемлемой стоимостью. Среди многочисленных промышленных отраслей, использующих алкены, выделим полимерную промышленность. Огромное количество этилена, пропилена, их производных уходит на изготовление полимерных соединений.
Именно поэтому так актуальны вопросы, касающиеся поиска новых путей производства алкеновых углеводородов.
Поливинилхлорид считается одним из важнейших по применению продуктов, получаемых из алкенов. Для него характерна химическая и термическая устойчивость, незначительная горючесть. Поскольку данное вещество не растворяется в минеральных, но растворимо в органических растворителях, его можно использовать в разных промышленных отраслях.
Его молекулярная масса составляет несколько сотен тысяч. При повышении температуры вещество способно к разложению, сопровождаемому выделением хлороводорода.
Особый интерес представляют его диэлектрические свойства, используемые в современной электротехнике. Среди отраслей промышленности, в которых применяют поливинилхлорид, выделим изготовление искусственной кожи. Получаемый материал по эксплуатационным характеристикам ничуть не уступает натуральному материалу, при этом имеет гораздо меньшую стоимость. Одежда из такого материала становится все более популярной у модельеров, создающих яркие и красочные коллекции молодежной одежды из поливинилхлорида разного цвета.
В больших количествах поливинилхлорид применяют в качестве уплотнителя в холодильниках. Благодаря эластичности, упругости это химическое соединение востребовано при изготовлении пленок и современных натяжных потолков. Моющиеся обои дополнительно покрывают тонкой пленкой ПВХ. Это позволяет добавить им механическую прочность. Такие отделочные материалы станут идеальным вариантом для проведения косметического ремонта в офисных помещениях.
Кроме того, гидратация алкенов приводит к образованию первичных и вторичных одноатомных спиртов, которые являются отличными органическими растворителями.
