Дегидрирование алкенов. Алкены. Получение, химические свойства и применение алкенов. Реакции присоединения по двойной связи

Гипермаркет знаний >>Химия >>Химия 10 класс >> Химия: Алкены

К непредельным относят углеводороды, содержащие в молекулах кратные связи между атомами углерода. Непредельными являются алкены, алкины , алкадиены (полиены). Непредельным характером обладают также циклические углеводороды, содержащие двойную связь в цикле (циклоалке-ны), а также циклоалканы с небольшим числом атомов углерода в цикле (три или четыре атома). Свойство «непредельности» связано со способностью этих веществ вступать в реакции присоединения, прежде всего водорода, с образованием предельных, или насыщенных, углеводородов - алканов.

Строение

Алкены - ациклические , содержащие в молекуле, помимо одинарных связей, одну двойную связь между атомами углерода и соответствующие общей формуле С n Н 2n .

Свое второе название - «олефины» - алкены получили по аналогии с жирными непредельными кислотами (олеиновая, линолевая), остатки которых входят в состав жидких жиров - масел (от англ. oil - масло).

Атомы углерода, между которыми имеется двойная связь, как вы знаете, находятся в состоянии sp 2 -гибридизации. Это означает, что в гибридизации участвуют одна s- и две р-орбитали, а одна р-орбиталь остается негибридизованной. Перекрывание гибридных орбиталей приводит к образованию а-связи, а за счет негибридизованных -орбиталей соседних молекулы этилена атомов углерода образуется вторая, п -связь. Таким образом, двойная связь состоит из одной Þ- и одной п-связи.

Гибридные орбитали атомов, образующих двойную связь, находятся в одной плоскости, а орбитали, образующие л-связь, располагаются перпендикулярно плоскости молекулы (см. рис. 5).

Двойная связь (0,132 нм) короче одинарной, а ее энергия больше, т. е. она является более прочной. Тем не менее наличие подвижной, легко поляризуемой 7г-связи приводит к тому, что алкены химически более активны, чем алканы, и способны вступать в реакции присоединения.

Гомологический ряд этена

Неразветвленные алкены составляют гомологический ряд этена (этилена).

С2Н4 - этен, С3Н6 - пропен, С4Н8 - бутен, С5Н10 - пентен, С6Н12 - гексен и т. д.

Изомерия и номенклатура

Для алкенов, так же как и для алканов, характерна структурная изомерия. Структурные изомеры, как вы помните, отличаются друг от друга строением углеродного скелета. Простейший алкен, для которого характерны структурные изомеры , - это бутен.

СН3-СН2-СН=СН2 СН3-С=СН2
l
СН3
бутен-1 метилпропен

Особым видом структурной изомерии является изомерия положения двойной связи:

СН3-СН2-СН=СН2 СН3-СН=СН-СН3
бутен-1 бутен-2

Вокруг одинарной углерод-углеродной связи возможно практически свободное вращение атомов углерода, поэтому молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму. Вращение вокруг двойной связи невозможно, что приводит к появлению у алкенов еще одного вида изомерии - геометрической, или цис-транс-изомерии.

Цис-изомеры отличаются от торакс-изомеров пространственным расположением фрагментов молекулы (в данном случае метильных групп) относительно плоскости п -связи, а следовательно, и свойствами.

Алкены изомерны циклоалканам (межклассовая изомерия), например:

сн2=сн-сн2-сн2-сн2-сн3
гексен-1 циклогексан

Номенклатура алкенов , разработанная ИЮПАК, схожа с номенклатурой алканов.

1. Выбор главной цепи

Образование названия углеводорода начинается с определения главной цепи - самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле. В случае алкенов главная цепь должна содержать двойную связь.

2. Нумерация атомов главной цепи

Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе находится двойная связь. Например, правильное название соединения

сн3-сн-сн2-сн=сн-сн3 сн3

5-метилгексен-2, а не 2-метилгексен-4, как можно было бы предположить.

Если по расположению двойной связи нельзя определить начало нумерации атомов в цепи, то его определяет положение заместителей так же, как для предельных углеводородов.

CH3- CH2-CH=CH-СН-СН3
l
СН3
2-метилгексен-З

3. Формирование названия

Названия алкенов формируются так же, как и названия ал-канов. В конце названия указывают номер атома углерода, у которого начинается двойная связь, и суффикс , обозначающий принадлежность соединения к классу алкенов, -ен.

Получение

1. Крекинг нефтепродуктов. В процессе термического крекинга предельных углеводородов наряду с образованием алка-нов происходит образование алкенов.

2. Дегидрирование предельных углеводородов. При пропускании алканов над катализатором при высокой температуре (400-600 °С) происходит отщепление молекулы водорода и образование алкена:

3. Дегидратация спиртов (отщепление воды). Воздействие водоотнимающих средств (Н2804, Аl203) на одноатомные спирты при высокой температуре приводит к отщеплению молекулы воды и образованию двойной связи:

Эту реакцию называют внутримолекулярной дегидратацией (в отличие от межмолекулярной дегидратации, которая приводит к образованию простых эфиров и будет изучена в § 16 «Спирты»).

4. Дегидрогалогенирование (отщепление галогеноводорода).

При взаимодействии галогеналкана со щелочью в спиртовом растворе образуется двойная связь в результате отщепления молекулы галогеноводорода.

Обратите внимание, что в результате этой реакции образуется преимущественно бутен-2, а не бутен-1, что соответствует правилу Зайцева:

При отщеплении галогеноводорода от вторичных и третичных галогеналканов атом водорода отщепляется от наименее гидрированного атома углерода.

5. Дегалогенирование. При действии цинка на дибромпроиз-водное алкана происходит отщепление атомов галогенов, находящихся при соседних атомах углерода, и образование двойной связи:

Физические свойства

Первые три представителя гомологического ряда алкенов - газы, вещества состава С5Н10-С16Н32 - жидкости, высшие алкены - твердые вещества.

Температуры кипения и плавления закономерно повышаются при увеличении молекулярной массы соединений.

Химические свойства

Реакции присоединения

Напомним, что отличительной чертой представителей непредельных углеводородов - алкенов является способность вступать в реакции присоединения. Большинство этих реакций протекает по механизму электрофильного присоединения.

1. Гидрирование алкенов. Алкены способны присоединять водород в присутствии катализаторов гидрирования - металлов - платины, палладия, никеля:

CH3-СН2-СН=СН2 + Н2 -> CH3-CH2-СН2-СН3

Эта реакция протекает и при атмосферном и при повышенном давлении и не требует высокой температуры, так как является экзотермической. При повышении температуры на тех же катализаторах может пойти обратная реакция - дегидрирование.

2. Галогенирование (присоединение галогенов). Взаимодействие алкена с бромной водой или раствором брома в органическом растворителе (ССl4) приводит к быстрому обесцвечиванию этих растворов в результате присоединения молекулы галогена к алкену и образования дигалогеналканов.

Марковников Владимир Васильевич

(1837-1904)

Русский химик-органик. Сформулировал (1869) правила о направлении реакций замещения, отщепления, присоединения по двойной связи и изомеризации в зависимости от химического строения. Исследовал (с 1880 г.) состав нефти, заложил основы нефтехимии как самостоятельной науки. Открыл (1883) новый класс органических веществ - цикло-парафины (нафтены).

3. Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводорода).

Реакция присоединения галогеноводорода более подробно будет рассмотрена ниже. Эта реакция подчиняется правилу Марковникова:

При присоединении галогеноводорода к алкену водород присоединяется к более гидрированному атому углерода, т. е. атому, при котором находится больше атомов водорода, а галоген - к менее гидрированному.

4. Гидратация (присоединение воды). Гидратация алкенов приводит к образованию спиртов. Например, присоединение воды к этену лежит в основе одного из промышленных способов получения этилового спирта:

CH2=CH2 + H2O -> СН3-СН2ОН
этен этанол

Обратите внимание на то, что первичный спирт (с гидроксигруппой при первичном углероде) образуется только при гидратации этена. При гидратации пропена или других алкенов образуются вторичные спирты.

Эта реакция также протекает в соответствии с правилом Марковникова - катион водорода присоединяется к более гидрированному атому углерода, а гидроксигруппа - к менее гидрированному.

5. Полимеризация. Особым случаем присоединения является реакция полимеризации алкенов:

Эта реакция присоединения протекает по свободноради-кальному механизму.

Реакции окисления

Как и любые органические соединения, алкены горят в кислороде с образованием С02 и Н20.

В отличие от алканов, которые устойчивы к окислению в растворах, алкены легко окисляются под действием водных растворов перманганата калия. В нейтральных или слабощелочных растворах происходит окисление алкенов до диолов (двухатомных спиртов), причем гидроксильные группы присоединяются к тем атомам, между которыми до окисления существовала двойная связь.

Как вы уже знаете, непредельные углеводороды - алкены способны вступать в реакции присоединения. Большинство этих реакций протекает по механизму электрофильного присоединения.

Электрофильное присоединение

Электрофильные реакции - это реакции, протекающие под действием электрофилов - частиц, имеющих недостаток электронной плотности, например незаполненную орбиталь. Простейшей электрофильной частицей является катион водорода. Известно, что атом водорода имеет один электрон на З-в-орбитали. Катион водорода образуется, когда атом теряет этот электрон, таким образом, у катиона водорода вообще отсутствуют электроны:

Н· - 1е - -> Н +

При этом катион имеет достаточно высокое сродство к электрону. Сочетание этих факторов делает катион водорода достаточно сильной электрофильной частицей.

Образование катиона водорода возможно при электролитической диссоциации кислот:

НВr -> Н + + Вr -

Именно по этой причине многие электрофильные реакции идут в присутствии и с участием кислот.

Электрофильные частицы, как уже говорилось раньше, действуют на системы, содержащие области повышенной электронной плотности. Примером такой системы может являться кратная (двойная или тройная) углерод-углеродная связь.

Вы уже знаете, что атомы углерода, между которыми образована двойная связь, находятся в состоянии sр 2 -гибридизации. Негибри-дизованные р-орбитали соседних атомов углерода, находящиеся в одной плоскости, перекрываются, образуя п -связь, которая менее прочна, чем Þ-связь, и, что наиболее существенно, легко поляризуется под действием внешнего электрического поля. Это означает, что при приближении положительно заряженной частицы электроны тс-связи смещаются в ее сторону и образуется так называемый п- комплекс.

Получается п -комплекс и при присоединении катиона водорода к п -связи. Катион водорода как бы натыкается на выступающую из плоскости молекулы электронную плотность п -связи и присоединяется к ней.

На следующей стадии происходит полное смещение электронной пары п -связи к одному из атомов углерода, что приводит к появлению на нем неподеленной пары электронов. Орбиталь атома углерода, на которой находится эта пара, и незаполненная орбиталь катиона водорода перекрываются, что приводит к образованию ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму. У второго атома углерода при этом остается незаполненная орбиталь, т. е. положительный заряд.

Образовавшаяся частица называется карбокатионом, так как она содержит положительный заряд на атоме углерода. Эта частица может соединиться с каким-либо анионом, частицей, имеющей неподеленную электронную пару, т. е. нуклеофилом.

Рассмотрим механизм реакции электрофильного присоединения на примере гидробромирования (присоединения бромоводорода) этена:

СН2= СН2 + НВг --> СНВr-СН3

Реакция начинается с образования электрофильной частицы - катиона водорода, которое происходит в результате диссоциации молекулы бромоводорода.

Катион водорода атакует п -связь, образуя п -комплекс, который быстро преобразуется в карбокатион:

Теперь рассмотрим более сложный случай.

Реакция присоединения бромоводорода к этену протекает однозначно, а взаимодействие бромоводорода с пропеном теоретически может дать два продукта: 1-бромпропан и 2-бромпропан. Данные эксперимента показывают, что в основном получается 2-бромпропан.

Для того чтобы объяснить это, нам придется рассмотреть промежуточную частицу - карбокатион.

Присоединение катиона водорода к пропену может привести к образованию двух карбокатионов: если катион водорода присоединится к первому атому углерода, к атому, который находится на конце цепи, то положительный заряд окажется у второго, т. е. в центре молекулы (1); если присоединится ко второму, то положительный заряд окажется у первого атома (2).

Преимущественное направление реакции будет зависеть от того, какого карбокатиона окажется больше в реакционной среде, что, в свою очередь, определяется устойчивостью карбокатиона. Эксперимент показывает преимущественное образование 2-бромпропа-на. Это означает, что в большей степени происходит образование карбокатиона (1) с положительным зарядом на центральном атоме.

Большая устойчивость этого карбокатиона объясняется тем, что положительный заряд на центральном атоме углерода компенсируется положительным индуктивным эффектом двух метильных групп, суммарный эффект которых выше, чем +/-эффект одной этильной группы:

Закономерности реакций гидрогалогенирования алкенов были изучены известным русским химиком В. В. Марковниковым, учеником А. М. Бутлерова , который, как это уже было сказано выше, сформулировал правило, носящее его имя.

Это правило было установлено эмпирически, т. е. опытным путем. В настоящее время мы можем привести вполне убедительное его объяснение.

Интересно, что правилу Марковникова подчиняются и другие реакции электрофильного присоединения, поэтому будет правильно сформулировать его в более общем виде.

В реакциях электрофильного присоединения электрофил (частица с незаполненной орбиталью) присоединяется к более гидрированному атому углерода, а нуклеофил (частица с неподеленной парой электронов) - к менее гидрированному.

Полимеризация

Особым случаем реакции присоединения является реакция полимеризации алкенов и их производных. Эта реакция протекает по механизму свободнорадикального присоединения:

Полимеризацию проводят в присутствии инициаторов - пере-кисных соединений, которые являются источником свободных радикалов. Перекисными соединениями называют вещества, молекулы которых включают группу -О-О-. Простейшим перекисным соединением является перекись водорода НООН.

При температуре 100 °С и давлении 100 МПа происходит гомо-лиз неустойчивой кислород-кислородной связи и образование радикалов - инициаторов полимеризации. Под действием радикалов КО- происходит инициирование полимеризации, которая развивается как реакция свободнорадикального присоединения. Рост цепи прекращается, когда в реакционной смеси происходит рекомбинация радикалов - полимерной цепи и радикалов или КОСН2СН2-.

При помощи реакции свободнорадикальной полимеризации веществ, содержащих двойную связь, получают большое количество высокомолекулярных соединений:

Применение алкенов с различными заместителями дает возможность синтезировать богатый ассортимент полимерных материалов с широким набором свойств.

Все эти полимерные соединения находят широкое применение в самых разных областях человеческой деятельности - промышленности, медицине, используются для изготовления оборудования биохимических лабораторий, некоторые являются полупродуктами для синтеза других высокомолекулярных соединений.

Окисление

Вы уже знаете, что в нейтральных или слабощелочных растворах происходит окисление алкенов до диолов (двухатомных спиртов). В кислой среде (подкисленный серной кислотой раствор) происходит полное разрушение двойной связи и превращение атомов углерода, между которыми существовала двойная связь, в атомы углерода карбоксильной группы:

Деструктивное окисление алкенов можно применять для определения их структуры. Так, например, если при окислении некоторого алкена получены уксусная и пропионовая кислоты, это означает, что окислению подвергся пентен-2, а если получены масляная (бутановая) кислота и углекислый газ, то исходный углеводород - пентен-1.

Применение

Алкены широко используются в химической промышленности как сырье для получения разнообразных органических веществ и материалов.

Так, например, этен является исходным веществом для производства этанола, этиленгликоля, эпоксидов, дихлорэтана.

Большое количество этена перерабатывается в полиэтилен, который используется для изготовления упаковочной пленки, посуды, труб, электроизоляционных материалов.

Из пропена получают глицерин, ацетон, изопропанол, растворители. Полимеризацией пропена получают полипропилен, который по многим показателям превосходит полиэтилен: имеет более высокую температуру плавления, химическую устойчивость.

В настоящее время из полимеров - аналогов полиэтилена производят волокна, обладающие уникальными свойствами. Так, например, волокно из полипропилена прочнее всех известных синтетических волокон.

Материалы, изготовленные из этих волокон, являются перспективными и находят все большее применение в разных областях человеческой деятельности.

1. Какие виды изомерии характерны для алкенов? Напишите формулы возможных изомеров пентена-1.
2. Из каких соединений может быть получен: а) изобутен (2-метилпропен); б) бутен-2; в) бутен-1? Напишите уравнения соответствующих реакций.
3. Расшифруйте следующую цепочку превращений. Назовите соединения А, Б, В. 4. Предложите способ получения 2-хлорпропана из 1-хлор-пропана. Напишите уравнения соответствующих реакций.
5. Предложите способ очистки этана от примесей этилена. Напишите уравнения соответствующих реакций.
6. Приведите примеры реакций, с помощью которых можно различить предельные и непредельные углеводороды.
7. На полное гидрирование 2,8 г алкена израсходовано 0,896 л водорода (н. у.). Какова молекулярная масса и структурная формула этого соединения, имеющего нормальную цепь углеродных атомов?
8. Какой газ находится в цилиндре (этен или пропен), если известно, что на полное сгорание 20 см3 этого газа потребовалось 90 см3 (н. у.) кислорода?
9*. При реакции алкена с хлором в темноте образуется 25,4 г дихлорида, а при реакции этого алкена той же массы с бромом в тетрахлорметане - 43,2 г дибромида. Установите все возможные структурные формулы исходного алкена.

История открытия

Из вышеизложенного материала мы с вами уже поняли, что этилен является родоначальником гомологического ряда непредельных углеводородов, имеющий одну двойную связь. Их формула C n H 2n и носят они название алкенов.

Немецкому врачу и химику Бехеру в 1669 году впервые удалось получить этилен путем воздействия серной кислоты на этиловый спирт. Бехер установил, что этилен является, более химически активным, чем метан. Но, на жаль, в то время, полученный газ ученый идентифицировать не смог, поэтому и названия ему никакого не присвоил.

Немного позже таким же способом получения этилена воспользовался и голландские химики. А так как при взаимодействии с хлором он имел свойство образовывать маслянистуюю жидкость, то соответственно и получил название «маслородного газа». Позднее стало известно, что эта жидкость является дихлорэтаном.

Во французском языке термин «маслородный» звучит, как oléfiant. А после того, как были обнаружены и другие углеводороды подобного типа, то Антуан Фуркруа,французский химик и ученый, ввел новый термин, который стал общим для всего класса олефинов или алкенов.

Но уже в начале девятнадцатого века французским химиком Ж. Гей-Люссаком было доведено, что этанол состоит не только из «маслородного» газа, но и воды. Кроме того, такой же газ был обнаружен и в хлористом этиле.

И хотя химики и определили, что этилен состоит из водорода и углерода, и уже знали состав веществ, но найти его настоящую формулу еще долго не могли. И лишь в 1862 году Э.Эрленмейеру удалось доказать наличие в молекуле этилена двойной связи. Это признал и российский ученый А. М. Бутлеров и подтвердил правильность такой точки зрения экспериментально.

Нахождение в природе и физиологическая роль алкенов

Многих интересует вопрос, где в природе можно встретить алкены. Так вот, оказывается, что в природе они практически не встречаются, так как простейший его представитель этилен является гормоном для растений и лишь в незначительном количестве в них синтезируется.

Правда в природе существует такой алкен, как мускалур. Этот один из природных алкенов является половым аттрактантом самки домашней мухи.

Стоит обратить внимание на то, что, имея, высокую концентрацию низшие алкены обладают наркотическим эффектом, которые способны вызывать судороги и раздражение слизистых.

Применение алкенов

Жизнь современного общества на сегодняшний день трудно представить без применения полимерных материалов. Так как в отличие от природных материалов, полимеры обладают различными свойствами, они легкие в обработке, да и если смотреть по цене, то они сравнительно дешевы. Еще важным аспектом в пользу полимеров, является то, что многие из них можно вторично перерабатывать.

Алкены свое применение нашли при производстве пластмасс, каучуков, пленок, тефлона, этилового спирта, уксусного альдегида и других органических соединений.

В сельском хозяйстве его применяют, как средство, которое ускоряет процесс созревания фруктов. Для получения различных полимеров и спиртов используют пропилен и бутилены. А вот в производстве синтетического каучука используют изобутилен. Поэтому можно сделать вывод, что без алкенов не обойтись, так как они являются важнейшим химическим сырьем.

Промышленное использование этилена

В промышленных масштабах пропилен, как правило, используют для синтеза полипропилена и для получения изопропанола, глицерина, масляных альдегидов и т.д. С каждым годом потребность в пропилене возрастает.

АЛКЕНЫ

Углеводороды, в молекуле которых помимо простых σ-связей углерод - углерод и углерод - водород имеются углерод-угле­родные π-связи, называются непредельными. Так как образование π-связи формально эквивалентно потере моле­кулой двух атомов водорода, то непредельные углеводороды содержат на 2п атомов водорода меньше, чем предельные, где п - число π -связей:

Ряд, члены которого отличаются друг от друга на (2Н) n , называется изологическим рядом. Так, в приведенной выше схеме изологами являются гексаны, гексены, гексадиены, гексины, гексатриены и т. д.

Углеводороды, содержащие одну π-связь (т. е. двойную связь), называются алкенами (олефинами) или, по первому члену ряда - этилену, этиленовыми углеводородами. Общая формула их гомологического ряда С п Н 2л.

1. Номенклатура

В соответствии с правилами ИЮПАК при построении назва­ний алкенов наиболее длинная углеродная цепь, содержащая двойную связь, получает название соответствующего алкана, в котором окончание -ан заменено на -ен. Эта цепь нумеруется таким образом, чтобы углеродные атомы, участвующие в образовании двойной связи, получили номера, наименьшие из возможных:

Радикалы называются и нумеруются как и в случае алканов.

Для алкенов сравнительно простого строения разрешается применять более простые названия. Так, некоторые наиболее часто встречающиеся алкены называют, добавляя суффикс -ен к названию углеводородного радикала с тем же углеродным скелетом:

Углеводородные радикалы, образованные из алкенов, по­лучают суффикс -енил. Нумерация в радикале начинается от углеродного атома, имеющего свободную валентность. Однако для простейших алкенильных радикалов вместо систематиче­ских названий разрешается использовать тривиальные:

Водородные атомы, непосредственно связанные с ненасы­щенными атомами углерода, образующими двойную связь, часто называют винилъными атомами водорода,

2. Изомерия

Помимо изомерии углеродного скелета, в ряду алкенов по­является еще и изомерия положения двойной связи. В общем виде изомерия такого типа - изомерия положения заместителя (функции) - наблюдается во всех случаях, когда в моле­куле имеются какие-либо функциональные группы. Для алкана С 4 Н 10 возможны два структурных изомера:

Для алкена С 4 Н 8 (бутена) возможны три изомера:

Бутен-1 и бутен-2 являются изомерами положения функ­ции (в данном случае ее роль выполняет двойная связь).

Пространственные изомеры различаются пространственным расположением заместителей относительно друг друга и называются цис-изомерами, если заместители расположены по одну сторону от двойной связи, и транс-изомерами, если по разные стороны:

3. Строение двойной связи

Энергия разрыва молекулы по двойной связи С=С равна 611 кДж/моль; так как энергия σ-связи С-С рав­на 339 кДж/моль, то энергия разрыва π -связи равна лишь 611-339 = 272 кДж/моль. π -электроны значительно легче σ -электронов поддаются влиянию, например, поляризующих растворителей или воздействию любых атакующих реагентов. Это объясняется различием в симметрии распреде­ления электронного облака σ- и π-электронов. Максимальное перекрывание р-орбиталей и, следовательно, минимальная сво­бодная энергия молекулы реализуются лишь при плоском стро­ении винильного фрагмента и при укороченном расстоянии С-С, равном 0,134нм, т.е. значительно меньшем, чем рас­стояние между углеродными атомами, связанными простой связью (0,154 нм). С поворотом «половинок» молекулы относи­тельно друг друга по оси двойной связи степень перекрывания орбиталей снижается, что связано с затратой энергии. Следст­вием этого является отсутствие свободного вращения по оси двойной связи и существование геометрических изомеров при соответствующем замещении у атомов углерода.

4. Физические свойства

Как и алканы, низшие гомологи ряда простейших алкенов при обычных условиях - газы, а начиная с С 5 - низкокипя­щие жидкости.

Все алкены, как и алканы, практически нерастворимы в воде и хорошо растворимы в других органических растворите­лях, за исключением метилового спирта; все они имеют мень­шую плотность, чем вода.

5. Химические свойства

При рассмотрении реакционной способности сложных ор­ганических соединений действует общий принцип. В боль­шинстве реакций участвует не «инертный» углеводородный радикал, а имеющиеся функциональные группы и их ближай­шее окружение. Это естественно, ибо большинство связей менее прочны, чем связи С-С и С-Н, и, кроме того, связи в функци­ональной группе и вблизи нее наиболее поляризованы.

Естественно ожидать, что реакции алкенов будут проходить по двойной связи, которую тоже можно считать функциональ­ной группой, а следовательно, будут реакциями присоедине­ния, а не реакциями замещения, характерными для ранее рас­смотренных алканов.

Присоединение водорода

Присоединение водорода к алкенам приводит к образованию алканов:

Присоединение водорода к этиленовым соединениям в от­сутствие катализаторов происходит лишь при высоких темпе­ратурах, при которых часто начинается разложение органиче­ских веществ. Значительно легче присоединение водорода идет в присутствии катализа­торов. Катализаторами служат металлы платиновой группы в мелкодисперсном состоянии, сама платина и особен­но палладий - уже при обычной температуре. Большое прак­тическое значение имело открытие Сабатье, применившего специально приготовленный мелкораздробленный никель при температуре 150-300°С и в многочисленных работах пока­завшего универсальность этого катализатора для целого ряда реакций восстановления.

Присоединение галогенов

Галогены присоединяются к алкенам с образованием дигалогенопроизводных, содержащих атомы галогена у соседних атомов углерода:

На первой стадии этой реакции происходит взаимодействие между π-электронами двойной связи и электрофильной частицей галогена с образованием π-комплекса (I). Далее π-комплекс перегруппировывается в ониевый (бромониевый) ион (II) с ощеплением аниона галогена, находящийся в равновесии с карбкатионом (III). Затем анион атакует ониевый ион с образованием продукта присоединения (IV):

Атака анионом бромониевого иона (II) с образованием дибромида (IV) происходит в транс-положение. Так, в случае присоединения Вг 2 к циклопентену образуется только транс-1,2-дибромдикло-пентан:

Доказательством двухстадийного присоединения галогена к алкенам является тот факт, что при присоединении Вг 2 к циклогексену в присутствии МаС1 образуется не только транс-1,2-дибромциклогексан, но и транс-1-бром-2-хлорциклогексан:

Радикальное галогенирование

В жестких условиях (газовая фаза, 500°С) галогены не присоединяются по двойной связи, а происхо­дит галогенирование α-положения:

В этом случае реакция идет по радикальному механизму.

Присоединение галогеноводородов

Галогеноводороды присоединяются к алкенам с образованием галогеналкилов. Присоединение в случае несимметричных молекул идет по правилу Марковникова, т. е. водород присоединяется к наи­более гидрогенизированному атому углерода (с наибольшим числом водородных атомов):

Эта реакция, как и присоединение брома к этилену, идет после образования π-комплекса через стадию образования протониевого иона:

В присутствии перекисей бромоводород присоединяется не по правилу Марковникова (эффект Хараша):

В присутствии перекисей реакция идет не по механизму электрофильного присоединения, как выше, а по радикально­му механизму. Первой стадией является атака перекисного радикала на молекулу НВг:

Возникший радикал брома присоединяется к пропилену с образованием нового радикала:

Последний стабилизируется за счет вырывания водорода из новой молекулы НВг с регенерацией нового радикала брома и т. д.:

И в этом случае направление процесса определяется устойчи­востью радикалов бромпропана: образуется преимущественно более устойчивый, приводя к 1-бромпропану.

Присоединение воды и серной кислоты

В присутст­вии кислот вода присоединяется по двойной связи по правилу Марковникова:

Так же идет реакция и с серной кислотой:

Окисление перманганатом калия в нейтральной или слабощелочной среде (реакция Вагнера)

На первой стадии по механизму цис-присоединения идет присоедине­ние иона МпО 4 к кратной связи с последующим гидролитическим расщепле­нием неустойчивого продукта присоединения и выделения иона МпО 3 -

Реакция идет по схеме цис-присоединения:

Кислые растворы перманганата окисляют алкены с разры­вом цепи по С=С-связи и образованием кислот или кетонов:

Действие озона на алкены

Эта реакция приводит к кристаллическим сильновзрывчатым озонидам, которые при гидролизе образуют альдегиды или кетоны:

Реакция часто применяется для определения положения двойной связи в молекуле, так как по образующимся карбо­нильным соединениям можно представить себе и строение ис­ходного алкена.

Реакция идет путем цис-циклоприсоединения через стадию неустой­чивого мольозонида, который подвергается диссоциации и последующей рекомбинации:

Полимеризация алкенов

Особо важное значение полу­чила полимеризация этилена и пропилена в полимеры с молеку­лярной массой около 10 5 . До 1953 г. в основном применялась радикальная (инициируемая свободными радикалами) полиме­ризация, хотя в принципе использовалось и анионное, и катионное инициирование процесса.

После работ Циглера и Натта, которые получили Нобелев­скую премию за эти исследования, наиболее широко стала ис­пользоваться так называемая координационная полимериза­ция. Простейший «циглеровский» катализатор этого типа со­стоит из триэтилалюминия и соединений титана (IV). При этом происходит образование полимеров с высокой степенью стереорегулярности. Например, при полимеризации пропиле­на образуется изотактический полипропилен - полимер, в ко­тором все боковые СН 3 -группы занимают одинаковое про­странственное положение:

Это придает полимеру большую прочность, и он может даже применяться для изготовления синтетического волокна.

Полиэтилен, получаемый этим способом, представляет со­бой предельный углеводород с неразветвленной цепью. Он ме­нее эластичен, чем полиэтилен, получаемый при высоких дав­лениях, но обладает большей твердостью и способен выдержи­вать воздействие более высоких температур.

Благодаря сочетанию многих ценных свойств полиэтилен имеет очень широкое применение. Он является одним из лучших материалов для изоляции кабелей, для применения в радарной технике, радиотехнике, сельском хозяйстве и др. Из него изготавливают трубы, шланги, сосуды, тару для сель­скохозяйственных продуктов и удобрений, пленки различной толщины и многие бытовые предметы. Прочные пленки из полиэтилена начали применяться даже в качестве покрытия дна искусственных каналов для придания им водонепроницае­мости.

Теломеризация

Интересен имеющий промышленное примене­ние процесс сополимеризации этилена с тетрахлоридом углерода, назван­ный теломеризацией. Если в смесь этилена с СС1 4 внести перекись бензоила или другой инициатор, распадающийся с образованием свободных радикалов, происходит следующий процесс:

Радикалы СС1 3 " инициируют цепную полимеризацию этилена:

При встрече с другой молекулой СС1 4 рост цепи прекращается:

Радикал СС1 3 - дает начало новой цепи.

Образующиеся низкомолекулярные продукты полимеризации, со­держащие на концах цепи атомы галогена, называются теломерами. По­лучены теломеры со значениями п =2,3, 4, ...,15.

При гидролизе продуктов теломеризации образуются ω-хлорзаме-щенные карбоновые кислоты, являющиеся ценными химическими про­дуктами.

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.

Алкены химически активны. Их химические свойства во многом определяются наличием двойной связи. Для алкенов наиболее характерны реакции электрофильного присоединения и реакции радикального присоединения. Реакции нуклеофильного присоединения обычно требуют наличие сильного нуклеофила и для алкенов не типичны. Алкены легко вступают в реакции окисления, присоединения а также способны к алильному радикальному замещению.

Реакции присоединения

Гидрирование Присоединение водорода (реакция гидрирования) к алкенам проводят в присутствии катализаторов. Чаще всего используют измельченные металлы - платину, никель, палладий и др. В результате образуются соответствующие алканы (насыщенные углеводороды).

$CH_2=CH_2 + H2 → CH_3–CH_3$

Присоединение галогенов. Алкены легко при обычных условиях вступают в реакции с хлором и бромом с образованием соответствующих дигалогеналканов, в которых атомы галогена находятся у соседних атомов углерода.

Замечание 1

При взаимодействии алкенов с бромом наблюдается обесцвечивание желто-бурой окраски брома. Это одна из старейших и самых простых качественных реакций на ненасыщенные углеводороды, поскольку аналогично реагируют также алкины и алкадиены.

$CH_2=CH_2 + Br_2 → CH_2Br–CH_2Br$

Присоединение галогеноводородов. При взаимодействии этиленовых углеводородов с галогеноводородами ($HCl$, $HBr$) образуются галогеналканы, направление реакции зависит от строения алкенов.

В случае этилена или симметричных алкенов реакция присоединения происходит однозначно и ведет к образованию только одного продукта:

$CH_2=CH_2 + HBr → CH_3–CH_2Br$

В случае несимметричных алкенов возможно образование двух разных продукта реакции присоединения:

Замечание 2

На самом деле в основном образуется только один продукт реакции. Закономерность направлении прохождения таких реакций установил российский химик В.В. Марковников в 1869 Она носит название правило Марковникова. При взаимодействии галогеноводородов с несимметричными алкенами атом водорода присоединяется по месту разрыва двойной связи в наиболее гидрированного атома углерода, то есть до того, что соединен с большим количеством атомов водорода.

Данное правило Марковников сформулировал на основе экспериментальных данных и только значительно позже оно получило теоретическое обоснование. Рассмотрим реакцию пропилена с хлористым водородом.

Одной из особенностей $p$-связи является его способность легко поляризоваться. Под влиянием метильной группы (положительный индуктивный эффект + $I$) в молекуле пропена электронная плотность $p$-связи смещается к одному из атомов углерода (= $CH_2$). Вследствие этого на нем возникает частичный отрицательный заряд ($\delta -$). На другом атоме углерода двойной связи в соответствии возникает частичный положительный заряд ($\delta +$).

Такое распределение электронной плотности в молекуле пропилена определяет место будущей атаки протоном. Это - атом углерода метиленовой группы (= $CH_2$), который несет частичный отрицательный заряд $\delta-$. А хлор, соответственно, атакует атом углерода с частичным положительным зарядом $\delta+$.

Как следствие, основным продуктом реакции пропилена с хлористым водородом является 2-хлорпропан.

Гидратация

Гидратация алкенов происходит в присутствии минеральных кислот и подчиняется правилу Марковникова. Продуктами реакции являются спирты

$CH_2=CH_2 + H_2O → CH_3–CH_2–OH$

Алкилирование

Присоединение алканов к алкенам в присутствии кислотного катализатора ($HF$ или $H_2SO_4$) при низких температурах приводит к образованию углеводородов с большей молекулярной массой и часто используется в промышленности для получения моторного топлива

$R–CH_2=CH_2 + R’–H → R–CH_2–CH_2–R’$

Реакции окисления

Окисление алкенов может происходить в зависимости от условий и видов окислительных реагентов как с разрывом двойной связи, так и с сохранением углеродного скелета:

Реакции полимеризации

Молекулы алкенов способны присоединяться при определенных условиях друг к другу с раскрытием $\pi$-связей и образования димеров, триммеров или высокомолекулярных соединений - полимеров. Полимеризация алкенов может протекать как по свободнорадикальному, так и катионно-анионому механизму. Как инициаторы полимеризации применяют кислоты, перекиси, металлы и др. Реакцию полимеризации осуществляют также под действием температуры, облучения, давления. Типичным примером является полимеризация этилена с образованием полиэтилена

$nCH_2=CH_2 → (–CH_2–CH_{2^–})_n$

Реакции замещения

Реакции замещения для алкенов не являются характерными. Однако при высоких температурах (свыше 400 ° C) реакции радикального присоединения, что носят обратимый характер, и подавляются. В этом случае становится возможным провести замещение атома водорода, находящегося в аллильном положении при сохранении двойной связи

$CH_2=CH–CH_3 + Cl_2 – CH_2=CH–CH_2Cl + HCl$

Простейшим алкеном является этен 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.

Пространственная структура этилена

По названию первого представителя этого ряда - этилена - такие углеводороды называют этиленовыми.

Номенклатура и изомерия

Номенклатура

Алкены простого строения часто называют, заменяя суффикс -ан в алканах на -илен: этан - этилен, пропан - пропилен и т.д.

По систематической номенклатуре названия этиленовых углеводородов производят заменой суффикса -ан в соответствующих алканах на суффикс -ен (алкан - алкен, этан - этен, пропан - пропен и т.д.). Выбор главной цепи и порядок названия тот же, что и для алканов. Однако в состав цепи должна обязательно входить двойная связь. Нумерацию цепи начинают с того конца, к которому ближе расположена эта связь. Например:

Иногда используют и рациональные названия. В этом случае все алкеновые углеводороды рассматривают как замещенные этилена:

Непредельные (алкеновые) радикалы называют тривиальными названиями или по систематической номенклатуре:

Н 2 С = СН - - винил (этенил)

Н 2 С = CН - СН 2 - -аллил (пропенил-2)

Изомерия

Для алкенов характерны два вида структурной изомерии. Кроме изомерии, связанной со строением углеродного скелета (как у алканов), появляется изомерия, зависящая от положения двойной связи в цепи. Это приводит к увеличению числа изомеров в ряду алкенов.

Первые два члена гомологического ряда алкенов -(этилен и пропилен) - изомеров не имеют и их строение можно выразить так:

H 2 C = CH 2 этилен (этен)

H 2 C = CH - CH 3 пропилен (пропен)

Изомерия положения кратной связи

H 2 C = CH - CH 2 - CH 3 бутен-1

H 3 C - CH = CH - CH 3 бутен-2

Геометрическая изомерия - цис-, транс- изомерия.

Такая изомерия характерна для соединений с двойной связью.

Если простая σ -связь допускает свободное вращение отдельных звеньев углеродной цепи вокруг своей оси, то вокруг двойной связи такого вращения не происходит. Это и является причиной появления геометрических (цис-, транс- ) изомеров.

Геометрическая изомерия - один из видов пространственной изомерии.

Изомеры, у которых одинаковые заместители (при разных углеродных атомах) расположены по одну сторону от двойной связи, называют цис-изомерами,а по разную - транс-изомерами:

Цис- и транс- изомеры отличаются не только пространственным строением, но и многими физическими и химическими свойствами. Транс- изомеры более устойчивы, чем цис- изомеры.

Получение алкенов

В природе алкены встречаются редко. Обычно газообразные алкены (этилен, пропилен, бутилены) выделяют из газов нефтепереработки (при крекинге) или попутных газов, а также из газов коксования угля.

В промышленности алкены получают дегидрированием алканов в присутствии катализатора (Сr 2 О 3).

Дегидрирование алканов

H 3 C - CH 2 - CH 2 - CH 3 → H 2 C = CH - CH 2 - CH 3 + H 2 (бутен-1)

H 3 C - CH 2 - CH 2 - CH 3 → H 3 C - CH = CH - CH 3 + H 2 (бутен-2)

Из лабораторных способов получения можно отметить следующие:

1. Отщепление галогеноводорода от галогеналкилов при действии на них спиртового раствора щелочи:

2. Гидрирование ацетилена в присутствии катализатора (Pd):

H-C ≡ C-H + H 2 → H 2 C = CH 2

3. Дегидратация спиртов (отщепление воды).
В качестве катализатора используют кислоты (серную или фосфорную) или Аl 2 O 3:

В таких реакциях водород отщепляется от наименее гидрогенизированного (с наименьшим числом водородных атомов) углеродною атома (правило А.М.Зайцева):

Физические свойства

Физические свойства некоторых алкенов показаны в таблице ниже. Первые три представителя гомологического ряда алкенов (этилен, пропилен и бутилен) - газы, начиная с C 5 H 10 (амилен, или пентен-1) - жидкости, а с С 18 Н 36 - твердые вещества. С увеличением молекулярной массы повышаются температуры плавления и кипения. Алкены нормального строения кипят при более высокой температуре, чем их изомеры, имеющие изостроение. Температуры кипения цис -изомеров выше, чем транс -изомеров, а температуры плавления - наоборот.

Алкены плохо растворимы в воде (однако лучше, чем соответствующие алканы), но хорошо - в органических растворителях. Этилен и пропилен горят коптящим пламенем.

Физические свойства некоторых алкенов

Алкены малополярны, но легко поляризуются.

Химические свойства

Алкены обладают значительной реакционной способностью. Их химические свойства определяются, главным образом, двойной углерод-углеродной связью.

π-Связь, как наименее прочная и более доступная, при действии реагента разрывается, а освободившиеся валентности углеродных атомов затрачиваются на присоединение атомов, из которых состоит молекула реагента. Это можно представить в виде схемы:

Таким образом, при реакциях присоединения двойная связь разрывается как бы наполовину (с сохранением σ-связи).

Для алкенов, кроме присоединения, характерны еще реакции окисления и полимеризации.

Реакции присоединения

Чаще реакции присоединения идут по гетеролитическому типу, являясь реакциями электрофильного присоединения.

1. Гидрирование (присоединение водорода). Алкены, присоединяя водород в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni), переходят в предельные углеводороды - алканы:

Н 2 С = СН 2 + H 2 → Н 3 С - СН 3 (этан)

2. Галогенирование (присоединение галогенов). Галогены легко присоединяются по месту разрыва двойной связи с образованием дигалогенопроизводных:

Н 2 С = СН 2 + Cl 2 → ClH 2 C - CH 2 Cl (1,2-дихлорэтан)

Легче идет присоединение хлора и брома, труднее - иода. Фтор с алкенами, как и с алканами, взаимодействует со взрывом.

Сравните: у алкенов реакция галогенирования - процесс присоединения, а не замещения (как у алканов).

Реакцию галогенирования обычно проводят в растворителе при обычной температуре.

Присоединение брома и хлора к алкенам происходит по ионному, а не по радикальному механизму. Этот вывод следует из того, что скорость присоединения галогена не зависит от облучения, присутствия кислорода и других реагентов, инициирующих или ингибирующих радикальные процессы. На основании большого числа экспериментальных данных для этой реакции был предложен механизм, включающий несколько последовательных стадий. На первой стадии происходит поляризация молекулы галогена под действием электронов π-связи. Атом галогена, приобретающий некоторый дробный положительный заряд, образует с электронами π-связи нестабильный интермедиат, называемый π-комплексом или комплексом с переносом заряда. Следует отметить, что в π-комплексе галоген не образует направленной связи с каким-нибудь конкретным атомом углерода; в этом комплексе просто реализуется донорно-акцепторное взаимодействие электронной пары π-связи как донора и галогена как акцептора.

Далее π-комплекс превращается в циклический бромониевый ион. В процессе образования этого циклического катиона происходит гетеролитический разрыв связи Br-Br и пустая р -орбиталь sp 2 -гибридизованного атома углерода перекрывается с р -орбиталью "неподеленной пары" электронов атома галогена, образуя циклический ион бромония.

На последней, третьей стадии анион брома как нуклеофильный агент атакует один из атомов углерода бромониевого иона. Нуклеофильная атака бромид-иона приводит к раскрытию трехчленного цикла и образованию вицинального дибромида (vic -рядом). Эту стадию формально можно рассматривать как нуклеофильное замещение S N 2 у атома углерода, где уходящей группой является Br + .

Результат этой реакции нетрудно предвидеть: анион брома атакует карбкатион с образованием дибромэтана.

Быстрое обесцвечивание раствора брома в СCl 4 служит одним из простейших тестов на ненасыщенность, поскольку и алкены, и алкины, и диены быстро реагируют с бромом.

Присоединение брома к алкенам (реакция бромирования) - качественная реакция на предельные углеводороды. При пропускании через бромную воду (раствор брома в воде) непредельных углеводородов желтая окраска исчезает (в случае предельных - сохраняется).

3. Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводородов). Алкены легко присоединяют галогенводороды:

H 2 С = СН 2 + НВr → Н 3 С - CH 2 Вr

Присоединение галогенводородов к гомологам этилена идет по правилу В.В.Марковникова (1837 - 1904): при обычных условиях водород галогенводорода присоединяется по месту двойной связи к наиболее гидрогенизированному атому углерода, а галоген - к менее гидрогенизированному:

Правило Марковникова можно объяснить тем, что у несимметричных алкенов (например, в пропилене) электронная плотность распределена неравномерно. Под влиянием метильной группы, связанной непосредственно с двойной связью, происходит смещение электронной плотности в сторону этой связи (на крайний углеродный атом).

Вследствие такого смещения p-связь поляризуется и на углеродных атомах возникают частичные заряды. Легко представить, что положительно заряженный ион водорода (протон) присоединится к атому углерода (электрофильное присоединение), имеющему частичный отрицательный заряд, а анион брома - к углероду с частичным положительным зарядом.

Такое присоединение является следствием взаимного влияния атомов в органической молекуле. Как известно, электроотрицательность атома углерода немного выше, чем водорода.

Поэтому в метильной группе наблюдается некоторая поляризация σ-связей С-Н, связанная со смещением электронной плотности от водородных атомов к углероду. В свою очередь это вызывает повышение электронной плотности в области двойной связи и особенно на ее крайнем, атоме. Таким образом, метильная группа, как и другие алкильные группы, выступает в качестве донора электронов. Однако в присутствии пероксидных соединений или О 2 (когда реакция имеет радикальный характер) эта реакция может идти и против правила Марковникова.

По тем же причинам правило Марковникова соблюдается при присоединении к несимметричным алкенам не только галогеноводородов, но и других электрофильных реагентов (H 2 O, H 2 SО 4 , НОСl, ICl и др.).

4. Гидратация (присоединение воды). В присутствии катализаторов к алкенам присоединяется вода с образованием спиртов. Например:

H 3 C - CH = CH 2 + H - OH → H 3 C - CHOH - CH 3 (изопропиловый спирт)

Реакции окисления

Алкены окисляются легче, чем алканы. Продукты, образованные при окислении алкенов, и их строение зависят от строения алкенов и от условий проведения этой реакции.

1. Горение

Н 2 С = СН 2 + 3O 2 → 2СO 2 + 2Н 2 O

2. Неполное каталитическое окисление

3. Окисление при обычной температуре. При действии на этилен водного раствора КМnO 4 (при нормальных условиях, в нейтральной или щелочной среде - реакция Вагнера) происходит образование двухатомного спирта - этиленгликоля:

3H 2 C = CH 2 + 2KMnO 4 + 4H 2 O → 3HOCH 2 - CH 2 OH (этиленгликоль)+ 2MnO 2 + KOH

Эта реакция является качественной: фиолетовая окраска раствора перманганата калия изменяется при добавлении к нему непредельного соединения.

В более жестких условиях (окисление КМnO 4 в присутствии серной кислоты или хромовой смесью) в алкене происходит разрыв двойной связи с образованием кислородсодержащих продуктов:

H 3 C - CH = CH - CH 3 + 2O 2 → 2H 3 C - COOH (уксусная кислота)

Реакция изомеризации

При нагревании или в присутствии катализаторов алкены способны изомеризоваться - происходит перемещение двойной связи или установление изостроения.

Реакции полимеризации

За счет разрыва π-связей молекулы алкена могут соединяться друг с другом, образуя длинные цепные молекулы.

Нахождение в природе и физиологическая роль алкенов

В природе ациклические алкены практически не встречаются. Простейший представитель этого класса органических соединений - этилен C 2 H 4 - является гормоном для растений и в незначительном количестве в них синтезируется.

Один из немногих природных алкенов - мускалур (цис- трикозен-9) является половым аттрактантом самки домашней мухи (Musca domestica) .

Низшие алкены в высоких концентрациях обладают наркотическим эффектом. Высшие члены ряда также вызывают судороги и раздражение слизистых оболочек дыхательных путей

Отдельные представители

Этилен (этен) - органическое химическое соединение,описываемое формулой С 2 H 4 . Является простейшим алкеном. Содержит двойную связь и поэтому относится к ненасыщенным или непредельным углеводородам. Играет чрезвычайно важную роль в промышленности, а также является фитогормоном (низкомолекулярные органические вещества, вырабатываемые растениями и имеющие регуляторные функции).

Этилен - вызывает наркоз, обладает раздражающим и мутагенным действием.

Этилен - самое производимое органическое соединение в мире; общее мировое производство этилена в 2008 году составило 113 миллионов тонн и продолжает расти на 2-3% в год.

Этилен является ведущим продуктом основного органического синтеза и применяется для получения полиэтилена (1-е место, до 60 % всего объёма).

Полиэтилен - термопластичный полимер этилена. Самый распространенный в мире пластик.

Представляет собой воскообразную массу белого цвета (тонкие листы прозрачный бесцветны). Химически- и морозостоек, изолятор, не чувствителен к удару (амортизатор), при нагревании размягчается (80-120°С), при охлаждении застывает, адгезия (сцепление поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел) - чрезвычайно низкая. Иногда в народном сознании отождествляется с целлофаном - похожим материалом растительного происхождения.

Пропилен - вызывает наркоз (сильнее, чем этилен), оказывает общетоксическое и мутагенное действие.

Устойчив к действию воды, не реагирует с щелочами любой концентрации, с растворами нейтральных, кислых и основных солей, органическими и неорганическими кислотами, даже концентрированной серной кислоты, но разлагается при действии 50%-ой азотной кислоты при комнатной температуре и под воздействием жидкого и газообразного хлора и фтора. Со временем, происходит термостарение.

Полиэтиленовая плёнка (особенно упаковочных, например, пузырчатая упаковка или скотч).

Тара (бутылки, банки, ящики, канистры, садовые лейки, горшки для рассады.

Полимерные трубы для канализации, дренажа, водо-, газоснабжения.

Электроизоляционный материал.

Полиэтиленовый порошок используется как термоклей.

Бутен-2 - вызывает наркоз, обладает раздражающим действием.