Углеводороды, содержащие в углеродной цепи одну двойную связь, называют алкенамиили олефинами. Общая формула гомологического ряда алкенов Сn H2n.
Номенклатура и изомерия алкенов
Названия этиленовых углеводородов образуются от названий соответствующих предельных углеводородов заменой окончания –ан на –ен.
Как и для насыщенных углеводородов, для алкенов характерна изомерияскелета,наряду с ней появляется изомерия положения двойной связи.В этом случае при составлении названия соединения за основу берется название насыщенного углеводорода и указывается наименьший номер атома углерода, при котором находится двойная связь:
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
СН3−СН=СН−СН2−СН3 СН2=СН−СН2−СН2−СН3
пентен-2 пентен-1
В связи с отсутствием вращения вокруг двойной связи в алкенах появляется еще один вид изомерии - геометрическая изомерия.Этот вид изомерии характерен для алкенов, в молекулах которых с каждым из углеродных атомов, образующих двойную связь, связаны два разных заместителя.
Различают цис-итранс-изомеры. В цис-изомере заместители располагаются по одну сторону плоскости двойной связи. В транс-изомере − по разные стороны (cis −(лат.) по эту сторону; trans − по ту сторону, через):
H H H3C H
C = C C = C
H3C Cl H Cl
цис-1-хлорпропен-1 транс-1-хлорпропен-1
Способы получения алкенов
В природе алкены встречаются редко. Основные методы получения – синтетические. Как правило, образование двойной связи происходит в результате реакций элиминирования – отщепления атомов или групп от двух соседних атомов углерода в насыщенной углеродной цепи. Отщепление фрагментов типа НХ происходит по правилу Зайцева: водород отщепляется от атома углерода, связанного с наименьшим количеством атомов водорода. Наиболее распространенными способами получения алкенов являются
1. Дегидрирование алканов:
Cr2O3, t
Сn H2n+2 Cn H2n + H2
2. Дегалогенирование дигалогенопроизводных:
R−CH(Hal)−CH2−Hal + Zn R−CH=CH2 + ZnHal2
3. Дегидрогалогенирование галогенопроизводных:
спирт
R−CH2−CH2−Hal + KOH R−CH=CH2 + KHal + H2O
4. Дегидратация спиртов:
t, H2SO4(к)
R−CH2−CH2−OH R−CH=CH2 + H2O
Химические свойства алкенов
В противоположность алканам алкены – очень реакционноспособные вещества. Химические свойства алкенов связаны прежде всего с реакционной способностью двойной связи. Характерная особенность двойной связи – концентрация электронной плотности над- и под плоскостью расположения σ-связей (рис. 3). Распределение электронной плотности неравномерно, поэтому алкены склонны к реакциям электрофильного присоединения по двойной связи с восстановлением термодинамически более выгодной sp3-конфигурации углеродных атомов:
| |
C = C + A — B — C — C —
ê ê
А В
Повышенная электронная плотность у атомов углерода при двойной связи притягивает соединения или частицы с дефицитом электронной плотности − электрофильные частицы.
2.3.1. Реакция галогенирования
При взаимодействии алкенов с галогенами образуются дигалогеналканы:
CH2=CH2 + Br2 Br−CH2−CH2−Br
1,2-дибромэтан
В этой реакции роль электрофильной частицы выполняет молекула галогена, поляризованная под воздействием повышенной электронной плотности двойной связи :
δ+ δ−
Br — Br Br — Br
Далее поляризованная молекула брома ориентируется около электронной плотности p-связи положительным полюсом, образуя p- комплекс :
p- комплекс
На следующей стадии происходит разрыв связи Вr—Br и p-комплекс превращается в σ- комплекс − карбокатион:
Реакция завершается присоединением аниона брома с получением 1,2-дибромэтана.
Аналогично бромируются и другие алкены:
СН3−СН=СН2 + Br2 CH3− CH−CH2
ê ê
Br Br 1,2-дибромпропан
Реакция бромирования алкенов сопровождается обесцвечиванием бромной воды и является качественной на двойную связь.
2.3.2. Реакция гидрогалогенирования
По электрофильному механизму протекает и присоединение по двойной связи галогеноводородов. Так, этилен при взаимодействии с хлороводородом превращается в хлорэтан:
CH2=CH2 + HCl CH3−CH2Cl
В случае несимметричных алкенов реакция гидрогалогенирования может протекать по двум направлениям:
CH2Br−CH2−CH3
1-бромпропан
CH2=CH−CH3 + HBr
CH3−CHBr−CH3
2-бромпропан
В реакции в значительной степени преобладает один из двух возможных продуктов, а именно 2-бромпропан.
Присоединение по двойной связи происходит по правилу Марковникова: водород присоединяется к атому углерода, связанному с наибольшим количеством водородных атомов.
2.3.3. Реакция гидратации ( присоединение воды)
Реакция протекает в присутствии катализатора − серной кислоты. При этом в результате реакции из алкенов получают спирты. Например, из этилена реакцией гидратации получают этиловый спирт:
CH2=CH2 + HOH CH3−CH2−OH
В случае несимметричных алкенов гидратация протекает по правилу Марковникова
CH2 = CH−CH3 + HOH CH3−CH−CH3
пропен ê пропанол-2
OH
2.3.4. Реакция гидрирования
Реакция присоединения водорода по двойной связи протекает в присутствии катализатора (Ni, Pd, Pt) с образованием насыщенных соединений:
CH2=CH2 + H2 CH3−CH3
этен этан
2.3.5. Реакция полимеризации
Разновидностью реакций присоединения являются и реакции полимеризации:
n CH2=CHR (−CH2−CHR−)n
Полимеризацией называется процесс, при котором небольшие молекулы реагируют друг с другом с образованием высокомолекулярного соединения. Число n называют степенью полимеризации.
Полимеризацией тетрафторэтилена получают тефлон :
n CF2=CF2 (−CF2− CF2 −)n
тетрафторэтилен тефлон
Поливинилхлорид получают полимеризацией хлорэтена (хлористого винила):
n CH2=CHCl (−CH2−CH −)n
хлорэтен | поливинилхлорид
Сl
2.3.6. Реакции окисления алкенов
Реакции окисления также затрагивают в первую очередь двойную связь. При мягком окислении алкенов водным раствором перманганата калия (реакция Вагнера) образуются двухатомные спирты:
3 CH2=CH2 + 2 KMnO4 + 4 H2O 3 HOCH2−CH2OH + 2 MnO2 + 2 KOH
этандиол-1,2 (этиленгликоль)
В результате реакции фиолетовый раствор перманганата калия обесцвечивается; эта реакция, как и реакция обесцвечивания бромной воды, является качественной на двойную связь.
Как и все другие углеводороды, алкены горят:
CnH2n + 3n/2 O2 n CO2↑ + n H2O
Применение алкенов
Низшие алкены – важные исходные вещества для промышленного органического синтеза. Из них получают полимеры, присадки к моторному топливу, растворители и другие продукты.
Диены
Углеводороды, содержащие две двойные связи, называются диенами.Они имеют общую формулу СnH2n-2 и классифицируются по принципу взаимного расположения двойных связей:
1. Соединения с изолированными двойными связями, например
СН2=СН−СН2−СН=СН2
пентадиен-1,4
В этих соединениях двойные связи находятся достаточно далеко друг от друга и не оказывают взаимного влияния. Свойства диенов с изолированными двойными связями аналогичны свойствам алкенов:
СН2=СН−СН2−СН=СН2 + 2 HBr СН3−СНBr−СН2−СНBr−СН3
2,4-дибромпентан
2. Соединения с кумулированнымидвойными связями (1,2-диены). Такие соединения называют алленами. Простейший представитель алленов − пропандиен-1,2: СН2=С=СН2. Аллены менее стабильны, чем другие представители диенов. Для них также характерны реакции присоединения по двойной связи.
3. Соединения с сопряженнымидвойными связями (1,3-диены), в которых двойные связи разделены одной простой. Представители этой группы:
СН2=С−СН=СН2
СН2=СН−СН=СН2 ê 2-метилбутадиен-1,3
бутадиен -1,3 ( дивинил) СН3 (изопрен)