Конспект урока: Непредельные углеводороды. Алкены

Строение алкенов. Номенклатура

Алкены являются непредельными углеводородами. Это значит, что все связи углерода насыщены атомами водорода не максимально. Подобное возможно, если между углеродами присутствуют кратные связи (двойные и тройные). У алкенов это одна двойная связь.

Номенклатура алкенов сходна с алканами, только в названии вместо суффикса -ан присутствуют суффиксы -ен или -илен. Также цифрами в конце названия обязательно указывается расположение двойной связи в углеродном скелете.

Общая формула алкенов: С_nH_2n. На два водорода меньше по  сравнению с алканами. Как вы понимаете, это обусловлено наличием двойной связи. Если алкены имеют разветвлённое строение, то название им даётся по алгоритму, который мы рассматривали в теме «Алканы». Только атомы углерода нумеруем с конца, к которому ближе двойная связь.

Пример 1

 

Дайте название следующему алкену.

Решение

1. Нумерацию цепи начинаем слева, где ближе двойная связь. 

2. Называем радикалы, цифрами указываем их расположение: 3-метил.

3. Называем основную цепь, содержащую 4 атома углерода и одну двойную связь: бутен.

4. Обозначаем расположение двойной связи: бутен-1.

5. Объединяем и получаем следующее название: 3-метилбутен-1.

Изомерия алкенов

В молекулах алкенов присутствуют кратные (в данном случае — двойные) связи, поэтому для них будет характерна как изомерия углеродного скелета, так и положения кратных связей.

Кроме этого, такую же общую формулу, как у алкенов, имеют циклические предельные углеводороды — циклоалканы. Следовательно, алкены являются изомерами циклоалканов. Это межклассовая изомерия.

У алкенов, в которых атомы углерода при двойной связи содержат различные заместители, встречается особый вид изомерии — геометрическая (рис. 1).

Рис. 1. Пространственные изомеры бутена-2

Физические свойства алкенов

Первые три члена гомологического ряда алкенов являются газообразными веществами; с пентена до 16-го алкена — жидкости, остальные — твёрдые вещества.

Химические свойства алкенов

Алкены — ненасыщенные углеводороды, поэтому для них будут характерны реакции присоединения.

Реакция присоединения водорода называется гидрированием, молекулы галогены — галогенированием, галогеноводорода — гидрогалогенированием, а воды — гидратацией.

Алкены, в отличие от алканов, вступают в различные окислительно-восстановительные реакции, помимо реакции горения (это тоже окислительно-восстановительная реакция!).

Реакции присоединения

1. Гидрирование

В реакции гидрирования молекула водорода присоединяется к атомам углерода, соединённых двойной связью. В результате чего связь разрывается и образуются алканы. Например, из пропилена образуется пропан: 

$H_{3} C - CH = CH_{2} + H_{2} \overset{t , \text{к}a\text{т}}{\rightarrow} H_{3} C - CH_{2} - CH_{3}$.

Реакция каталитическая и протекает при высокой температуре.

2. Галогенирование 

Рис. 2. Обесцвечивание алкенами бромной воды

Молекула галогена присоединяется к атомам углерода по двойной связи.

 

$CH_{2} = CH_{2} + Cl_{2} \rightarrow Cl - CH_{2} - CH_{2} - Cl$

 

В данной реакции этилен присоединил молекулу хлора и образовался 1,2-дихлорэтан.

 

Все алкены обесцвечивают бромную воду. Это качественная реакция не только на алкены, но и на другие вещества с кратными связями (рис. 2).

3. Гидрогалогенирование 

В данной реакции участвуют молекулы галогеноводорода. Принцип тот же, что у реакций гидрирования и галогенирования, но здесь водород в большинстве случаев присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода по двойной связи (рис. 3).

Рис. 3. Схема реакции гидрохлорирования пропена

Рис. 4. Портрет В. В. Марковникова, опубликован в 1905 году, автор Уильям А. Тилден (1842–1926)

В данной реакции пропен (пропилен) присоединяет молекулу хлороводорода, получается 2-хлорпропан.

 

Правило вывел отечественный учёный Владимир Васильевич Марковников (рис. 4).

4. Гидратация 

Гидратация — это присоединение воды.

Формулу воды для удобства можно представить как HOH. В результате реакции водород будет присоединяться к наиболее гидрогенизированному атому углерода по двойной связи (правило Марковникова), а гидроксильная группа OH — к соседнему наименее гидрогенизированному атому (рис. 5).

Рис. 5. Схема реакции гидратации пропена

Из пропилена в результате гидратации образовался спирт пропанол-2.

В данной реакции этилен присоединяет молекулу воды и образуется спирт этанол ($CH_{2} - CH_{2} - OH$):

$CH_{2} = CH_{2} + H_{2} O \rightarrow CH_{3} - CH_{2} - OH$.

5. Реакции полимеризации

Полимеризация — это особый тип реакций присоединения, в результате которой молекулы мономера (алкены) соединяются между собой.

Таким образом, из мономеров получаются полимеры. В данном случае n показывает степень полимеризации.

Это могут быть структуры, состоящие из сотен и даже тысяч звеньев. Полученные полимеры находят огромное применение в технике, промышленности, в быту человека. Например, вам знаком полиэтилен, уравнение получения которого мы привели ниже:

$nH_{2} C = CH_{2} \overset{t \circ C p , \text{к}a\text{т}}{\rightarrow} \left([ - H_{2} C - CH_{2} - \left]\right)_{n}$.

Полиэтилен применяется в товарах бытового применения, строительстве, медицине, в обмотке проводов для линии электропередач.

Окислительно-восстановительные реакции

Все алкены участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Наиболее полное окисление — это реакции горения.

1. Горение алкенов

Рис. 6. Обесцвечивание алкенами раствора перманганата калия в кислой среде

Алкены, как и многие органические вещества, сгорают с образованием углекислого газа и воды:

 

$2 H_{3} C - CH = CH_{2} + 9 O_{2} \rightarrow 6 CO_{2} + 6 H_{2} O$.

 

2. Взаимодействие с различными окислителями

 

Помимо реакции горения, алкены окисляются различными окислителями. Например, обесцвечивают раствор перманганата калия ($KMnO_{4}$), что также является качественной реакцией на алкены (рис. 6).

 

$3 CH_{2} = CH - CH_{3} + 2 KMnO_{4} + 4 H_{2} O \rightarrow$

$\rightarrow 3 HO - CH_{2} - CH ( OH ) - CH_{3} + 2 MnO_{2} + 2 KOH$,

$CH_{2} = CH - CH_{3} + 2 KMnO_{4} + 3 H_{2} SO_{4} \rightarrow$

$\rightarrow CO_{2} + HOOC - CH_{3} + K_{2} SO_{4} + 2 MnSO_{4} + 4 H_{2} O$.

Получение алкенов

Многие реакции, связанные с получением алкенов, мы уже встречали в теме «Алканы» или в химических свойствах самих алкенов.

1. Крекинг алканов 

Вы наверняка уже знаете, что в промышленности разложением алканов под действием высокой температуры или катализаторов получают как алканы, так и алкены с меньшей углеродной цепочкой.

2. Дегидрирование алканов

Реакция, обратная гидрированию алкенов:

$CH_{3} - CH_{2} - CH_{3} \overset{t , \text{к}a\text{т}}{\rightarrow} CH_{2} = CH - CH_{3} + H_{2} .$

3.  Дегидратация спиртов

Данное превращение является обратной реакцией гидратации самих алкенов. Также отщепление воды происходит по правилу, противоположному правилу Марковникова (правило Зайцева). Водород отщепляется от соседнего углерода, соединённого с группой OH или галогеном (рис. 7). 

Рис. 7. Схема реакции дегидратации бутанола-2 в бутен-2

Рис. 8. А. М. Зайцев, конец XIX века, автор неизвестен

Правило Зайцева: отщепление атома водорода в реакциях дегидрогалогенирования и дегидратации происходит преимущественно от наименее гидрогенизированного атома углерода.

4. Дегидрогалогенирование галогеналканов спиртовым раствором щёлочи

В результате взаимодействия галогеналкана со спиртовым раствором щёлочи получаются алкен, соль и вода. 

$H_{3} C - CH ( Br ) - CH_{2} - CH_{3} + KOH \rightarrow$ $H_{3} C - CH = CH - CH_{3} + KBr + H_{2} O$

Таким образом из 2-бромбутана получили бутен-2.

5. Дегалогенирование дигалогеналканов

В данных реакциях двухвалентные металлы (чаще всего цинк или магний) отсоединяют два соседних галогена от дигалогеналкана. Образуется алкен. В нашем случае этен из 1,2-дихлорэтана:

$CH_{2} ( Cl ) - CH_{2} ( Cl ) + Mg \rightarrow CH_{2} = CH_{2} + MgCl_{2}$.

Применение алкенов

Алкены находят широкое применение. В первую очередь это получение полимеров. Полиэтилен, полипропилен и другие полимеры на основе алкенов встречаются повсеместно в быту, в промышленности. Сейчас трудно представить современные приборы, в которых не было бы полимеров. Кроме этого, этилен используется в сельском хозяйстве для ускорения созревания плодов.

Рис. 9. Применение алкенов

Упражнение 1

2,3-диметилбутен-2 $CH_{3} - C ( CH_{3} ) = C ( CH_{3} ) - CH_{3}$,

2-метилбутен-1 $CH_{2} = C ( CH_{3} ) - CH_{2} - CH_{3}$

Упражнение 2

$H_{2} C = CH - CH_{2} - CH_{3}$ — бутен-1

$H_{3} C - CH = CH - CH_{3}$ — бутен-2

$H_{2} C = C ( CH_{3} ) - CH_{3}$ – метилпропен 

Упражнение 3

а) $CH_{3} - CH = CH - CH_{3} + Br_{2} \rightarrow CH_{3} – CH ( Br ) – CH ( Br ) – CH_{3} ;$

б) $CH_{3} – CH ( Cl ) – CH_{2} - Cl + Zn \rightarrow CH_{2} = CH – CH_{3} + ZnCl_{2} ;$

в) $CH_{3} – CH_{2} – CH_{3} \rightarrow CH_{2} = CH – CH_{3} + H_{2} ;$

г) $CH_{2} = CH_{2} + H_{2} O \rightarrow CH_{3} – CH_{2} – OH ;$

д) $CH_{2} = CH – CH_{3} + HBr \rightarrow CH_{3} – CH ( Br ) – CH_{3}$.

Упражнение 4

$C_{2} H_{4} \rightarrow C_{2} H_{5} Br \rightarrow C_{4} H_{10} \rightarro\text{wбут}e\text{н} - 2$

1. $CH_{2} = CH_{2} + HBr \rightarrow CH_{3} – CH_{2} – Br$

2.$2 CH_{3} – CH_{2} – Br + 2 Na \rightarrow CH_{3} – CH_{2} – CH_{2} - CH_{3} + 2 NaBr$

3. $CH_{3} – CH_{2} – CH_{2} - CH_{3} \rightarrow CH_{3} – CH = CH - CH_{3} + H_{2}$