Введение
В органической химии алкены (также известные под устаревшим, но всё ещё употребимым названием «олефины») занимают особое, стратегически важное место. Высокая реакционная способность, обусловленная наличием в их молекулах двойной углерод-углеродной связи, открывает богатые возможности для химических превращений.
Родоначальник алкенов — этилен, полученный в XVIII веке и названный «маслородным газом», долгое время был просто любопытным веществом. Прорыв произошёл с утверждением теории химического строения А. М. Бутлерова. Тогда двойная связь стала пониматься как конкретный тип электронного взаимодействия двух атомов углерода, находящихся в состоянии sp²-гибридизации.
В статье подробно рассматриваются ключевые аспекты химии алкенов:
- номенклатура,
- особенности электронного строения и пространственной изомерии,
- химические свойства,
- промышленные и лабораторные способы получения.
Общая характеристика алкенов
Алкены — непредельные углеводороды, в молекулах которых содержится одна двойная связь между атомами углерода.
| Общая формула | CₙH₂ₙ |
|---|---|
| Тип гибридизации | Атомы С, соединённые двойной связью, находятся в sp²-гибридизации |
| Валентный угол | Молекулы имеют плоское строение; угол между σ-связями — 120°; длина двойной связи меньше, чем длина одинарной |
| Номенклатура | Окончание –ен |
| Виды изомерии |
|
| Физические свойства | С₂-С₄ (газы), С₅-С₁₇ (жидкости), >C₁₇ (твёрдые); нерастворимы в воде; хорошо растворимы в органических растворителях |
| Применение | Этилен, пропилен и их галогенпроизводные (винилхлорид, тетрафторэтилен) используются для получения полимеров (пластмасс) |
Тривиальная номенклатура
| Молекулярная формула | Структурная формула | Систематическая номенклатура | Тривиальная номенклатура |
|---|---|---|---|
| С₂Н₄ | СН₂=СН₂ | этен | этилен |
| С₃Н₆ | CН₂=СН–СН₃ | пропен | пропилен |
| С₂Н₃– | Н₂С=СН– | этенил | винил |
| С₃Н₅– | Н₂С=СН–CH₂– | пропенил | аллил |
Изомерия алкенов
1. Структурная изомерия
| Тип изомерии | Молекулярная формула | Структурная формула |
|---|---|---|
| Углеродного скелета | С₄Н₈ | Бутен-2
|
| 2-метилпропен
| ||
| Положения кратной связи | С₄Н₈ | Бутен-2
|
| Бутен-1
| ||
| Межклассовая | С₄Н₈ | Бутен-1
|
| Циклобутан
|
2. Пространственная изомерия
Возможность существования пространственных изомеров у алкенов, называемых также цис- и транс-изомерами, напрямую вытекает из структурной особенности двойной связи.
Эта связь характеризуется пространственной жёсткостью, исключающей свободное вращение углеродных атомов относительно друг друга. Для проявления этого феномена необходимо, чтобы каждый из двух sp²-гибридизованных атомов углерода, формирующих двойную связь, был связан с двумя различными атомами или группами.
В этом случае соединение с одной молекулярной формулой может образовывать две различные пространственные конфигурации, которые отличаются расположением заместителей по разные стороны (транс-) или по одну сторону (цис-) от воображаемой плоскости, проходящей через двойную связь. Классическим и самым первым примером в гомологическом ряду алкенов, для которого наблюдается такое явление, выступает бутен-2.
| Тип изомерии | Молекулярная формула | Структурная формула |
|---|---|---|
| Цис- / транс-изомерия | С₄Н₈ | Цис-бутен-2
|
| Транс-бутен-2
| ||
| С₅Н₁₀ | Цис-пентен-2
| |
| Транс-пентен-2
|
Химические свойства алкенов
Алкены — это довольно реакционноспособные органические соединения благодаря наличию слабой π-связи.
Для алкенов характерны реакции:
- присоединения (ионный механизм реакции, электрофильное присоединение);
- полимеризации;
- окисления.
Важно
Алкены, в отличие от алканов, в обычных условиях вступают в реакции с галогенами и перманганатом калия.
Типы реакций присоединения
Схема реакции:
| Название реакции | Реагент | Условия протекания |
|---|---|---|
| Гидрирование | H₂ | Ni, t° |
| Галогенирование | Cl₂, Br₂ | |
| Гидрогалогенирование | HCl, HBr | |
| Гидратация | H₂O | Н⁺/H₂SO₄/H₃PO₄, t° |
Ключевыми в химии алкенов являются реакции присоединения, протекающие по ионному механизму. Наиболее типичен для этого класса углеводородов механизм электрофильного присоединения, суть которого — в присоединении реагентов-электрофилов с раскрытием π-связи.
Электрофилы — это химические частицы (катионы или поляризованные молекулы), которые имеют свободную орбиталь и стремятся заполнить её электронной парой (например, H⁺, CH₃⁺, Cl⁺). Причиной, по которой алкены легко вступают в такие реакции, служит избыточная электронная плотность двойной связи, сосредоточенная в перпендикулярном плоскости молекулы π-электронном облаке (электронная плотность «над» и «под» плоскостью двойной углерод-углеродной связи).
Механизм электрофильного присоединения включает несколько стадий:
1. Формирование π-комплекса. На первом этапе происходит непрочное донорно-акцепторное взаимодействие между облаком π-электронов кратной связи, выступающим в роли донора, и свободной орбиталью электрофильной частицы (например, катиона Br⁺).
2. Образование карбокатиона. Далее электрофил (Br⁺) ковалентно связывается с одним из sp²-гибридизированных атомов углерода, используя электронную пару π-связи. Это приводит к разрыву π-связи и возникновению на втором атоме углерода дефицита электронной плотности — формируется промежуточная частица с положительным зарядом, называемая карбокатионом (карбо- – углерод, катион – положительно заряженный ион).
3. Завершающая стадия. Образовавшийся карбокатион, будучи высокореакционноспособным, немедленно взаимодействует с нуклеофильным агентом — анионом Br⁻. Этот анион присутствует в системе как продукт гетеролитического распада молекулы брома (Br₂ → Br⁺ + Br⁻). В результате этой реакции и образуется конечный продукт присоединения.
Подробный разбор механизма электрофильного присоединения поможет лучше понять свойства алкенов, но в заданиях ЕГЭ по химии на данный момент стадии электрофильного присоединения не встречались.
| Название реакции | Примеры | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1. Реакции присоединения | ||||||||
| 1) Гидрирование +Н₂ |
Гидрирование этена:
| |||||||
| 2) Галогенирование +Cl₂, +Br₂(Н₂О) | Бромирование этена:
В условиях, способствующих радикальному механизму протекания реакции, таких как ультрафиолетовое облучение или сильный нагрев, взаимодействие алкенов с галогенами идёт по иному пути. В этом случае протекает реакция радикального замещения атомов водорода в α-положении, то есть у углеродного атома, соседствующего с двойной связью. При этом сама двойная связь не затрагивается. Это превращение известно в органической химии как реакция Львова*.
* Реакция Львова на данный момент не встречалась на ЕГЭ. | |||||||
| 3) Гидрогалогенирование +НCl, +HBr | Если к несимметричному алкену присоединяется несимметричный реагент (галогеноводород или вода), то для предсказывания продукта присоединения необходимо воспользоваться правилом Марковникова. Правило Марковникова
Гидробромирование пропена:
Гидробромирование акриловой (пропен-2-овой) кислоты:
| |||||||
| 4) Гидратация +Н₂О |
Присоединение воды к алкенам осуществляется в кислой среде с использованием минеральных кислот, таких как серная или фосфорная, в качестве катализатора. Продукты реакции гидратации записываются в соответствии с правилом Марковникова. Гидратация бутена-1:
| |||||||
| 2. Реакции полимеризации | ||||||||
| Под полимеризацией в химии понимают процесс образования полимера — вещества с высокой молекулярной массой. Этот процесс заключается в последовательном присоединении молекул одного типа (мономеров) друг к другу, происходящем благодаря раскрытию их кратных связей. Полимеризация этилена приводит к образованию полиэтилена:
Мир современного человека буквально построен на полимерах, многие из которых являются продуктами полимеризации алкенов. Среди всех полимеров, рождённых из алкенов, полиэтилен — безусловный лидер по масштабам производства и распространению в быту. Секрет его успеха — в идеальном сочетании свойств: он лёгкий, водо- и химически стойкий, отличный диэлектрик, нетоксичный и, что немаловажно, очень дешёвый в производстве. Именно поэтому он завоевал мир, став символом как технологического прогресса, так и экологических проблем, связанных с утилизацией пластиков. Интересный факт: первооткрыватель полиэтилена в 1933 году, британский химик Эрик Фосетт, получил его случайно в результате эксперимента с высоким давлением. Сегодня мы не можем представить без него ни поход в магазин, ни коммуникации в нашем доме. От мусорного мешка до изоляции кабеля — всюду работает этот скромный, но незаменимый полимер, начинающий свою историю с простой молекулы этилена. | ||||||||
| 3. Реакции окисления | ||||||||
| 1) Некаталитическое горение |
| |||||||
| 2) Каталитическое горение этилена |
При каталитическом окислении этена кислородом в присутствии PdCl₂ и CuCl₂ образуется ацетальдегид:
| |||||||
| 3) Окисление КМnO₄ | Продукты окисления алкенов перманганатом калия зависят от условий протекания реакций: 1. Мягкое окисление водным раствором КМnO₄ при н. у.; 2. Жёсткое окисление подкисленным раствором КМnO₄ или K₂Cr₂O₇ при нагревании. 1) Мягкое окисление алкенов водным раствором перманганата калия при н. у.
В условиях мягкого окисления, когда реакцию проводят с использованием холодного разбавленного раствора перманганата калия, происходит избирательное расщепление лишь π-составляющей двойной связи. Конечным продуктом такой реакции являются двухатомные спирты (диолы или гликоли), в молекулах которых две OH-группы расположены у соседних атомов углерода. Этот лабораторный метод получения гликолей известен как реакция Вагнера.
2) Жёсткое окисление подкисленным раствором КМnO₄ при нагревании Жёсткое окисление алкенов горячим раствором перманганата калия в присутствии кислоты завершается полным разрывом двойной связи с образованием кислородсодержащих соединений. Характер продуктов напрямую зависит от типа окисляемого атома углерода: первичные углеродные атомы окисляются до углекислого газа, вторичные — преобразуются в карбоксильную группу, а третичные — окисляются до карбонильной группы с образованием кетонов. Схемы и примеры реакций:
| |||||||
Обобщение реакций жёсткого окисления алкенов
| Алкен + KMnO₄ + H₂SO₄ |
|---|
| 1. Алкены с концевой двойной связью СН₂＝СН₂ ⟶ СО₂ R–СН＝СН₂ ⟶ R–СOOH + СО₂ Карбоновая кислота + СО₂ + MnSO₄ + K2SO₄ + Н₂О При окислении СН₂＝СН₂ образуется только СО₂ |
| 2. Симметричные алкены с внутренней двойной связью R–СН＝СН–R ⟶ 2R–СOOH Две одинаковые карбоновые кислоты + MnSO₄ + K₂SO₄ + Н₂О |
| 3. Несимметричные алкены с внутренней двойной связью R¹–СН＝СН–R² ⟶ R¹-СOOH + R²–СOOH Две разные карбоновые кислоты + MnSO₄ + K₂SO₄ + Н₂О R–С(R)＝СН₂ ⟶ R–С(R)＝O + СО₂ Если у алкена есть радикал при двойной связи, то образуется кетон и соответствующие продукты |
Важно
Жёсткое окисление алкенов протекает не только в кислой, но и в щелочной среде при действии перманганата калия. При этом типе окислительного расщепления двойной связи образуются те же фрагменты, что и в кислоте, однако в условиях избытка щёлочи они немедленно вступают в реакцию нейтрализации. В результате конечными веществами в реакционной смеси являются соли соответствующих карбоновых кислот и угольной кислоты (карбонаты).
Обобщение химических свойств алкенов
Всё многообразие химических свойств и практическая ценность алкенов — следствие особого электронного устройства двойной связи. Сочетание прочной σ-связи и доступного для атаки π-облака делает их, с одной стороны, стабильными соединениями, а с другой — активными участниками превращений. Отсюда вытекает их двойственная роль: они являются конечными целевыми продуктами в нефтепереработке (например, пропилен для полимеров) и одновременно универсальными промежуточными реагентами в органическом синтезе для построения более сложных молекул.
Способы получения алкенов
Многие методы получения алкенов основаны на реакциях отщепления, или элиминирования (от лат. elimino — изгоняю). Механизм таких превращений предполагает одновременное или ступенчатое удаление двух атомов или функциональных групп от соседних атомов углеродной цепи. В результате такого отщепления становится возможным формирование новой углерод-углеродной связи — π-связи.
| Реакции отщепления (элиминирования) | ||
|---|---|---|
| Название реакции | Молекула, которая отщепляется | Условие протекания реакции/реагент |
| Дегидрирование | —H₂ | Ni, t° |
| Дегалогенирование | —Cl₂, —Br₂ | Zn/Mg |
| Дегидрогалогенирование | —HCl, —HBr | Спиртовой раствор щёлочи |
| Дегидратация | —H₂O | Н₂SO₄(конц.), t° > 140°C |
| Название реакции | Примеры | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1. Получение в промышленности | ||||||
| 1) Крекинг алканов | В промышленности алкены получают при крекинге углеводородов нефти. Крекинг бутана:
| |||||
| 2) Дегидрирование алканов | Дегидрирование, как и гидрирование происходит на платиновом или никелевом катализаторе. Общее уравнение реакции дегидрирования алканов: СₙH₂ₙ₊₂ ⟶ СₙH₂ₙ + Н₂ Дегидрирование пропана:
| |||||
| 3) Неполное гидрирование алкинов | Общее уравнение реакции гидрирования алкинов: СₙH₂ₙ₋₂ + Н₂ ⟶ СₙH₂ₙ | |||||
| 2. Лабораторные способы получения | ||||||
| 1) Дегалогенирование -Сl₂, Br₂ |
При обработке дигалогеналканов, содержащих атомы галогена при соседних атомах углерода, порошком цинка или магния происходит восстановительное отщепление двух атомов галогена, сопровождающееся замыканием двойной связи между ранее замещёнными атомами углерода. Дегалогенирование 1,2-дихлорэтана:
| |||||
| 2) Дегидрогалогенирование -HCl, HBr |
Превращение галогеналканов в алкены посредством отщепления галогеноводорода (дегидрогалогенирование) осуществляется при нагревании с концентрированными спиртовыми растворами щелочей и протекает по правилу Зайцева.
Дегидрогалогенирование бромэтана:
| |||||
| 3) Внутримолекулярная дегидратация спиртов -H₂O |
Внутримолекулярная дегидратация спиртов в присутствии концентрированной серной кислоты (t > 140C) или оксида алюминия также протекает по правилу Зайцева, в результате чего от одной молекулы одноатомного спирта отщепляется одна молекула воды. Дегидратация бутанола-2:
| |||||
Обобщение способов получения алкенов
В заключение стоит подчеркнуть, что знание свойств и реакций алкенов — это не просто обязательный пункт в программе ЕГЭ по химии, а фундамент для всего дальнейшего изучения органики. Этот фундамент позволяет предсказывать поведение не только самих олефинов, но и других классов органических веществ, содержащих кратные связи или функциональные группы, склонные к аналогичным превращениям. Фактически, реакции и закономерности, рассмотренные в этой статье, служат своеобразным ключом к пониманию более сложных разделов органической химии.
Автор статьи
