Алкадиены. Каучуки

План урока

Строение алкадиенов. Классификация и номенклатура. Сопряжённые алкадиены
Изомерия алкадиенов
Физические свойства алкадиенов
Химические свойства алкадиенов
Полимеризация алкадиенов. Каучуки
Получение алкадиенов
Применение алкадиенов

Цели урока

рассмотреть особенности строения сопряжённых алкадиенов
научиться составлять структурные формулы непредельных углеводородов — алкадиенов
научиться составлять изомеры алкадиенов и давать им названия
научиться составлять уравнения химических реакций с участием алкадиенов
рассмотреть основные способы получения алкадиенов
рассмотреть основные направления применения алкадиенов и каучуков

Разминка

Какие виды изомерии характерны для алкенов?
Как связаны строение и химические свойства алкенов?
Какие химические реакции характерны для непредельных углеводородов — алкенов? Почему?

Строение алкадиенов. Номенклатура

Алкадиены являются непредельными углеводородами. В отличие от алкенов они содержат 2 двойные связи. Поэтому и в названии алкадиенов мы встречаем суффиксы ди (два) и ен (двойная связь). Соответственно общая формула алкадиенов на 2 водорода меньше по сравнению с алкенами: С_nH_2n-2 .

Алкадиены классифицируют на 3 группы.

1. Изолированные

Двойные связи разделены минимум 2 одинарными связями. Например, пентадиен-1,4.

2. Кумулированные

Двойные связи у одного атома углерода.

Самый простой пример данных алкадиенов — это пропадиен.

3. Сопряжённые

Наибольшее значение в промышленности и технике имеют сопряжённые алкадиены, в молекулах которых две двойные углерод-углеродные связи разделены одной одинарной связью. Так возникает общая сопряжённая система между 4 атомами углерода (рис. 1).

Рисунок 1. Строение бутадиена-1,3

Это и обусловливает специфические свойства алкадиенов.

Пример 1

Дайте название следующему алкадиену.

Решение

1. Нумерацию цепи делаем справа, где ближе разветвление от основной цепи.

2. Называем радикалы, цифрами указываем их расположение.

Получается следующее название 2-метил...

3. Даём название основной цепи, содержащей 4 атома углерода (бутадиен):
2-метилбутадиен.

4. Цифрами указываем расположение двойных связей: 2-метилбутадиен-1,3.

5. В итоге получаем следующее название: 2-метилбутадиен-1,3.

Упражнение 1

Составьте сокращённые структурные формулы следующих алкадиенов: бутадиен-1,3, 2-метилпентадиен-1,4, бутадиен-1,2.

Изомерия алкадиенов

Для алкадиенов, как и для алкенов, будут характерны следующие виды изомерии: углеродного скелета, положения кратных связей .

Такую же общую формулу, как у алкадиенов, имеют непредельные углеводороды алкины , содержащие тройную связь в составе. Следовательно, алкадиены являются изомерами алкинов.

Это межклассовая изомерия .

В результате реакции полимеризации сопряжённые алкадиены могут образовывать пространственные изомеры .

Физические свойства алкадиенов

Алкадиены различны по свойствам. Мы остановимся на самых значимых представителях этого класса углеводородов.

Бутадиен-1,3, или дивинил — легко сжижающийся газ с неприятным запахом, не растворяется в воде.

2-Метилбутадиен-1,3 (изопрен) — летучая жидкость, растворяется в большинстве углеводородных растворителях, не растворим в воде.

Химические свойства алкадиенов

Алкадиены — ненасыщенные углеводороды , поэтому для них, как и для алкенов, будут характерны реакции присоединения .

Мы рассмотрим реакции на основе сопряжённых алкадиенов, имеющих большое значение в промышленности.

У сопряжённых алкадиенов две двойные связи разделены одинарной, поэтому возможны три варианта протекания реакций присоединения.

1. 1,2 присоединение. Атомы присоединяются к первому и второму атомам углерода.

2. Полное (исчерпывающее) присоединение. Атомы присоединяются к четырём атомам углерода, соединённых двойными связями.

3. 1, 4 присоединение. Атомы присоединяются к первому и четвёртому атомам углерода, а между вторым и третьим атомами появляется двойная связь.

Рассмотрим эти варианты на примерах.

Реакции присоединения

1. Гидрирование

Гидрирование , как у вы уже знаете, это реакция присоединения водорода.

Рассмотрим варианты присоединения на примере сопряжённого алкадиена бутадиена-1,3.

1 вариант. 1,2 присоединение

$H_{2} C = CH - CH = {CH}_{2} + H_{2} \overset{t, кат}{\to} H_{3} C - {CH}_{2} - CH = {CH}_{2}$

Атомы водорода присоединяются к первому и второму атомам углерода. Одна двойная связь остаётся, образуется алкен бутен-1.

Реакция каталитическая и протекает при высокой температуре.

2 вариант. 1,2,3,4 присоединение

В данном случае образуется алкан — бутан:

$H_{2} C = CH - CH = {CH}_{2} + 2 H_{2} \overset{t, кат}{\to} H_{3} C - {CH}_{2} - {CH}_{2} - {CH}_{3}$ .

3 вариант. 1,4 присоединение

$H_{2} C = CH - CH = {CH}_{2} + H_{2} \overset{t, кат}{\to} H_{3} C - CH = CH - CH$ ₃

В нашем примере из бутадиена-1,3 получился алкен бутен-2.

Следующие реакции протекают аналогично реакциям гидрирования. Мы будем рассматривать 1,2 и 1,4 присоединение.

2. Галогенирование

1,2 присоединение

$H_{2} C = CH - CH = {CH}_{2} + {Cl}_{2} \to Cl - {CH}_{2} - CH (Cl) - CH = {CH}_{2}$

1,4 присоединение

$H_{2} C = CH - CH = {CH}_{2} + {Cl}_{2} \to Cl - {CH}_{2} - CH = CH - {CH}_{2} - Cl$

Алкадиены, как и алкены, обесцвечивают бромную воду . Это качественная реакция на вещества с кратными связями.

3. Гидрогалогенирование

Реакции протекают аналогично предыдущим.

1,2 присоединение протекает по правилу Марковникова, поэтому водород присоединяется к первому атому углерода, а галоген (хлор) ко второму:

$H_{2} C = CH - CH = {CH}_{2} + HBr \to {CH}_{3} - CH (Br) - CH = {CH}_{2}$ .

1,4 присоединение

$H_{2} C = CH - CH = {CH}_{2} + HBr \to {CH}_{3} - CH = CH - {CH}_{2} - Br$

4. Реакция полимеризации

В результате реакции полимеризации сопряжённых алкадиенов образуются полимеры , которые называют каучуками .

Рассмотрим механизм реакции на примере полимеризации бутадиена-1,3. Двойная связь возникает между 2 и 3 атомами углерода. У крайних же атомов связи разрываются, благодаря чему образуются длинноцепочечные молекулы — каучуки (рис. 2).

Рисунок 2. Схема пространственной полимеризации бутадиена-1,3

Бутадиеновый каучук — это первый синтетический каучук . В природе каучуки содержатся в соке некоторых растений, называемых каучуконосами, например гевеи (рис. 3). В XIX веке природный каучук, являющийся полимером 2-метилбутадиена-1,3, добывали только из растений. Не удивительна поэтому высокая стоимость резины , которую изготавливали из природного каучука.

Сейчас известно много различных каучуков. Все они синтезируются искусственно.

Рисунок 3. Добыча каучука из гевеи бразильской

Окислительно-восстановительные реакции

Все алкадиены горят с образованием углекислого газа и воды:

$2 H_{2} C = CH - CH = {CH}_{2} + 11 O_{2} \to 8 {CO}_{2} + 6 H_{2} O$ .

Получение алкадиенов

1. Дегидрирование алканов

${CH}_{3} - {CH}_{2} - {CH}_{2} - {CH}_{3} \overset{- t, кат}{\to} {CH}_{2} = CH - CH = {CH}_{2} + 2 H_{2}$

В результате из бутана, содержащегося в природном газе, получают бутадиен-1,3

Рисунок 4.
С. В. Лебедев

2. Синтез Лебедева

Лебедев Сергей Васильевич в 1927 году первым разработал промышленный способ получения синтетического каучука из этилового спирта.

$2 {CH}_{3} - {CH}_{2} - OH \overset{t, кат}{\to}$

${CH}_{2} = CH - CH = {CH}_{2} + 2 H_{2} O + H_{2}$

Упражнение 2

Допишите левые части уравнений реакций с участием алкадиенов, укажите условия их протекания.

а) $\to {CH}_{3} - C ({CH}_{3}) = CH - {CH}_{3}$

б) $\to {CH}_{3} - CH (Br) - CH = {CH}_{2}$

в) $\to Cl - {CH}_{2} - CH (Cl) - CH (Cl) - {CH}_{2} - Cl$

г) $\to {[- {CH}_{2} - C ({CH}_{3}) = CH - {CH}_{2} -]}_{n}$

Применение алкадиенов

Сопряжённые алкадиены применяются для получения каучуков. Каучуки обладают эластичностью (эластомеры) , не пропускают воду и газы. Поэтому из каучуков изготавливают шины, строительные материалы, обувь. Более подробно области применения представлены на рисунке 5.

Рисунок 5. Применение каучуков

Однако натуральный каучук очень чувствителен к перепадам температур, поэтому приходится проводить процесс вулканизации с помощью серы, которая соединяет полимерные цепи каучука. Так появляется известный нам продукт — резина .

В отличие от каучуков она выдерживает как низкие, так и высокие температуры, лучше устойчива к механическому воздействию.

Упражнение 3

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

этанол → бутадиен-1,3 → 1,4-дибромбутен-2.

Формулы веществ записывайте структурно.

Контрольные вопросы

В чём особенности строения сопряжённых алкадиенов?
Какие виды изомерии характерны для алкадиенов?
Почему реакции присоединения у сопряжённых алкадиенов протекают в разных положениях?
Назовите способы получения алкадиенов.
Что такое каучуки? Где они применяются?

Ответы

Упражнение 1

$H_{2} C = CH - CH = {CH}_{2}$ бутадиен-1,3,

$H_{2} C = C ({CH}_{3}) - {CH}_{2} - CH = {CH}_{2}$ 2-метилпентадиен-1,4,

$H_{2} C = C = CH - {CH}_{3}$ бутадиен-1,2

Упражнение 2

а) $H_{2} C = C ({CH}_{3}) - CH = {CH}_{2} + H_{2} \to {CH}_{3} - C ({CH}_{3}) = CH - {CH}_{3}$

б) $H_{2} C = CH - CH = {CH}_{2} + HBr \to {CH}_{3} - CH (Br) - CH = {CH}_{2}$

в) $H_{2} C = CH - CH = {CH}_{2} + 2 {Cl}_{2} \to Cl - {CH}_{2} - CH (Cl) - CH (Cl) - {CH}_{2} - Cl$

г) ${nH}_{2} C = C ({CH}_{3}) - CH = {CH}_{2} \to {[- {CH}_{2} - C ({CH}_{3}) = CH - {CH}_{2} -]}_{n}$

Упражнение 3

этанол → бутадиен-1,3 → 1,4-дибромбутен-2

$2 {CH}_{3} - {CH}_{2} - OH \overset{t, кат}{\to} {CH}_{2} = CH - CH = {CH}_{2} + 2 H_{2} O + H_{2}$

${CH}_{2} = CH - CH = {CH}_{2} + {Br}_{2} \to Br - {CH}_{2} - CH = CH - {CH}_{2} - Br$

Конспект урока: Алкадиены. Каучуки

Непредельные углеводороды