Конспект урока: Алкадиены. Каучуки

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: ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2\mathrm{n}-2}$.

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.

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

${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2 + {\mathrm{H}}_2 \stackrel{\mathrm{t}, \mathrm{кат}}{\to } {\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2$

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:

${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2 + 2{\mathrm{H}}_2 \stackrel{\mathrm{t}, \mathrm{кат}}{\to } {\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_3$.

3 вариант. 1,4 присоединение

${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2 + {\mathrm{H}}_2 \stackrel{\mathrm{t}, \mathrm{кат}}{\to } {\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{CH}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}$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

${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2 + {\mathrm{Cl}}_2 \to \mathrm{Cl}-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{CH}\left(\mathrm{Cl}\right)-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2$

1,4 присоединение

${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2 + {\mathrm{Cl}}_2 \to \mathrm{Cl}-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{CH}=\mathrm{CH}-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{Cl}$

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:

${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2 + \mathrm{HBr} \to {\mathrm{CH}}_3-\mathrm{CH}\left(\mathrm{Br}\right)-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2$.

1,4 присоединение

${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2 + \mathrm{HBr} \to {\mathrm{CH}}_3-\mathrm{CH}=\mathrm{CH}-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{Br}$

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:

$2{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2 + 11{\mathrm{O}}_2 \to 8{\mathrm{CO}}_2 +6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Получение алкадиенов

1. Дегидрирование алканов

${\mathrm{CH}}_3-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_3\stackrel{-\mathrm{t},\mathrm{кат}}{\to }{\mathrm{CH}}_2=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2 + 2{\mathrm{H}}_2$

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.

 

$2{\mathrm{CH}}_3-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{OH}\stackrel{\mathrm{t}, \mathrm{кат}}{\to }$

${\mathrm{CH}}_2=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2 + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} + {\mathrm{H}}_2$

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 1

${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2$                           бутадиен-1,3, 

${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{C}\left({\mathrm{CH}}_3\right)-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2$  2-метилпентадиен-1,4,

${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{C}=\mathrm{CH}-{\mathrm{CH}}_3$                                бутадиен-1,2

Упражнение 2

а) ${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{C}\left({\mathrm{CH}}_3\right)-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2 + {\mathrm{H}}_2 \to {\mathrm{CH}}_3–\mathrm{C}\left({\mathrm{CH}}_3\right)=\mathrm{CH}–{\mathrm{CH}}_3$

б) ${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2 + \mathrm{HBr} \to {\mathrm{CH}}_3–\mathrm{CH}\left(\mathrm{Br}\right)-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2$

в) ${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2 + 2{\mathrm{Cl}}_2\to \mathrm{Cl}-{\mathrm{CH}}_2–\mathrm{CH}\left(\mathrm{Cl}\right)-\mathrm{CH}\left(\mathrm{Cl}\right)–{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{Cl}$

г) ${\mathrm{nH}}_2\mathrm{C}=\mathrm{C}\left({\mathrm{CH}}_3\right)-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2\to {[-{\mathrm{CH}}_2–\mathrm{C}({\mathrm{CH}}_3)=\mathrm{CH}–{\mathrm{CH}}_2-]}_{\mathrm{n}}$

Упражнение 4

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

$2{\mathrm{CH}}_3-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{OH}\stackrel{ \mathrm{t}, \mathrm{кат}}{\to } {\mathrm{CH}}_2=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2 + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} + {\mathrm{H}}_2$

${\mathrm{CH}}_2=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2 + {\mathrm{Br}}_2\to \mathrm{Br}-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{CH}=\mathrm{CH}-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{Br}$