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. Сопряженные

Наибольшее значение в промышленности и технике имеют сопряженные алкадиены, в молекулах которых две двойные углерод-углеродные связи разделены одной одинарной связью. Таким образом возникает общая сопряженная 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. Даем 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 .

Кроме этого 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 сопряженные 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 сопряженных алкадиенов, имеющих большое значение в промышленности. 

У сопряженных 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 четырем атомам углерода, соединенных 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 сопряженного 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  сопряженных 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 19 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, содержащемся 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. Каучуков

Сопряженные 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. Таким образом 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

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

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