Конспект урока: Непредельные углеводороды. Алкены

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 присутствует суффикс -ен или -илен. Также цифрами указывается расположение двойной связи в алкене.

Общая формула алкенов ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2\mathrm{n}}$. 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 делаем слева, где ближе двойная связь. 

2. Называем радикалы, цифрами указываем их расположение.

Получается следующее название:  3-метил...

3. Даём название основной цепи, содержащей 4 атома углерода (бутен): 3-метилбутен.

4. Цифрой указываем расположение двойной связи: 3-метилбутен-1.

5. В итоге 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.

Ещё у алкенов, содержащих двойную связь не крайнего атома углерода, встречается особый вид изомерии — геометрическая. Её ещё часто называют пространственной изомерией (рис. 1).

Рисунок 1. Пространственные изомеры бутена-2

Физические свойства алкенов

Первые три члена гомологического ряда алкенов являются газообразными веществами; с пентена до 16 алкена жидкости. Далее следуют твёрдые вещества.

Химические свойства алкенов

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

Присоединение водорода мы будем называть гидрированием. Галогена —галогенированием, галогеноводорода — гидрогалогенированием, 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

С реакцией гидрирования мы с вами встречались, когда рассматривали получение алканов. Только там была реакция, обратная гидрированию, а именно дегидрирование (отщепление водорода).

В реакции же гидрирования молекула водорода присоединяется к атомам углерода, соединённых двойной связью. В результате чего образуются алканы. В данном случае из пропена (пропилена) мы получили пропан:

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

Реакция каталитическая и протекает при высокой температуре.

2. Галогенирование 

Рисунок 2. Обесцвечивание алкенами бромной воды

Молекула галогена присоединяется к атомам углерода по двойной связи.

 

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

 

В данной реакции этилен присоединил молекулу хора 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 в здесь водород в большинстве случаев присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода по двойной связи (рис. 3).

Рисунок 3. Схема реакции гидрохлорирования пропена

Рисунок 4. В. В. Марковников

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).

Рисунок 5. Схема реакции гидрохлорирования пропена

Из пропилена в результате гидратации образовался спирт пропанол-2.

В данной реакции этилен присоединяет молекулу воды и образуется спирт этанол (${\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{OH}$):

${\mathrm{CH}}_2={\mathrm{CH}}_2 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to {\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{OH}$.

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, полиэтилен. Уравнение, получение которого мы привели ниже:

${\mathrm{nH}}_2\mathrm{C}={\mathrm{CH}}_2\stackrel{\mathrm{t} °\mathrm{С} \mathrm{p}, \mathrm{кат}}{\to }{[-{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}-{\mathrm{CH}}_2-]}_{\mathrm{n}}$.

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

Рисунок 6. Обесцвечивание алкенами раствора перманганат калия в кислой среде

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

 

$2{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2 + 9{\mathrm{O}}_2 \to 6{\mathrm{CO}}_2 +6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

 

Помимо реакции горения алкены окисляются различными окислителями. Например, обесцвечивают раствор перманганата калия (${\mathrm{KMnO}}_4$) (рис. 6).

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:

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

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). 

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

Рисунок 8. А. М. Зайцев

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

1. Дегалогенирование галогеналканов спиртовым раствором щелочи

В результате взаимодействия галогеналкана со спиртовым раствором щелочи получается алкен.

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

${\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{CH}=\mathrm{CH}-{\mathrm{CH}}_3 +\mathrm{KBr} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Таким образом из 2-бромбутана получили бутен-2.

2. 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-дихлорэтена:

${\mathrm{CH}}_2\left(\mathrm{Cl}\right)-{\mathrm{CH}}_2\left(\mathrm{Cl}\right) + \mathrm{Mg} \to {\mathrm{CH}}_2={\mathrm{CH}}_2 +{\mathrm{MgCl}}_2$.

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.

Рисунок 9. Применение алкенов

Упражнение 1

метилпропен ${\mathrm{CH}}_3-\mathrm{C}\left({\mathrm{CH}}_3\right)={\mathrm{CH}}_2$, 2,3-диметилбутен-2 

${\mathrm{CH}}_3-\mathrm{C}\left({\mathrm{CH}}_3\right)=\mathrm{C}\left({\mathrm{CH}}_3\right)-{\mathrm{CH}}_3$,

2-метилбутен-1 ${\mathrm{CH}}_2=\mathrm{C}\left({\mathrm{CH}}_3\right)-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_3$

Упражнение 2

${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_3$ — бутен-1

${\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{CH}=\mathrm{CH}-{\mathrm{CH}}_3$ — бутен-2

${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{C}\left({\mathrm{CH}}_3\right)-{\mathrm{CH}}_3$ _— метилпропен

    — циклобутан

Упражнение 3

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

б) ${\mathrm{CH}}_3–\mathrm{CH}\left(\mathrm{Cl}\right)–{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{Cl} + \mathrm{Zn} \to {\mathrm{CH}}_2=\mathrm{CH}–{\mathrm{CH}}_3 +{\mathrm{ZnCl}}_2;$

в) ${\mathrm{CH}}_3–{\mathrm{CH}}_2–{\mathrm{CH}}_3\to {\mathrm{CH}}_2=\mathrm{CH}–{\mathrm{CH}}_3 + {\mathrm{H}}_2;$

г) ${\mathrm{CH}}_2={\mathrm{CH}}_2 +{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to {\mathrm{CH}}_3–{\mathrm{CH}}_2–\mathrm{OH};$

д) ${\mathrm{CH}}_2=\mathrm{CH}–{\mathrm{CH}}_3 +\mathrm{HBr}\to {\mathrm{CH}}_3–\mathrm{CH}\left(\mathrm{Br}\right)–{\mathrm{CH}}_3$.

Упражнение 4

${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4\to {\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{Br} \to {\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_{10}\to \mathrm{бутен}-1$

1. ${\mathrm{CH}}_2={\mathrm{CH}}_2 +\mathrm{HBr}\to {\mathrm{CH}}_3–{\mathrm{CH}}_2–\mathrm{Br}$

2.$2{\mathrm{CH}}_3–{\mathrm{CH}}_2–\mathrm{Br} +2\mathrm{Na} \to {\mathrm{CH}}_3–{\mathrm{CH}}_2–{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_3$

3. ${\mathrm{CH}}_3–{\mathrm{CH}}_2–{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_3 \to {\mathrm{CH}}_3–\mathrm{CH}=\mathrm{CH}-{\mathrm{CH}}_3 +{\mathrm{H}}_2$