Алкены – это углеводороды, в молекулах которых содержится одна двойная связь.
Состав, номенклатура, изомерия.
Общая формула: CnH2n
С2Н4 - этен (этилен) СН2 СН2 (изомеров нет)
С3Н6 - пропен (пропилен) СН2 СН СН3
Имеет структурные межклассовые изомеры с циклоалканами.
СН2
СН2 СН2 циклопропан
С4Н8
Имеет структурные изомеры:
1) углеродного скелета:
СН2 СН СН2 СН3 бутен - 1
СН2 С СН3 метилпропен
СН3
2) положения двойной связи:
СН2 СН СН2 СН3 бутен – 1
СН3 СН СН СН3 бутен - 2
3) межклассовые:
СН2 СН2
СН2 СН2 циклобутан
СН2
СН2 СН2 метилциклопропан
Из – за отсутствия свободного вращения вокруг двойной связи бутен – 2 имеет пространственные цис - , транс – изомеры.
СН3 СН СН СН3 бутен - 2
Н Н
С С цис - бутен - 2
СН3 СН3
Н СН3
С С транс - бутен - 2
СН3 Н
Чтобы алкен имел пространственные цис - , транс – изомеры, каждый атом углерода при двойной связи должен иметь разные между собой заместители.
Цис - , транс – изомеров не имеют:
1) алкены – 1 4) n,n – диметилалкены – n
2) 2 – метилалкены – 2
3) 3 – этилалкены – 3
Строение алкенов:
Только атомы углерода, соединённые двойной связью, находятся в состоянии sp2 – гибридизации.
Все остальные атомы углерода, от которых отходят одинарные связи, находятся в состоянии sp3 - гибридизации.
Три sp2 – гибридные орбитали расположены под углом 1200 и лежат в одной плоскости.
Негибридные р – орбитали каждого атома углерода располагаются перпендикулярно плоскости молекулы и перекрываются над и под плоскостью молекулы, образуя
∏ – связь.
В одной плоскости лежат всегда шесть атомов: два атома углерода, соединённые двойной связью, и по два атома, непосредственно связанные с атомами углерода при двойной связи.
Длина связи: 0.134 нм
Вокруг двойной связи отсутствует свободное вращение, поэтому алкены могут иметь пространственные изомеры.
Физические свойства:
С2 – С4 – газы, С5 – С17 – жидкости, остальные – твёрдые вещества.
Имеют более низкие температуры плавления и кипения, чем соответствующие алканы.
Алкены с нормальной цепью кипят при более высокой температуре, чем алкены с разветвлённой цепью.
Цис – изомеры кипят при более высокой температуре, чем транс – изомеры.
В воде растворяются плохо, но лучше, чем алканы.
Этилен при обычных условиях – бесцветный газ со сладковатым запахом, легче воздуха, мало растворим в воде, растворим в спирте и диэтиловом эфире.
Этилен, пропилен, бутен – 1, бутен – 2 можно собрать вытеснением воды.
Химические свойства алкенов
I) Реакции присоединения протекают за счёт разрыва
∏ – связи:
1) реакция гидрирования – присоединение водорода (обратимая, катализаторы: Pt и Ni)
Алкены превращаются в алканы:
СnH2n + H2 CnH2n+2
С2H4 + H2 C2H6
2) реакция галогенирования – присоединение галогенов при обычных условиях
Обесцвечивание бромной и иодной воды – качественная реакция на двойную связь.
В молекулу продукта реакции добавляется два атома галогена, причём к соседним атомам углерода.
СnH2n + Br2(вода) CnH2n Br2
CH2 CH CH3 + Br2(вода) CH2 CH CH3
Br Br (1,2 – дибромпропан)
3) реакция гидрогалогенирования – присоединение галогеноводородов
Необратимая, протекает при нагревании без катализаторов, по ионному механизму.
В молекулу продукта реакции добавляется один атом галогена и один атом водорода.
СnH2n + НBr CnH2n+1 Br
CH2 CH2 + HBr CH3 CH2
Br (бромэтан)
К несимметричным алкенам присоединение галогеноводородов происходит по правилу Марковникова: атом водорода присоединяется к атому углерода при двойной связи, у которого больше атомов водорода, а атом галогена присоединяется к атому углерода при двойной связи, у которого меньше атомов водорода.
CH2 CH CH3 + HBr CH3 CH CH3
Br (2 –бромпропан)
В присутствии перекиси водорода присоединение галогеноводородов происходит против правила Марковникова:
CH2 CH CH3 + HBr CH2 CH2 CH3
Br (1 –бромпропан)
Если в молекуле алкена уже присутствует атом галогена, то присоединение галогеноводородов происходит против правила Марковникова:
CH2 CH CH2 Br + HBr CH2 CH2 CH2 Br
Br (1 –бромпропан)
4) реакция гидратации – присоединение воды
Обратимая, протекает при нагревании в присутствии концентрированной серной кислоты по ионному механизму.
В молекулу продукта реакции добавляется один атом водорода и одна гидроксильная группа.
СnH2n + Н2O CnH2n+1 OH
CH2 CH2 + Н2O CH3 CH2
OH (этанол)
К несимметричным алкенам присоединение воды происходит по правилу Марковникова: атом водорода присоединяется к атому углерода при двойной связи, у которого больше атомов водорода, а атом галогена присоединяется к атому углерода при двойной связи, у которого меньше атомов водорода.
CH2 CH CH3 + Н2O CH3 CH CH3
ОН (пропанол -2)
Если в молекуле алкена уже присутствует атом галогена, то присоединение галогеноводородов происходит против правила Марковникова:
CH2 CH CH2Cl + Н2O CH2 CH2 CH3
ОН (пропанол -1)
5) реакция полимеризации – образование сложной молекулы полимера, в которой многократно повторяются структурные звенья более простых молекул - мономеров Необратимая, протекает при нагревании в присутствии катализаторов, по ионному механизму.
nCH2 CH2 ( CH2 CH2 )n (полиэтилен)
nCH2 CH CH3 ( CH2 CH )n
CH3 (полипропилен)
II) Реакции окисления:
1) реакция горения – взаимодействие с кислородом при начальном нагревании
СnH2n + 1,5n О2 n СО2 + n Н2О + Q
С2H4 + 3 О2 2 СО2 + 2 Н2О + Q
2 С3H6 + 9 О2 6 СО2 + 6 Н2О + Q
2) окисление водным раствором KMnO4 «вешает» две гидроксильные группы к атомам углерода, соединённым двойной связью
Образуется диол, в котором гидроксильные группы располагаются у соседних атомов углерода.
3 CH2 CH2 + 2 KMn+7O4 + 4 Н2О 3 CH2 CH2 + 2 Mn+4O2 + 2 KOH
ОН ОН (этандиол – 1,2)
/ C-22H+14 C-12H+16O-22 /
Mn+7 + 3e Mn+4 2
2 C-2 _ 2e 2C-1 3
Обесцвечивание водного раствора перманганата калия без нагревания – качественная реакция на двойную связь.
3) окисление KMnO4 в кислой среде при нагревании происходит по–разному:
Этилен окисляется до углекислого газа и воды:
5CH2 CH2 + 12 KMn+7O4 + 18Н2SO4 10 C+4O2 + 6 K2SO4 + 12 Mn+2SO4 +28Н2О
/ C-22H+14 C+4O2 /
Mn+7 + 5e Mn+2 12
2 C-2 _ 12e 2C+4 5
Пропен окисляется до углекислого газа и уксусной кислоты:
.CH2 CH CH3 + 2 KMn+7O4 + 3 Н2SO4
.C+4O2 + .СН3СООН + .K2SO4 + 2 Mn+2SO4 + 4 Н2О
/ C-23H+16 C+4O2 + С02Н+14О-22/
Mn+7 + 5e Mn+2 2
3 C-2 _ 10e C+4 + 2 С0 1
Бтен -2 (симметричен) окисляется до уксусной кислоты:
5 CH3 CH CH CH3 + 8 KMn+7O4 + 12 Н2SO4
10 СН3СООН + 4 K2SO4 + 8 Mn+2SO4 + 12 Н2О
/ C-24H+18 2 С02Н+14О-22/
Mn+7 + 5e Mn+2 8
4 C-2 _ 8e 4 С0 5
Алкены – 1 окисляются по типу пропена до углекислого газа и карбоновой кислоты.
Алкены, содержащие двойную связь в середине углеродной цепи, рвутся по месту двойной связи с образованием карбоновых кислот. По тому, сколько каждая кислота содержит атомов углерода, можно определить место положение двойной связи.
4) Этилен окисляется кислородом при нагревании в присутствии катализатора серебра до этиленоксида:
2 CH2 CH2 + О2 t 2 CH2 CH2
О
5) Этилен окисляется кислородом при нагревании в присутствии катализатора хлорида палладия до уксусного альдегида.
Эта реакция является современным промышленным способом получения этаналя.
CH2 CH2 + PdCl2 + H2O CH3COH + Pd + 2 HCl
III) При нагревании выше 4500 или облучении алкены, начиная с пропена, реагируют с галогенами в предельной части молекулы по аналогии с алканами, т.е. по реакции свободнорадикального замещения.
Замещение водорода происходит у атома углерода, соседнего с двойной связью :
CH2 CH CH3 + Cl2 свет CH2 CH CH2Сl + HCl
Получение
1) дегидрирование алканов в присутствии Pt, Ni:
CnH2n+2 CnH2n + H2
С2H6 C2H4 + H2
2) дегалогенирование дигалогенопроизводных алканов при нагревании с Zn:
CH2 CH CH3 + Zn CH2 CH CH3 + ZnBr2
Br Br
3) дегидрогалогенирование моногалогенопроизводных алканов при нагревании со спиртовым раствором щёлочи:
CH2 CH3 + KOH (спиртовой р-р) CH2 CH2 + КBr + Н2О
Br
При дегидрогалогенировании несимметричных моногалогенопроизводных алканов преимущественно протекает реакция согласно правилу Зайцева:
Отщепление водорода происходит от соседнего атома углерода, менее богатого водородом.
CH3 CH CH2 CH3 + KOH (спиртовой р-р)
Cl
CH3 CH CH CH3 + КCl + Н2О
4) дегидратация одноатомных предельных спиртов при нагревании в присутствии концентрированной серной кислоты:
CnH2n+1 OH СnH2n + Н2O
CH3 CH2 CH2 CH2 + Н2O
OH (этанол)
При дегидратации несимметричных одноатомных предельных спиртов преимущественно протекает реакция согласно правилу Зайцева:
Отщепление водорода происходит от соседнего атома углерода, менее богатого водородом.
CH3 CH CH2 CH3
ОН
CH3 CH CH CH3 + Н2О
5) крекинг алканов:
CnH2n+2 CkH2k+2 + Cn-kH2n-2k
алкан алкен
