Раздаточный материал к лекции 3
НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
АЛКЕНЫ
Номенклатуры: систематическая, рациональная (этиленовая).
ВИДЫИЗОМЕРИИ
1. Изомерия углеродного скелета
2. Изомерия положения кратной связи
3. Межклассовая с циклоалканами
4. Геометрическая (цис ‑ транс, E – Z)
Правило Зайцева
С.В.Стаханова
Лекция 3
НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
Непредельными или ненасыщенными называются углеводороды, содержащие в составе молекулы одну или несколько кратных (двойных или тройных) связей. Рассмотрим свойства важнейших классов непредельных углеводородов – алкенов, алкадиенов и алкинов.
АЛКЕНЫ
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: алкены, олефины, этиленовые углеводороды, двойная связь, σ-связь, π-связь, sp2 - гибридизация, межклассовая изомерия, изомерия углеродного скелета, изомерия положения двойной связи, геометрическая изомерия, цис - и транс -изомеры, ионный механизм реакции присоединения, гидрирование, галогенирование, гидрогалогенирование, гидратация, правило Марковникова, полимеризация, дегидрирование, дегалогенирование, дегидрогалогенирование, дегидратация, правило Зайцева.
ГОМОЛОГИЧЕСКИЙ РЯД И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКЕНОВ
Алкены – это непредельные углеводороды, молекула которых содержит одну двойную связь. Поскольку первым представителем гомологического ряда алкенов является этилен СН2=СН2, эти вещества называют также углеводородами ряда этилена (этиленовыми углеводородами). Часто применяют и еще одно название алкенов – олефины*.
Молекулы алкенов содержат на два атома водорода меньше, чем молекулы алканов с тем же числом атомов углерода. Общая формула алкенов – CnH2n.
|
|
Физические свойства алкенов и алканов схожи. Первые три представителя гомологического ряда этиленовых углеводородов при обычных условиях газообразны. Алкены с числом атомов углерода от 5 до 18 жидкости, начиная с углеводорода С19Н38 – твердые вещества (табл. 1). В воде алкены практически не растворяются. Плотность большинства жидких алкенов лежит в пределах 0,6 ‑ 0,7 г/мл.
Таблица 1. Физические свойства некоторых алкенов
| Название | Формула | Т пл, оС | Т кип, оС |
| Этилен | 
| -169 | -105 |
| Пропилен | 
| -185 | -48 |
| Бутен-1 | 
| -130 | -6 |
| цис -Бутен-2 | 
| -139 | |
| транс -Бутен-2 | 
| -105 | |
| 2-Метилпропен (изобутилен) | 
| -140 | -6,9 |
| Пентен-1 | 
| -138 | |
| Пентен-2 | 
| -139 |
СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ АЛКЕНОВ
Установлено, что в молекуле этилена ядра всех атомов лежат в одной плоскости, а валентные углы равны 120◦ (рис. 1). Такое строение молекулы может быть объяснено на основе представлений о гибридизции орбиталей.
Рисунок 1. Модели молекул этилена.
Электронные орбитали атомов углерода, связанных двойной связью, находятся в состоянии sp2 - гибридизации. Каждый из этих атомов образует три
σ-связи, лежащие в одной плоскости под углами, близкими к 120◦. Не участвующие в гибридизации орбитали p -электронов расположены перпендикулярно плоскости σ-связей и путем бокового перекрывания образуют π-связь. Таким образом, двойная связь представляет собой сочетание одной σ- и одной π-связи (рис. 1).
Двойная связь короче, чем простая: длина связи С=С составляет 0,134 нм, в то время как длина связи С‑С равна 0,154 нм.
|
|
Электроны π-связи располагаются выше и ниже плоскости σ-связей и создают область повышенной электронной плотности. Таким образом, именно двойная связь становится реакционным центром молекулы алкена.
НОМЕНКЛАТУРА АЛКЕНОВ
В соответствии с рекомендациями ИЮПАК при построении названий алкенов соблюдают следующие правила.
1. Основную углеродную цепь выбирают таким образом, чтобы она обязательно включала двойную связь и имела при этом наибольшую длину. На принадлежность углеводорода к классу алкенов указывает суффикс -ен.
2. Атомы углерода в основной цепи нумеруют с того конца, к которому ближе расположена двойная связь.
3. Перечисляют заместители в алфавитном порядке, указывая перед каждым заместителем номер атома углерода основной цепи, к которому он прикреплен, и добавляют название основной цепи.
4. Чтобы обозначить положение двойной связи, в конце названия цифрой указывают номер атома углерода, от которого она начинается.
Пример. Назовем алкен, структурная формула которого изображена ниже.
В качестве основной выбираем цепь, содержащую двойную связь и включающую пять атомов углерода. (Отметим, что самая длинная цепь в молекуле состоит из 6 атомов углерода, но, поскольку она не включает двойную связь, выбирать ее в качестве основной нельзя). Атомы углерода основной цепи нумеруем с того конца, к которому ближе располагается двойная связь. Названием основной цепи будет пентен-1.
В молекуле два заместителя – радикалы СН3- и СН3-СН2-. Перечисляем названия заместителей по алфавиту, указывая перед каждым из них цифрой номер атома углерода основной цепи, к которому он прикреплен, и добавляем название основной цепи.
|
|
Итак, название алкена 4-метил-2-этилпентен-1.
Для некоторых простейших алкенов наряду с систематическими часто употребляются и исторически сложившиеся названия, например:
Радикал СН2=СН- называется этенил или винил.
ВИДЫИЗОМЕРИИ
Для алкенов характерена как структурная, так и геометрическая (цис-транс -) изомерия (рис. 2).
Общая формула CnH2n соответствует и алкенам, и циклоалканам. Следовательно, алкены и циклоалканы являются межклассовыми изомерами. Структурная изомерия алкенов обусловливается также различным строением углеродного скелета молекулы (изомерия углеродного скелета) и различным положением двойной связи в углеродной цепи (изомерия положения двойной связи).
Рисунок 2. Виды изомерии алкенов.
Пространственная, или цис-транс -изомерия алкенов обусловлена различным положением заместителей относительно плоскости двойной связи.
Этот вид изомерии проявляется тогда, когда каждый из атомов углерода при связи С=С связан с двумя разными заместителями (атомами или группами атомов).
Тот изомер, у которого одинаковые заместители при разных атомах углерода (ими могут считаться и атомы водорода) оказываются расположенными по одну сторону плоскости двойной связи, называется цис -изомером (от латинского cis – по эту сторону):
Тот изомер, у которого заместители оказываются расположенными по разные стороны плоскости двойной связи, называется транс -изомером (от латинского trans – через):
Отметим, что поскольку вокруг двойной связи С=С свободное вращение невозможно, цис - и транс - изомеры не могут в обычных условиях переходить друг в друга. Такое превращение требует разрыва π-связи и может происходить только при сообщении молекуле достаточного количества энергии, например, при нагревании или освещении. Поэтому цис - и транс - изомеры представляют собой разные индивидуальные вещества, которые имеют отличия по физическим, а иногда и по химическим свойствам (сравните свойства цис -бутена-2 и транс -бутена-2, приведенные в табл. 1).
Алкены, у которых хотя бы один из атомов углерода при двойной связи соединен с двумя одинаковыми заместителями, не имеют цис - и транс -изомеров. Например, геометрическая изомерия невозможна для бутена-1 и 2-метилпропена:
