Физические свойства алкенов.

Определение и строение молекул алкенов

Алкены – органические соединения, углеводороды алифатического (ациклического) непредельного характера, в молекуле которых между атомами углерода – одна двойная связь, и которые соответствуют общей формуле C_nH₂_n.

Свое второе название - олефины - алкены получили по аналогии с жирными непредельными кислотами (олеиновая, линолевая), остатки которых входят в состав жидких жиров - масел.

Свойство «непредельности» связано со способностью этих веществ вступать в реакции присоединения, прежде всего водорода, с образованием предельных, или насыщенных углеводородов − алканов.

Простейший алкен: C₂H₄ или H – C = C – H этен или этилен,

| |

H H

А его радикал: C₂H₃- или CH₂=CH- − винил.

Атомы углерода, между которыми есть двойная связь, 'находятся в состоянии sр² −гибридизации. Это означает, что в гибридизации участвуют одна s - и две р -орбитали, а одна р -орбиталь остается негибридизованной. Перекрывание гибридных орбиталей приводит к образованию σ-связи, а за счет негибридизованных р -орбиталей соседних атомов углерода образуется вторая, π-связь. Таким образом, двойная связь состоит из одной σ- и одной π-связи.

-связь π-связь

Три гибридные орбитали атома углерода, образующих двойную связь, одинаковы по форме и энергии, находятся в одной плоскости и направлены в углы равностороннего треугольника. Углы между гибридными орбиталями равны 120°. Негибридные орбитали, образующие π-связь, располагаются перпендикулярно плоскости молекулы.

Длина двойной связи 0,134нм (она короче одинарной, длина которой 0,154 нм), она более прочная, чем одинарная, так как ее энергия больше. Тем не менее, в углеродных соединениях π-связь значительно слабее, чем σ-связь и под воздействием реагентов π-связь легко разрывается. Наличие подвижной, легко поляризуемой π-связи приводит к тому, что алкены химически более активны, чем алканы, и способны вступать в реакции присоединения.

Гомологический ряд алкенов

Гомологи − вещества, сходные по строению и свойствам и отличающиеся на одну гомологическую группу -СН₂- или более.

Для первых трёх членов гомологического ряда алкенов используются исторически сложившиеся названия (их употребление зафиксировано правилами ИЮПАК): С₂Н₄ − этен, С₃Н₆ − пропен, С₄Н₈ − бутен. Начиная с пятого члена ряда и далее используются названия, корень которых производится от греческого или латинского названия соответствующего числительного с суффиксом –ен или –илен (обозначающий принадлежность соединения к данному классу): С₅Н₁₀ − пентен, С₆Н₁₂ − гексен, С₇Н₁₄ − гептен и т.д.

Атомы углерода могут соединяться не только в линейную цепь, но и в разветвленную. В ряду алкенов появление разветвления возможно начиная с бутена.

Номенклатура алкенов.

1. Выбор главной цепи. Образование названия углеводорода начинается с определения главной цепи - самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле. В случае алкенов главная цепь должна содержать двойную связь.

2. Нумерация атомов главной цепи. Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, с которого ближе расположены по старшинству (по преимуществу):

кратная связь → заместитель → углеводородный радикал.

Т.е. при нумерации в определении названия алкена положение кратной связи имеет преимущество перед остальными.

Если по положению двойной связи нельзя определить начало нумерации атомов в цепи, то его определяет положение заместителей так же, как для предельных углеводородов.

3. Формирование названия., После корня, обозначающего числа атомов углерода в цепи, и суффикса –ен или -илен, обозначающий принадлежность соединения к классу алкенов, через в конце названия указывают местоположение двойной связи в углеродной цепи, т.е. номер атома углерода, у которого начинается двойная связь.

Если есть заместители, то в начале названия указывают цифры − номера атомов углерода, при которых находятся заместители. Если при данном атоме находятся несколько заместителей, то соответствующий номер в названии повторяется дважды через запятую (2,2-). После номера через дефис указывают количество заместителей (ди – два, три – три, тетра − четыре, пента − пять) и название заместителя (метил. этил, пропил). Затем без пробелов и дефисов − название главной цепи. Главная цепь называется как углеводород − член гомологического ряда этилена (этен (этилен), пропен, бутен и т.д.).

Пример:

CH₃ Cl CH₃

7 6| 5| 4| 3 2 1

CH₃ – CH – CH – C – CH = CH – CH₃

C₂H₅

4,6-диметил-4-этил-5-хлоргептен-2

Изомерия алкенов.

Для алкенов характерны следующие виды изомерии:

1. Структурная изомерия (простейший алкен, для которого характерны структурные изомеры, − это бутен):

а) изомерия углеродного скелета

1 2 3 4 5 1 2 3 4

CH₂=CH – CH₂ – CH₂ – CH₃ CH₂=CH – CH – CH₃

CH₃

пентен-1 3-метилбутилен-1

б) изомерия положения кратной связи

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

CH₂=CH – CH₂ – CH₂ – CH₃ CH₃–CH = CH – CH₂ – CH₃

пентен-1 пентен-2

в) изомерия положения заместителей (Hal, - NO₂, SO₂-OH и др.) (простейший алкен данного вида изомерии − это пропен)

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

CH₂=CH – CH – CH₂ – CH₃ CH₂=CH – CH₂ – CH – CH₃

| |

Cl Cl

3-хлорпентен-1 4-хлорпентен-1

2. Пространственная изомерия:

а) геометрическая изомерия

Вокруг одинарной углерод-углеродной связи возможно практически свободное вращение атомов углерода, поэтому молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму. Вращение вокруг двойной связи невозможно, что приводит к появлению у алкенов еще одного вида изомерии − геометрической, или цис- и транс-изомерии. Цис-изомеры отличаются от транс-изомеров пространственным расположением фрагментов молекулы (в данном случае метильных групп) относительно плоскости π-связи, а следовательно, и свойствами.

1 2 3 4

CH₃ – CH = CH – CH₃

бутилен-2

CH₃ CH₃CH₃ H

\ / \ /

C=C C=C

/ \ / \

H H H CH₃

цис-изомер транс-изомер

При этом двойная связь не должна находиться у крайних атомов углерода углеродной цепи!

3. Межклассовая изомерия (с циклоалканами)

1 2 3 4 5

CH₂=CH – CH₂ – CH₂ – CH₃ CH₂ – CH₂

пентен-1 | |

CH₂ CH₂

\ /

CH₂

циклопентан

Физические свойства алкенов.

C₂H₄ – C₄H₈ – газы, C₅H₁₀ – C₁₆H₃₂ - жидкости, C₁₇H₃₄ – … – твердые вещества. Алкены плохо растворимы в воде. Их температуры плавления и кипения закономерно повышаются при увеличении молекулярной массы соединения.

6. Химические свойства.

I. Реакции присоединения.

1. гидрирование

1 2 3

CH₂=CH – CH₃ + H – H → CH₃ – CH₂ – CH₃

пропилен пропан

2. галогенирование

1 2 3

CH₂=CH – CH₃ + Br – Br → CH₂ – CH – CH₃

| |

Br Br

пропилен 1,2-дибромпропан

3. гидрогалогенирование (по правилу Марковникова: при присоединении веществ с полярной ковалентной связью типа HX (где X – это -Hal, -OH и т.д.) к несимметричным непредельным углеводородам по месту разрыва π-связи атом водорода присоединяется к наиболее гидрированному атому углерода, а X – к наименее гидрированному атому углерода)

1 2 3

CH₂=CH – CH₃ + H – Br → CH₃ – CH – CH₃

пропилен 2- бромпропан

4. гидратация (по правилу Марковникова) с образованием вторичных спиртов (кроме этилена – у него образуется первичный спирт)

1 2 3

CH₂=CH – CH₃ + H – OH → CH₂ – CH – CH₃

пропилен пропанол-2 (вторичный пропанол)

5. сульфирование (по правилу Марковникова) с образованием алкилсерных кислот

1 2 3

CH₂=CH – CH₃ + H–O – SO₂OH → CH₃ – CH – CH₃

O – SO₂OH

пропилен пропил-2серная кислота

CH₃ – CH – CH₃ + H–OH → CH₃ – CH – CH₃ + HO – SO₂ – OH

| |

O – SO₂OH OH

пропил2серная кислота пропанол-2 серная кислота

6. алкилирование

CH₃ CH₃ CH₃ CH₃

| | | |

CH₃ – CH + CH₂=C – CH₃→ CH₃– C – CH₂ – CH – CH₃

| |

CH₃ CH₃

метилпропан метилпропен 2,2,4-триметилпентан (изооктан)

7. взаимное алкилирование (обратный процесс крекинга алкенов), при разных температурах образуются разные соединения

CH₂=CH – CH₂ – CH₃ бутилен-1

CH₃– CH=CH – CH₃ бутилен-2

Kt, t⁰

CH₂=CH₂ + CH₂=CH₂ ––→ CH₂=C – CH₃ метилпропилен

CH₃

CH₂=CH – CH=CH₂ + H₂ бутадиен-1,3

II. Реакции окисления.

1. горение

t⁰

C₂H₄ + 3 O₂ (избыток) → 2 CO₂ + 2 H₂O

t⁰

C₂H₄ + 2 O₂ (недостаток) → 2 CO + 2 H₂O

t⁰

C₂H₄ + O₂ (сильный недостаток) → 2 C + 2 H₂O

2. частичное окисление кислородом воздуха с образованием эпоксидов (реакция Прилежаева)

t⁰, Ag

2 CH₂=CH₂ + O₂ ––→2 CH₂ – CH₂

\ /

Этиленоксид (эпоксиэтан или окись этилена)

3. окисление кислородом окислителя в щелочной среде (реакция Вагнера)

из KMnO₄

3 CH₂=CH₂ + [O] + H – OH ––––––––→ HO – CH₂ – CH₂ – OH

этиленгликоль (этандиол-1,2)

KOH

3 C^-2H₂=C^-2H₂ + 2 KMn⁺⁷O₄ + 4 H₂O ––→ 3 C^-1H₂ – C^-1H₂ + 2 Mn⁺⁴O₂ + 2 KOH

| |

OH OH

C₂^-2 -2ē → C₂^-1 3 3 C₂^-2 -6ē → 3 C₂^-1

Mn⁺⁷ + 3ē → Mn⁺⁴ 2 2 Mn⁺⁷ + 6ē → 2 Mn⁺⁴

Обесцвечивание щелочного раствора KMnO₄ – это качественная реакция на непредельные углеводороды.

4. жесткое окисление кислородом более энергичного окислителя в кислой среде (кислый раствор KMnO₄, HNO₃, хромовая смесь) при нагревании

+H₃O⁺, t°

R – CH=CH – R¢ + 4 [O] ––→ R – COOH + R¢ - COOH

СH₃ – СH=CH – CH₃ + 4 [O] ––→ 2 CH₃ – COOH

бутилен-2 этановая (уксусная) кислота

CH₃ – CH₂ – CH=CH₂ + 4 [O] ––→ CH₃ – CH₂ – COOH + HCOOH

бутилен-1 пропановая метановая (муравьиная)

кислота кислота

HCOOH + [O] ––à HOCOOH (H₂CO₃)

метановая CO₂↑ H₂O

кислота угольная кислота

CH₃ – CH₂ – CH=CH – CH₃ + 4 [O] ––→ CH₃ – CH₂ – COOH + CH₃ – COOH

пентен-2 пропановая кислота этановая кислота

5 CH₃–CH₂–C^-1H=C^-1H–CH₃ + 8 KMn⁺⁷O₄ + 12 H₂SO₄ →4 K₂SO₄ + 8 Mn⁺² SO₄ + 12 H₂O +

пентен-2

+ 5 CH₃–CH₂–C⁺³OOH + 5 CH₃–C⁺³OOH

пропановая кислота этановая кислота

C₂^-1 -8ē → 2 C⁺³ 5 5 C₂^-2 -40ē → 10 C^-1

Mn⁺⁷ + 5ē → Mn⁺² 8 8 Mn⁺⁷ + 40ē → 8 Mn⁺⁴

CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH=CH₂ + 5 [O] ––→ CH₃ – CH₂ – CH₂ – COOH + H₂O + CO₂

пентен-1 бутановая кислота

CH₃ – CH₂ – CH₂ – C^-1H=C^-2H₂ + 2 KMn⁺⁷O₄ + 3 H₂SO₄ → K₂SO₄ + 2 Mn⁺² SO₄ + 4 H₂O +

пентен-1

+ CH₃ – CH₂ – CH₂ – C⁺³OOH + C⁺⁴O₂

бутановая кислота

C^-1 – 4ē → C⁺³ C^-1 -4ē → C⁺³

-10ē 1

C^-2 – 6ē → C⁺⁴ C^-2 -6ē → C⁺⁴

Mn⁺⁷ + 5ē → Mn⁺² 2 2 Mn⁺⁷ + 10ē → 2 Mn⁺²

III. Реакции полимеризации.

t⁰, kt, P

…+ CH₂=CH₂ + CH₂=CH₂ + …––––––→ …-CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂-…

этилен полиэтилен

t⁰, kt, P

nCH₂=CH₂––––––→ (– CH₂ – CH₂ –)_n

мономер структурное звено

где n – это степень полимеризации

t⁰, kt, P

n CH₃ – CH=CH₂ –––––––→ (– CH – CH₂ –)_n

CH₃

пропилен полипропилен

IV. Реакции изомеризации.

550°C

CH₂=CH₂ – CH₂ – CH₃ ––––→ CH₃– CH = CH – CH₃ + CH₃ – C = CH₂

CH₃

бутен-1 бутен-2 метилпропен

V. Реакции отщепления (элиминирования)

а) до алкадиенов:

MgO, ZnO

CH₂=CH – CH₂ – CH₃ ––––→ CH₂= CH – CH = CH₂ + H₂

бутен-1 бутадиен-1,3

б) до алкинов:

1200°C

2 CH₂=CH₂ ––––→ 2 CH≡CH + 2 H₂

этен (этилен) этин (ацетилен)

Получение алкенов.

1. Крекинг нефтепродуктов

C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + C₈H₁₆

гексадекан октан октен

Обычно образуется смесь различных углеводородов: например, при крекинге бутана конечными продуктами будет – смесь бутенов, пропилена, этилена и метана; при крекинге пропана – смесь пропилена, этилена и метана; при крекинге метилпропана – смесь метилпропилена, пропилена и метана.

2. Дегидрирование предельных углеводородов

CH₂ = CH – CH₂ – CH₃ бутен-1

CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₃ →

бутан CH₃ – CH = CH – CH₃ бутен-2

550-650^oc, Kt

2CH₄ –––––––––––→ C₂H₄ + 2H₂

3. Внутримолекулярная дегидратация спиртов

H₂SO₄, 140-150^oC

CH₃ – CH₂ – OH ––––––––––––––––→ CH₂ = CH₂ + H₂O

этанол этилен

4. Дегидрогалогенирование галогенпроизводных алканов (по правилу Зайцева: при отщеплении галогенводорода от вторичных и третичных галогеналканов атом водорода отщепляется от наименее гидрированного атома углерода)

| спирт, t^o

CH₃ – CH – CH₂ – CH₃ + NaOH –––––––→ CH₃ – CH = CH – CH₃ + NaBr + H₂O

2-бромбутан бутен-2

5. Дегалогенирование дигалогенпроизводных алканов

Br Br

| |

CH₃ – CH – CH – CH₃ + Zn → CH₃ – CH = CH – CH₃ + ZnBr₂

2.3-дибромбутан бутен-2

Применение алкенов

1. Применение этилена

2. Применение пропилена

3. Применение изомеров бутилена

Бутандиолы (HO – С₄Н₈– OH)

Бутанолы (С₄Н₉– OH)

Вопросы: (для контроля знаний)

1. Какие соединения относятся к алкенам?

2. Какое строение имеет молекулы алкенов (гибридизация, угол между гибридными орбиталями, длина связи)?

3. Как по правилами ИЮПАК образуется название неразветвлённого и разветвлённого алкена?

4. Какие виды изомерии характерны для алкенов?

5. В какие реакции присоединения может вступить пропен? Напишите уравнения реакций.

6. В какие реакции элиминирования может вступать алкены? Напишите уравнения реакций.

7. В какие реакции окисления может вступать алкены? Напишите уравнения реакций.

8. Какими способами можно получить алкены? Напишите уравнения реакций.

9. Какое применение нашли алкены?

Список используемых источников:

1. «Репетитор по химии (издание 15-ое)», под редакцией Егорова А. С., Феникс – Ростов-на-Дону, 2006

2. Габриелян О. С., Маскаев Ф. Н., Пономарев С. Ю., Теренин В. И. «Химия 10 класс: профильный уровень». (Учебник для общеобразовательных учреждений), Дрофа – Москва, 2005

3. Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. «Химия 10: органическая химия (Учебник для 10 класса средней школы)», Просвещение – Москва, 1991

Физические свойства алкенов.

Поиск по сайту