Ненасыщенные углеводороды алкены. Гидратация алкенов: реакция и уравнения

В органической химии можно встретить углеводородные вещества с разным количеством углерода в цепи и C=C-связью. Они являются гомологами и называются алкенами. Из-за своего строения они химически более активны, чем алканы. Но какие именно реакции для них характерны? Рассмотрим их распространение в природе, разные способы получения и применение.

Что из себя представляют?

Алкены, которые также называются олефинами (маслянистые) получили свое название от этен-хлорида, производного первого представителя этой группы. У всех алкенов есть хотя бы одна двойная C=C-связь. C n H 2n - формула всех олефинов, а название образовывается от алкана с таким же количеством углеродов в молекуле, только суффикс -ан меняется на -ен. Арабской цифрой в конце названия через дефис обозначают номер углерода, от которого начинается двойная связь. Рассмотрим основные алкены, таблица поможет вам запомнить их:

Если молекулы имеют простое неразветвленное строение, то добавляют суффикс -илен, это также отражено в таблице.

Где их можно встретить?

Так как реакционная способность алкенов весьма высока, их представители в природе встречаются крайне редко. Принцип жизни молекулы олефинов — "давай дружить". Нет вокруг других веществ — не беда, будем дружить между собой, образуя полимеры.

Но они есть, и небольшое количество представителей входит в состав сопутствующего нефтяного газа, а высших — в нефти, добываемой на территории Канады.

Самый первый представитель алкенов этен — это гормон, стимулирующий созревание плодов, поэтому его в небольших количествах синтезируют представители флоры. Есть алкен цис-9-трикозен, который у самок мухи домашней играет роль полового аттрактанта. Еще его называют мускалур. (Аттрактант — вещества природного или синтетического происхождения, которое вызывает влечение к источнику запаха у другого организма). С точки зрения химии, алкен этот выглядит так:

Так как весьма ценным сырьем являются все алкены, способы получения их искусственным путем весьма разнообразны. Рассмотрим наиболее распространенные.

А если нужно много?

В промышленности класс алкенов, в основном, получается при крекинге, т.е. расщеплении молекулы под воздействием высоких температур, высших алканов. Для реакции необходим нагрев в диапазоне от 400 до 700 °C. Расщепляется алкан так, как ему захочется, образуя алкены, способы получения которых мы рассматриваем, с большим количеством вариантов строения молекул:

C 7 H 16 -> CH 3 -CH=CH 2 + C 4 H 10.

Еще один распространенный способ называется дегидрирование, при котором от представителя ряда алкана в присутствии катализатора отделяют молекулу водорода.

В лабораторных условиях алкены и способы получения отличаются, они основаны на реакциях элиминирования (отщепления группы атомов без их замещения). Чаще всего элиминируются атомы воды из спиртов, галогены, водород или галогенводород. Наиболее распространенный способ получения алкенов — из спиртов в присутствии кислоты, как катализатора. Возможно использование и других катализаторов

Все реакции элиминирования подчинены правилу Зайцева, гласящему:

Атом водорода отщепляется от того углерода, соседствующего с углеродом, несущим группу -OH, у которого меньше водородов.

Применив правило, ответьте, какой продукт реакции будет преобладать? Позже вы узнаете, правильно ли ответили.

Химические свойства

Алкены активно реагируют с веществами, разрывая свою пи-связь (еще одно название связи C=C). Ведь она не такая прочная, как одинарная (сигма-связь). Углеводород из ненасыщенного превращается в насыщенный, не образуя других веществ после реакции (присоединение).

присоединение водорода (гидрирование). Присутствие катализатора и нагревания нужна для ее прохождения;
присоединение молекул галогенов (галогенирование). Является одной из качественных реакций на пи-связь. Ведь при реакции алкенов с бромной водой, она из бурой становится прозрачной;
реакция с галогенводородами (гидрогалогенирование);
присоединение воды (гидратация). Условиями прохождения реакции является нагревание и присутствие катализатора (кислоты);

Реакции несимметричных олефинов с галогенводородами и водой подчиняются правилу Марковникова. А значит, водород присоединится к тому углероду из двойной углерод-углеродной связи, у которого уже больше атомов водорода.

горение;
неполное окисление каталитическое. Продуктом являются циклические оксиды;
реакция Вагнера (окисление перманганатом в нейтральной среде). Эта реакция алкенов — еще одна качественная C=C-связь. При протекании розовый раствор марганцовки обесцвечивается. Если ту же реакцию провести в соединенной кислой среде, продукты будут уже другими (карбоновые кислоты, кетоны, углекислый газ);
изомеризация. Характерны все виды: цис- и транс-, перемещение двойной связи, циклизация, скелетная изомеризация;
полимеризация — главное свойство олефинов для промышленности.

Применение в медицине

Большое практическое значение имеют продукты реакции алкенов. Многие из них используются в медицине. Из пропена получают глицерин. Этот многоатомный спирт является прекрасным растворителем, причем, если его использовать вместо воды, растворы будут более концентрированными. В медицинских целях в нем растворяют алкалоиды, тимол, йод, бром и др. Также глицерин применяют при приготовлении мазей, паст и кремов. Он предотвращает их высыхание. Сам по себе глицерин является антисептиком.

При реакции с хлороводородом получаются производные, которые применяются как местная анестезия при нанесении на кожу, а также для кратковременного наркоза при незначительных хирургических вмешательствах, при помощи ингаляций.

Алкадиены — это алкены с двумя двойными связями в одной молекуле. Основное их применение — производство синтетического каучука, из которого потом изготавливают различные грелки и спринцовки, зонды и катетеры, перчатки, соски и многое другое, что просто незаменимо при уходе за больными.

Применение в промышленности

Вид промышленности	Что применяют	Каким образом могут использовать
Сельское хозяйство	этен	ускоряет созревание овощей и фруктов, дефолиация растений, пленки для теплиц
Лако-красочная	этен, бутен, пропен и др.	для получения растворителей, эфиров, сольвента
Машиностроение	2-метилпропен, этен	производство синтетического каучука, смазочные масла, антифриз
Пищевая промышленность	этен	производство тефлона, этилового спирт, уксусная кислота
Химическая промышленность	этен, полипропилен	получают спирты, полимеры (поливинилхлорид, полиэтилен, поливинилацетат, полиизобтилен, уксусный альдегид
Горная промышленность	этен и др.	взрывчатые вещества

Более широкое применение нашли алкены и их производные в промышленности. (Где и как используются алкены, таблица выше).

Это лишь малая часть использования алкенов и их производных. С каждым годом потребность в олефинах только возрастает, а значит, возрастает потребность и в их производстве.

Алкены ненасыщенные алифатические углеводороды с одной или несколькими двойными углерод-углеродными связями. Двойная связь превращает два атома углерода в плоскую структуру с валентными углами между соседними связями по 120°С:

Гомологический ряд алкенов имеет общую формулу двумя его первыми членами являются этен (этилен) и пропен (пропилен):

Члены ряда алкенов с четырьмя или большим числом атомов углерода обнаруживают изомерию положения связей. Например, алкен с формулой имеет три изомера, два из которых являются изомерами положения связей:

Заметим, что нумерация цепи алкенов производится с того ее конца, который ближе к двойной связи. Положение двойной связи указывается меньшим из двух номеров, которые соответствуют двум атомам углерода, связанным между собой двойной связью. Третий изомер имеет разветвленную структуру:

Число изомеров какого-либо алкена возрастает с числом атомов углерода. Например, гексен имеет три изомера положения связей:

диенов является бута-1,3-диен, или просто бутадиен:

Соединения, содержащие три двойные связи, называются триенами. Соединения с несколькими двойными связями имеют общее название полиены.

Физические свойства

Алкены имеют несколько более низкие температуры плавления и кипения, чем соответствующие им алканы. Например, пентан имеет температуру кипения . Этилен, пропен и три изомера бутена при комнатной температуре и нормальном давлении находятся в газообразном состоянии. Алкены с числом атомов углерода от 5 до 15 в нормальных условиях находятся в жидком состоянии. Их летучесть, как и у алканов, возрастает при наличии разветвления в углеродной цепи. Алкены с числом атомов углерода больше 15 при нормальных условиях представляют собой твердые вещества.

Получение в лабораторных условиях

Двумя основными способами получения алкенов в лабораторных условиях являются дегидратация спиртов и дегидрогалогенирование галогеноалканов. Например, этилен можно получить дегидратацией этанола при действии избытка концентрированной серной кислоты при температуре 170 °С (см. разд. 19.2):

Этилен можно также получить из этанола, пропуская пары этанола над поверхностью нагретого оксида алюминия. Для этой цели можно использовать установку, схематически изображенную на рис. 18.3.

Второй распространенный метод получения алкенов основан на проведении дегидрогалогенирования галогеноалканов в условиях основного катализа

Механизм реакции элиминирования такого типа описан в разд. 17.3.

Реакции алкенов

Алкены обладают намного большей реакционной способностью, чем алканы. Это обусловлено способностью -электронов двойной связи притягивать электрофилы (см. разд. 17.3). Поэтому характерные реакции алкенов представляют собой главным образом реакции электрофильного присоединения по двойной связи:

Многие из этих реакций имеют ионные механизмы (см. разд. 17.3).

Гидрирование

Если какой-нибудь алкен, например этилен, смешать с водородом и пропустить эту смесь над поверхностью платинового катализатора при комнатной температуре или никелевого катализатора при температуре около 150°С, то произойдет присоединение

водорода по двойной связи алкена. При этом образуется соответствующий алкан:

Реакция этого типа представляет собой пример гетерогенного катализа. Его механизм описан в разд. 9.2 и схематически показан на рис. 9.20.

Присоединение галогенов

Хлор или бром легко присоединяются по двойной связи алкена; эта реакция протекает в неполярных растворителях, например в тетрахлорометане или гексане. Реакция протекает по ионному механизму, который включает образование карбкатиона. Двойная связь поляризует молекулу галогена, превращая ее в диполь:

Поэтому раствор брома в гексане или тетрахлорометане при встряхивании с алкеном обесцвечивается. То же самое происходит, если встряхивать алкен с бромной водой. Бромная вода представляет собой раствор брома в воде. Этот раствор содержит бромноватистую кислоту . Молекула бромноватистой кислоты присоединяется по двойной связи алкена, и в результате образуется бромозамещенный спирт. Например

Присоединение галогеноводородов

Механизм реакции этого типа описан в разд. 18.3. В качестве примера рассмотрим присоединение хлороводорода к пропену:

Отметим, что продукт этой реакции представляет собой 2-хлоропропан, а не 1-хлоро-пропан:

В таких реакциях присоединения наиболее электроотрицательный атом или наиболее электроотрицательная группа всегда присоединяются к атому углерода, связанному с

наименьшим числом атомов водорода. Эта закономерность носит название правила Марковникова.

Предпочтительное присоединение электроотрицательного атома или группы к атому углерода, связанному с наименьшим числом атомов водорода, обусловлено повышением устойчивости карбкатиона по мере возрастания числа алкильных заместителей на атоме углерода. Это повышение устойчивости в свою очередь объясняется индуктивным эффектом, возникающим в алкильных группах, так как они являются донорами электронов:

В присутствии какого-либо органического пероксида пропен реагирует с бромоводородом, образуя т. е. не по правилу Марковникова. Такой продукт называется антимарковниковским. Он образуется в результате протекания реакции по радикальному, а не ионному механизму.

Гидратация

Алкены реагируют с холодной концентрированной серной кислотой, образуя алкил-гидросульфаты. Например

Эта реакция представляет собой присоединение, поскольку в ней происходит присоединение кислоты по двойной связи. Она является обратной реакцией по отношению к дегидратации этанола с образованием этилена. Механизм этой реакции подобен механизму присоединения галогеноводородов по двойной связи. Он включает образование промежуточного карбкатиона. Если продукт этой реакции разбавить водой и осторожно нагревать, он гидролизуется, образуя этанол:

Реакция присоединения серной кислоты к алкенам подчиняется правилу Марковникова:

Реакция с подкисленным раствором перманганата калия

Фиолетовая окраска подкисленного раствора перманганата калия исчезает, если этот раствор встряхивают в смеси с каким-либо алкеном. Происходит гидроксилирование алкена (введение в него гидроксигруппы, образующейся вследствие окисления), который в результате превращается в диол. Например, при встряхивании избыточного количества этилена с подкисленным раствором происходит образование этан-1,2-диола (этиленгликоля)

Если алкен встряхивают с избыточным количеством раствора -ионов, происходит окислительное расщепление алкена, приводящее к образованию альдегидов и кетонов:

Альдегиды, образующиеся при этом, подвергаются дальнейшему окислению с образованием карбоновых кислот.

Гидроксилирование алкенов с образованием диолов может также проводиться с помощью щелочного раствора перманганата калия.

Реакция с пербензойной кислотой

Алкены реагируют с пероксикислотами (надкислотами), например с пербензойной кислотой, образуя простые циклические эфиры (эпоксисоединения). Например

При осторожном нагревании эпоксиэтана с разбавленным раствором какой-либо кислоты образуется этан-1,2-диол:

Реакции с кислородом

Как и все другие углеводороды, алкены горят и при обильном доступе воздуха образуют диоксид углерода и воду:

При ограниченном доступе воздуха горение алкенов приводит к образованию моноксида углерода и воды:

Поскольку алкены имеют более высокое относительное содержание углерода, чем соответствующие алканы, они горят с образованием более дымного пламени. Это обусловлено образованием частиц углерода:

Если смешать какой-либо алкен с кислородом и пропустить эту смесь над поверхностью серебряного катализатора, при температуре около 200 °С образуется эпоксиэтан:

Озонолиз

При пропускании газообразного озона через раствор какого-либо алкена в трихлорометане или тетрахлорометане при температуре ниже 20 °С образуется озонид соответствующего алкена (оксиран)

Озониды - неустойчивые соединения и могут быть взрывоопасными. Они подвергаются гидролизу с образованием альдегидов или кетонов. Например

В этом случае часть метаналя (формальдегида) реагирует с пероксидом водорода, образуя метановую (муравьиную) кислоту:

Полимеризация

Простейшие алкены могут полимеризоваться с образованием высокомолекулярных соединений, которые обладают той же эмпирической формулой, что и исходный алкен:

Эта реакция протекает при высоком давлении, температуре 120°С и в присутствии кислорода, который играет роль катализатора. Однако полимеризацию этилена можно проводить и при более низком давлении, если воспользоваться катализатором Циглера. Одним из наиболее распространенных катализаторов Циглера является смесь триэтилалюминия и тетрахлорида титана.

Полимеризация алкенов более подробно рассматривается в разд. 18.3.

Выясним, что представляет собой реакция гидратации алкена. Для этого дадим краткую характеристику данного класса углеводородов.

Общая формула

Алкены - это ненасыщенные органические соединения, имеющие общую формулу СпН2п, в молекулах которых есть одна двойная связь, а также присутствую одинарные (простые) связи. Углеродные атомы при ней находятся в sp2 гибридном состоянии. Представителей этого класса называют этиленовыми, так как родоначальником данного ряда является этилен.

Особенности номенклатуры

Для того чтобы понять механизм гидратации алкена, необходимо выделить особенности их наименования. Согласно систематической номенклатуре, при составлении названия алкена используют определенный алгоритм действий.

Для начала необходимо определить самую длинную углеродную цепочку, включающую двойную связь. Цифрами указывают расположение углеводородных радикалов, начиная с самого маленького в русском алфавите.

При наличии в молекуле нескольких одинаковых радикалов, в названии добавляют уточняющие приставки ди-, три-, тетра.

Только после этого называют саму цепочку из углеродных атомов, добавляя в конце суффикс -ен. Чтобы уточнить расположение в молекуле непредельной (двойной) связи, ее указывают цифрой. Например, 2метилпентен-2.

Гибридизация в алкенах

Чтобы справиться с заданием следующего типа: «Установите молекулярную формулу алкена, гидратацией которого получили вторичный спирт», необходимо выяснить особенности строения представителей этого класса углеводородов. Наличие двойной связи объясняет способность СхНу вступать в реакции присоединения. Угол между двойными связями составляет 120 градусов. По ненасыщенной связи не наблюдается вращения, поэтому для представителей этого класса характерна геометрическая изомерия. В качестве основного реакционного места в молекулах алкенов выступает именно двойная связь.

Физические свойства

Они аналогичны предельным углеводородам. Низшие представители данного класса органических углеводородов являются при нормальных условиях газообразными веществами. Далее наблюдается постепенный переход к жидкостям, а для алкенов, в молекулах которых содержится больше семнадцати атомов углерода, характерно твердое состояние. Все соединения этого класса имеют незначительную растворимость в воде, при этом они отлично растворяются в полярных органических растворителях.

Особенности изомерии

Присутствие в молекулах соединений ряда этилена объясняет многообразие их структурных формул. Помимо изомеризации углеродного скелета, характерной для представителей всех классов органических соединений, у них есть межклассовые изомеры. В их качестве выступают циклопарафины. Например, для пропена межклассовым изомером является циклопропан.

Присутствие в молекулах данного класса двойной связи объясняет возможность геометрической цис- и транс- изомерии. Такие структуры возможны только у симметрических непредельных углеводородов, имеющих в составе двойную связь.

Существование данного варианта изомерии определяется невозможностью свободного вращения углеродных атомов по двойной связи.

Специфика химических свойств

Механизм гидратации алкена имеет определенные особенности. Данная реакция относится к электрофильному присоединению.

Как протекает реакция гидратации алкена? Чтобы ответить на данный вопрос, рассмотрим правило Марковникова. Суть его состоит в том, что гидратация алкенов несимметричного строения осуществляется определенным образом. Атом водорода будет присоединяться к тому углероду, который более гидрогенизирован. Гидроксильная группа присоединяется к углеродному атому, у которого меньше Н. Гидратация алкенов приводит к образованию вторичных одноатомных спиртов.

Для того чтобы реакция протекала в полном объеме, в качестве катализаторов используют минеральные кислоты. Они гарантируют ввод в реакционную смесь необходимого количества катионов водорода.

Гидратацией алкенов нельзя получить первичные одноатомные спирты, поскольку не будет соблюдаться правило Марковникова. Данная особенность используется в органическом синтезе вторичных спиртов. Любая гидратация алкенов осуществляется без использования жестких условий, поэтому процесс нашел свое практическое использование.

Если в качестве исходного представителя класса СпН2п берут этилен, правило Марковникова не работает. Какие спирты нельзя получить гидратацией алкенов? Невозможно получить в результате такого химического процесса первичные спирты из несимметричных алкенов. Как используется гидратация алкенов? Получение спиртов вторичного вида осуществляется именно таким способом. Если в качестве углеводорода выбирается представитель ряда ацетилена (алкины), гидратация приводит к получению кетонов и альдегидов.

По правилу Марковникова осуществляется гидратация алкенов. Реакция имеет механизм электрофильного присоединения, суть которого хорошо изучена.

Приведем несколько конкретных примеров подобных превращений. К чему приводит гидратация алкенов? Примеры, предлагаемые в школьном курсе химии, свидетельствуют о том, что из пропена можно получить при взаимодействии с водой пропанол-2, а из бутена-1 получают бутанол-2.

В промышленных объемах используется гидратация алкенов. Спирты вторичного состава получают именно таким способом.

Галогенирование

Качественной реакцией на двойную связь считается взаимодействие непредельных углеводородов с молекулами галогенов. Мы уже проанализировали, как происходит гидратация алкенов. Механизм галогенирования аналогичен.

Молекулы галогенов имеют ковалентную неполярную химическую связь. При проявлении временных флуктуаций у каждой молекулы возникает электрофильность. В результате вырастает вероятность протекания присоединения, сопровождающегося разрушением двойной связи в молекулах ненасыщенных углеводородов. После завершения процесса продуктом реакции является дигалогенпроизводное алкана. Бромирование считают качественной реакцией на непредельные углеводороды, поскольку происходит постепенное исчезновение бурой окраски галогена.

Гидрогалогенирование

Мы уже рассмотрели, какова формула гидратации алкенов. Аналогичный вариант имеют и реакции взаимодействия с бромоводородом. В данном неорганическом соединении ковалентная полярная химическая связь, поэтому происходит смещение электронной плотности к более электроотрицательному атому брома. Водород приобретает частичный положительный заряд, отдавая галогену электрон, атакует молекулу алкена.

Если непредельный углеводород имеет несимметричное строение, при его взаимодействии с галогеноводородом происходит образование двух продуктов. Так, из пропена при гидрогалогенировании получают 1-бромпроан и 2-бромпропан.

Для предварительной оценки вариантов взаимодействия учитывают электроотрицательность выбираемого заместителя.

Окисление

Двойная связь, присущая молекулам непредельных углеводородов, подвергается воздействию сильных окислителей. Они также имеют электрофильный характер, применяются в химической промышленности. Особый интерес представляет окисление алкенов водным (либо слабощелочным) раствором перманганата калия. Ее называют реакцией гидроксилирования, так как в итоге получают двухатомные спирты.

Например, при окислении молекул этилена водным раствором перманганата калия получают этиндиол-1,2 (этиленгликоль). Это взаимодействие считают качественной реакцией на двойную связь, так как в ходе взаимодействия наблюдается обесцвечивание раствора перманганата калия.

В кислой среде (при жестких условиях) среди продуктов реакции можно отметить альдегид.

При взаимодействии с кислородом воздуха наблюдается окисление соответствующего алкена до углекислого газа, водяного пара. Процесс сопровождается выделением тепловой энергии, поэтому в промышленности его используют для получения тепла.

Наличие двойной связи в молекуле алкена свидетельствует о возможности протекания у данного класса реакций гидрирования. Взаимодействие СпН2п с молекулами водорода происходит при термическом использовании в качестве катализаторов платины, никеля.

Многие представители класса алкенов склонны к озонированию. При невысоких температурах представители данного класса реагируют с озоном. Процесс сопровождается разрывом двойной связи, образованием циклических перекисных соединений, именуемых озонидами. В их молекулах присутствуют связи О-О, поэтому вещества являются взрывоопасными веществами. Озониды не синтезируют в чистом виде, их разлагают, используя процесс гидролиза, затем восстанавливают с помощью цинка. Продуктами такой реакции выступают карбонильные соединения, выделяемые и идентифицируемые исследователями.

Полимеризация

Данная реакция предполагает последовательное объединение нескольких молекул алкена (мономеров) в крупную макромолекулу (полимер). Из исходного этена получают полиэтилен, имеющий промышленное применение. Полимером называют вещество, которое имеет высокую молекулярную массу.

Внутри макромолекулы располагается определенное количество повторяющихся фрагментов, называемых структурными звеньями. Для полимеризации этилена в качестве структурного звена рассматривается группа - СН2—СН2-. Степень полимеризации показывает количество звеньев, повторяющихся в структуре полимера.

Степень полимеризации определяет свойства полимерных соединений. Например, полиэтилен с короткими цепями представляет собой жидкость, имеющую смазочные свойства. Для макромолекулы с длинными цепями свойственно твердое состояние. Гибкость и пластичность материала применяют в изготовлении труб, бутылок, пленок. Полиэтилен, в котором степень полимеризации составляет пять-шесть тысяч, обладает повышенной прочностью, поэтому применяется при производстве прочных нитей, жестких труб, литых изделий.

Среди продуктов, получаемых путем полимеризации алкенов, имеющих практическое значение, выделим поливинилхлорид. Данное соединение получают путем полимеризации винилхлорида. Получаемый продукт имеет ценные эксплуатационные характеристики. Он отличается повышенной стойкостью к воздействию агрессивных химических веществ, негорюч, легко поддается окрашиванию. Что можно изготовить из поливинилхлорида? Портфели, плащи, клеенку, искусственную кожу, кабели, изоляцию электрических проводов.

Тефлон является продуктом полимеризации тетрафторэтилена. Данное органическое инертное соединение устойчиво к резким перепадам температур.

Полистирол представляет собой упругое прозрачное вещество, образуемое путем полимеризации исходного стирола. Он незаменим при изготовлении диэлектриков в радио- и электротехнике. Кроме того, полистирол в большом количестве применяется для производства кислотоупорных труб, игрушек, расчесок, пористых пластмасс.

Особенности получения алкенов

Представители данного класса востребованы в современной химической промышленности, поэтому были разработаны разнообразные способы их промышленного и лабораторного получения. В природе этилен и его гомологи не существуют.

Многие лабораторные варианты получения представителей данного класса углеводородов связаны с реакциями, обратными присоединению, именуемые отщеплением (элиминированием). Например, при дегидрировании парафинов (предельных углеводородов) получают соответствующие алкены.

При взаимодействии галогенпроизводных алканов с металлическим магнием также можно получить соединения с общей формулой СпН2п. Элиминирование осуществляется по правилу Зайцева, обратному правилу Марковникова.

В промышленных объемах непредельные углеводороды ряда этилена получают путем крекинга нефти. В газах крекинга и пиролиза нефти и газа содержится от десяти до двадцати процентов непредельных углеводородов. В смеси продуктов реакции находятся и парафины, и алкены, которые отделяют друг от друга путем фракционной перегонки.

Некоторые области применения

Алкены являются важным классом органических соединений. Возможность их применения объясняется отличной реакционной способностью, простотой получения, приемлемой стоимостью. Среди многочисленных промышленных отраслей, использующих алкены, выделим полимерную промышленность. Огромное количество этилена, пропилена, их производных уходит на изготовление полимерных соединений.

Именно поэтому так актуальны вопросы, касающиеся поиска новых путей производства алкеновых углеводородов.

Поливинилхлорид считается одним из важнейших по применению продуктов, получаемых из алкенов. Для него характерна химическая и термическая устойчивость, незначительная горючесть. Поскольку данное вещество не растворяется в минеральных, но растворимо в органических растворителях, его можно использовать в разных промышленных отраслях.

Его молекулярная масса составляет несколько сотен тысяч. При повышении температуры вещество способно к разложению, сопровождаемому выделением хлороводорода.

Особый интерес представляют его диэлектрические свойства, используемые в современной электротехнике. Среди отраслей промышленности, в которых применяют поливинилхлорид, выделим изготовление искусственной кожи. Получаемый материал по эксплуатационным характеристикам ничуть не уступает натуральному материалу, при этом имеет гораздо меньшую стоимость. Одежда из такого материала становится все более популярной у модельеров, создающих яркие и красочные коллекции молодежной одежды из поливинилхлорида разного цвета.

В больших количествах поливинилхлорид применяют в качестве уплотнителя в холодильниках. Благодаря эластичности, упругости это химическое соединение востребовано при изготовлении пленок и современных натяжных потолков. Моющиеся обои дополнительно покрывают тонкой пленкой ПВХ. Это позволяет добавить им механическую прочность. Такие отделочные материалы станут идеальным вариантом для проведения косметического ремонта в офисных помещениях.

Кроме того, гидратация алкенов приводит к образованию первичных и вторичных одноатомных спиртов, которые являются отличными органическими растворителями.

Содержащие пи-связь - это непредельные углеводороды. Они являются производными алканов, в молекулах которых произошло отщепление двух атомов водорода. Образовавшиеся свободные валентности формируют новый тип связи, которая располагается перпендикулярно плоскости молекулы. Так возникает новая группа соединений - алкены. Физические свойства, получение и применение веществ этого класса в быту и промышленности мы рассмотрим в этой статье.

Гомологический ряд этилена

Общая формула всех соединений, называемых алкенами, отражающая их качественный и количественный состав, - это C n H 2 n . Названия углеводородов по систематической номенклатуре имеют следующий вид: в термине соответствующего алкана изменяется суффикс с -ан на -ен, например: этан - этен, пропан - пропен и т. д. В некоторых источниках можно встретить еще одно название соединений этого класса - олефины. Далее мы изучим процесс образования двойной связи и физические свойства алкенов, а также определим их зависимость от строения молекулы.

Как образуется двойная связь

Электронную природу пи-связи на примере этилена можно представить следующим образом: атомы карбона в его молекуле находятся в форме sp 2 -гибридизации. В этом случае формируется сигма-связь. Еще две гибридные орбитали - по одной от атомов углерода, формируют простые сигма-связи с водородными атомами. Два оставшихся свободных гибридных облака атомов карбона перекрываются над и под плоскостью молекулы - образуется пи-связь. Именно она определяет физические и химические свойства алкенов, речь о которых пойдет далее.

Пространственная изомерия

Соединения, имеющие один и тот же количественный и качественный состав молекул, но различное пространственное строение, называются изомерами. Изомерия встречается в группе веществ, называемых органическими. На характеристику олефинов большое влияние оказывает явление оптической изомерии. Она выражается в том, что гомологи этилена, содержащие у каждого из двух углеродных атомов при двойной связи различные радикалы или заместители, могут встречаться в форме двух оптических изомеров. Они отличаются друг от друга положением заместителей в пространстве относительно плоскости двойной связи. Физические свойства алкенов в этом случае также будут разными. Например, это касается температур кипения и плавления веществ. Так, олефины неразветвленного строения углеродного скелета имеют более высокие температуры кипения, чем соединения-изомеры. Также температуры кипения цис-изомеров алкенов выше, чем транс-изомеров. В отношении температур плавления картина противоположная.

Сравнительная характеристика физических свойств этилена и его гомологов

Первые три представителя олефинов являются газообразными соединениями, затем, начиная с пентена C 5 H 10 и до алкена с формулой C 17 H 34 , - жидкости, а далее идут твердые вещества. У гомологов этена прослеживается следующая тенденция: температуры кипения соединений снижаются. Например, у этилена этот показатель равен -169,1°C, а у пропилена -187,6°C. Зато температуры кипения с увеличением молекулярной массы повышаются. Так, у этилена она равна -103,7°C, а у пропена -47,7°C. Подводя итог сказанному, можно сделать вывод, звучащий кратко: физические свойства алкенов зависят от их молекулярной массы. С ее увеличением изменяется агрегатное состояние соединений в направлении: газ - жидкость - твердое вещество, а также снижается температура плавления, а температуры кипения возрастают.

Характеристика этена

Первый представитель гомологического ряда алкенов - это этилен. Он является газом, малорастворимым в воде, но хорошо растворяющимся в органических растворителях, не имеющим цвета. Молекулярная масса - 28, этен немного легче воздуха, имеет едва уловимый сладковатый запах. Он легко вступает в реакции с галогенами, водородом и галогеноводородами. Физические свойства алкенов и парафинов тем не менее достаточно близки. Например, агрегатное состояние, способность метана и этилена к жесткому окислению и т. д. Как же можно различить алкены? Как выявить непредельный характер олефина? Для этого существуют качественные реакции, на которых мы и остановимся подробнее. Напомним, какую особенность в строении молекулы имеют алкены. Физические и химические свойства этих веществ определяются наличием в их составе двойной связи. Чтобы доказать ее присутствие, пропускают газообразный углеводород через фиолетовый раствор перманганата калия или бромную воду. Если они обесцветились, значит, соединение содержит в составе молекул пи-связи. Этилен вступает в реакцию окисления и обесцвечивает растворы KMnO 4 и Br 2 .

Механизм реакций присоединения

Разрыв двойной связи заканчивается присоединением к свободным валентностям карбона атомов других химических элементов. Например, при взаимодействии этилена с водородом, называемом гидрогенизацией, получается этан. Необходим катализатор, например порошковидный никель, палладий или платина. Реакция с HCl заканчивается образованием хлорэтана. Алкены, содержащие более двух атомов углерода в составе своих молекул, проходят реакцию присоединения галогеноводородов с учетом правила В. Марковникова.

Как гомологи этена взаимодействуют с галогеноводородами

Если перед нами стоит задание "Охарактеризуйте физические свойства алкенов и их получение", нам нужно рассмотреть правило В. Марковникова более подробно. Практическим путем установлено, что гомологи этилена реагируют с хлороводородом и другими соединениями по месту разрыва двойной связи, подчиняясь некоторой закономерности. Она заключается в том, что атом водорода присоединяется к наиболее гидрогенизированному углеродному атому, а ион хлора, брома или йода - к карбоновому атому, содержащему наименьшее количество атомов водорода. Эта особенность протекания реакций присоединения получила название правила В. Марковникова.

Гидратация и полимеризация

Продолжим далее рассматривать физические свойства и применение алкенов на примере первого представителя гомологического ряда - этена. Его реакция взаимодействия с водой используется в промышленности органического синтеза и имеет важное практическое значение. Впервые процесс был проведен еще в XIX веке А.М. Бутлеровым. Реакция требует выполнения ряда условий. Это, прежде всего, использование концентрированной серной кислоты или олеума в качестве катализатора и растворителя этена, давление порядка 10 атм и температура в пределах 70°. Процесс гидратации происходит в две фазы. Вначале по месту разрыва пи-связи к этену присоединяются молекулы сульфатной кислоты, при этом образуется этилсерная кислота. Затем полученное вещество реагирует с водой, получается этиловый спирт. Этанол - важный продукт, применяемый в пищевой промышленности для получения пластмасс, синтетических каучуков, лаков и других продуктов органической химии.

Полимеры на основе олефинов

Продолжая изучать вопрос применения веществ, относящихся к классу алкенов, изучим процесс их полимеризации, в котором могут участвовать соединения, содержащие непредельные химические связи в составе своих молекул. Известно несколько типов реакции полимеризации, по которым происходит образование высокомолекулярных продуктов - полимеров, например таких как полиэтилен, полипропилен, полистирол и т. д. Свободнорадикальный механизм приводит к получению полиэтилена высокого давления. Это одно из наиболее широко применяемых соединений в промышленности. Катионно-ионный тип обеспечивает получение полимера стереорегулярного строения, например полистирола. Он считается одним из наиболее безопасных и удобных в использовании полимеров. Изделия из полистирола устойчивы к агрессивным веществам: кислотам и щелочам, негорючие, легко окрашиваются. Еще один вид механизма полимеризации - димеризация, он приводит к получению изобутена, применяемого в качестве антидетонационной добавки к бензину.

Способы получения

Алкены, физические свойства которых мы изучаем, получают в лабораторных условиях и промышленности различными методами. В опытах в школьном курсе органической химии используют процесс дегидратации этилового спирта с помощью водоотнимающих средств, например таких, как пятиокись фосфора или сульфатная кислота. Реакция проводится при нагревании и является обратной процессу получения этанола. Еще один распространенный способ получения алкенов нашел свое применение в промышленности, а именно: нагревание галогенопроизводных предельных углеводородов, например хлорпропана с концентрированными спиртовыми растворами щелочей - гидроксида натрия или калия. В реакции происходит отщепление молекулы хлороводорода, по месту появления свободных валентностей атомов карбона образуется двойная связь. Конечным продуктом химического процесса будет олефин - пропен. Продолжая рассматривать физические свойства алкенов, остановимся на главном процессе получения олефинов - пиролизе.

Промышленное производство непредельных углеводородов ряда этилена

Дешевое сырье - газы, образующиеся в процессе крекинга нефти, служат источником получения олефинов в химической промышленности. Для этого применяют технологическую схему пиролиза - расщепление газовой смеси, идущее с разрывом углеродных связей и образованием этилена, пропена и других алкенов. Пиролиз проводят в специальных печах, состоящих из отдельных пирозмеевиков. В них создается температура порядка 750-1150°C и присутствует водяной пар в качестве разбавителя. Реакции происходят по цепному механизму, идущему с образованием промежуточных радикалов. Конечный продукт - это этилен или пропен, их получают в больших объемах.

Мы подробно изучили физические свойства, а также применение и способы получения алкенов.

Алкены - класс органических соединений, имеющий двойную связь между атомами углерода, структурная формула - C n H 2n . Двойная связь в молекулах олефинов - это одна σ- и одна π-связь. Таким образом, если мы представим два атома углерода и разместим их на плоскости, σ-связь будет расположена на плоскости, а π-связь будет распологаться выше и ниже плоскости (если Вы плохо представляете себе, о чём идёт речь, обратитесь к разделу химические связи).

Гибридизация

В алкенах имеет место sp 2 -гибридизация, для которой угол H-C-H составляет 120 градусов, а длина связи C=C равна 0,134 нм.

Строение

Из наличия π-связи следует, и подтверждается экспериментально, что:

По своему строению, двойная связь в молекулах алкенов более восприимчива к внешнему воздействию, нежели обычная σ-связь
Двойная связь делает невозможным вращение вокруг σ-связи, откуда следует наличие изомеров, данные изомеры называются цис- и транс-
π-связь менее прочна, чем σ-связь, поскольку электроны находятся дальше от центров атомов

Физические свойства

Физические свойства алкенов схожи с физическими свойствами алканов. Алкены, имеющие до пяти атомов углерода, находятся в газообразном состоянии при нормальных условиях. Молекулы с содержанием от шести до 16 атомов углерода находятся в жидком состоянии и от 17 атомов углерода - алкены находятся в твёрдом состоянии при нормальных условиях.

Температура кипения алкенов в среднем увеличивается на 30 градусов на каждую CH 2 -группу, как и у алканов, ответвления снижают температуру кипения вещества.

Наличие π-связи делает олефины слаборастворимыми в воде, что обуславливает их небольшую полярность. Алкены - неполярные вещества и растворяются в неполярных растворителях и слабо полярных растворителях.

Плотность алкенов выше, чем у алканов, но ниже чем у воды

Изомерия

Изомерия углеродного скелета: 1-бутен и 2-метилпропен
Изомерия положения двойной связи: 1-бутен и 2-бутен
Межклассовая изомерия: 1-бутен и циклобутан

Реакции

Характерные реакции алкенов - реакции присоединения, π-связь разрывается и образовавшиеся электроны охотно принимают новый элемент. Наличие π-связи означает большее количество энергии, поэтому, как правило, реакции присоединения носят экзотермический характер, т.е. протекают с выделением тепла.

Реакции присоединения

Присоединение галогенводородов

Галогенводороды легко присоединяются к двойной связи алкенов, формируя галогеналкил ы. Галогенводороды смешивают с уксусной кислотой, либо напрямую, в газообразном состоянии, смешивают с алкеном. Для рассмотрения механизма реакции, необходимо знать правило Марковникова.

Правило Марковникова

При взаимодествии гомологов этилена с кислотами, водород присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода.
Исключение из правила, гидроборирование алкинов , будет рассмотрено в статье об алкинах.

Механизм реакции присоединения галогенводородов к алкенам следующий: происходит гомолитический разрыв связи в молекуле галогенводорода, образовывается протон и анион галогена. Протон присоединяется к алкену образуя карбкатион, такая реакция является эндотермической и имеет высокий уровень энергии активации, поэтому реакция происходит медленно. Образованный карбкатион очень реактивен, поэтому легко связывается с галогеном, энергия активации низкая, поэтому этот этап не тормозит реакцию.

При комнатной температуре алкены реагируют с хлором и бромом в присутствии тетрахлорметана. Механизм реакции присоединения галогенов выглядит следующим образом: электроны с π-связи воздействуют на молекулу галогена X 2 . По мере приближения галогена к олефину, электроны в молекуле галогена смещаются к более отдалённому атому, таким образом молекула галогена поляризуется, ближайший атом имеет положительный заряд, более удалённый - отрицательный. Происходит гетеролитический разрыв связи в молекуле галогена, образуется катион и анион. Катион галогена присоединяется к двум атомам углерода посредством электронной пары π-связи и свободной электронной пары катиона. Оставшийся анион галогена воздействует на один из атомов углерода в молекуле галогеналкена разрывая цикл C-C-X и образовывая дигалогеналкен.

Реакции присоединения алкенов находят два основных применения, первое - количественный анализ, определение количества двойных связей количеством поглощенных молекул X 2 . Второе - в промышленности. Производство пластика основано на винилхлориде. Трихлорэтилен и тетрахлорэтилен - отличные растворители ацетиленовых жиров и резин.

Гидрирование

Присоединение газообразного водорода к алкену происходит с катализаторами Pt, Pd или Ni. В результате реакции образуются алканы. Основное применение реакции каталитического присоединения водорода - это, во-первых, количественный анализ. По остатку молекул H 2 можно определить количество двойных связей в веществе. Во-вторых, растительные жиры и жиры рыб являются непредельными углеродами и такое гидрирование приводит к увеличению температуры плавления, преобразуя в твёрдые жиры. На данном процессе основано производство маргарина.

Гидратация

При смешивании алкенов с серной кислотой образуются алкил-гидросульфаты. При разбавлении алкил-гидросульфатов водой и сопутствующем нагревании, образуется спирт. Пример реакции - смешивание этена (этилен) с серной кислотой, последующее смешивание с водой и нагревание, результат - этанол.

Окисление

Алкены легко окисляются различными веществами, такими как, например, KMnO 4 , O 3 , OsO 4 и т.д. Существует два вида окисления алкенов: разрыв π-связи без разрыва σ-связи и разрыв σ- и π-связи. Окисление без разрыва сигма-связи называется мягким окислением, с разрывом сигма-связи - жёстким окислением.

Окисление этена без разрыва σ-связи образует эпоксиды (эпоксиды - это циклические соединения C-C-O) или двухатомные спирты. Окисление с разрывом σ-связи образует ацетоны, альдегиды и карбоновые кислоты.

Окисление перманганатом калия

Реакции окисления алкенов под воздействием перманганата калия называются были открыты Егором Вагнером и носит его имя. В реакции Вагнера, окисление происходит в органическом растворителе (ацетон или этанол) при температуре 0-10°C, в слабом растворе перманганата калия. В результате реакции образуются двуатомные спирты и обесцвечивается перманганат калия.

Полимеризация

Большинство простых алкенов могут испытывать реакции самоприсоединения, формируя таким образом большие молекулы из структурных единиц. Такие большие молекулы называются полимерами, реакция, которая позволяет получить полимер называется полимеризацией. Простые структурные единицы, образующие полимеры, называются мономерами. Полимер обозначается заключением повторяющейся группы в скобках с указанием индекса "n", что означает большое количество повторений, например: "-(CH 2 -CH 2) n -" - полиэтилен. Процессы полимеризации - основа производства пластика и волокон.

Радикальная полимеризация

Радикальная полимеризация инициируется при помощи катализатора - кислорода или пероксида. Реакция состоит из трёх этапов:

Инициация
ROOR → 2RO .
CH 2 = CH-C 6 H 5 → RO- CH 2 C . H-C 6 H 5

Рост цепи
RO- CH 2 C . H-C 6 H 5 + CH 2 =CH-C 6 H 5 → RO-CH 2 -CH(C 6 H 5)-CH 2 -C . -C 5 H 6

Обрыв цепи рекомбинацией
CH 2 -C . H-C 6 H 5 + CH 2 -C . H-C 6 H 5 → CH 2 -CH-C 6 H 5 -CH 2 -CH-C 6 H 5
Обрыв цепи диспропорционированием
CH 2 -C . H-C 6 H 5 + CH 2 -C . H-C 6 H 5 → CH=CH-C 6 H 5 + CH 2 -CH 2 -C 6 H 5

Ионная полимеризация

Другой способ полимеризации алкенов - это ионная полимеризация. Реакция протекает с образованием промежуточных продуктов - карбкатионов и карбанионов. Образование первого карбкатиона, как правило, осуществляется при помощи кислоты Льюиса, образование карбаниона происходит, соответственно, при реакции с основанием Льюиса.

A + CH 2 =CH-X → A-CH 2 -C + H-X → ... → A-CH 2 -CHX-CH 2 -CHX-CH 2 C + HX ...

B + CH 2 =CH-X → B-CH 2 -C - H-X → ... → B-CH 2 -CHX-CH 2 -CHX-CH 2 C - HX ...

Распространённые полимеры

Наиболее распространёнными полимерами являются:

Номенклатура

Название алкенов, аналогично алканам, состоит из первой части - префикса, обозначающего количество атомов углерода в главной цепи, и суффикса -ен. Алкен - соединение с двойной связью, поэтому молекулы алкена начинаются с двух атомов углерода. Первый в списке - этен, эт- - два атома углерода, -ен - наличие двойной связи.

Если в молекуле более трёх атомов углерода, то необходимо указывать позицию двойной связи, например, бутен может быть двух видов:

CH 2 =CH—CH 2 —CH 3
CH 3 —CH=CH—CH 3

Для обозначения позиции двойной связи, необходимо добавить цифру, для примера выше это будут 1-бутен и 2-бутен соответственно (также применяются названия 1-бутен и 2-бутен, но они не являются систематическими).

Наличие двойной связи влечёт за собой изомерию, когда молекулы могут находится по разные стороны от двойной связи, например:

Данная изомерия именуется цис- (Z-zusammen, с немецкого вместе) и транс- (E-entgegen, с немецкого напротив), в первом случае цис-1,2-дихлорэтен (или (Z)-1,2-дихлорэтен), во втором - транс-1,2-дихлорэтен (или (E)-1,2-дихлорэтен).