Алкены — общая характеристика, химические и физические свойства

В области органической химии алкены, также известные как олефины, представляют собой ненасыщенный углеводород. Они состоят из двух атомов углерода и водорода и имеют одну или несколько двойных связей в своей химической структуре, то есть являются непредельными. Гомологический ряд представлен формулой CnH2n. Примеры: С2Н4 — этилен, С3Н6 — пропилен.

Алкены — общая характеристика, химические и физические свойства

Структура и свойства

Структурную (пространственную) изомерию имеют представители с четырьмя и более углеродными атомами. Это означает, что для каждой молекулярной формулы можно создать два и более изомера. Наглядно строение можно увидеть на примере бутена — С4Н8 (СН2 = СН-СН2-СН3):

  • СН3-СН = СН-СН3 — бутен-2;
  • (С Н3)2С = СН2 — 2-метилпропен.
  • Однако существует другой вид изомерии — геометрическая. Поскольку углеродная связь не позволяет вращаться вокруг неё, группы СН3 блокируются на одной стороне молекулы или напротив друг друга.

    Соединения содержат двойную карбоновую связь. Именно она определяет и меняет физические свойства алкенов:

    Алкены — общая характеристика, химические и физические свойства

  • Физическое состояние. Этилен, пропилен и бутен существуют в виде бесцветных газов. Элементы из пяти и более атомов углерода (гентен, гексен и гептен) являются жидкими. Представители, которые вмещают в себя пятнадцать и более углеродных атомов, — твёрдые вещества.
  • Плотность. Алкены неполярные и менее плотные, чем вода, поэтому практически нерастворимы в ней.
  • Растворимость. Хорошо растворяются в органических растворителях.
  • Точки кипения. Температура кипения зависит от молекулярной массы соединения (длины цепи). Чем больше добавлено межмолекулярной массы, тем выше t кипения.
  • Точки плавления. Это свойство зависит от упаковки молекулы. Однако цис-изомеры, которые упакованы в форме U-изгиба, будут иметь более низкие точки плавления, чем транс-изомеры. Пример в таблице:

    Соединения Точка плавления, ° С Точка кипения, ° С
    Этилен — 169 — 104
    Пропен — 185 — 47
    1-пентен — 165 30
    1-гептен — 119 115
  • Полярность. Алкены неполярны. Химическая структура и функциональные группы могут влиять на полярность алкеновых соединений. Углерод sp2 (орбитальные гибридизации) — более электроноаккумулирующий, чем гибридизирующие орбитали sp3, поэтому создаёт слабый диполь вдоль углеродной связи заместителя.
  • Почти все представители семейства не проводят электричество. Некоторые соединения имеют запах. Например, этилен — сладковатый. А этан совсем не пахнет.

    Реакционная способность

    Алкеновые соединения относительно стабильные. Однако они более реакционноспособны, чем алканы. Это связано, вероятно, с особенностями связи углерод-углерод. Основные химические свойства алкенов — участие в реакциях.

    Первая — реакция добавления. Она происходит путём раскрытия двойной связи. Основной механизм — электрофильное присоединение. Например, гидрогалогенирование, галогенирование, образование галогидрина, оксимеркурация, гидроборирование, добавление дихлоркарбена, реакция Симмонса-Смита, каталитическое гидрирование, эпоксидирование, радикальная полимеризация и гидроксилирование. Более подробно о самых распространённых:

    Алкены — общая характеристика, химические и физические свойства

    Алкены — общая характеристика, химические и физические свойства

  • Гидрирование. Даёт соответствующий алкан. Реакцию проводят под давлением при температуре 200 ° C в присутствии металлического катализатора. В промышленности используют катализаторы, основанные на палладии, никеле или платине. В лабораторном синтезе часто применяют никель Ренея (сплав с алюминием). Пример каталитического гидрирования этилена с получением этана: СН2 = СН2 + Н2 → СН3 — СН3.
  • Гидратация. Добавление воды через двойную связь алкенов. Приводит к спиртам. В качестве катализатора реакции выступают сильные кислоты, например, серная. В промышленности проводят для получения этанола: СН2 = СН2 + Н2О → СН3 — СН2ОН.
  • Галогенирование. Добавление элементарного брома или хлора к алкенам даёт вицинальные дибром- и дихлоралканы (1, 2-дигалогениды или этилендигалогениды) соответственно. Кстати, аналитическим тестом на наличие алкеновых соединений в воде является добавление в неё раствора брома. Если он обесцветился, алкены есть.
  • Гидрогалогенация. Представляет собой добавление таких галогеноводородов, как HCI и/или HI, к алкенам с получением соответствующих галогеналканов. Когда два атома углерода в двойной связи связаны с различным числом атомов водорода, то галоген будет находиться преимущественно в углеродном атоме с меньшим количеством водородных заместителей. Эта модель более известна как правило Марковникова. Использование радикальных инициаторов, а также других соединений может привести к противоположному результату. Бромистоводородная кислота, в частности, склонна к образованию радикалов в присутствии различных примесей или даже атмосферного кислорода.
  • Образование галогидрина. Происходит в результате реакции присоединения, когда алкены реагируют с водой и галогенами.
  • Окисление. Алкены реагируют с больши́м количеством окислителей. Присутствие кислорода вызывает горение алкенов с образованием углекислого газа и воды. Эпоксиды получаются в результате каталитического окисления алкеновых соединений с перкарбоновыми кислотами. Озонолиз приводит к разрыву двойной связи. В результате получаются два альдегида или кетоны.
  • Фотооксигенация. В присутствии подходящего фотосенсибилизатора, таких как метиленовый синий и свет, алкены вступают в реакцию с активными формами кислорода, генерируемыми, например, гидроксильными радикалами или синглетным кислородом.
  • Вторая распространённая химическая реакция — полимеризация. Она даёт полимеры высокой промышленной ценности при большой экономичности процесса. Получаются, например, различные пластмассы, полиэтилен и полипропилен. Полимеры из алкеновых мономеров принято называть полиолефинами или в редких случаях полиалкенами.

    Помимо перечисленных, алкены могут участвовать в других реакциях, например, в алкилировании, поэтому часто служат сырьём для нефтехимической промышленности.

    Получение алкенов

    Алкены — общая характеристика, химические и физические свойства

    В промцелях алкены получают путём крекинга (сложные молекулы разбиваются на более простые) углеводородов. Основным сырьём являются компоненты природного газового конденсата — этан и пропан. Алканы распадаются при высоких температурах в присутствии цеолитного катализатора. Смесь затем разделяется путём фракционной перегонки. Такой метод используется в основном для получения небольших алкенов, содержащих до шести атомов углерода.

    Одним из основных способов синтеза алкенов в лабораторных условиях является удаление в помещении алкилгалогенидов, спиртов и подобных соединений. Самой распространённой считается бета-элиминация по механизму Е2 или Е1. Ещё один метод получения алкеновых соединений включает построение новой углерод-углеродной связи путём сочетания карбонильного соединения (альдегид или кетон) с карбанионным эквивалентом. Такие реакции иногда называют олифенациями. Наиболее известным из этих методов является реакция Виттига.

    Алкены могут быть получены путём обмена с другими алкеновыми соединениями в реакции, известной как метатезис олефина. Катализируемое переходным металлом гидровинилирование является ещё одним важным процессом синтеза. Как правило, это включает добавление водорода и винильной группы (или алкенильной) через двойную связь. В настоящее время такую реакцию проводят с помощью таких катализаторов, как железо, кобальт и палладий.

    Монозамещённые алкены получают путём карбометаллирования алкинов, что приводит к разнообразию получаемых соединений. Помимо метасинтеза олефинов, используют большое количество перициклических реакций, например, перегруппировку Куопа.

    Образование названий

    Молекулярная формула углеводорода показывает информацию о возможных типах структур, которые он может представлять. Соединения могут иметь тройную связь, две двойные, одно или два кольца. Поэтому, как и в случае алканов, было необходимо принять последовательную систему номенклатуры, которая могла бы разделять природу этих ненасыщенных химических веществ.

    Самыми простыми являются алкены, представляющие собой углеводороды, которые имеют функциональные группы углерод-углеродная двойная связь с формулой CnH2n. Общие правила Международного союза теоретической и прикладной химии (англ. аббр. ИЮПАК) по номенклатуре для класса алкенов гласят:

    Алкены — общая характеристика, химические и физические свойства

    • На группу указывает суффикс (окончание) -ен.
    • Самая длинная цепь, выбранная для имени корня, должна включать оба атома углерода двойной цепи.
    • Корневая цепочка должна быть пронумерована от конца ближайшего к атому углерода двойной связи. Если связь находится в центре цепи, для определения конца, где начинается нумерация, используется правило ближайшего заместителя.
    • Меньшее из двух чисел, обозначающих атомы углеродной связи, используется в качестве её локатора.
    • Соединения называются диеновыми, триеновыми. Добавляется другой эквивалентный префикс, указывающих на количество связей, с присвоением номера локатора.
    • Заместителями являются: винильная — Н2С = СН и аллильная группы — Н2С = СН-СН2.

    Системные имена алкенов по первому правилу МСТПХ можно представить в виде таблицы. Она содержит первые двадцать представителей с прямой цепью.

    Название Формула Название Формула
    Этилен С2Н4 Ундецен С11Н22
    Пропен С3Н6 Додецен С12Н24
    Бутен С4Н8 Тридецен С13Н26
    Пентен С5Н10 Тетрадецен С14Н28
    Гексен С6Н12 Пентадецен С15Н30
    Гептен С7Н14 Гексадецен С16Н32
    Октен С8Н16 Гептадецен С17Н34
    Нонен С9Н18 Октадецен С18Н36
    Децен С10Н20 Нонадецен С19Н38

    Согласно второму правилу, если алкен содержит только одну двойную карбоновую связь, и она является концевой, то никаких чисел перед именем не ставят. Например:

    • бутан С4Н10 (СН3СН2СН2СН3);
    • бутен С4Н8 (СН2 = СНСН2СН3).

    В ином случае атомы углерода должны быть пронумерованы таким образом, чтобы дать первому из двух двойных минимально возможное число. При этом оно должно предшествовать суффиксу -ен с тире, например:

    • пент-2-ен (СН3СН = СНСН2СН3) — правильно, но допускается написание 2-пентен;
    • пент-3-ен (СН3СН2СН = СНСН3) — неверно, поскольку переворот формулы приводит к меньшему числу.

    Алкены — общая характеристика, химические и физические свойства

    Часто вызывает затруднения шестое правило. Нужно помнить, что общее название этенила — винил, а 2-пропенила — аллил. Формулы заместителей следующие:

    • винильный Н2С = СН-;
    • аллильный Н2С = СН-СН2 -.

    Понять и закрепить правило помогут уравнения. Необходимо взять молекулярную формулу алкена и назвать его, согласно правилам МСТПХ и, наоборот, по имени соединения написать формулу.

    Способы применения

    Алкены — общая характеристика, химические и физические свойства

    В природе алкеновые соединения чаще всего являются частью других веществ. Терпены — основные компоненты эфирных масел. Например, альфа-пинен входит в состав скипидарного масла, а 1-ментен даёт характерный аромат мяте. Конъюгированными полиенами являются, например, витамин А и бета-каротин. В этом контексте интересно отметить, что процесс зрения основан на индуцированной светом цис-транс-изомеризации, связанного с белком ретинола.

    Натуральный каучук — полиен, полученный из молочного сока каучукового дерева. Формально этот ненасыщенный углеводород получают путём полимеризации изопрена. Этен — самый простой алкен, также встречается в природе. Как растительный гормон он влияет на созревание плодов. Фрукты, например, киви, которым предстоит долгое путешествие и длительное хранение, собирают рано и держат при низких температурах и высоких СО2 концентрациях. Впоследствии их созревание начинается с обработки плодов газообразным этиленом.

    Благодаря качественным характеристикам применение алкенов в промышленной среде довольно разнообразно. Они используются для исходных материалов при синтезе спиртов, пластмасс, лаков, моющих средств и топлива:

  • Этен. Применяется в качестве органического сырья в химической промышленности. Его получают из природного газа и сырой нефти путём крекинга. Из него производят такие продукты, как полиэтилен, винилхлорид, стирол.
  • Пропен. Используется в основном для производства различных продуктов окисления, таких как бутанол, акриловая кислота, акролеин и прочих.
  • Бутадиен. Из него готовят различные синтетические каучуки и другие ударопрочные полимеры.
  • К слову, алкены используют для производства ядовитого газа иприта, который является боевым оружием. В быту алкеновые соединения в чистом виде не применяются.

    Беликова Ирина

    Учитель физики, информатики и вычислительной техники. Победитель конкурса лучших учителей Российской Федерации в рамках Приоритетного Национального Проекта "Образование".

    Оцените автора
    Добавить комментарий

    Вставить формулу как
    Блок
    Строка
    Дополнительные настройки
    Цвет формулы
    Цвет текста
    #333333
    Используйте LaTeX для набора формулы
    Предпросмотр
    \({}\)
    Формула не набрана
    Вставить
    Adblock
    detector