Гомологический ряд алкенов

Непредельные (ненасыщенные) углеводородные органические соединения отличает от предельных наличие в молекулах кратных химических связей между атомами углерода. Ациклические ненасыщенные углеводороды образуют гомологические ряды, в числе которых алкены – гомологи этена (этилена), характеризуются  простым строением молекулы. Они обладают комплексом свойств, что выражается в определенном наборе характерных химических процессов.

Строение алкенов

Общая формула гомологического ряда углеводородов, относящихся к алкенам, имеет вид . В углеродной цепочке молекулы помимо одинарных связей, присутствует одна двойная. Данная особенность служит отличительным признаком, позволяющим определить, какие вещества следует называть алкенами, и причиной того, что молекула алкена содержит на два водородных атома меньше, чем соответствующий алкан.

Электронная конфигурация

В основном состоянии электронные оболочки атома углерода имеют конфигурацию , а в возбужденном – , так как возможен переход одного 2s-электрона на свободный подуровень 2p. В этом случае все четыре электрона внешнего уровня становятся валентными.

Для алкенов характерна гибридизации типа sp2. Три гибридные орбитали, оси которых лежат в одной плоскости разделяются углами 120°, поскольку отрицательно заряженные электроны испытывают взаимное электростатическое отталкивание. Этой плоскости перпендикулярна негибридная p-орбиталь.

Двойная связь

Во взаимодействии двух sp2-гибридизованных атомов углерода принимают участие гибридные и негибридные орбитали:

  • По одной гибридной орбитали каждого атома, перекрываясь по линии оси, образуют σ-связь. Остальные гибридные орбитали вступают в σ-связь с атомами водорода.
  • Негибридные орбитали путем бокового перекрывания образуют π-связь. Она располагается перпендикулярно плоскости гибридных орбиталей, вне оси, по которой расположены центры атомов и поэтому слабее σ-связи и легче поддается разрыву.

Строение этена – первого члена в гомологическом ряду алкенов – отражается структурной формулой , следующий за ним пропен имеет строение и т. д. Двойной чертой в структурных формулах обозначается кратная связь, образованная совместно σ- и π-связями: . Остальные углеродные звенья в молекулах алкенов характеризуются sp3-гибридизацией и образуют простые одинарные связи .

Изомерия и номенклатура углеводородов ряда алкенов

Все алкены, кроме самого простого в ряду – этилена, – обладают свойством изомерии, то есть при одинаковом атомном составе их молекулы могут быть построены по-разному, что обусловливает различие в свойствах. У алкенов существует несколько видов изомерии, так как наличие двойной связи позволяет реализовать значительное количество вариантов строения. Так, уже у бутена насчитывается шесть изомеров. Число изомерных форм возрастает по мере увеличения количества углеродных атомов в цепи.

Структурная изомерия

Алкенам свойственны следующие разновидности изомерии:

  • Изомерия углеродного скелета связана с ветвлением молекулы и начинается с бутена:

  • Изомерия положения кратной (двойной) связи в молекуле также появляется у бутена:

  • Межклассовая изомерия у алкенов возникает с предельными циклическими углеводородами – циклоалканами. Она начинается с пропена, который изомерен циклопропану:

Бутен имеет следующие циклические изомеры:

Далее по гомологическому ряду наблюдается увеличение структурного разнообразия молекул и рост количества изомеров.

Пространственная изомерия

Для алкенов наличие π-связи приводит к невозможности вращения без разрыва двойной связи. В случаях, когда соединенные через нее атомы углерода присоединяют разные заместители, возникают геометрические изомеры, различающиеся порядком заместителей по отношению к π-связи.

В цис-изомерах (от лат. cis «по эту сторону») аналогичные радикалы размещены по одну сторону от плоскости связей σ – π, в транс-изомерах (от лат. trans «через») – по разные стороны:

Номенклатура алкенов

Согласно правилам, наименования оканчиваются суффиксом «-ен» и, начиная с четвертого члена ряда, основываются на греческих числительных и показывают, сколько атомов углерода насчитывается в цепи. Некоторые алкены имеют тривиальные наименования, которые представлены в таблице гомологического ряда алкенов:

Наименования составляются по следующим правилам:

  1. Найти в молекуле самую протяженную цепь, включающую связь σ – π;
  2. Нумерацию вести с ближайшего к двойной связи конца;
  3. Указать место двойной связи после наименования;
  4. Положение радикалов указывается в начале названия по порядку нумерации атомов углерода аналогично номенклатуре алканов.

Примеры:

Если связь C=C  в середине молекулы, нумерацию ведут с ближайшего к радикалам конца:

Физические свойства алкенов

Температуры плавления и кипения углеводородов ряда алкенов возрастают соответственно удлинению молекулы и росту молекулярной массы.

Агрегатные состояния алкенов в стандартных условиях:

Алкены не образуют водных растворов из-за низкой полярности ковалентных связей, но хорошо растворяются в органических неполярных растворителях.

Химические свойства алкенов

Электронное и пространственное строение молекул алкенов определяет их способность к химическим взаимодействиям. Непрочная π-связь, обладающая меньшей энергией, разрывается легче, чем σ-связь, и более доступна для атаки реагента, поэтому алкены проявляют высокую химическую активность.

Реакции присоединения

Данные процессы локализуются на двойной связи. Разрушение π-связи сопровождается возникновением двух σ-связей, через которые осуществляется присоединение.

Гидрирование

Водород захватывается алкенами в присутствии никелевого либо иного металлического катализатора (платина, палладий). Продуктом гидрирования является алкан:

Гидратация

В присутствии сильных неорганических кислот (серной, фосфорной) алкены присоединяют воду. В реакции образуются спирты:

Гидратация протекает по правилу Марковникова, то есть гидроксид-ион присоединяется к менее гидрированному углеродному атому, а катион – к более гидрированному. Поэтому алкены, кроме этилена, гидратируются с образованием вторичных спиртов.

Галогенирование

Реагируя с бромной водой, с растворами хлора или брома в тетрахлорметане, алкен присоединяет оба атома галогена с превращением в дигалогеналкан:

Реакция с участием бромной воды благодаря ее обесцвечиванию используется как качественная на присутствие двойной связи.

Гидрогалогенирование

Присоединение галогенводородов приводит к образованию галогеналканов:

Полимеризация

Алкены способны при разрыве π-связей соединять отдельные молекулы – мономеры посредством σ-связей с образованием высокомолекулярного соединения – полимера:

Повторяющийся фрагмент полимера называется элементарным звеном, а коэффициент n – степенью полимеризации.

Окисление алкенов

Характер протекания реакций окисления зависит от условий. Углеродная цепь сохраняется либо разрушается по двойной связи.

Каталитическое окисление

Присутствие солей металлов или серебра оказывает различное действие на ход реакции окисления:

Мягкое окисление

Процесс, называемый также реакцией Вагнера, протекает в водном растворе перманганата калия . π-связь рвется, и к атомам углерода присоединяются гидроксил-ионы. Продуктом является двухатомный спирт:

Жесткое окисление

При нагревании с кислотным раствором молекула алкана разрывается по двойной связи:

По продуктам жесткого окисления можно судить о расположении двойной связи алкена.

Полное окисление (горение)

Алкены сгорают в кислороде до углекислого газа и воды с выделением энергии, подобно другим углеводородам:

В общем виде горение алкенов выражается уравнением

Изомеризация

При условии высокой температуры и катализа алкены переходят в другую изомерную форму. Результатом реакции становится

Радикальное замещение

За исключением этена, все алкены при нагревании способны замещать водород на галоген аналогично алканам:

Получение алкенов

Нахождение алкенов в природе – редкое явление, поскольку эти соединения химически активны. Распространение имеет низший алкен – этилен, который синтезируется в плодах растений и представляет собой гормон роста. Трикозен   вырабатывается организмом некоторых насекомых в качестве феромона в изомерной форме цис-трикозена-9 (также имеет наименование мускалур).

Алкены получают искусственно из алканов и их производных, используя в качестве сырья нефть и природный газ.

Дегидрирование алканов

В присутствии катализатора нагревание этана, пропана или бутана приводит к отщеплению водорода от углеродных атомов и образованию двойной связи:

Крекинг алканов

Крекингом называют разложение длинной молекулы алкана на низкомолекулярные углеводороды каталитическим или термическим путем:

Крекинг и дегидрирование – главные способы производства алкенов в промышленности.

Дегидратация спиртов

Нагревание в присутствии неорганических сильных кислот вызывает отщепление воды от молекулы спирта:

Дегалогенирование и дегидрогалогенирование галогеналканов

В спиртовом растворе щелочи от галогенпроизводного алкана отщепляются водород и галоген, и на месте простых связей появляется двойная:

Цинк или магний отнимают атомы галогена от дигалогеналкана при условии, если в нем галогенизированы стоящие рядом атомы углерода:

Применение алкенов

Благодаря высокой реакционной способности алкены широко применяются в химической промышленности, где служат ценным сырьем:

  • Этилен является самым массовым продуктом из всех органических веществ. Из этилена получают этанол, дихлорэтаны, уксусную кислоту и другие соединения. Продуктами полимеризации этена и его производных являются полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и другие пластики, синтетические масла и каучуки.
  • Пропен используется главным образом для производства полипропилена, глицерина, изопропилового спирта.
  • Бутены представляют собой сырье для получения каучуков и масел.
  • Высшие алкены применяются в синтезе поверхностно-активных веществ и производстве высших спиртов.

Несмотря на малое содержание в естественной среде, алкены используются и поэтому широко распространены.

Это интересно:

Галогеналканы

Гомологический ряд алкадиенов

Гомологический ряд алканов

Ссылка на основную публикацию