Алкены
Алкены отличаются от алканов одной двойной связью C=C в открытой углеродной цепи. Этот небольшой на вид фрагмент меняет состав, геометрию и характерные реакции молекулы. Этен служит сырьём для получения этанола и полиэтилена, а реакции присоединения связывают алкены с другими классами органических веществ.
Определение и формула ряда
Алкены — ациклические углеводороды с одной двойной связью углерод — углерод. Их общая формула — CnH2n, где n ≥ 2.
Первый представитель — этен CH2=CH2, традиционное название — этилен. Далее следуют пропен C3H6 и бутены C4H8. При наличии двух двойных связей рассматривают алкадиены, а при наличии цикла — соответствующие циклические соединения.
Формула CnH2n сама по себе не доказывает принадлежности к алкенам: насыщенный углеводород с одним циклом имеет ту же общую формулу. Поэтому название класса требует сведений о строении.
Строение, названия и изомерия
В двойной связи одна связь σ и одна π. Окружение каждого C при C=C близко к плоскому, углы — около 120°. Свободное вращение вокруг двойной связи невозможно без нарушения π-взаимодействия. Это создаёт условия для геометрической изомерии, когда у каждого C имеются два разных заместителя.
Для простых алкенов главная цепь содержит двойную связь; нумерацию начинают с конца, дающего ей меньший номер. Например, CH2=CH–CH2–CH3 — бут-1-ен, CH3–CH=CH–CH3 — бут-2-ен. Записи 1-бутен и 2-бутен также встречаются в школьных учебниках.
У бут-2-ена существуют цис- и транс-формы. У этена и пропена такой пары нет, поскольку один из атомов двойной связи имеет два одинаковых заместителя H. Ветвление цепи даёт другой тип изомерии, например 2-метилпропен CH2=C(CH3)2.
Низшие алкены при обычных условиях газообразны, более тяжёлые могут быть жидкими или твёрдыми. Они плохо растворяются в воде; точные физические свойства зависят от размера, формы молекулы и условий.
Присоединение к двойной связи
При типичной реакции присоединения связь C=C превращается в C–C, а два новых фрагмента связываются с её атомами углерода. При гидрировании этена на металлическом катализаторе, например никелевом, образуется этан:
CH2=CH2 + H2 → CH3–CH3 (катализатор).
Присоединение Br2 в подходящей инертной среде описывает уравнение:
CH2=CH2 + Br2 → CH2Br–CH2Br.
В водной среде вода тоже может участвовать в образовании продуктов. Поэтому обесцвечивание бромной воды используют как признак реакции, но уравнение с единственным дибромпроизводным не следует безоговорочно переносить на любой водный состав.
Пропен в обычных ионных условиях присоединяет HBr преимущественно с образованием 2-бромпропана:
CH2=CH–CH3 + HBr → CH3–CHBr–CH3.
Для указанных условий правило Марковникова предсказывает преимущественное направление присоединения: H присоединяется к атому C двойной связи, при котором уже больше H, а Br — к другому.
Это правило не является утверждением об абсолютной универсальности. Для HBr известны радикальные условия, при которых направление меняется; сложные субстраты также требуют более подробного анализа.
Гидратация, полимеризация и окисление
При присоединении воды в присутствии кислотного катализатора этен превращается в этанол:
CH2=CH2 + H2O ⇌ CH3–CH2–OH (катализатор, соответствующие условия).
Обратное отщепление воды от этанола при нагревании с подходящим кислотным катализатором — один из способов получения этена. В промышленности алкены получают также крекингом углеводородного сырья и дегидрированием алканов. Например, суммарная схема дегидрирования этана:
CH3–CH3 ⇌ CH2=CH2 + H2 (нагревание).
При полимеризации множество молекул этена соединяется в длинную цепь. Идеализированная запись образования полиэтилена:
nCH2=CH2 → (–CH2–CH2–)n.
В повторяющемся звене сохраняется состав C2H4, но двойной связи C=C в нём уже нет. Степень полимеризации n показывает число таких звеньев в модели цепи.
Алкены окисляются легче алканов в мягких условиях. Холодный разбавленный нейтральный раствор перманганата может окислять этен с образованием этиленгликоля и MnO2; при более жёстких условиях характер продуктов меняется. Обесцвечивание окислителя не доказывает единственную структуру: с ним реагируют и другие восстановители.
При полном горении этена образуются CO2 и вода:
C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O.
Три разобранных примера
1. Как определить число углеродов?
Если молярная масса алкена равна 56 г/моль, то при округлённых атомных массах:
M = 12n + 2n = 14n; n = 56 / 14 = 4; C4H8.
Формула не выбирает между бут-1-еном, бут-2-еном и 2-метилпропеном.
2. Как посчитать водород для гидрирования?
Для полного превращения 0,30 моль пропена в пропан требуется столько же H2: каждая молекула с одной двойной связью присоединяет одну молекулу водорода.
CH2=CH–CH3 + H2 → CH3–CH2–CH3.
n(H2) = 0,30 моль; m(H2) ≈ 0,30 · 2 = 0,60 г.
3. Как рассчитать расход кислорода?
В 2,8 г этена содержится 0,10 моль вещества. По уравнению полного горения:
n(O2) = 3 · (2,8 / 28) = 0,30 моль.
Количество CO2 составит 0,20 моль. Коэффициенты связывают количества вещества, а не непосредственно массы реагентов.
Частые ошибки
- Определять класс только по CnH2n.
- Сохранять C=C в продукте полного гидрирования или в повторяющемся звене полиэтилена.
- Считать любую реакцию с Br2 замещением.
- Принимать обесцвечивание реагента за единственное достаточное доказательство строения.
Пять заданий
- Запишите формулу алкена с пятью атомами C.
- Возможна ли цис-транс-пара у CH2=C(CH3)2?
- Назовите преимущественный продукт присоединения HBr к пропену в указанных ионных условиях.
- Сколько H2 нужно для полного гидрирования 8,4 г пропена? M(C3H6) ≈ 42 г/моль.
- Какую массу полиэтилена даёт 5,6 г полностью вступившего в идеализированную реакцию этена без потерь?
Ответы с объяснениями
- C5H10; конкретное строение нужно указать отдельно.
- Нет. При одном C находятся два H, при другом — два одинаковых CH3; условие двух разных заместителей у каждого атома не выполнено.
- 2-бромпропан: Br преимущественно присоединяется к среднему C, H — к концевому CH2.
- Один моль пропена присоединяет один моль H2:
n(H2) = 8,4 / 42 = 0,20 моль; m(H2) ≈ 0,40 г.
- 5,6 г. В суммарной модели полимеризации присоединения низкомолекулярный побочный продукт не выделяется, поэтому масса израсходованного мономера сохраняется в полимере.
Связанные темы и источники
Сравните алканы, повторите изомерию и номенклатуру. Полимеры, спирты и другие углеводороды рассматриваются далее в курсе.
Для проверки фактов: IUPAC: алкены; OpenStax: присоединение галогенов.