Ненаситените включват въглеводороди, съдържащи множество връзки между въглеродните атоми в техните молекули. Неограничени са алкени, алкини, алкадиени (полиени). Циклични въглеводороди, съдържащи двойна връзка в пръстена ( циклоалкени), както и циклоалкани с малък брой въглеродни атоми в пръстена (три или четири атома). Свойството на „ненаситеност“ се свързва със способността на тези вещества да влизат в реакции на добавяне, предимно водород, с образуването на наситени или наситени въглеводороди - алкани.
Строеж на алкени
Ациклични въглеводороди, съдържащи в молекулата, в допълнение към единичните връзки, една двойна връзка между въглеродните атоми и съответстващи на общата формула CnH2n. Второто му име е олефини- алкените са получени по аналогия с ненаситени мастни киселини (олеинова, линолова), остатъците от които са част от течните мазнини - масла.
Въглеродните атоми, между които има двойна връзка, са в състояние на sp 2 хибридизация. Това означава, че една s и две p орбитали участват в хибридизацията, а една p орбитала остава нехибридизирана. Припокриването на хибридни орбитали води до образуването на σ връзка и поради нехибридизираните p орбитали
съседни въглеродни атоми се образува втора π-връзка. Така двойната връзка се състои от една σ- и една π-връзка. Хибридните орбитали на атомите, образуващи двойна връзка, са в една равнина, а орбиталите, образуващи π връзка, са разположени перпендикулярно на равнината на молекулата. Двойната връзка (0,132 im) е по-къса от единичната връзка и нейната енергия е по-голяма, защото е по-силна. Въпреки това, наличието на подвижна, лесно поляризирана π връзка води до факта, че алкените са химически по-активни от алканите и могат да претърпят реакции на добавяне.
Структура на етилена
Образуване на двойна връзка в алкени
Хомоложна серия на етена
Правите алкени образуват хомоложната серия на етена ( етилен): C 2 H 4 - етен, C 3 H 6 - пропен, C 4 H 8 - бутен, C 5 H 10 - пентен, C 6 H 12 - хексен, C 7 H 14 - хептен и др.
Изомерия на алкени
Алкените се характеризират със структурна изомерия. Структурните изомери се различават един от друг по структурата на въглеродния скелет. Най-простият алкен, характеризиращ се със структурни изомери, е бутен:
Специален вид структурна изомерия е изомерията на позицията на двойната връзка:
Алкените са изомерни на циклоалканите (междукласова изомерия), например:
Възможно е почти свободно въртене на въглеродните атоми около една връзка въглерод-въглерод, така че молекулите на алканите могат да приемат голямо разнообразие от форми. Въртенето около двойната връзка е невъзможно, което води до появата на друг вид изомерия в алкените - геометрична, или цис и трансизомерия.
Цис изомериразличавам се от транс изомерипространственото разположение на молекулните фрагменти (в този случай метиловите групи) спрямо равнината на π-връзката и, следователно, свойствата.
Алкенова номенклатура
1. Избор на главна верига.Образуването на името на въглеводорода започва с дефиницията на основната верига - най-дългата верига от въглеродни атоми в молекулата. В случай на алкени основната верига трябва да съдържа двойна връзка.
2. Номериране на атомите на основната верига.Номерирането на атомите на основната верига започва от края, до който двойната връзка е най-близо.
Например правилното име на връзката е:
Ако позицията на двойната връзка не може да определи началото на номерирането на атомите във веригата, тогава тя се определя от позицията на заместителите по същия начин, както при наситените въглеводороди.
3. Образуване на името.В края на името посочете номера на въглеродния атом, от който започва двойната връзка, и наставката -en, което показва, че съединението принадлежи към класа на алкените. Например:
Физични свойства на алкените
Първите три представителя на хомоложната серия алкени са газове; вещества от състава C5H10 - C16H32 - течности; Висшите алкени са твърди вещества.
Точките на кипене и топене естествено се увеличават с увеличаване на молекулното тегло на съединенията.
Химични свойства на алкените
Реакции на присъединяване. Нека си припомним, че отличителна черта на представителите на ненаситените въглеводороди - алкените е способността да влизат в реакции на добавяне. Повечето от тези реакции протичат според механизма електрофилно добавяне.
1. Хидрогениране на алкени.Алкените са способни да добавят водород в присъствието на катализатори за хидрогениране, метали - платина, паладий, никел:
Тази реакция протича при атмосферно и повишено налягане и не изисква висока температура, тъй като е екзотермична. При повишаване на температурата същите катализатори могат да предизвикат обратна реакция - дехидрогениране.
2. Халогениране (добавяне на халогени). Взаимодействието на алкен с бромна вода или разтвор на бром в органичен разтворител (CC14) води до бързо обезцветяване на тези разтвори в резултат на добавянето на халогенна молекула към алкена и образуването на дихалоалкани.
3. Хидрохалогениране (добавяне на халогеноводород).
Тази реакция се подчинява
Когато халогеноводородът се свързва с алкен, водородът се свързва с по-хидрогенирания въглероден атом, т.е. атомът, при който има повече водородни атоми, а халогенът с по-малко хидрогенирания.
4. Хидратация (добавяне на вода).Хидратирането на алкените води до образуването на алкохоли. Например добавянето на вода към етена е в основата на един от индустриалните методи за производство на етилов алкохол.
Обърнете внимание, че първичен алкохол (с хидроксо група при първичния въглерод) се образува само когато етенът е хидратиран. Когато пропен или други алкени се хидратират, те се образуват вторични алкохоли.
Тази реакция също протича в съответствие с правилото на Марковников - водороден катион се свързва с по-хидрогениран въглероден атом, а хидроксо група - с по-малко хидрогениран.
5. Полимеризация.Специален случай на добавяне е реакцията на полимеризация на алкени:
Тази реакция на присъединяване се осъществява чрез свободен радикален механизъм.
Окислителни реакции.
1. Изгаряне.Като всички органични съединения, алкените изгарят в кислород, за да образуват CO2 и H2O:
2. Окисляване в разтвори.За разлика от алканите, алкените лесно се окисляват от разтвори на калиев перманганат. В неутрални или алкални разтвори алкените се окисляват до диоли (двувалентни алкохоли) и хидроксилните групи се добавят към онези атоми, между които съществува двойна връзка преди окисляването:
Съдържащите pi връзка са ненаситени въглеводороди. Те са производни на алкани, в чиито молекули са елиминирани два водородни атома. Получените свободни валенции образуват нов тип връзка, която е разположена перпендикулярно на равнината на молекулата. Така възниква нова група съединения - алкени. В тази статия ще разгледаме физичните свойства, производството и употребата на вещества от този клас в бита и индустрията.
Хомоложни серии на етилен
Общата формула на всички съединения, наречени алкени, отразяваща техния качествен и количествен състав, е C n H 2 n. Имената на въглеводородите според систематичната номенклатура имат следната форма: в термина на съответния алкан наставката се променя от -ан на -ен, например: етан - етен, пропан - пропен и т.н. В някои източници можете да намерите друго име за съединения от този клас - олефини. След това ще проучим процеса на образуване на двойна връзка и физичните свойства на алкените, както и ще определим тяхната зависимост от структурата на молекулата.
Как се образува двойна връзка?
Използвайки примера на етилена, електронната природа на pi връзката може да бъде представена по следния начин: въглеродните атоми в неговата молекула са под формата на sp 2 хибридизация. В този случай се образува сигма връзка. Още две хибридни орбитали, по една от въглеродни атоми, образуват прости сигма връзки с водородни атоми. Двата останали свободни хибридни облака от въглеродни атоми се припокриват над и под равнината на молекулата - образува се пи връзка. Именно това определя физичните и химичните свойства на алкените, които ще бъдат обсъдени допълнително.
Пространствена изомерия
Съединения, които имат еднакъв количествен и качествен състав на молекулите, но различни пространствени структури, се наричат изомери. Изомерията се среща в група вещества, наречени органични. Характеристиките на олефините са силно повлияни от явлението оптичен изомеризъм. То се изразява в това, че хомолозите на етилена, съдържащи различни радикали или заместители при всеки от двата въглеродни атома при двойната връзка, могат да бъдат под формата на два оптични изомера. Те се различават един от друг по положението на заместителите в пространството спрямо равнината на двойната връзка. Физичните свойства на алкените в този случай също ще бъдат различни. Например, това се отнася до точките на кипене и топене на веществата. Така олефините с прав въглероден скелет имат по-високи точки на кипене от изомерните съединения. Също така точките на кипене на цис изомерите на алкените са по-високи от транс изомерите. По отношение на температурите на топене картината е обратната.
Сравнителни характеристики на физичните свойства на етилена и неговите хомолози
Първите три представителя на олефините са газообразни съединения, след това, започвайки с пентен C 5 H 10 и до алкен с формула C 17 H 34, те са течности и след това има твърди вещества. При етеновите хомолози се наблюдава следната тенденция: точките на кипене на съединенията намаляват. Например за етилена този показател е -169,1°C, а за пропилена -187,6°C. Но температурите на кипене се повишават с увеличаване на молекулното тегло. И така, за етилена е -103,7°C, а за пропена -47,7°C. За да обобщим казаното, можем да направим кратко заключение: физичните свойства на алкените зависят от тяхното молекулно тегло. С увеличаването му състоянието на агрегиране на съединенията се променя в посока: газ - течност - твърдо вещество, като температурата на топене намалява, а точката на кипене се повишава.
Характеристики на етена
Първият представител на хомоложната серия алкени е етиленът. Това е газ, слабо разтворим във вода, но силно разтворим в органични разтворители и няма цвят. Молекулно тегло - 28, етенът е малко по-лек от въздуха, има лека сладникава миризма. Лесно реагира с халогени, водород и халогеноводороди. Въпреки това физичните свойства на алкените и парафините са доста сходни. Например агрегатното състояние, способността на метана и етилена да претърпят силно окисление и т.н. Как могат да се разграничат алкените? Как да идентифицираме ненаситения характер на олефин? За целта има качествени реакции, на които ще се спрем по-подробно. Нека си припомним каква особеност имат алкените в структурата на молекулата. Физичните и химичните свойства на тези вещества се определят от наличието на двойна връзка в техния състав. За да докажете присъствието му, прекарайте въглеводородния газ през виолетов разтвор на калиев перманганат или бромна вода. Ако се обезцветят, това означава, че съединението съдържа пи връзки в своите молекули. Етиленът влиза в окислителна реакция и обезцветява разтворите на KMnO 4 и Br 2.
Механизъм на присъединителните реакции
Разцепването на двойната връзка завършва с добавянето на атоми на други химични елементи към свободните валенции на въглерода. Например, когато етиленът реагира с водород, наречено хидрогениране, той произвежда етан. Необходим е катализатор като прахообразен никел, паладий или платина. Реакцията с HCl завършва с образуването на хлороетан. Алкените, съдържащи повече от два въглеродни атома в техните молекули, се подлагат на добавяне на халогеноводороди, като се вземе предвид правилото на В. Марковников.
Как етеновите хомолози взаимодействат с водородните халиди
Ако сме изправени пред задачата „Характеризиране на физичните свойства на алкените и тяхното получаване“, трябва да разгледаме по-подробно правилото на В. Марковников. Практически е установено, че хомолозите на етилена реагират с хлороводород и други съединения в мястото на разцепване на двойната връзка, като се подчиняват на определен модел. Състои се във факта, че водороден атом е прикрепен към най-хидрогенирания въглероден атом, а хлорен, бромен или йоден йон е прикрепен към въглеродния атом, съдържащ най-малко водородни атоми. Тази особеност на възникването на реакции на добавяне се нарича правило на В. Марковников.
Хидратация и полимеризация
Нека продължим да разглеждаме физичните свойства и приложенията на алкените, използвайки примера на първия представител на хомоложната серия - етен. Реакцията му с вода се използва в индустрията за органичен синтез и е от голямо практическо значение. Процесът е извършен за първи път през 19 век от A.M. Бутлеров. Реакцията изисква изпълнението на редица условия. Това е, на първо място, използването на концентрирана сярна киселина или олеум като катализатор и етенов разтворител, налягане от около 10 atm и температура в рамките на 70 °. Процесът на хидратация протича в две фази. Първо, на мястото, където pi връзката е скъсана, молекулите на сулфатната киселина се присъединяват към етена, което води до образуването на етил сярна киселина. След това полученото вещество реагира с вода, за да се получи етилов алкохол. Етанолът е важен продукт, използван в хранително-вкусовата промишленост за производство на пластмаси, синтетичен каучук, лакове и други органични химически продукти.
Полимери на базата на олефини
Продължавайки да изучаваме въпроса за използването на вещества, принадлежащи към класа на алкените, ще проучим процеса на тяхната полимеризация, в който могат да участват съединения, съдържащи ненаситени химични връзки в състава на техните молекули. Има няколко вида реакции на полимеризация, които произвеждат продукти с високо молекулно тегло - полимери, например полиетилен, полипропилен, полистирен и др. Механизмът на свободните радикали води до производството на полиетилен с висока плътност. Това е едно от най-широко използваните съединения в индустрията. Катион-йонният тип осигурява производството на полимер със стереоправилна структура, например полистирол. Смята се за един от най-безопасните и удобни за използване полимери. Продуктите от полистирол са устойчиви на агресивни вещества: киселини и основи, незапалими и лесни за боядисване. Друг вид механизъм на полимеризация е димеризацията, която води до производството на изобутен, който се използва като антидетонационна добавка за бензин.
Методи за получаване
Алкените, чиито физични свойства изучаваме, се получават в лабораторията и в промишлеността по различни методи. В експерименти в училищния курс по органична химия се използва процесът на дехидратация на етилов алкохол с помощта на агенти за отстраняване на водата, като например фосфорен пентоксид или сулфатна киселина. Реакцията се извършва чрез нагряване и е обратна на процеса за получаване на етанол. Друг често срещан метод за получаване на алкени намери своето приложение в промишлеността, а именно: нагряване на халогенни производни на наситени въглеводороди, например хлоропропан, с концентрирани алкохолни разтвори на основи - натриев или калиев хидроксид. В реакцията молекулата на хлороводорода се елиминира и се образува двойна връзка на мястото, където се появяват свободните валенции на въглеродните атоми. Крайният продукт на химичния процес ще бъде олефин - пропен. Продължавайки да разглеждаме физичните свойства на алкените, нека се спрем на основния процес на производство на олефини - пиролиза.
Промишлено производство на ненаситени въглеводороди от етиленовата серия
Евтините суровини - газовете, образувани по време на крекинг на петрол, служат като източник за производството на олефини в химическата промишленост. За тази цел се използва технологична схема на пиролиза - разделяне на газова смес, което се случва с разкъсване на въглеродни връзки и образуване на етилен, пропен и други алкени. Пиролизата се извършва в специални пещи, състоящи се от отделни пиролизни намотки. Те създават температура от около 750-1150°C и съдържат водна пара като разредител. Реакциите протичат по верижен механизъм с образуването на междинни радикали. Крайният продукт е етилен или пропен, те се произвеждат в големи количества.
Изучихме подробно физичните свойства, както и приложенията и методите за получаване на алкени.
Най-простият алкен е етен C 2 H 4. Според номенклатурата на IUPAC имената на алкените се образуват от имената на съответните алкани чрез замяна на наставката "-ane" с "-ene"; Позицията на двойната връзка се обозначава с арабска цифра.
Пространствена структура на етилена
По името на първия представител на тази серия - етилен - такива въглеводороди се наричат етилен.
Номенклатура и изомерия
Номенклатура
Алкените с проста структура често се наименуват чрез замяна на наставката -ан в алкани с -илен: етан - етилен, пропан - пропилен и др.
Според систематичната номенклатура наименованията на етиленовите въглеводороди се получават чрез замяна на наставката -ан в съответните алкани с наставката -ен (алкан - алкен, етан - етен, пропан - пропен и др.). Изборът на главната верига и редът на именуване са същите като при алканите. Веригата обаче задължително трябва да включва двойна връзка. Номерирането на веригата започва от края, до който тази връзка е най-близо. Например:
Понякога се използват и рационални имена. В този случай всички алкенови въглеводороди се считат за заместен етилен:
Ненаситените (алкенови) радикали се наричат с тривиални имена или чрез систематична номенклатура:
H 2 C = CH - - винил (етенил)
H 2 C = CH - CH 2 - -алил (пропенил-2)
Изомерия
Алкените се характеризират с два вида структурна изомерия. В допълнение към изомерията, свързана със структурата на въглеродния скелет (както в алканите), изомерията се появява в зависимост от позицията на двойната връзка във веригата. Това води до увеличаване на броя на изомерите в серията от алкени.
Първите два члена на хомоложната серия от алкени - (етилен и пропилей) - нямат изомери и тяхната структура може да бъде изразена, както следва:
H 2 C = CH 2 етилен (етен)
H 2 C = CH - CH 3 пропилен (пропен)
Изомерия на множество позиции на връзката
H2C = CH - CH2 - CH3 бутен-1
H 3 C - CH = CH - CH 3 бутен-2
Геометрична изомерия - цис-, транс-изомерия.
Тази изомерия е типична за съединения с двойна връзка.
Ако простата σ връзка позволява свободно въртене на отделни връзки на въглеродната верига около оста си, тогава такова въртене не се случва около двойна връзка. Това е причината за появата на геометричните ( цис-, транс-) изомери.
Геометричната изомерия е един от видовете пространствена изомерия.
Изомерите, в които едни и същи заместители (при различни въглеродни атоми) са разположени от едната страна на двойната връзка, се наричат цис-изомери, а от другата страна - транс-изомери:
цис-И транс-изомерите се различават не само по своята пространствена структура, но и по много физични и химични свойства. транс-изомерите са по-стабилни от цис-изомери.
Получаване на алкени
Алкените са рядкост в природата. Обикновено газообразните алкени (етилен, пропилен, бутилени) се изолират от газове от рафиниране на нефт (по време на крекинг) или свързани газове, както и от газове от коксуване на въглища.
В промишлеността алкените се получават чрез дехидрогениране на алкани в присъствието на катализатор (Cr 2 O 3).
Дехидрогениране на алкани
H 3 C - CH 2 - CH 2 - CH 3 → H 2 C = CH - CH 2 - CH 3 + H 2 (бутен-1)
H 3 C - CH 2 - CH 2 - CH 3 → H 3 C - CH = CH - CH 3 + H 2 (бутен-2)
Сред лабораторните методи за производство може да се отбележи следното:
1. Елиминиране на халогеноводород от алкилхалогениди под действието на алкохолен алкален разтвор върху тях:
2. Хидрогениране на ацетилен в присъствието на катализатор (Pd):
H-C ≡ C-H + H 2 → H 2 C = CH 2
3. Дехидратация на алкохоли (елиминиране на водата).
Като катализатор се използват киселини (сярна или фосфорна) или Al 2 O 3:
При такива реакции водородът се отделя от най-малко хидрогенирания (с най-малък брой водородни атоми) въглероден атом (правилото на А. М. Зайцев):
Физични свойства
Физичните свойства на някои алкени са показани в таблицата по-долу. Първите три представителя на хомоложната серия алкени (етилен, пропилей и бутилен) са газове, започвайки с C 5 H 10 (амилен или пентен-1) са течности, а с C 18 H 36 са твърди вещества. С увеличаването на молекулното тегло точките на топене и кипене се увеличават. Алкените с нормална структура кипят при по-висока температура от техните изомери, които имат изо структура. Точки на кипене цис-изомери по-високи от транс-изомери, а точките на топене са обратни.
Алкените са слабо разтворими във вода (но по-добре от съответните алкани), но добре разтворими в органични разтворители. Етиленът и пропиленът горят с димящ пламък.
Физични свойства на някои алкени
Име |
T pl,°С |
T kip, °C |
||
Етилен (етен) |
||||
Пропилен (пропен) |
||||
Бутилен (бутен-1) |
||||
Цис-бутен-2 |
||||
Транс-бутен-2 |
||||
Изобутилен (2-метилпропен) |
||||
Амилен (пентен-1) |
||||
Хексен (хексен-1) |
||||
Хептилен (хептен-1) |
||||
Октилен (октен-1) |
||||
Нонилен (нонен-1) |
||||
Децилен (децен-1) |
Алкените са леко полярни, но лесно се поляризират.
Химични свойства
Алкените са силно реактивни. Техните химични свойства се определят главно от двойната връзка въглерод-въглерод.
π-връзката, която е най-малко силна и по-достъпна, се разкъсва от действието на реагента и освободените валенции на въглеродните атоми се изразходват за свързване на атомите, които изграждат молекулата на реагента. Това може да бъде представено като диаграма:
По този начин, по време на реакции на присъединяване, двойната връзка се разкъсва сякаш наполовина (като остава σ връзката).
В допълнение към добавянето, алкените също претърпяват реакции на окисление и полимеризация.
Реакции на присъединяване
По-често реакциите на присъединяване протичат според хетеролитичния тип, като реакции на електрофилно присъединяване.
1. Хидрогениране (добавяне на водород). Алкените, добавяйки водород в присъствието на катализатори (Pt, Pd, Ni), се превръщат в наситени въглеводороди - алкани:
H 2 C = CH 2 + H 2 → H 3 C - CH 3 (етан)
2. Халогениране (добавяне на халогени). Халогените лесно се добавят на мястото на разцепване на двойната връзка, за да образуват дихалогенни производни:
H 2 C = CH 2 + Cl 2 → ClH 2 C - CH 2 Cl (1,2-дихлороетан)
Добавянето на хлор и бром е по-лесно, а на йод по-трудно. Флуорът реагира експлозивно с алкени, както и с алкани.
Сравнете: в алкените реакцията на халогениране е процес на добавяне, а не на заместване (както в алканите).
Реакцията на халогениране обикновено се провежда в разтворител при нормална температура.
Добавянето на бром и хлор към алкените става по йонен, а не по радикален механизъм. Това заключение следва от факта, че скоростта на добавяне на халоген не зависи от облъчването, наличието на кислород и други реагенти, които инициират или инхибират радикални процеси. Въз основа на голям брой експериментални данни е предложен механизъм за тази реакция, включващ няколко последователни етапа. На първия етап поляризацията на халогенната молекула възниква под действието на електрони на π-връзка. Халогенният атом, който придобива определен частичен положителен заряд, образува нестабилен междинен продукт с електроните на π връзката, наречен π комплекс или комплекс за пренос на заряд. Трябва да се отбележи, че в π-комплекса халогенът не образува насочена връзка с някакъв специфичен въглероден атом; в този комплекс просто се осъществява донорно-акцепторното взаимодействие на електронната двойка на π връзката като донор и халогена като акцептор.
След това π-комплексът се трансформира в цикличен бромониев йон. По време на образуването на този цикличен катион настъпва хетеролитично разцепване на Br-Br връзката и празен Р-орбиталата sp 2 на хибридизирания въглероден атом се припокрива с Р-орбитала на “несподелената двойка” електрони на халогенния атом, образувайки цикличен бромониев йон.
В последния, трети етап, бромният анион, като нуклеофилен агент, атакува един от въглеродните атоми на бромониевия йон. Нуклеофилната атака от бромидния йон води до отваряне на тричленния пръстен и образуването на вицинален дибромид ( жертва-близо до). Този етап може формално да се разглежда като нуклеофилно заместване на SN 2 при въглеродния атом, където напускащата група е Br +.
Резултатът от тази реакция не е трудно да се предвиди: бромният анион атакува карбокатиона, за да образува дибромоетан.
Бързото обезцветяване на разтвор на бром в CCl4 служи като един от най-простите тестове за ненаситеност, тъй като алкените, алкините и диените реагират бързо с брома.
Добавянето на бром към алкени (реакция на бромиране) е качествена реакция към наситени въглеводороди. Когато ненаситените въглеводороди преминават през бромна вода (разтвор на бром във вода), жълтият цвят изчезва (при наситените въглеводороди той остава).
3. Хидрохалогениране (присъединяване на халогеноводороди). Алкените лесно добавят водородни халиди:
H 2 C = CH 2 + HBr → H 3 C - CH 2 Br
Добавянето на халогеноводороди към етиленовите хомолози следва правилото на В. В. Марковников (1837 - 1904): при нормални условия водородът на халогеноводорода се добавя на мястото на двойната връзка към най-хидрогенирания въглероден атом, а халогенът към по-малко хидрогенираният:
Правилото на Марковников може да се обясни с факта, че в несиметричните алкени (например в пропилена) електронната плътност е неравномерно разпределена. Под влияние на метиловата група, свързана директно с двойната връзка, електронната плътност се измества към тази връзка (към най-външния въглероден атом).
В резултат на това изместване p-връзката се поляризира и върху въглеродните атоми възникват частични заряди. Лесно е да си представим, че положително зареден водороден йон (протон) ще се прикрепи към въглероден атом (електрофилно добавяне), който има частичен отрицателен заряд, а бромен анион ще се прикрепи към въглерод, който има частичен положителен заряд.
Това добавяне е следствие от взаимното влияние на атомите в една органична молекула. Както знаете, електроотрицателността на въглеродния атом е малко по-висока от тази на водорода.
Следователно в метиловата група има известна поляризация на C-H σ връзките, свързани с изместване на електронната плътност от водородни атоми към въглерод. На свой ред това води до увеличаване на електронната плътност в областта на двойната връзка и особено на нейния най-външен атом. По този начин метиловата група, подобно на други алкилови групи, действа като донор на електрони. Въпреки това, в присъствието на пероксидни съединения или O 2 (когато реакцията е радикална), тази реакция също може да противоречи на правилото на Марковников.
По същите причини правилото на Марковников се спазва при добавяне не само на халогеноводороди, но и на други електрофилни реагенти (H 2 O, H 2 SO 4, HOCl, ICl и др.) Към несиметрични алкени.
4. Хидратация (добавяне на вода). В присъствието на катализатори водата се добавя към алкените, за да образуват алкохоли. Например:
H 3 C - CH = CH 2 + H - OH → H 3 C - CHOH - CH 3 (изопропилов алкохол)
Окислителни реакции
Алкените се окисляват по-лесно от алканите. Продуктите, образувани по време на окислението на алкените, и тяхната структура зависят от структурата на алкените и от условията на тази реакция.
1. Изгаряне
H 2 C = CH 2 + 3O 2 → 2СO 2 + 2H 2 O
2. Непълно каталитично окисление
3. Окисляване при нормална температура. Когато етиленът се изложи на воден разтвор на KMnO4 (при нормални условия, в неутрална или алкална среда - реакцията на Вагнер), се образува двувалентен алкохол - етиленгликол:
3H 2 C = CH 2 + 2KMnO 4 + 4H 2 O → 3HOCH 2 - CH 2 OH (етилен гликол) + 2MnO 2 + KOH
Тази реакция е качествена: лилавият цвят на разтвора на калиев перманганат се променя, когато към него се добави ненаситено съединение.
При по-тежки условия (окисление на KMnO4 в присъствието на сярна киселина или смес от хром), двойната връзка в алкена се разпада, за да се образуват кислородсъдържащи продукти:
H 3 C - CH = CH - CH 3 + 2O 2 → 2H 3 C - COOH (оцетна киселина)
Реакция на изомеризация
При нагряване или в присъствието на катализатори алкените са способни на изомеризация - възниква движение на двойната връзка или установяване на изоструктура.
Реакции на полимеризация
Чрез разкъсване на π връзки, алкеновите молекули могат да се свързват една с друга, образувайки молекули с дълга верига.
Срещане в природата и физиологична роля на алкените
Ацикличните алкени практически никога не се срещат в природата. Най-простият представител на този клас органични съединения - етилен C 2 H 4 - е хормон за растенията и се синтезира в тях в малки количества.
Един от малкото естествени алкени е мускалур ( цис- tricosen-9) е сексуално средство за привличане на женската домашна муха (Musca domestica).
Нисшите алкени във високи концентрации имат наркотичен ефект. По-високите членове на серията също причиняват конвулсии и дразнене на лигавиците на дихателните пътища
Индивидуални представители
Етиленът (етен) е органично химично съединение, описано с формулата C 2 H 4. Това е най-простият алкен. Съдържа двойна връзка и следователно принадлежи към ненаситени или ненаситени въглеводороди. Играе изключително важна роля в индустрията, а също така е фитохормон (органични вещества с ниско молекулно тегло, произведени от растенията и имащи регулаторни функции).
Етилен - предизвиква анестезия, има дразнещо и мутагенно действие.
Етиленът е най-произвежданото органично съединение в света; Общото световно производство на етилен през 2008 г. беше 113 милиона тона и продължава да расте с 2-3% годишно.
Етиленът е водещият продукт на основния органичен синтез и се използва за производство на полиетилен (1-во място, до 60% от общия обем).
Полиетиленът е термопластичен полимер на етилена. Най-разпространената пластмаса в света.
Това е восъчна маса с бял цвят (тънките листове са прозрачни и безцветни). Химически и мразоустойчив, изолатор, нечувствителен към удар (амортисьор), омекотява при нагряване (80-120°C), втвърдява се при охлаждане, адхезията (адхезията на повърхности на разнородни твърди и/или течни тела) е изключително ниска. Понякога в масовото съзнание се идентифицира с целофан - подобен материал от растителен произход.
Пропилен - предизвиква анестезия (по-мощен от етилена), има общотоксичен и мутагенен ефект.
Устойчив на вода, не реагира с алкали с каквато и да е концентрация, с разтвори на неутрални, киселинни и основни соли, органични и неорганични киселини, дори концентрирана сярна киселина, но се разлага под действието на 50% азотна киселина при стайна температура и под въздействието на на течен и газообразен хлор и флуор. С течение на времето настъпва термично стареене.
Пластмасово фолио (особено опаковъчно фолио, като мехурче или тиксо).
Контейнери (бутилки, буркани, кутии, кутии, градински лейки, саксии за разсад.
Полимерни тръби за канализация, водоснабдяване и газоснабдяване.
Електроизолационен материал.
Полиетиленовият прах се използва като топящо се лепило.
Бутен-2 - причинява анестезия и има дразнещ ефект.
Тема на урока:Алкени. Получаване, химични свойства и приложения на алкени.
Цели и задачи на урока:
- преглед на специфичните химични свойства на етилена и общите свойства на алкените;
- задълбочават и конкретизират понятията за ?-връзки и механизмите на химичните реакции;
- дават начални представи за реакциите на полимеризация и структурата на полимерите;
- анализират лабораторни и общи индустриални методи за получаване на алкени;
- продължават да развиват умението за работа с учебника.
Оборудване:устройство за производство на газове, разтвор на KMnO 4, етилов алкохол, концентрирана сярна киселина, кибрит, алкохолна лампа, пясък, таблици „Структура на молекулата на етилена“, „Основни химични свойства на алкените“, демонстрационни образци „Полимери“.
ПО ВРЕМЕ НА ЗАНЯТИЯТА
I. Организационен момент
Продължаваме да изучаваме хомоложната серия от алкени. Днес трябва да разгледаме методите за получаване, химичните свойства и приложенията на алкените. Трябва да характеризираме химичните свойства, причинени от двойната връзка, да придобием първоначално разбиране за реакциите на полимеризация и да разгледаме лабораторни и индустриални методи за производство на алкени.
II. Активизиране на знанията на учениците
- Какви въглеводороди се наричат алкени?
- Какви са характеристиките на тяхната структура?
- В какво хибридно състояние са въглеродните атоми, които образуват двойна връзка в молекулата на алкена?
В крайна сметка: алкените се различават от алканите по наличието на една двойна връзка в техните молекули, което определя особеностите на химичните свойства на алкените, методите за тяхното получаване и използване.
III. Учене на нов материал
1. Методи за получаване на алкени
Съставете реакционни уравнения, потвърждаващи методите за получаване на алкени
– крекинг на алкани C 8 H 18 ––> ° С 4 з 8 + C4H10; (термичен крекинг при 400-700 o C)
октан бутен бутан
– дехидрогениране на алкани C 4 H 10 ––> C 4 H 8 + H 2; (t, Ni)
бутан бутен водород
– дехидрохалогениране на халоалкани C 4 H 9 Cl + KOH ––> C 4 H 8 + KCl + H 2 O;
хлоробутан хидроксид бутен хлорид вода
калий калий
– дехидрохалогениране на дихалоалкани 
– дехидратация на алкохоли C 2 H 5 OH ––> C 2 H 4 + H 2 O (при нагряване в присъствието на концентрирана сярна киселина)
Помня!
При реакциите на дехидрогениране, дехидратация, дехидрохалогениране и дехалогениране трябва да се помни, че водородът се извлича за предпочитане от по-малко хидрогенирани въглеродни атоми (правилото на Зайцев, 1875 г.)
2. Химични свойства на алкените
Естеството на въглерод-въглеродната връзка определя вида на химичните реакции, в които влизат органичните вещества. Наличието на двойна въглерод-въглеродна връзка в молекулите на етиленови въглеводороди определя следните характеристики на тези съединения:
– наличието на двойна връзка позволява алкените да бъдат класифицирани като ненаситени съединения. Превръщането им в наситени е възможно само в резултат на реакции на присъединяване, което е основната характеристика на химичното поведение на олефините;
– двойната връзка представлява значителна концентрация на електронна плътност, така че реакциите на присъединяване са електрофилни по природа;
– двойната връзка се състои от една - и една - връзка, която е доста лесно поляризирана.
Реакционни уравнения, характеризиращи химичните свойства на алкените
а) Реакции на присъединяване
Помня! Реакциите на заместване са характерни за алкани и висши циклоалкани, които имат само единични връзки; реакциите на присъединяване са характерни за алкени, диени и алкини, които имат двойни и тройни връзки.
Помня! Възможни са следните механизми за прекъсване на -връзката:
а) ако алкените и реагентът са неполярни съединения, тогава -връзката се разкъсва, за да се образува свободен радикал:
H 2 C = CH 2 + H: H ––> + +
б) ако алкенът и реагентът са полярни съединения, тогава разцепването на -връзката води до образуването на йони:
в) когато реагентите, съдържащи водородни атоми в молекулата, се присъединят към мястото на скъсана връзка, водородът винаги се свързва с по-хидрогениран въглероден атом (правилото на Морковников, 1869).
– реакция на полимеризация nCH 2 = CH 2 ––> n – CH 2 – CH 2 –– > (– CH 2 – CH 2 –)n
етилен полиетилен
б) реакция на окисление
Лабораторен опит.Получаване на етилен и изучаване на неговите свойства (инструкции на ученически бюра)
Инструкции за получаване на етилен и експерименти с него
1. Поставете 2 ml концентрирана сярна киселина, 1 ml алкохол и малко количество пясък в епруветка.
2. Затворете епруветката със запушалка с газоотвеждаща тръба и я нагрейте на пламъка на спиртна лампа.
3. Прекарайте отделения газ през разтвор с калиев перманганат. Обърнете внимание на промяната в цвета на разтвора.
4. Запалете газта в края на изходната тръба за газ. Обърнете внимание на цвета на пламъка.
– алкените горят със светещ пламък. (Защо?)
C 2 H 4 + 3O 2 ––> 2CO 2 + 2H 2 O (при пълно окисление реакционните продукти са въглероден диоксид и вода)
Качествена реакция: „леко окисление (във воден разтвор)“
– алкените обезцветяват разтвор на калиев перманганат (реакция на Вагнер)
При по-тежки условия в кисела среда реакционните продукти могат да бъдат например карбоксилни киселини (в присъствието на киселини):
CH 3 – CH = CH 2 + 4 [O] ––> CH 3 COOH + HCOOH
– каталитично окисление
Запомнете основното!
1. Ненаситените въглеводороди активно участват в реакции на присъединяване.
2. Реактивността на алкените се дължи на факта, че връзката лесно се разкъсва под въздействието на реагенти.
3. В резултат на добавянето преходът на въглеродните атоми от sp 2 към sp 3 - възниква хибридно състояние. Реакционният продукт има лимитиращ характер.
4. При нагряване на етилен, пропилен и други алкени под налягане или в присъствието на катализатор отделните им молекули се обединяват в дълги вериги - полимери. Полимерите (полиетилен, полипропилен) имат голямо практическо значение.
3. Приложение на алкени(съобщение на ученика по следния план).
1 – производство на гориво с високо октаново число;
2 – пластмаси;
3 – експлозиви;
4 – антифриз;
5 – разтворители;
6 – за ускоряване на узряването на плодовете;
7 – производство на ацеталдехид;
8 – синтетичен каучук.
III. Затвърдяване на научения материал
Домашна работа:§§ 15, 16, пр. 1, 2, 3 стр. 90, пр. 4, 5 стр. 95.
За алкените най-типичните реакции протичат поради отварянето на по-слаба π връзка. В този случай π връзката (в изходния алкен) се превръща в σ връзка в реакционния продукт. Първоначалното ненаситено съединение се превръща в наситено без образуване на други продукти, т.е. се случвареакция на добавяне.
Какъв е механизмът на реакциите на присъединяване към алкени?
1. Благодарение на електроните на π връзката, алкеновите молекули имат област с повишена електронна плътност (облак от π електрони над и под равнината на молекулата):
Следователно, двойната връзка е склонна да бъде атакувана от електрофилен (с дефицит на електрони) реагент. В този случай ще настъпи хетеролитично разцепване на π връзката и реакцията ще продължи йоннимеханизъм като електрофилно добавяне.
Механизмът на електрофилно присъединяване е обозначен със символа Реклама E
(според първите букви на английски термини: Ad – допълнение [прикачен файл],
Е - електрофил [електрофил]).
2. От друга страна, връзката въглерод-въглерод π, тъй като е неполярна, може да бъде разкъсана хомолитично и тогава реакцията ще продължи радикаленмеханизъм.
Механизмът на радикално добавяне е обозначен със символа Реклама R
(R – радикал - радикал).
Механизмът на добавяне зависи от условията на реакцията.
В допълнение, алкените се характеризират с реакции изомеризацияИ окисляване(включително реакция изгаряне, характерен за всички въглеводороди).
Реакции на присъединяване към алкени
Алкените претърпяват различни присъединителни реакции.
1. Хидрогениране (добавяне на водород)
Алкените реагират с водород при нагряване и при повишено налягане в присъствието на катализатори (Pt, Pd, Ni и др.), за да образуват алкани:
Хидрогениране на алкени - обратна реакция дехидрогениране на алкани. Според Принцип на Льо Шателие, хидрогенирането се благоприятства от повишено налягане, т.к тази реакция е придружена от намаляване на обема на системата.
Добавянето на водород към въглеродните атоми в алкените води до намаляване на степента им на окисление:
Следователно хидрогенирането на алкени се класифицира като редукционна реакция. Тази реакция се използва промишлено за производство на високооктаново гориво.
2. Халогениране (добавяне на халогени)
Добавянето на халогени при C=C двойната връзка става лесно при нормални условия (при стайна температура, без катализатор). Например, бързото обезцветяване на червено-кафявия цвят на разтвор на бром във вода (бромна вода) служи като качествена реакция на наличието на двойна връзка:
По този начин, при реакцията на HCl с пропилен, от два възможни структурни изомера 1-хлоропропан и 2-хлоропропан, последният се образува:
Този модел първоначално е установен емпирично. В съвременната органична химия е дадена теоретична обосновка на правилото на Марковников въз основа на позицията за влиянието на електронната структура на молекулите върху тяхната реактивност.
Трябва да се отбележи, че правилото на Марковников в класическата му формулировка се спазва само за електрофилни реакции на самите алкени. В случай на някои алкенови производни или когато реакционният механизъм се промени, против правилотоМарковникова.
4. Хидратация(водна връзка)
Хидратацията се осъществява в присъствието на минерални киселини по механизма на електрофилно присъединяване:
При реакции на несиметрични алкени се спазва правилото на Марковников.
1. Полимеризация– реакцията на образуване на съединение с високо молекулно тегло (полимер) чрез последователно добавяне на молекули на вещество с ниско молекулно тегло (мономер) съгласно схемата:
нМ М н
Номер н във формулата на полимера ( М н ) се нарича степен на полимеризация. Реакциите на полимеризация на алкени възникват поради добавяне чрез множество връзки:
2. Димеризацияалкени - образуване на димер (двойна молекула) в резултат на реакция на добавяне. В присъствието на минерална киселина (протонен донор H + ) се добавя протон към двойната връзка на молекулата на алкена. Това произвежда карбокатион:
"Димерният карбокатион" се стабилизира чрез освобождаване на протон, което води до продуктите на димеризацията на алкена - смес от изомерни диизобутилени (2,4,4-триметилпентен-2 и 2,4,4-триметилпентен-1) :
Този процес възниква, когато изобутиленът (2-метилпропен) се третира с 60% сярна киселина при температура 70°C. Получената смес от диизобутилени се хидрогенира, за да се получи „изооктан“ (2,2,4-триметилпентан), който се използва за подобряване на антидетонационните свойства на бензина („изооктан“ е стандартно моторно гориво със 100 октана).
