Nezasićeni uključuju ugljikovodike koji sadrže višestruke veze između atoma ugljika u svojim molekulima. Neograničeni su alkeni, alkini, alkadieni (polieni). Ciklični ugljovodonici koji sadrže dvostruku vezu u prstenu ( cikloalkeni), kao i cikloalkani s malim brojem ugljikovih atoma u prstenu (tri ili četiri atoma). Svojstvo "nezasićenosti" povezano je sa sposobnošću ovih supstanci da uđu u reakcije adicije, prvenstveno vodika, sa stvaranjem zasićenih ili zasićenih ugljikovodika - alkana.
Struktura alkena
Aciklični ugljovodonici koji u molekuli sadrže, pored jednostrukih veza, jednu dvostruku vezu između atoma ugljika i odgovaraju općoj formuli CnH2n. Njegovo drugo ime olefini- alkeni su dobijeni po analogiji sa nezasićenim masnim kiselinama (oleinska, linolna), čiji su ostaci dio tečnih masti - ulja.
Atomi ugljika između kojih postoji dvostruka veza su u stanju sp 2 hibridizacije. To znači da su jedna s i dvije p orbitale uključene u hibridizaciju, a jedna p orbitala ostaje nehibridizirana. Preklapanje hibridnih orbitala dovodi do stvaranja σ veze, a zbog nehibridiziranih p orbitala
susjednih atoma ugljika, formira se druga, π-veza. Dakle, dvostruka veza se sastoji od jedne σ- i jedne π-veze. Hibridne orbitale atoma koji formiraju dvostruku vezu nalaze se u istoj ravni, a orbitale koje formiraju π vezu nalaze se okomito na ravan molekula. Dvostruka veza (0,132 im) je kraća od jednostruke veze, a njena energija je veća, jer je jača. Međutim, prisutnost pokretne, lako polarizirane π veze dovodi do činjenice da su alkeni kemijski aktivniji od alkana i da su u stanju da se podvrgnu reakcijama adicije.
Struktura etilena
Formiranje dvostruke veze u alkenima
Homologni niz etena
Pravi alkeni formiraju homologni niz etena ( etilen): C 2 H 4 - eten, C 3 H 6 - propen, C 4 H 8 - buten, C 5 H 10 - penten, C 6 H 12 - heksen, C 7 H 14 - hepten, itd.
Izomerizam alkena
Alkene karakterizira strukturna izomerija. Strukturni izomeri se međusobno razlikuju po strukturi ugljičnog skeleta. Najjednostavniji alken, kojeg karakteriziraju strukturni izomeri, je buten:
Posebna vrsta strukturne izomerije je izomerija položaja dvostruke veze:
Alkeni su izomerni prema cikloalkanima (međuklasni izomerizam), na primjer:
Gotovo slobodna rotacija atoma ugljika moguća je oko jedne veze ugljik-ugljik, tako da molekule alkana mogu poprimiti različite oblike. Rotacija oko dvostruke veze je nemoguća, što dovodi do pojave druge vrste izomerizma u alkenima – geometrijske ili cis i transizomerizam.
Cis izomeri razlikovati od trans izomeri prostorni raspored molekularnih fragmenata (u ovom slučaju, metil grupa) u odnosu na ravan π-veze, i, posljedično, svojstva.
Alkenska nomenklatura
1. Odabir glavnog kola. Formiranje imena ugljikovodika počinje definicijom glavnog lanca - najdužeg lanca atoma ugljika u molekuli. U slučaju alkena, glavni lanac mora sadržavati dvostruku vezu.
2. Numeracija atoma glavnog lanca. Numeracija atoma glavnog lanca počinje od kraja kojem je dvostruka veza najbliža.
Na primjer, ispravan naziv veze je:
Ako položaj dvostruke veze ne može odrediti početak numeracije atoma u lancu, tada određuje položaj supstituenata na isti način kao i za zasićene ugljikovodike.
3. Formiranje imena. Na kraju imena navedite broj atoma ugljika na kojem počinje dvostruka veza i nastavak -en, što ukazuje da jedinjenje pripada klasi alkena. Na primjer:
Fizička svojstva alkena
Prva tri predstavnika homolognog niza alkena su gasovi; supstance sastava C5H10 - C16H32 - tečnosti; Viši alkeni su čvrste materije.
Tačke ključanja i topljenja se prirodno povećavaju s povećanjem molekularne težine spojeva.
Hemijska svojstva alkena
Reakcije sabiranja. Podsjetimo da je karakteristična karakteristika predstavnika nezasićenih ugljikovodika - alkena sposobnost ulaska u reakcije adicije. Većina ovih reakcija odvija se prema mehanizmu elektrofilni dodatak.
1. Hidrogenacija alkena. Alkeni su u stanju da dodaju vodonik u prisustvu katalizatora hidrogenacije, metala - platine, paladija, nikla:
Ova reakcija se odvija pri atmosferskom i povišenom pritisku i nije potrebna visoka temperatura, jer je egzotermna. Kada se temperatura poveća, isti katalizatori mogu izazvati obrnutu reakciju - dehidrogenaciju.
2. Halogenacija (dodatak halogena). Interakcija alkena s bromnom vodom ili otopinom broma u organskom otapalu (CC14) dovodi do brzog mijenjanja boje ovih otopina kao rezultat dodavanja molekula halogena alkenu i stvaranja dihaloalkana.
3. Hidrohalogenacija (dodatak halogen vodika).
Ova reakcija se povinuje
Kada se halogen vodika doda alkenu, vodik je vezan za više hidrogenizirani atom ugljika, odnosno atom na kojem ima više atoma vodika, a halogen za manje hidrogenirani.
4. Hidratacija (dodavanje vode). Hidratacija alkena dovodi do stvaranja alkohola. Na primjer, dodavanje vode etenu leži u osnovi jedne od industrijskih metoda za proizvodnju etil alkohola.
Imajte na umu da se primarni alkohol (sa hidrokso grupom na primarnom ugljiku) formira samo kada je eten hidratiziran. Kada se propen ili drugi alkeni hidratiziraju, nastaju sekundarnih alkohola.
Ova reakcija se takođe odvija u skladu sa Markovnikovovim pravilom - hidrogenizovanom atomu ugljika dodaje se vodonik katjon, a manje hidrogenizovanom hidrokso grupa.
5. Polimerizacija. Poseban slučaj adicije je reakcija polimerizacije alkena:
Ova reakcija adicije odvija se mehanizmom slobodnih radikala.
Reakcije oksidacije.
1. Sagorijevanje. Kao i bilo koja organska jedinjenja, alkeni sagorevaju u kiseoniku dajući CO2 i H2O:
2. Oksidacija u rastvorima. Za razliku od alkana, alkeni se lako oksidiraju djelovanjem otopina kalijevog permanganata. U neutralnim ili alkalnim otopinama, alkeni se oksidiraju u diole (dihidrične alkohole), a hidroksilne grupe su vezane za one atome između kojih je postojala dvostruka veza prije oksidacije:
Sadrže pi vezu nezasićeni ugljovodonici. Oni su derivati alkana, u čijim su molekulima eliminisana dva atoma vodika. Rezultirajuće slobodne valencije formiraju novu vrstu veze, koja se nalazi okomito na ravan molekula. Tako nastaje nova grupa jedinjenja - alkeni. U ovom članku ćemo razmotriti fizička svojstva, proizvodnju i upotrebu tvari ove klase u svakodnevnom životu i industriji.
Homologna serija etilena
Opšta formula svih jedinjenja zvanih alkeni, koja odražava njihov kvalitativni i kvantitativni sastav, je C n H 2 n. Nazivi ugljikovodika prema sistematskoj nomenklaturi imaju sljedeći oblik: u terminu odgovarajućeg alkana sufiks se mijenja iz -ane u -en, na primjer: etan - eten, propan - propen itd. U nekim izvorima možete pronaći drugo ime za spojeve ove klase - olefini. Zatim ćemo proučavati proces stvaranja dvostruke veze i fizička svojstva alkena, a također ćemo odrediti njihovu ovisnost o strukturi molekula.
Kako nastaje dvostruka veza?
Koristeći primjer etilena, elektronska priroda pi veze može se predstaviti na sljedeći način: atomi ugljika u njegovoj molekuli su u obliku sp 2 hibridizacije. U tom slučaju se formira sigma veza. Još dvije hibridne orbitale, po jedna od atoma ugljika, formiraju jednostavne sigma veze s atomima vodika. Dva preostala slobodna hibridna oblaka ugljikovih atoma preklapaju se iznad i ispod ravnine molekule - formira se pi veza. To je ono što određuje fizička i hemijska svojstva alkena, o čemu će se dalje raspravljati.
Prostorni izomerizam
Spojevi koji imaju isti kvantitativni i kvalitativni sastav molekula, ali različite prostorne strukture nazivaju se izomeri. Izomerizam se javlja u grupi supstanci koje se nazivaju organski. Karakteristike olefina su pod velikim uticajem fenomena optičke izomerije. Izražava se u činjenici da se homolozi etilena, koji sadrže različite radikale ili supstituente na svakom od dva atoma ugljika na dvostrukoj vezi, mogu pojaviti u obliku dva optička izomera. Oni se međusobno razlikuju po položaju supstituenata u prostoru u odnosu na ravan dvostruke veze. Fizička svojstva alkena u ovom slučaju će također biti drugačija. Na primjer, ovo se odnosi na tačke ključanja i topljenja tvari. Dakle, olefini sa ravnim ugljeničnim skeletom imaju više tačke ključanja od izomernih jedinjenja. Takođe, tačke ključanja cis izomera alkena su veće od trans izomera. Što se tiče temperatura topljenja, slika je suprotna.
Uporedne karakteristike fizičkih svojstava etilena i njegovih homologa
Prva tri predstavnika olefina su gasovita jedinjenja, zatim, počevši od pentena C 5 H 10 pa do alkena sa formulom C 17 H 34, to su tečnosti, a zatim i čvrste materije. Sljedeći trend se može uočiti među homolozima etena: tačke ključanja jedinjenja se smanjuju. Na primjer, za etilen ovaj indikator je -169,1°C, a za propilen -187,6°C. Ali temperature ključanja se povećavaju s povećanjem molekularne težine. Dakle, za etilen je -103,7°C, a za propen -47,7°C. Da rezimiramo ono što je rečeno, možemo izvući kratak zaključak: fizička svojstva alkena zavise od njihove molekularne težine. Sa njegovim povećanjem, stanje agregacije spojeva se mijenja u smjeru: plin - tekućina - čvrsta supstanca, a tačka topljenja se smanjuje, a tačka ključanja povećava.
Karakteristike etena
Prvi predstavnik homolognog niza alkena je etilen. To je gas, slabo rastvorljiv u vodi, ali veoma rastvorljiv u organskim rastvaračima i nema boju. Molekularna težina - 28, eten je nešto lakši od zraka, ima suptilan slatkasti miris. Lako reaguje sa halogenima, vodonikom i vodonik halogenidima. Fizička svojstva alkena i parafina su ipak prilično slična. Na primjer, stanje agregacije, sposobnost metana i etilena da se podvrgnu jakoj oksidaciji, itd. Kako se mogu razlikovati alkeni? Kako prepoznati nezasićenu prirodu olefina? U tu svrhu postoje kvalitativne reakcije na kojima ćemo se detaljnije zadržati. Prisjetimo se kakvu posebnost imaju alkeni u strukturi molekula. Fizička i hemijska svojstva ovih supstanci određena su prisustvom dvostruke veze u njihovom sastavu. Da biste dokazali njegovo prisustvo, ugljovodonični gas se propušta kroz ljubičasti rastvor kalijum permanganata ili brom vode. Ako promijene boju, to znači da spoj sadrži pi veze u svojim molekulima. Etilen ulazi u reakciju oksidacije i mijenja boju otopina KMnO 4 i Br 2.
Mehanizam reakcija adicije
Raskid dvostruke veze završava se dodavanjem atoma drugih kemijskih elemenata slobodnim valencijama ugljika. Na primjer, kada etilen reagira s vodikom, što se zove hidrogenacija, proizvodi etan. Potreban je katalizator kao što je nikl, paladijum ili platina u prahu. Reakcija sa HCl završava stvaranjem hloroetana. Alkeni koji sadrže više od dva atoma ugljika u svojim molekulima prolaze kroz dodavanje halogenovodonika uzimajući u obzir pravilo V. Markovnikova.
Kako etenski homolozi stupaju u interakciju sa vodonik halogenidima
Ako se suočimo sa zadatkom „Okarakterizirati fizička svojstva alkena i njihovu pripremu“, moramo detaljnije razmotriti pravilo V. Markovnikova. U praksi je utvrđeno da homolozi etilena reagiraju sa klorovodikom i drugim spojevima na mjestu cijepanja dvostruke veze, po određenom obrascu. Sastoji se od činjenice da je atom vodika vezan za najhidrogeniraniji atom ugljika, a ion klora, broma ili joda je vezan za atom ugljika koji sadrži najmanji broj atoma vodika. Ova karakteristika pojave reakcija adicije naziva se pravilo V. Markovnikova.
Hidratacija i polimerizacija
Nastavimo razmatrati fizička svojstva i primjenu alkena na primjeru prvog predstavnika homolognog niza - etena. Njegova reakcija sa vodom koristi se u industriji organske sinteze i od velike je praktične važnosti. Proces je prvi put sproveo u 19. veku A.M. Butlerov. Reakcija zahteva ispunjenje niza uslova. To je, prije svega, upotreba koncentrirane sumporne kiseline ili oleuma kao katalizatora i etenskog otapala, tlaka od oko 10 atm i temperature unutar 70°. Proces hidratacije odvija se u dvije faze. Prvo, na mjestu gdje je pi veza prekinuta, molekuli sulfatne kiseline se pridružuju etenu, što rezultira stvaranjem etil sumporne kiseline. Tada nastala tvar reagira s vodom da bi se dobio etil alkohol. Etanol je važan proizvod koji se koristi u prehrambenoj industriji za proizvodnju plastike, sintetičke gume, lakova i drugih organskih hemijskih proizvoda.
Polimeri na bazi olefina
Nastavljajući proučavanje pitanja korištenja tvari koje pripadaju klasi alkena, proučavat ćemo proces njihove polimerizacije, u kojem mogu sudjelovati spojevi koji u sastavu svojih molekula sadrže nezasićene kemijske veze. Postoji nekoliko vrsta reakcija polimerizacije koje proizvode proizvode visoke molekularne težine - polimere, na primjer polietilen, polipropilen, polistiren, itd. Mehanizam slobodnih radikala dovodi do proizvodnje polietilena visoke gustine. To je jedan od najčešće korištenih spojeva u industriji. Kationsko-ionski tip osigurava proizvodnju polimera sa stereoregularnom strukturom, na primjer polistirena. Smatra se jednim od najsigurnijih i najprikladnijih polimera za upotrebu. Proizvodi od polistirena su otporni na agresivne tvari: kiseline i lužine, nezapaljivi i laki za farbanje. Druga vrsta mehanizma polimerizacije je dimerizacija, koja dovodi do proizvodnje izobutena, koji se koristi kao aditiv protiv detonacije za benzin.
Metode dobijanja
Alkeni, čija fizička svojstva proučavamo, dobijaju se u laboratoriji i u industriji raznim metodama. U eksperimentima u školskom kursu organske hemije koristi se proces dehidracije etilnog alkohola uz pomoć sredstava za uklanjanje vode, na primjer, kao što su fosfor pentoksid ili sulfatna kiselina. Reakcija se odvija zagrijavanjem i suprotna je procesu za proizvodnju etanola. Još jedna uobičajena metoda za proizvodnju alkena našla je svoju primjenu u industriji, a to je: zagrijavanje halogenih derivata zasićenih ugljovodonika, na primjer hlorpropana, sa koncentriranim alkoholnim rastvorima alkalija - natrijum ili kalijum hidroksida. U reakciji se eliminira molekul klorovodika, a dvostruka veza se formira na mjestu gdje se pojavljuju slobodne valencije atoma ugljika. Krajnji proizvod hemijskog procesa biće olefin - propen. Nastavljajući s razmatranjem fizičkih svojstava alkena, zadržimo se na glavnom procesu proizvodnje olefina - pirolizi.
Industrijska proizvodnja nezasićenih ugljovodonika serije etilena
Jeftine sirovine - gasovi koji nastaju prilikom krekinga nafte, služe kao izvor za proizvodnju olefina u hemijskoj industriji. U tu svrhu koristi se tehnološka shema pirolize - cijepanje mješavine plina, što se događa s kidanjem ugljičnih veza i stvaranjem etilena, propena i drugih alkena. Piroliza se izvodi u posebnim pećima, koje se sastoje od pojedinačnih piro zavojnica. Oni stvaraju temperaturu od oko 750-1150°C i sadrže vodenu paru kao razblaživač. Reakcije se odvijaju putem lančanog mehanizma sa stvaranjem intermedijarnih radikala. Konačni proizvod je etilen ili propen, a proizvode se u velikim količinama.
Detaljno smo proučavali fizička svojstva, kao i primjenu i metode proizvodnje alkena.
Najjednostavniji alken je eten C 2 H 4. Prema IUPAC nomenklaturi, nazivi alkena se formiraju od imena odgovarajućih alkana zamjenom sufiksa “-ane” sa “-ene”; položaj dvostruke veze označen je arapskim brojem.
Prostorna struktura etilena
Po imenu prvog predstavnika ove serije - etilena - takvi ugljikovodici se nazivaju etilen.
Nomenklatura i izomerizam
Nomenklatura
Alkeni jednostavne strukture često se nazivaju zamjenom sufiksa -an u alkanima sa -ilenom: etan - etilen, propan - propilen itd.
Prema sistematskoj nomenklaturi, nazivi etilenskih ugljovodonika dobijaju se zamjenom sufiksa -an u odgovarajućim alkanima sufiksom -en (alkan - alken, etan - eten, propan - propen itd.). Izbor glavnog lanca i redosled naziva je isti kao i za alkane. Međutim, lanac mora nužno sadržavati dvostruku vezu. Numeracija lanca počinje od kraja kojem je ova veza bliža. Na primjer:
Ponekad se koriste i racionalna imena. U ovom slučaju, svi alkenski ugljikovodici se smatraju supstituiranim etilenom:
Nezasićeni (alkenski) radikali nazivaju se trivijalnim imenima ili sistematskom nomenklaturom:
H 2 C = CH - - vinil (etenil)
H 2 C \u003d CH - CH 2 - -alil (propenil-2)
izomerizam
Alkene karakteriziraju dvije vrste strukturne izomerije. Osim izomerizma povezanog sa strukturom ugljičnog skeleta (kao kod alkana), izomerizam se pojavljuje ovisno o položaju dvostruke veze u lancu. To dovodi do povećanja broja izomera u nizu alkena.
Prva dva člana homolognog niza alkena - (etilen i propilen) - nemaju izomere i njihova struktura se može izraziti na sljedeći način:
H 2 C = CH 2 etilen (eten)
H 2 C \u003d CH - CH 3 propilen (propen)
Izomerizam položaja višestruke veze
H 2 C = CH - CH 2 - CH 3 buten-1
H 3 C - CH = CH - CH 3 buten-2
Geometrijski izomerizam - cis-, trans-izomerizam.
Ovaj izomerizam je karakterističan za spojeve sa dvostrukom vezom.
Ako jednostavna σ-veza omogućava slobodnu rotaciju pojedinih karika ugljikovog lanca oko svoje ose, tada se takva rotacija ne događa oko dvostruke veze. To je razlog za pojavu geometrijskih ( cis-, trans-) izomeri.
Geometrijska izomerija je jedna od vrsta prostorne izomerije.
Izomeri u kojima se isti supstituenti (na različitim atomima ugljika) nalaze na jednoj strani dvostruke veze nazivaju se cis-izomeri, a na različite načine - trans-izomeri:
Cis- I trans- izomeri se razlikuju ne samo po prostornoj strukturi, već i po mnogim fizičkim i hemijskim svojstvima. trans- izomeri su stabilniji od cis- izomeri.
Priprema alkena
Alkeni su rijetki u prirodi. Obično se gasoviti alkeni (etilen, propilen, butileni) izoluju iz rafinerijskih gasova (u toku krekinga) ili pratećih gasova, kao i iz gasova koksanja uglja.
U industriji se alkeni dobijaju dehidrogenacijom alkana u prisustvu katalizatora (Cr 2 O 3).
Dehidrogenacija alkana
H 3 C - CH 2 - CH 2 - CH 3 → H 2 C = CH - CH 2 - CH 3 + H 2 (buten-1)
H 3 C - CH 2 - CH 2 - CH 3 → H 3 C - CH = CH - CH 3 + H 2 (buten-2)
Među laboratorijskim metodama proizvodnje mogu se istaknuti sljedeće:
1. Odvajanje halogenovodonika od halogeniranih alkila pod djelovanjem alkoholnog rastvora alkalija na njih:
2. Hidrogenacija acetilena u prisustvu katalizatora (Pd):
H-C ≡ C-H + H 2 → H 2 C = CH 2
3. Dehidracija alkohola (eliminacija vode).
Kao katalizator koriste se kiseline (sumporne ili fosforne) ili Al 2 O 3:
U takvim reakcijama vodik se odvaja od najmanje hidrogeniranog (sa najmanjim brojem atoma vodika) atoma ugljika (pravilo A.M. Zaitseva):
Fizička svojstva
Fizička svojstva nekih alkena prikazana su u donjoj tabeli. Prva tri predstavnika homolognog niza alkena (etilen, propilen i butilen) su gasovi, počev od C 5 H 10 (amilen, ili penten-1) su tečnosti, a sa C 18 H 36 su čvrste materije. Kako se molekularna težina povećava, povećavaju se tačke topljenja i ključanja. Normalni alkeni ključaju na višoj temperaturi od njihovih izomera. Tačke ključanja cis-izomeri viši od trans-izomeri, a tačke topljenja su suprotne.
Alkeni su slabo rastvorljivi u vodi (međutim, bolje od odgovarajućih alkana), ali dobro - u organskim otapalima. Etilen i propilen sagorevaju dimnim plamenom.
Fizička svojstva nekih alkena
Ime |
t pl,°S |
t kip, °C |
||
etilen (eten) |
||||
propilen (propen) |
||||
butilen (buten-1) |
||||
Cis-buten-2 |
||||
Trans-buten-2 |
||||
izobutilen (2-metilpropen) |
||||
amilena (penten-1) |
||||
heksilen (heksen-1) |
||||
heptilen (hepten-1) |
||||
okten (okten-1) |
||||
Nonilen (nonen-1) |
||||
Decylen (decene-1) |
Alkeni su blago polarni, ali se lako polariziraju.
Hemijska svojstva
Alkeni su visoko reaktivni. Njihova hemijska svojstva određena su uglavnom dvostrukom vezom ugljik-ugljik.
π-veza, kao najmanje jaka i pristupačnija, puca pod djelovanjem reagensa, a oslobođene valencije atoma ugljika troše se na vezivanje atoma koji čine molekulu reagensa. Ovo se može predstaviti kao dijagram:
Dakle, uz dodatne reakcije, dvostruka veza je prekinuta, takoreći, napola (sa očuvanjem σ-veze).
Osim adicije, alkeni također prolaze kroz reakcije oksidacije i polimerizacije.
Reakcije sabiranja
Češće se reakcije adicije odvijaju prema heterolitičkom tipu, koje su elektrofilne reakcije adicije.
1. Hidrogenacija (dodatak vodonika). Alkeni, dodavanjem vodika u prisustvu katalizatora (Pt, Pd, Ni), pretvaraju se u zasićene ugljovodonike - alkane:
H 2 C = CH 2 + H 2 → H 3 C - CH 3 (etan)
2. Halogenacija (dodatak halogena). Halogeni se lako dodaju na mjesto cijepanja dvostruke veze kako bi formirali derivate dihalogena:
H 2 C = CH 2 + Cl 2 → ClH 2 C - CH 2 Cl (1,2-dihloretan)
Dodavanje hlora i broma je lakše, a joda teže. Fluor reaguje sa alkenima, kao i sa alkanima, eksplozivno.
Uporedite: u alkenima je reakcija halogenacije proces dodavanja, a ne supstitucije (kao u alkanima).
Reakcija halogeniranja se obično izvodi u rastvaraču na uobičajenoj temperaturi.
Dodavanje broma i hlora alkenima odvija se ionskim, a ne radikalnim mehanizmom. Ovaj zaključak proizilazi iz činjenice da brzina dodavanja halogena ne zavisi od zračenja, prisustva kiseonika i drugih reagenasa koji pokreću ili inhibiraju radikalne procese. Na osnovu velikog broja eksperimentalnih podataka predložen je mehanizam za ovu reakciju, uključujući nekoliko uzastopnih faza. U prvoj fazi dolazi do polarizacije molekula halogena pod dejstvom elektrona π-veze. Atom halogena, koji zadobije određeni frakcioni pozitivni naboj, formira nestabilan međuprodukt sa elektronima π veze, koji se naziva π kompleks ili kompleks za prijenos naboja. Treba napomenuti da u π-kompleksu halogen ne formira usmjerenu vezu ni sa jednim specifičnim atomom ugljika; u ovom kompleksu se jednostavno ostvaruje interakcija donor-akceptor elektronskog para π veze kao donora i halogena kao akceptora.
π-kompleks se zatim transformiše u ciklični bromonijum jon. Tokom formiranja ovog cikličkog kationa dolazi do heterolitičkog cijepanja Br-Br veze i pražnjenja R-sp 2 orbitala hibridizovanog atoma ugljenika se preklapa sa R-orbitala “usamljenog para” elektrona atoma halogena, formirajući ciklični bromonijum jon.
U posljednjoj, trećoj fazi, brom anion, kao nukleofilni agens, napada jedan od atoma ugljika bromonijevog jona. Nukleofilni napad bromidnog jona dovodi do otvaranja tročlanog prstena i stvaranja vicinalnog dibromida ( vic-blizu). Ovaj korak se formalno može smatrati nukleofilnom supstitucijom SN 2 na atomu ugljika, gdje je odlazeća grupa Br +.
Rezultat ove reakcije nije teško predvidjeti: brom anion napada karbokatation i formira dibromoetan.
Brza dekolorizacija otopine broma u CCl4 služi kao jedan od najjednostavnijih testova za nezasićenost, budući da alkeni, alkini i dieni brzo reagiraju s bromom.
Dodatak broma alkenima (reakcija bromiranja) je kvalitativna reakcija na zasićene ugljovodonike. Kada se nezasićeni ugljovodonici propuštaju kroz bromsku vodu (rastvor broma u vodi), žuta boja nestaje (u slučaju zasićenih ugljovodonika ostaje).
3. Hidrohalogenizacija (dodatak vodonik halogenida). Alkeni lako dodaju vodonik halogenide:
H 2 C = CH 2 + HBr → H 3 C - CH 2 Br
Dodavanje halogenovodonika homolozima etilena slijedi pravilo V. V. Markovnikova (1837. - 1904.): u normalnim uvjetima, vodik halogenovodonika se dodaje na mjesto dvostruke veze najhidrogenizovanijem atomu ugljika, a halogen u ono manje hidrogenizovano:
Markovnikovo pravilo se može objasniti činjenicom da je u nesimetričnim alkenima (na primjer, u propilenu) elektronska gustina neravnomjerno raspoređena. Pod uticajem metilne grupe koja je direktno vezana za dvostruku vezu, gustoća elektrona se pomera prema ovoj vezi (na najudaljenijem atomu ugljenika).
Kao rezultat ovog pomaka, p-veza je polarizirana i djelomični naboji nastaju na atomima ugljika. Lako je zamisliti da će se pozitivno nabijeni vodikov ion (proton) vezati za atom ugljika (elektrofilna adicija) koji ima djelomično negativan naboj, a anion broma će se vezati za ugljik koji ima djelomično pozitivan naboj.
Ovaj dodatak je posljedica međusobnog utjecaja atoma u organskom molekulu. Kao što znate, elektronegativnost atoma ugljika je nešto veća od one vodonika.
Stoga, u metilnoj grupi postoji određena polarizacija C-H σ veza povezana s pomakom u gustini elektrona od atoma vodika ka ugljiku. Zauzvrat, to uzrokuje povećanje elektronske gustoće u području dvostruke veze, a posebno na njenom najudaljenijem atomu. Dakle, metil grupa, kao i druge alkil grupe, djeluje kao donor elektrona. Međutim, u prisustvu peroksidnih spojeva ili O 2 (kada je reakcija radikalna), ova reakcija može biti i protiv Markovnikovovog pravila.
Iz istih razloga, Markovnikovo pravilo se uočava kada se nesimetričnim alkenima dodaju ne samo halogenvodiki, već i drugi elektrofilni reagensi (H 2 O, H 2 SO 4, HOCl, ICl, itd.).
4. Hidratacija (dodavanje vode). U prisustvu katalizatora, voda se dodaje alkenima da bi se formirali alkoholi. Na primjer:
H 3 C - CH = CH 2 + H - OH → H 3 C - CHOH - CH 3 (izopropil alkohol)
Reakcije oksidacije
Alkeni se oksidiraju lakše od alkana. Proizvodi koji nastaju tokom oksidacije alkena i njihova struktura zavise od strukture alkena i od uslova ove reakcije.
1. Sagorijevanje
H 2 C = CH 2 + 3O 2 → 2SO 2 + 2H 2 O
2. Nepotpuna katalitička oksidacija
3. Oksidacija na običnoj temperaturi. Kada se etilen izloži vodenom rastvoru KMnO4 (u normalnim uslovima, u neutralnom ili alkalnom okruženju - Wagnerova reakcija), nastaje dvohidrični alkohol - etilen glikol:
3H 2 C = CH 2 + 2KMnO 4 + 4H 2 O → 3HOCH 2 - CH 2 OH (etilen glikol) + 2MnO 2 + KOH
Ova reakcija je kvalitativna: ljubičasta boja otopine kalijevog permanganata se mijenja kada joj se doda nezasićeno jedinjenje.
U težim uslovima (oksidacija KMnO4 u prisustvu sumporne kiseline ili smeše hroma), dvostruka veza u alkenu se raskida i formira produkte koji sadrže kiseonik:
H 3 C - CH = CH - CH 3 + 2O 2 → 2H 3 C - COOH (octena kiselina)
Reakcija izomerizacije
Kada se zagreju ili u prisustvu katalizatora, alkeni su sposobni za izomerizaciju – dolazi do pomeranja dvostruke veze ili uspostavljanja izostrukture.
Reakcije polimerizacije
Razbijanjem π veza, molekuli alkena se mogu povezati jedni s drugima, formirajući dugolančane molekule.
Pojava u prirodi i fiziološka uloga alkena
Aciklični alkeni se praktično nikada ne nalaze u prirodi. Najjednostavniji predstavnik ove klase organskih spojeva - etilen C 2 H 4 - je hormon za biljke i sintetizira se u njima u malim količinama.
Jedan od rijetkih prirodnih alkena je muskalur ( cis- tricosen-9) je seksualni atraktant ženki kućne muhe (Musca domestica).
Niži alkeni u visokim koncentracijama imaju narkotički učinak. Viši članovi serije takođe izazivaju konvulzije i iritaciju sluzokože respiratornog trakta
Pojedinačni predstavnici
Etilen (eten) je organsko hemijsko jedinjenje opisano formulom C 2 H 4. To je najjednostavniji alken. Sadrži dvostruku vezu i stoga spada u nezasićene ili nezasićene ugljovodonike. Ima izuzetno važnu ulogu u industriji, a također je i fitohormon (organske tvari niske molekularne težine koje proizvode biljke i imaju regulatorne funkcije).
Etilen - izaziva anesteziju, ima iritativno i mutageno dejstvo.
Etilen je najviše proizvedeno organsko jedinjenje na svetu; Ukupna globalna proizvodnja etilena u 2008. godini iznosila je 113 miliona tona i nastavlja da raste za 2-3% godišnje.
Etilen je vodeći proizvod osnovne organske sinteze i koristi se za proizvodnju polietilena (1. mjesto, do 60% ukupne zapremine).
Polietilen je termoplastični polimer etilena. Najčešća plastika na svijetu.
To je voštana masa bijele boje (tanki listovi su providni i bezbojni). Otporan na hemikalije i mraz, izolator, nije osetljiv na udar (amortizer), omekšava pri zagrevanju (80-120°C), stvrdnjava pri hlađenju, adhezija (adhezija površina različitih čvrstih i/ili tečnih tela) je izuzetno niska. Ponekad se u narodnoj svijesti poistovjećuje s celofanom - sličnim materijalom biljnog porijekla.
Propilen - izaziva anesteziju (jaču od etilena), ima opće toksično i mutageno djelovanje.
Otporan na vodu, ne reaguje sa alkalijama bilo koje koncentracije, sa rastvorima neutralnih, kiselih i baznih soli, organskih i anorganskih kiselina, čak i koncentrovane sumporne kiseline, ali se razlaže pod dejstvom 50% azotne kiseline na sobnoj temperaturi i pod uticajem tečnog i gasovitog hlora i fluora. Vremenom dolazi do termičkog starenja.
Plastična folija (posebno folija za pakovanje, kao što je folija ili traka).
Kontejneri (flaše, tegle, kutije, kanisteri, kante za zalivanje bašte, saksije.
Polimerne cijevi za kanalizaciju, odvodnju, vodovod i plin.
Električni izolacijski materijal.
Polietilenski prah se koristi kao ljepilo za topljenje.
Buten-2 - izaziva anesteziju i ima iritirajući učinak.
Tema lekcije: Alkenes. Priprema, hemijska svojstva i primena alkena.
Ciljevi i zadaci lekcije:
- pregledati specifična hemijska svojstva etilena i opšta svojstva alkena;
- produbiti i konkretizovati pojmove?-veze i mehanizme hemijskih reakcija;
- dati početne ideje o reakcijama polimerizacije i strukturi polimera;
- analizirati laboratorijske i opšte industrijske metode za proizvodnju alkena;
- nastaviti razvijati sposobnost rada sa udžbenikom.
Oprema: uređaj za proizvodnju gasova, rastvor KMnO 4, etil alkohol, koncentrovana sumporna kiselina, šibice, alkoholna lampa, pesak, tabele „Struktura molekula etilena“, „Osnovne hemijske osobine alkena“, demonstracioni uzorci „Polimeri“.
TOKOM NASTAVE
I. Organizacioni momenat
Nastavljamo sa proučavanjem homolognog niza alkena. Danas moramo pogledati metode pripreme, hemijska svojstva i primjenu alkena. Moramo okarakterizirati kemijska svojstva uzrokovana dvostrukom vezom, steći početno razumijevanje reakcija polimerizacije i razmotriti laboratorijske i industrijske metode za proizvodnju alkena.
II. Aktiviranje znanja učenika
- Koji se ugljovodonici nazivaju alkeni?
- Koje su karakteristike njihove strukture?
- U kojem su hibridnom stanju atomi ugljika koji tvore dvostruku vezu u molekulu alkena?
Zaključak: alkeni se razlikuju od alkana po prisutnosti jedne dvostruke veze u njihovim molekulima, što određuje posebnosti hemijskih svojstava alkena, metode njihove pripreme i upotrebe.
III. Učenje novog gradiva
1. Metode za proizvodnju alkena
Sastaviti jednadžbe reakcije koje potvrđuju metode za proizvodnju alkena
– kreking alkana C 8 H 18 ––> C 4 H 8 + C 4 H 10 ; (termičko pucanje na 400-700 o C)
oktan buten butan
– dehidrogenacija alkana C 4 H 10 ––> C 4 H 8 + H 2; (t, Ni)
butan buten vodonik
– dehidrohalogenacija haloalkana C 4 H 9 Cl + KOH ––> C 4 H 8 + KCl + H 2 O;
hlorobutan hidroksid buten hlorid voda
kalijum kalijum
– dehidrohalogenacija dihaloalkana 
– dehidratacija alkohola C 2 H 5 OH ––> C 2 H 4 + H 2 O (kada se zagrije u prisustvu koncentrovane sumporne kiseline)
Zapamtite!
U reakcijama dehidrogenacije, dehidracije, dehidrohalogenacije i dehalogenacije, mora se imati na umu da se vodik prvenstveno apstrahuje od manje hidrogeniranih ugljikovih atoma (Zaitsevovo pravilo, 1875.)
2. Hemijska svojstva alkena
Priroda veze ugljik-ugljik određuje vrstu kemijskih reakcija u koje ulaze organske tvari. Prisutnost dvostruke veze ugljik-ugljik u molekulama etilenskih ugljovodonika određuje sljedeće karakteristike ovih spojeva:
– prisustvo dvostruke veze omogućava da se alkeni klasifikuju kao nezasićena jedinjenja. Njihova transformacija u zasićene moguća je samo kao rezultat reakcija adicije, što je glavna karakteristika hemijskog ponašanja olefina;
– dvostruka veza predstavlja značajnu koncentraciju elektronske gustine, pa su reakcije adicije elektrofilne prirode;
– dvostruka veza se sastoji od jedne i jedne veze, koja se prilično lako polarizira.
Jednačine reakcije koje karakterišu hemijska svojstva alkena
a) Reakcije sabiranja
Zapamtite! Reakcije supstitucije su karakteristične za alkane i više cikloalkane koji imaju samo jednostruke veze; reakcije adicije su karakteristične za alkene, diene i alkine koji imaju dvostruke i trostruke veze.
Zapamtite! Mogući su sljedeći mehanizmi za prekid veze:
a) ako su alkeni i reagens nepolarna jedinjenja, tada se -veza raskida i formira slobodni radikal:
H 2 C = CH 2 + H: H ––> + +
b) ako su alken i reagens polarna jedinjenja, onda cepanje -veze dovodi do stvaranja jona:
c) kada se reagensi koji sadrže atome vodika u molekulu spoje na mjestu prekinute veze, vodonik se uvijek veže za hidrogenizovaniji atom ugljika (Morkovnikovo pravilo, 1869).
– reakcija polimerizacije nCH 2 = CH 2 ––> n – CH 2 – CH 2 –– > (– CH 2 – CH 2 –)n
eten polietilen
b) reakcija oksidacije
Laboratorijsko iskustvo. Nabavite etilen i proučite njegova svojstva (upute na studentskim stolovima)
Upute za dobivanje etilena i eksperimente s njim
1. Stavite 2 ml koncentrovane sumporne kiseline, 1 ml alkohola i malu količinu peska u epruvetu.
2. Zatvorite epruvetu čepom sa cevčicom za odvod gasa i zagrejte je u plamenu alkoholne lampe.
3. Ispušteni gas propuštati kroz rastvor sa kalijum permanganatom. Obratite pažnju na promjenu boje otopine.
4. Zapalite plin na kraju cijevi za izlaz plina. Obratite pažnju na boju plamena.
– alkeni gore blistavim plamenom. (Zašto?)
C 2 H 4 + 3O 2 ––> 2CO 2 + 2H 2 O (sa potpunom oksidacijom, produkti reakcije su ugljični dioksid i voda)
Kvalitativna reakcija: “blaga oksidacija (u vodenom rastvoru)”
– alkeni obezbojavaju rastvor kalijum permanganata (Wagnerova reakcija)
U težim uslovima u kiseloj sredini, produkti reakcije mogu biti karboksilne kiseline, na primer (u prisustvu kiselina):
CH 3 – CH = CH 2 + 4 [O] ––> CH 3 COOH + HCOOH
– katalitička oksidacija
Zapamtite glavnu stvar!
1. Nezasićeni ugljovodonici aktivno učestvuju u reakcijama adicije.
2. Reaktivnost alkena je zbog činjenice da se veza lako prekida pod uticajem reagensa.
3. Kao rezultat adicije dolazi do prijelaza atoma ugljika iz sp 2 u sp 3 - dolazi do hibridnog stanja. Produkt reakcije ima ograničavajući karakter.
4. Kada se etilen, propilen i drugi alkeni zagrevaju pod pritiskom ili u prisustvu katalizatora, njihovi pojedinačni molekuli se kombinuju u dugačke lance – polimere. Polimeri (polietilen, polipropilen) su od velike praktične važnosti.
3. Primena alkena(učenička poruka prema sljedećem planu).
1 – proizvodnja goriva sa visokim oktanskim brojem;
2 – plastika;
3 – eksploziv;
4 – antifriz;
5 – rastvarači;
6 – za ubrzanje sazrevanja plodova;
7 – proizvodnja acetaldehida;
8 – sintetička guma.
III. Učvršćivanje naučenog materijala
Zadaća:§§ 15, 16, pr. 1, 2, 3, str. 4, 5, str.
Za alkene, najtipičnije reakcije nastaju zbog otvaranja slabije π veze. U ovom slučaju, π veza (u originalnom alkenu) se pretvara u σ vezu u produktu reakcije. Izvorni nezasićeni spoj se pretvara u zasićen bez stvaranja drugih proizvoda, tj. idereakcija adicije.
Koji je mehanizam reakcija adicije na alkene?
1. Zbog elektrona π veze, molekuli alkena imaju područje povećane elektronske gustine (oblak π elektrona iznad i ispod ravni molekula):
Stoga je dvostruka veza sklona napadu elektrofilnog reagensa (sa nedostatkom elektrona). U tom slučaju će doći do heterolitičkog cijepanja π veze i reakcija će se nastaviti jonski mehanizam kao elektrofilna adicija.
Mehanizam elektrofilnog dodavanja označen je simbolom Ad E
(prema prvim slovima engleskih termina: Ad – dodatak [prilog],
E - elektrofil [elektrofil]).
2. S druge strane, ugljik-ugljik π veza, budući da je nepolarna, može se homolitički prekinuti i tada će se reakcija nastaviti radikalan mehanizam.
Mehanizam radikalnog sabiranja označen je simbolom Ad R
(R – radikal – radikal).
Mehanizam dodavanja zavisi od uslova reakcije.
Osim toga, alkene karakteriziraju reakcije izomerizacija I oksidacija(uključujući reakciju gori, karakterističan za sve ugljovodonike).
Reakcije adicije na alkene
Alkeni prolaze kroz razne reakcije adicije.
1. Hidrogenacija (dodatak vodonika)
Alkeni reaguju sa vodonikom kada se zagrevaju i pod povišenim pritiskom u prisustvu katalizatora (Pt, Pd, Ni, itd.) da bi formirali alkane:
Hidrogenacija alkena - reverzna reakcija dehidrogenacija alkana. Prema Le Chatelierov princip, hidrogenaciji pogoduje povećani pritisak, jer ova reakcija je praćena smanjenjem zapremine sistema.
Dodavanje vodika atomima ugljika u alkenima dovodi do smanjenja njihovog oksidacijskog stanja:
Stoga se hidrogenacija alkena klasifikuje kao reakcija redukcije. Ova reakcija se industrijski koristi za proizvodnju visokooktanskog goriva.
2. Halogenacija (dodatak halogena)
Dodavanje halogena na C=C dvostrukoj vezi se lako odvija u normalnim uslovima (na sobnoj temperaturi, bez katalizatora). Na primjer, brza promjena boje crveno-smeđe boje otopine broma u vodi (bromna voda) služi kao kvalitativna reakcija na prisutnost dvostruke veze:
Dakle, u reakciji HCl sa propilenom, iz dva moguća strukturna izomera 1-kloropropana i 2-kloropropana, nastaje potonji:
Ovaj obrazac je u početku ustanovljen empirijski. U savremenoj organskoj hemiji dato je teorijsko opravdanje Markovnikovljevog pravila na osnovu položaja uticaja elektronske strukture molekula na njihovu reaktivnost.
Treba napomenuti da se Markovnikovo pravilo u svojoj klasičnoj formulaciji primjećuje samo za elektrofilne reakcije samih alkena. U slučaju nekih derivata alkena ili kada se promijeni mehanizam reakcije, protiv pravila Markovnikova.
4. Hidratacija(priključak za vodu)
Hidratacija se javlja u prisustvu mineralnih kiselina mehanizmom elektrofilnog dodavanja:
U reakcijama nesimetričnih alkena primećuje se Markovnikovovo pravilo.
1. Polimerizacija– reakcija stvaranja spoja visoke molekularne težine (polimera) uzastopnim dodavanjem molekula tvari male molekulske mase (monomera) prema shemi:
n M M n
Broj n u formuli polimera ( M n ) se naziva stepen polimerizacije. Reakcije polimerizacije alkena nastaju adicijom preko više veza:
2. Dimerizacijaalkeni - formiranje dimera (dvostruke molekule) kao rezultat reakcije adicije. U prisustvu mineralne kiseline (donator protona H + ) dvostrukoj vezi molekula alkena se dodaje proton. Ovo stvara karbokat:
"Dimerni karbokation" se stabilizuje oslobađanjem protona, što dovodi do proizvoda dimerizacije alkena - mješavine izomernih diizobutilena (2,4,4-trimetilpenten-2 i 2,4,4-trimetilpenten-1) :
Ovaj proces se dešava kada se izobutilen (2-metilpropen) tretira sa 60% sumpornom kiselinom na temperaturi od 70°C. Rezultirajuća mješavina diizobutilena se hidrogenira kako bi se dobio "izooktan" (2,2,4-trimetilpentan), koji se koristi za poboljšanje sposobnosti benzina protiv detonacije ("izooktan" je standardno motorno gorivo od 100 oktana).
