Αλκένια (ολεφίνες, υδρογονάνθρακες αιθυλενίου ντο n H 2n
Ομόλογη σειρά.
|
αιθένιο (αιθυλένιο) | |
Το απλούστερο αλκένιο είναι το αιθυλένιο (C 2 H 4). Σύμφωνα με την ονοματολογία IUPAC, τα ονόματα των αλκενίων σχηματίζονται από τα ονόματα των αντίστοιχων αλκανίων αντικαθιστώντας το επίθημα «-ane» με «-ene». Η θέση του διπλού δεσμού υποδεικνύεται με έναν αραβικό αριθμό.
Οι ρίζες υδρογονάνθρακα που σχηματίζονται από αλκένια έχουν το επίθημα "-enil". Ασήμαντα ονόματα: CH 2 =CH- "βινύλι", CH 2 =CH-CH 2 - "αλλύλιο".
Τα άτομα άνθρακα στον διπλό δεσμό βρίσκονται σε κατάσταση υβριδισμού sp2 και έχουν γωνία δεσμού 120°.
Τα αλκένια χαρακτηρίζονται από ισομέρεια του ανθρακικού σκελετού, θέσεις διπλού δεσμού, διακλαδικές και χωρικές.
Φυσικές ιδιότητες
Τα σημεία τήξης και βρασμού των αλκενίων (απλοποιημένα) αυξάνονται με το μοριακό βάρος και το μήκος της ραχοκοκαλιάς του άνθρακα.
Υπό κανονικές συνθήκες, τα αλκένια από C 2 H 4 έως C 4 H 8 είναι αέρια. από πεντένιο C 5 H 10 έως εξαδεκένιο C 17 H 34 συμπεριλαμβανομένων - υγρά, και ξεκινώντας από οκταδεκένιο C 18 H 36 - στερεά. Τα αλκένια είναι αδιάλυτα στο νερό, αλλά είναι πολύ διαλυτά σε οργανικούς διαλύτες.
Αφυδρογόνωση αλκανίων
Αυτή είναι μια από τις βιομηχανικές μεθόδους για την παραγωγή αλκενίων
Υδρογόνωση αλκυνίων
Η μερική υδρογόνωση των αλκυνίων απαιτεί ειδικές συνθήκες και την παρουσία καταλύτη
Ένας διπλός δεσμός είναι ένας συνδυασμός δεσμών σίγμα και π. Ένας δεσμός σίγμα εμφανίζεται όταν τα τροχιακά sp2 επικαλύπτονται αξονικά και ένας δεσμός pi εμφανίζεται όταν υπάρχει πλευρική επικάλυψη.
Ο κανόνας του Zaitsev:
Η αφαίρεση ενός ατόμου υδρογόνου στις αντιδράσεις απομάκρυνσης γίνεται κυρίως από το λιγότερο υδρογονωμένο άτομο άνθρακα.
13. Αλκένια. Δομή. sp 2 υβριδισμός, πολλαπλές παράμετροι σύζευξης. Αντιδράσεις ηλεκτροφιλικής προσθήκης αλογόνων, υδραλογονιδίων, υποχλωριώδους οξέος. Ενυδάτωση αλκενίων. Ο κανόνας του Μορκόβνικοφ. Μηχανισμοί αντιδράσεων.
Αλκένια (ολεφίνες, υδρογονάνθρακες αιθυλενίου) - άκυκλοι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες που περιέχουν έναν διπλό δεσμό μεταξύ ατόμων άνθρακα, σχηματίζοντας μια ομόλογη σειρά με τον γενικό τύπο ντο n H 2n
Ένα s- και 2 p-τροχιακά αναμιγνύονται και σχηματίζουν 2 ισοδύναμα sp2-υβριδικά τροχιακά που βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο υπό γωνία 120.
Αν ένας δεσμός σχηματίζεται από περισσότερα από ένα ζευγάρια ηλεκτρονίων, τότε ονομάζεται πολλαπλούς.
Ένας πολλαπλός δεσμός σχηματίζεται όταν υπάρχουν πολύ λίγα ηλεκτρόνια και άτομα δεσμού για κάθε τροχιακό σθένους που σχηματίζει δεσμό του κεντρικού ατόμου ώστε να επικαλύπτεται με οποιοδήποτε τροχιακό του περιβάλλοντος ατόμου.
Ηλεκτρόφιλες αντιδράσεις προσθήκης
Σε αυτές τις αντιδράσεις, το σωματίδιο που επιτίθεται είναι ένα ηλεκτρόφιλο.
Αλογόνωση:
Υδροαλογόνωση
Ηλεκτρόφιλη προσθήκη υδραλογονιδίων στα αλκένια συμβαίνει σύμφωνα με τον κανόνα του Markovnikov
Κανόνας Markovnikov
Προσθήκη υποχλωριώδους οξέος για σχηματισμό χλωροϋδρινών:
Ενυδάτωση
Η προσθήκη νερού στα αλκένια γίνεται παρουσία θειικού οξέος:
Καρβοκατιόν- ένα σωματίδιο στο οποίο ένα θετικό φορτίο συγκεντρώνεται στο άτομο άνθρακα· το άτομο άνθρακα έχει ένα κενό ρ-τροχιακό.
14. Υδρογονάνθρακες αιθυλενίου. Χημικές ιδιότητες: αντιδράσεις με οξειδωτικά μέσα. Καταλυτική οξείδωση, αντίδραση με υπεροξέα, αντίδραση οξείδωσης σε γλυκόλες, με διάσπαση του δεσμού άνθρακα-άνθρακα, οζονισμός. Διαδικασία Wacker. Αντιδράσεις υποκατάστασης.
Αλκένια (ολεφίνες, υδρογονάνθρακες αιθυλενίου) - άκυκλοι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες που περιέχουν έναν διπλό δεσμό μεταξύ ατόμων άνθρακα, σχηματίζοντας μια ομόλογη σειρά με τον γενικό τύπο ντο n H 2n
Οξείδωση
Η οξείδωση των αλκενίων μπορεί να συμβεί, ανάλογα με τις συνθήκες και τους τύπους των οξειδωτικών αντιδραστηρίων, τόσο με τη διάσπαση του διπλού δεσμού όσο και με τη διατήρηση του ανθρακικού σκελετού.
Όταν καίγονται στον αέρα, οι ολεφίνες παράγουν διοξείδιο του άνθρακα και νερό.
H 2 C=CH 2 + 3O 2 => 2CO 2 + 2H 2 O
ντο n H 2n+ 3n/O 2 => nCO 2 + nH 2 O – γενικός τύπος
Καταλυτική οξείδωση
Παρουσία αλάτων παλλαδίου, το αιθυλένιο οξειδώνεται σε ακεταλδεΰδη. Η ακετόνη σχηματίζεται από το προπένιο με τον ίδιο τρόπο.
Όταν τα αλκένια εκτίθενται σε ισχυρούς οξειδωτικούς παράγοντες (KMnO 4 ή K 2 Cr 2 O 7 σε H 2 SO 4 ), ο διπλός δεσμός σπάει όταν θερμαίνεται:
Όταν τα αλκένια οξειδώνονται με αραιό διάλυμα υπερμαγγανικού καλίου, σχηματίζονται διυδρικές αλκοόλες - γλυκόλες (αντίδραση E.E. Wagner). Η αντίδραση γίνεται στο κρύο.
Τα άκυκλα και τα κυκλικά αλκένια, όταν αντιδρούν με υπεροξέα RCOOOH σε μη πολικό περιβάλλον, σχηματίζουν εποξείδια (οξιράνες), επομένως η ίδια η αντίδραση ονομάζεται αντίδραση εποξείδωσης.
Οζονισμός αλκενίων.
Όταν τα αλκένια αλληλεπιδρούν με το όζον, σχηματίζονται ενώσεις υπεροξειδίου, οι οποίες ονομάζονται οζονίδια. Η αντίδραση των αλκενίων με το όζον είναι η πιο σημαντική μέθοδος για την οξειδωτική διάσπαση των αλκενίων στον διπλό δεσμό
Τα αλκένια δεν υφίστανται αντιδράσεις υποκατάστασης.
Διαδικασία Wacker-η διαδικασία παραγωγής ακεταλδεΰδης με άμεση οξείδωση του αιθυλενίου.
Η διαδικασία Wacker βασίζεται στην οξείδωση του αιθυλενίου με διχλωριούχο παλλάδιο:
CH 2 = CH 2 + PdCl 2 + H 2 O = CH 3 CHO + Pd + 2HCl
15. Αλκένια: χημικές ιδιότητες. Υδρογόνωση. Ο κανόνας του Λεμπέντεφ. Ισομερισμός και ολιγομερισμός αλκενίων. Ριζικός και ιοντικός πολυμερισμός. Η έννοια του πολυμερούς, ολιγομερούς, μονομερούς, στοιχειώδους μονάδας, βαθμός πολυμερισμού. Τελομερισμός και συμπολυμερισμός.
Υδρογόνωση
Η υδρογόνωση των αλκενίων απευθείας με υδρογόνο συμβαίνει μόνο παρουσία καταλύτη. Οι καταλύτες υδρογόνωσης περιλαμβάνουν την πλατίνα, το παλλάδιο και το νικέλιο.
Η υδρογόνωση μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί στην υγρή φάση με ομογενείς καταλύτες
Αντιδράσεις ισομερισμού
Όταν θερμαίνεται, είναι δυνατός ο ισομερισμός των μορίων αλκενίου, ο οποίος
μπορεί να οδηγήσει τόσο σε κίνηση διπλού δεσμού όσο και σε σκελετικές αλλαγές
υδρογονάνθραξ.
CH2=CH-CH2-CH3 CH3-CH=CH-CH3
Αντιδράσεις πολυμερισμού
Αυτός είναι ένας τύπος αντίδρασης προσθήκης. Ο πολυμερισμός είναι η αντίδραση διαδοχικού συνδυασμού πανομοιότυπων μορίων σε μεγαλύτερα μόρια, χωρίς να απομονώνεται κανένα προϊόν χαμηλού μοριακού βάρους. Κατά τη διάρκεια του πολυμερισμού, ένα άτομο υδρογόνου προστίθεται στο πιο υδρογονωμένο άτομο άνθρακα που βρίσκεται στον διπλό δεσμό και το υπόλοιπο του μορίου προστίθεται στο άλλο άτομο άνθρακα.
CH2=CH2 + CH2=CH2 + ... -CH2-CH2-CH2-CH2- ...
ή n CH2=CH2 (-CH2-CH2-)n (πολυαιθυλένιο)
Μια ουσία της οποίας τα μόρια υφίστανται αντίδραση πολυμερισμού ονομάζεται μονομερές. Ένα μόριο μονομερούς πρέπει να έχει τουλάχιστον έναν διπλό δεσμό. Τα πολυμερή που προκύπτουν αποτελούνται από μεγάλο αριθμό επαναλαμβανόμενων αλυσίδων που έχουν την ίδια δομή ( στοιχειώδεις μονάδες).Ο αριθμός που δείχνει πόσες φορές μια δομική (στοιχειώδης) μονάδα επαναλαμβάνεται σε ένα πολυμερές ονομάζεται βαθμό πολυμερισμού(ν).
Ανάλογα με τον τύπο των ενδιάμεσων σωματιδίων που σχηματίζονται κατά τον πολυμερισμό, υπάρχουν 3 μηχανισμοί πολυμερισμού: α) ριζικός. β) κατιονικό; γ) ανιονικό.
Η πρώτη μέθοδος παράγει πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας:
Ο καταλύτης της αντίδρασης είναι τα υπεροξείδια.
Η δεύτερη και η τρίτη μέθοδος περιλαμβάνουν τη χρήση οξέων (κατιονικός πολυμερισμός) και οργανομεταλλικών ενώσεων ως καταλυτών.
Στη χημεία ολιγομερές) - ένα μόριο με τη μορφή αλυσίδας του μικρόαριθμός ταυτόσημων συστατικών συνδέσμων.
Τελομερισμός
Ο τελομερισμός είναι ο ολιγομερισμός αλκενίων παρουσία παραγόντων μεταφοράς αλυσίδας (τελογόνα). Ως αποτέλεσμα της αντίδρασης, σχηματίζεται ένα μείγμα ολιγομερών (τελομερών), των οποίων οι ακραίες ομάδες είναι μέρη του τελογόνου. Για παράδειγμα, στην αντίδραση του CCl4 με το αιθυλένιο, το τελογόνο είναι CCl4.
CCl 4 + nCH 2 = CH 2 => Cl(CH 2 CH 2) n CCl 3
Η έναρξη αυτών των αντιδράσεων μπορεί να πραγματοποιηθεί με εκκινητές ριζών ή g-ακτινοβολία.
16. Αλκένια. Αντιδράσεις ριζικής προσθήκης αλογόνων και υδραλογονιδίων (μηχανισμός). Προσθήκη καρβενίων στις ολεφίνες. Αιθυλένιο, προπυλένιο, βουτυλένια. Βιομηχανικές πηγές και κύριες χρήσεις.
Τα αλκένια προσθέτουν εύκολα αλογόνα, ιδιαίτερα χλώριο και βρώμιο (αλογόνωση).
Μια τυπική αντίδραση αυτού του τύπου είναι ο αποχρωματισμός του βρωμιούχου νερού
CH2=CH2 + Br2 → CH2Br-CH2Br (1,2-διβρωμοαιθάνιο)
Ηλεκτρόφιλη προσθήκη υδραλογονιδίων στα αλκένια συμβαίνει σύμφωνα με τον κανόνα του Markovnikov:
Κανόνας Markovnikov: Κατά την προσθήκη πρωτικών οξέων ή νερού σε ασύμμετρα αλκένια ή αλκίνια, προστίθεται υδρογόνο στο πιο υδρογονωμένο άτομο άνθρακα
Ένα υδρογονωμένο άτομο άνθρακα είναι αυτό που έχει υδρογόνο συνδεδεμένο σε αυτό. Πιο υδρογονωμένο - όπου υπάρχει περισσότερο H
Αντιδράσεις προσθήκης καρβενίου
CR 2 καρβένια: - εξαιρετικά αντιδραστικά βραχύβια είδη που μπορούν εύκολα να προστεθούν στον διπλό δεσμό των αλκενίων. Ως αποτέλεσμα της αντίδρασης προσθήκης καρβενίου, σχηματίζονται παράγωγα κυκλοπροπανίου
Το αιθυλένιο είναι μια οργανική χημική ουσία που περιγράφεται με τον τύπο C 2 H 4. Είναι το απλούστερο αλκένιο ( ολεφίνη)χημική ένωση. Υπό κανονικές συνθήκες, είναι ένα άχρωμο εύφλεκτο αέριο με ελαφριά οσμή. Μερικώς διαλυτό στο νερό. Περιέχει διπλό δεσμό και επομένως ανήκει σε ακόρεστους ή ακόρεστους υδρογονάνθρακες. Παίζει εξαιρετικά σημαντικό ρόλο στη βιομηχανία. Το αιθυλένιο είναι η πιο παραγόμενη οργανική ένωση στον κόσμο: Αιθυλενοξείδιο; πολυαιθυλένιο, οξικό οξύ, αιθυλική αλκοόλη.
Βασικές χημικές ιδιότητες(μη με διδάσκετε, απλώς αφήστε τους να είναι εκεί για κάθε περίπτωση, σε περίπτωση που μπορούν να το διαγράψουν)
Το αιθυλένιο είναι μια χημικά δραστική ουσία. Δεδομένου ότι υπάρχει διπλός δεσμός μεταξύ των ατόμων άνθρακα στο μόριο, ένα από αυτά, το οποίο είναι λιγότερο ισχυρό, σπάει εύκολα και στη θέση του δεσμού σπάει η προσκόλληση, η οξείδωση και ο πολυμερισμός των μορίων.
Αλογόνωση:
CH 2 =CH 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br
Το βρώμιο νερό αποχρωματίζεται. Αυτή είναι μια ποιοτική αντίδραση σε ακόρεστες ενώσεις.
Υδρογόνωση:
CH 2 = CH 2 + H - H → CH 3 - CH 3 (υπό την επίδραση του Ni)
Υδροαλογόνωση:
CH 2 =CH 2 + HBr → CH 3 - CH 2 Br
Ενυδάτωση:
CH 2 = CH 2 + HOH → CH 3 CH 2 OH (υπό την επίδραση ενός καταλύτη)
Αυτή η αντίδραση ανακαλύφθηκε από τον Α.Μ. Butlerov, και χρησιμοποιείται για τη βιομηχανική παραγωγή αιθυλικής αλκοόλης.
Οξείδωση:
Το αιθυλένιο οξειδώνεται εύκολα. Εάν το αιθυλένιο περάσει μέσα από διάλυμα υπερμαγγανικού καλίου, θα αποχρωματιστεί. Αυτή η αντίδραση χρησιμοποιείται για τη διάκριση μεταξύ κορεσμένων και ακόρεστων ενώσεων. Το οξείδιο του αιθυλενίου είναι μια εύθραυστη ουσία· η γέφυρα οξυγόνου σπάει και το νερό ενώνεται, με αποτέλεσμα το σχηματισμό αιθυλενογλυκόλης. Εξίσωση αντίδρασης:
3CH 2 =CH 2 + 2KMnO 4 + 4H 2 O → 3HOH 2 C - CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH
C 2 H 4 + 3O 2 → 2CO 2 + 2H 2 O
Πολυμερισμός (παραγωγή πολυαιθυλενίου):
nCH2 =CH2 → (-CH2-CH2-) n
Προπυλένιο(προπένιο) CH 2 = CH-CH 3 - ακόρεστος (ακόρεστος) υδρογονάνθρακας της σειράς αιθυλενίου, εύφλεκτο αέριο. Το προπυλένιο είναι μια αέρια ουσία με χαμηλό σημείο βρασμού t βρασμού = -47,6 °C
Συνήθως, το προπυλένιο απομονώνεται από αέρια διύλισης πετρελαίου (κατά τη διάσπαση του αργού πετρελαίου, πυρόλυση κλασμάτων βενζίνης) ή συναφή αέρια, καθώς και από αέρια οπτανθρακοποίησης άνθρακα.
Χημικές ιδιότητες των αλκανίων
Τα αλκάνια (παραφίνες) είναι μη κυκλικοί υδρογονάνθρακες στα μόρια των οποίων όλα τα άτομα άνθρακα συνδέονται μόνο με απλούς δεσμούς. Με άλλα λόγια, δεν υπάρχουν πολλαπλοί -διπλοί ή τριπλοί δεσμοί- στα μόρια των αλκανίων. Στην πραγματικότητα, τα αλκάνια είναι υδρογονάνθρακες που περιέχουν τον μέγιστο δυνατό αριθμό ατόμων υδρογόνου, και ως εκ τούτου ονομάζονται περιοριστικοί (κορεσμένοι).
Λόγω κορεσμού, τα αλκάνια δεν μπορούν να υποστούν αντιδράσεις προσθήκης.
Δεδομένου ότι τα άτομα άνθρακα και υδρογόνου έχουν αρκετά στενή ηλεκτραρνητικότητα, αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι οι δεσμοί C-H στα μόριά τους είναι εξαιρετικά χαμηλοί πολικοί. Από αυτή την άποψη, για τα αλκάνια, οι αντιδράσεις που προχωρούν μέσω του μηχανισμού υποκατάστασης ριζών, που συμβολίζεται με το σύμβολο S R, είναι πιο χαρακτηριστικές.
1. Αντιδράσεις υποκατάστασης
Σε αντιδράσεις αυτού του τύπου σπάνε δεσμοί άνθρακα-υδρογόνου
RH + XY → RX + HY
Αλογόνωση
Τα αλκάνια αντιδρούν με αλογόνα (χλώριο και βρώμιο) όταν εκτίθενται σε υπεριώδες φως ή υψηλή θερμότητα. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζεται ένα μείγμα παραγώγων αλογόνου με ποικίλους βαθμούς υποκατάστασης ατόμων υδρογόνου - μονο-, διτρι- κ.λπ. αλκάνια υποκατεστημένα με αλογόνο.
Χρησιμοποιώντας το μεθάνιο ως παράδειγμα, μοιάζει με αυτό:
Με την αλλαγή της αναλογίας αλογόνου/μεθανίου στο μείγμα αντίδρασης, είναι δυνατό να διασφαλιστεί ότι ένα συγκεκριμένο παράγωγο αλογόνου του μεθανίου κυριαρχεί στη σύνθεση των προϊόντων.
Μηχανισμός αντίδρασης
Ας αναλύσουμε τον μηχανισμό της αντίδρασης υποκατάστασης ελεύθερων ριζών χρησιμοποιώντας το παράδειγμα της αλληλεπίδρασης μεθανίου και χλωρίου. Αποτελείται από τρία στάδια:
- εκκίνηση (ή πυρηνοποίηση αλυσίδας) είναι η διαδικασία σχηματισμού ελεύθερων ριζών υπό την επίδραση εξωτερικής ενέργειας - ακτινοβολίας με υπεριώδη ακτινοβολία ή θέρμανση. Σε αυτό το στάδιο, το μόριο του χλωρίου υφίσταται ομολυτική διάσπαση του δεσμού Cl-Cl με το σχηματισμό ελεύθερων ριζών:
Οι ελεύθερες ρίζες, όπως φαίνεται από το παραπάνω σχήμα, είναι άτομα ή ομάδες ατόμων με ένα ή περισσότερα ασύζευκτα ηλεκτρόνια (Cl, H, CH 3, CH 2, κ.λπ.).
2. Ανάπτυξη αλυσίδας
Αυτό το στάδιο περιλαμβάνει την αλληλεπίδραση ενεργών ελεύθερων ριζών με ανενεργά μόρια. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζονται νέες ρίζες. Συγκεκριμένα, όταν οι ρίζες χλωρίου δρουν σε μόρια αλκανίου, σχηματίζεται μια ρίζα αλκυλίου και υδροχλώριο. Με τη σειρά της, η ρίζα αλκυλίου, συγκρουόμενη με μόρια χλωρίου, σχηματίζει ένα παράγωγο χλωρίου και μια νέα ρίζα χλωρίου:
3) Διακοπή (θάνατος) του κυκλώματος:
Εμφανίζεται ως αποτέλεσμα του ανασυνδυασμού δύο ριζών μεταξύ τους σε ανενεργά μόρια:
2. Αντιδράσεις οξείδωσης
Υπό κανονικές συνθήκες, τα αλκάνια είναι αδρανή έναντι τόσο ισχυρών οξειδωτικών παραγόντων όπως τα πυκνά θειικά και νιτρικά οξέα, το υπερμαγγανικό κάλιο και το διχρωμικό (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7).
Καύση σε οξυγόνο
Α) πλήρης καύση με περίσσεια οξυγόνου. Οδηγεί στο σχηματισμό διοξειδίου του άνθρακα και νερού:
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O
Β) ατελής καύση λόγω έλλειψης οξυγόνου:
2CH 4 + 3O 2 = 2CO + 4H 2 O
CH 4 + O 2 = C + 2H 2 O
Καταλυτική οξείδωση με οξυγόνο
Ως αποτέλεσμα της θέρμανσης των αλκανίων με οξυγόνο (~200 o C) παρουσία καταλυτών, μπορεί να ληφθεί από αυτά μια μεγάλη ποικιλία οργανικών προϊόντων: αλδεΰδες, κετόνες, αλκοόλες, καρβοξυλικά οξέα.
Για παράδειγμα, το μεθάνιο, ανάλογα με τη φύση του καταλύτη, μπορεί να οξειδωθεί σε μεθυλική αλκοόλη, φορμαλδεΰδη ή μυρμηκικό οξύ:
3. Θερμικοί μετασχηματισμοί αλκανίων
Ράγισμα
Το Cracking (από τα αγγλικά στο crack - to tear) είναι μια χημική διαδικασία που συμβαίνει σε υψηλές θερμοκρασίες, ως αποτέλεσμα της οποίας ο σκελετός άνθρακα των μορίων αλκανίων διασπάται για να σχηματίσει μόρια αλκενίων και αλκανίων με χαμηλότερο μοριακό βάρος σε σύγκριση με τα αρχικά αλκάνια. Για παράδειγμα:
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 3 + CH 3 - CH = CH 2
Η ρηγμάτωση μπορεί να είναι θερμική ή καταλυτική. Για την πραγματοποίηση καταλυτικής πυρόλυσης, χάρη στη χρήση καταλυτών, χρησιμοποιούνται σημαντικά χαμηλότερες θερμοκρασίες σε σύγκριση με τη θερμική πυρόλυση.
Αφυδρογόνωση
Η αποβολή του υδρογόνου συμβαίνει ως αποτέλεσμα της διάσπασης των δεσμών C-H. πραγματοποιείται παρουσία καταλυτών σε υψηλές θερμοκρασίες. Όταν το μεθάνιο αφυδρογονώνεται, σχηματίζεται ακετυλένιο:
2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2
Η θέρμανση του μεθανίου στους 1200 °C οδηγεί στην αποσύνθεσή του σε απλές ουσίες:
CH 4 → C + 2H 2
Όταν τα υπόλοιπα αλκάνια αφυδρογονωθούν, σχηματίζονται αλκένια:
C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2
Κατά την αφυδρογόνωση n-Σχηματίζονται βουτάνιο, βουτένιο-1 και βουτένιο-2 (το τελευταίο με τη μορφή cis-Και έκσταση-ισομερή):
Αφυδροκυκλοποίηση
Ισομερισμός
Χημικές ιδιότητες κυκλοαλκανίων
Οι χημικές ιδιότητες των κυκλοαλκανίων με περισσότερα από τέσσερα άτομα άνθρακα στους δακτυλίους τους είναι, γενικά, σχεδόν ταυτόσημες με τις ιδιότητες των αλκανίων. Παραδόξως, το κυκλοπροπάνιο και το κυκλοβουτάνιο χαρακτηρίζονται από αντιδράσεις προσθήκης. Αυτό οφείλεται στην υψηλή τάση εντός του κύκλου, η οποία οδηγεί στο γεγονός ότι αυτοί οι κύκλοι τείνουν να σπάσουν. Έτσι, το κυκλοπροπάνιο και το κυκλοβουτάνιο προσθέτουν εύκολα βρώμιο, υδρογόνο ή υδροχλώριο:
Χημικές ιδιότητες αλκενίων
1. Αντιδράσεις προσθήκης
Δεδομένου ότι ο διπλός δεσμός στα μόρια αλκενίου αποτελείται από έναν ισχυρό σίγμα και έναν ασθενή π δεσμό, είναι αρκετά δραστικές ενώσεις που υφίστανται εύκολα αντιδράσεις προσθήκης. Τα αλκένια συχνά υφίστανται τέτοιες αντιδράσεις ακόμη και κάτω από ήπιες συνθήκες - στο κρύο, σε υδατικά διαλύματα και οργανικούς διαλύτες.
Υδρογόνωση αλκενίων
Τα αλκένια είναι ικανά να προσθέτουν υδρογόνο παρουσία καταλυτών (πλατίνα, παλλάδιο, νικέλιο):
CH 3 -CH = CH 2 + H 2 → CH 3 - CH 2 - CH 3
Η υδρογόνωση των αλκενίων γίνεται εύκολα ακόμη και σε κανονική πίεση και ελαφρά θέρμανση. Ένα ενδιαφέρον γεγονός είναι ότι οι ίδιοι καταλύτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αφυδρογόνωση αλκανίων σε αλκένια, μόνο που η διαδικασία αφυδρογόνωσης λαμβάνει χώρα σε υψηλότερη θερμοκρασία και χαμηλότερη πίεση.
Αλογόνωση
Τα αλκένια υφίστανται εύκολα αντιδράσεις προσθήκης με βρώμιο τόσο σε υδατικό διάλυμα όσο και σε οργανικούς διαλύτες. Ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης, αρχικά κίτρινα διαλύματα βρωμίου χάνουν το χρώμα τους, δηλ. αποχρωματίζονται.
CH 2 =CH 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br
Υδροαλογόνωση
Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, η προσθήκη ενός υδραλογόνου σε ένα μόριο ενός ασύμμετρου αλκενίου θα πρέπει, θεωρητικά, να οδηγήσει σε ένα μείγμα δύο ισομερών. Για παράδειγμα, όταν προστίθεται υδροβρώμιο στο προπένιο, θα πρέπει να ληφθούν τα ακόλουθα προϊόντα:
Ωστόσο, ελλείψει συγκεκριμένων συνθηκών (για παράδειγμα, η παρουσία υπεροξειδίων στο μείγμα αντίδρασης), η προσθήκη ενός μορίου υδραλογόνου θα συμβεί αυστηρά επιλεκτικά σύμφωνα με τον κανόνα του Markovnikov:
Η προσθήκη ενός υδραλογόνου σε ένα αλκένιο συμβαίνει με τέτοιο τρόπο ώστε ένα υδρογόνο προστίθεται σε ένα άτομο άνθρακα με μεγαλύτερο αριθμό ατόμων υδρογόνου (περισσότερο υδρογονωμένα) και ένα αλογόνο προστίθεται σε ένα άτομο άνθρακα με λιγότερο αριθμό υδρογόνου άτομα (λιγότερο υδρογονωμένα).
Ενυδάτωση
Αυτή η αντίδραση οδηγεί στο σχηματισμό αλκοολών και επίσης προχωρά σύμφωνα με τον κανόνα του Markovnikov:
Όπως μπορείτε εύκολα να μαντέψετε, λόγω του γεγονότος ότι η προσθήκη νερού σε ένα μόριο αλκενίου συμβαίνει σύμφωνα με τον κανόνα του Markovnikov, ο σχηματισμός πρωτογενούς αλκοόλης είναι δυνατός μόνο στην περίπτωση ενυδάτωσης αιθυλενίου:
CH 2 =CH 2 + H 2 O → CH 3 - CH 2 -OH
Είναι μέσω αυτής της αντίδρασης που ο κύριος όγκος της αιθυλικής αλκοόλης πραγματοποιείται στη βιομηχανία μεγάλης κλίμακας.
Πολυμερισμός
Μια ειδική περίπτωση αντίδρασης προσθήκης είναι η αντίδραση πολυμερισμού, η οποία, σε αντίθεση με την αλογόνωση, την υδροαλογόνωση και την ενυδάτωση, προχωρά μέσω του μηχανισμού των ελεύθερων ριζών:
Αντιδράσεις οξείδωσης
Όπως όλοι οι άλλοι υδρογονάνθρακες, τα αλκένια καίγονται εύκολα σε οξυγόνο για να σχηματίσουν διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Η εξίσωση για την καύση αλκενίων σε περίσσεια οξυγόνου έχει τη μορφή:
C n H 2n + (3/2) nO 2 → nCO 2 + nH 2 O
Σε αντίθεση με τα αλκάνια, τα αλκένια οξειδώνονται εύκολα. Όταν τα αλκένια εκτίθενται σε υδατικό διάλυμα KMnO 4, εμφανίζεται αποχρωματισμός, ο οποίος είναι μια ποιοτική αντίδραση σε διπλούς και τριπλούς δεσμούς CC σε μόρια οργανικών ουσιών.
Η οξείδωση των αλκενίων με υπερμαγγανικό κάλιο σε ουδέτερο ή ασθενώς αλκαλικό διάλυμα οδηγεί στο σχηματισμό διολών (διυδρικές αλκοόλες):
C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (ψύξη)
Σε ένα όξινο περιβάλλον, ο διπλός δεσμός σπάει εντελώς και τα άτομα άνθρακα που σχημάτισαν τον διπλό δεσμό μετατρέπονται σε ομάδες καρβοξυλίου:
5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 17H 2 O (θέρμανση)
Εάν ο διπλός δεσμός C=C βρίσκεται στο άκρο του μορίου του αλκενίου, τότε το διοξείδιο του άνθρακα σχηματίζεται ως προϊόν οξείδωσης του εξώτατου ατόμου άνθρακα στον διπλό δεσμό. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το ενδιάμεσο προϊόν οξείδωσης, το μυρμηκικό οξύ, οξειδώνεται εύκολα σε περίσσεια οξειδωτικού παράγοντα:
5CH 3 CH=CH 2 + 10KMnO 4 + 15H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10MnSO 4 + 5K 2 SO 4 + 20H 2 O (θέρμανση)
Η οξείδωση των αλκενίων στα οποία το άτομο C στον διπλό δεσμό περιέχει δύο υποκαταστάτες υδρογονάνθρακα παράγει μια κετόνη. Για παράδειγμα, η οξείδωση του 2-μεθυλβουτενίου-2 παράγει ακετόνη και οξικό οξύ.
Η οξείδωση των αλκενίων, στην οποία ο σκελετός του άνθρακα σπάει στον διπλό δεσμό, χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της δομής τους.
Χημικές ιδιότητες αλκαδιενίων
Αντιδράσεις προσθήκης
Για παράδειγμα, η προσθήκη αλογόνων:
Το βρώμιο νερό αποχρωματίζεται.
Υπό κανονικές συνθήκες, η προσθήκη ατόμων αλογόνου συμβαίνει στα άκρα του μορίου του 1,3-βουταδιενίου, ενώ οι π-δεσμοί διασπώνται, τα άτομα βρωμίου προστίθενται στα ακραία άτομα άνθρακα και τα ελεύθερα σθένη σχηματίζουν έναν νέο π-δεσμό . Έτσι, εμφανίζεται μια «κίνηση» του διπλού δεσμού. Εάν υπάρχει περίσσεια βρωμίου, μπορεί να προστεθεί άλλο μόριο στη θέση του σχηματισμένου διπλού δεσμού.
Αντιδράσεις πολυμερισμού
Χημικές ιδιότητες αλκυνίων
Τα αλκίνια είναι ακόρεστοι (ακόρεστοι) υδρογονάνθρακες και επομένως είναι ικανοί να υποστούν αντιδράσεις προσθήκης. Μεταξύ των αντιδράσεων προσθήκης αλκυνίων, η ηλεκτροφιλική προσθήκη είναι η πιο κοινή.
Αλογόνωση
Δεδομένου ότι ο τριπλός δεσμός των μορίων αλκυνίου αποτελείται από έναν ισχυρότερο δεσμό σίγμα και δύο ασθενέστερους δεσμούς pi, είναι ικανά να συνδέουν είτε ένα είτε δύο μόρια αλογόνου. Η προσθήκη δύο μορίων αλογόνου από ένα μόριο αλκυνίου προχωρά μέσω ενός ηλεκτροφιλικού μηχανισμού διαδοχικά σε δύο στάδια:
Υδροαλογόνωση
Η προσθήκη μορίων υδραλογόνου γίνεται επίσης μέσω ηλεκτροφιλικού μηχανισμού και σε δύο στάδια. Και στα δύο στάδια, η ένταξη προχωρά σύμφωνα με τον κανόνα του Markovnikov:
Ενυδάτωση
Η προσθήκη νερού σε αλκίνια συμβαίνει παρουσία αλάτων ρουτί σε ένα όξινο μέσο και ονομάζεται αντίδραση Kucherov.
Ως αποτέλεσμα της ενυδάτωσης, η προσθήκη νερού στο ακετυλένιο παράγει ακεταλδεΰδη (οξική αλδεΰδη):
Για τα ομόλογα ακετυλενίου, η προσθήκη νερού οδηγεί στο σχηματισμό κετονών:
Υδρογόνωση αλκυνίων
Τα αλκίνια αντιδρούν με το υδρογόνο σε δύο στάδια. Μέταλλα όπως η πλατίνα, το παλλάδιο και το νικέλιο χρησιμοποιούνται ως καταλύτες:
Τριμερισμός αλκυνίων
Όταν το ακετυλένιο περνά πάνω από ενεργό άνθρακα σε υψηλή θερμοκρασία, σχηματίζεται από αυτό ένα μείγμα διαφόρων προϊόντων, το κύριο από τα οποία είναι το βενζόλιο, προϊόν τριμερισμού ακετυλενίου:
Διμερισμός αλκυνίων
Το ακετυλένιο υφίσταται επίσης μια αντίδραση διμερισμού. Η διαδικασία λαμβάνει χώρα παρουσία αλάτων χαλκού ως καταλύτες:
Οξείδωση αλκυνίου
Τα αλκίνια καίγονται στο οξυγόνο:
C nH 2n-2 + (3n-1)/2 O 2 → nCO 2 + (n-1) H 2 O
Αντίδραση αλκυνίων με βάσεις
Τα αλκίνια με τριπλό C≡C στο τέλος του μορίου, σε αντίθεση με άλλα αλκύνια, μπορούν να εισέλθουν σε αντιδράσεις στις οποίες το άτομο υδρογόνου στον τριπλό δεσμό αντικαθίσταται από ένα μέταλλο. Για παράδειγμα, το ακετυλένιο αντιδρά με αμίδιο του νατρίου σε υγρή αμμωνία:
HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3,
και επίσης με ένα διάλυμα αμμωνίας οξειδίου του αργύρου, που σχηματίζει αδιάλυτες ουσίες που μοιάζουν με άλατα που ονομάζονται ακετυλενίδια:
Χάρη σε αυτή την αντίδραση, είναι δυνατό να αναγνωριστούν αλκίνια με τελικό τριπλό δεσμό, καθώς και να απομονωθεί ένα τέτοιο αλκύνιο από ένα μείγμα με άλλα αλκύνια.
Πρέπει να σημειωθεί ότι όλα τα ακετυλενίδια του αργύρου και του χαλκού είναι εκρηκτικές ουσίες.
Τα ακετυλενίδια είναι ικανά να αντιδρούν με παράγωγα αλογόνου, τα οποία χρησιμοποιούνται στη σύνθεση πιο πολύπλοκων οργανικών ενώσεων με τριπλό δεσμό:
CH 3 -C≡CH + NaNH 2 → CH 3 -C≡CNa + NH 3
CH 3 -C≡CNa + CH 3 Br → CH 3 -C≡C-CH 3 + NaBr
Χημικές ιδιότητες αρωματικών υδρογονανθράκων
Η αρωματική φύση του δεσμού επηρεάζει τις χημικές ιδιότητες των βενζολίων και άλλων αρωματικών υδρογονανθράκων.
Το ενοποιημένο σύστημα ηλεκτρονίων 6pi είναι πολύ πιο σταθερό από τους συνηθισμένους δεσμούς pi. Επομένως, οι αντιδράσεις υποκατάστασης και όχι οι αντιδράσεις προσθήκης είναι πιο χαρακτηριστικές για τους αρωματικούς υδρογονάνθρακες. Οι αρένες υφίστανται αντιδράσεις υποκατάστασης μέσω ενός ηλεκτρόφιλου μηχανισμού.
Αντιδράσεις υποκατάστασης
Αλογόνωση
Περιέχων άζωτον
Η αντίδραση νίτρωσης εξελίσσεται καλύτερα υπό την επίδραση όχι καθαρού νιτρικού οξέος, αλλά του μείγματός του με πυκνό θειικό οξύ, το λεγόμενο μίγμα νιτροποίησης:
Αλκυλίωση
Μια αντίδραση στην οποία ένα από τα άτομα υδρογόνου στον αρωματικό δακτύλιο αντικαθίσταται από μια ρίζα υδρογονάνθρακα:
Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν αλκένια αντί των αλογονωμένων αλκανίων. Ως καταλύτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν αλογονίδια αλουμινίου, αλογονίδια σιδήρου ή ανόργανα οξέα.<
Αντιδράσεις προσθήκης
Υδρογόνωση
Προσθήκη χλωρίου
Προχωρά μέσω ενός ριζικού μηχανισμού μετά από έντονη ακτινοβολία με υπεριώδες φως:
Μια παρόμοια αντίδραση μπορεί να συμβεί μόνο με το χλώριο.
Αντιδράσεις οξείδωσης
Καύση
2C 6 H 6 + 15O 2 = 12CO 2 + 6H 2 O + Q
Ατελής οξείδωση
Ο δακτύλιος βενζολίου είναι ανθεκτικός σε οξειδωτικά μέσα όπως KMnO 4 και K 2 Cr 2 O 7 . Δεν υπάρχει καμία αντίδραση.
Οι υποκαταστάτες στον δακτύλιο βενζολίου χωρίζονται σε δύο τύπους:
Ας εξετάσουμε τις χημικές ιδιότητες των ομολόγων βενζολίου χρησιμοποιώντας το τολουόλιο ως παράδειγμα.
Χημικές ιδιότητες του τολουολίου
Αλογόνωση
Το μόριο τολουολίου μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από θραύσματα μορίων βενζολίου και μεθανίου. Επομένως, είναι λογικό να υποθέσουμε ότι οι χημικές ιδιότητες του τολουολίου θα πρέπει σε κάποιο βαθμό να συνδυάζουν τις χημικές ιδιότητες αυτών των δύο ουσιών που λαμβάνονται χωριστά. Αυτό συχνά παρατηρείται κατά την αλογόνωσή του. Γνωρίζουμε ήδη ότι το βενζόλιο υφίσταται μια αντίδραση υποκατάστασης με χλώριο μέσω ενός ηλεκτρόφιλου μηχανισμού και για να πραγματοποιηθεί αυτή η αντίδραση είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν καταλύτες (αλογονίδια αλουμινίου ή σιδήρου). Ταυτόχρονα, το μεθάνιο είναι επίσης ικανό να αντιδρά με το χλώριο, αλλά μέσω ενός μηχανισμού ελεύθερων ριζών, ο οποίος απαιτεί ακτινοβολία του αρχικού μείγματος αντίδρασης με υπεριώδη ακτινοβολία. Το τολουόλιο, ανάλογα με τις συνθήκες υπό τις οποίες υποβάλλεται σε χλωρίωση, μπορεί να δώσει είτε προϊόντα υποκατάστασης ατόμων υδρογόνου στον δακτύλιο βενζολίου - για αυτό πρέπει να χρησιμοποιήσετε τις ίδιες συνθήκες όπως για τη χλωρίωση του βενζολίου ή προϊόντα υποκατάστασης υδρογόνου άτομα στη ρίζα μεθυλίου, εάν υπάρχει, πώς το χλώριο δρα στο μεθάνιο υπό υπεριώδη ακτινοβολία:
Όπως μπορείτε να δείτε, η χλωρίωση του τολουολίου παρουσία χλωριούχου αλουμινίου οδήγησε σε δύο διαφορετικά προϊόντα - το ορθο- και το παρα-χλωροτολουόλιο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η ρίζα μεθυλίου είναι ένας υποκαταστάτης του πρώτου είδους.
Εάν η χλωρίωση του τολουολίου παρουσία AlCl 3 πραγματοποιείται σε περίσσεια χλωρίου, είναι δυνατός ο σχηματισμός τριχλωρο-υποκατεστημένου τολουολίου:
Ομοίως, όταν το τολουόλιο χλωριώνεται στο φως με υψηλότερη αναλογία χλωρίου/τολουολίου, μπορεί να ληφθεί διχλωρομεθυλοβενζόλιο ή τριχλωρομεθυλοβενζόλιο:
Περιέχων άζωτον
Η αντικατάσταση των ατόμων υδρογόνου με μια νίτρο ομάδα κατά τη νίτρωση του τολουολίου με ένα μείγμα πυκνών νιτρικών και θειικών οξέων οδηγεί σε προϊόντα υποκατάστασης στον αρωματικό δακτύλιο και όχι στη ρίζα μεθυλίου:
Αλκυλίωση
Όπως αναφέρθηκε ήδη, η ρίζα μεθυλίου είναι ένας παράγοντας προσανατολισμού του πρώτου είδους, επομένως η αλκυλίωση της σύμφωνα με τη Friedel-Crafts οδηγεί σε προϊόντα υποκατάστασης σε ορθο- και παρα-θέσεις:
Αντιδράσεις προσθήκης
Το τολουόλιο μπορεί να υδρογονωθεί σε μεθυλοκυκλοεξάνιο χρησιμοποιώντας μεταλλικούς καταλύτες (Pt, Pd, Ni):
C 6 H 5 CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2 O
Ατελής οξείδωση
Όταν εκτίθεται σε έναν οξειδωτικό παράγοντα όπως ένα υδατικό διάλυμα υπερμαγγανικού καλίου, η πλευρική αλυσίδα υφίσταται οξείδωση. Ο αρωματικός πυρήνας δεν μπορεί να οξειδωθεί υπό τέτοιες συνθήκες. Σε αυτή την περίπτωση, ανάλογα με το pH του διαλύματος, θα σχηματιστεί είτε ένα καρβοξυλικό οξύ είτε το άλας του.
Χαρακτηριστικές χημικές ιδιότητες υδρογονανθράκων: αλκάνια, αλκένια, διένια, αλκίνια, αρωματικοί υδρογονάνθρακες
Αλκάνια
Τα αλκάνια είναι υδρογονάνθρακες στα μόρια των οποίων τα άτομα συνδέονται με απλούς δεσμούς και που αντιστοιχούν στον γενικό τύπο $C_(n)H_(2n+2)$.
Ομόλογη σειρά μεθανίου
Οπως ήδη γνωρίζετε, ομόλογα- πρόκειται για ουσίες που έχουν παρόμοια δομή και ιδιότητες και διαφέρουν κατά μία ή περισσότερες ομάδες $CH_2$.
Οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες αποτελούν την ομόλογη σειρά του μεθανίου.
Ισομερισμός και ονοματολογία
Τα αλκάνια χαρακτηρίζονται από τον λεγόμενο δομικό ισομερισμό. Τα δομικά ισομερή διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τη δομή του σκελετού άνθρακα. Όπως ήδη γνωρίζετε, το απλούστερο αλκάνιο, το οποίο χαρακτηρίζεται από δομικά ισομερή, είναι το βουτάνιο:
Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στα βασικά της ονοματολογίας IUPAC για τα αλκάνια:
1. Επιλέγοντας το κύριο κύκλωμα.
Ο σχηματισμός του ονόματος ενός υδρογονάνθρακα ξεκινά με τον ορισμό της κύριας αλυσίδας - της μεγαλύτερης αλυσίδας ατόμων άνθρακα στο μόριο, που είναι, όπως ήταν, η βάση του.
2.
Στα άτομα της κύριας αλυσίδας εκχωρούνται αριθμοί. Η αρίθμηση των ατόμων της κύριας αλυσίδας ξεκινά από το άκρο στο οποίο ο υποκαταστάτης είναι πιο κοντά (δομές Α, Β). Εάν οι υποκαταστάτες βρίσκονται σε ίση απόσταση από το άκρο της αλυσίδας, τότε η αρίθμηση ξεκινά από το άκρο στο οποίο υπάρχουν περισσότεροι από αυτούς (δομή Β). Εάν διαφορετικοί υποκαταστάτες βρίσκονται σε ίσες αποστάσεις από τα άκρα της αλυσίδας, τότε η αρίθμηση ξεκινά από το άκρο στο οποίο είναι πιο κοντά το ανώτερο (δομή D). Η αρχαιότητα των υποκατάστατων υδρογονανθράκων καθορίζεται από τη σειρά με την οποία εμφανίζεται το γράμμα με το οποίο αρχίζει το όνομά τους στο αλφάβητο: μεθύλιο (—$СН_3$), μετά προπύλιο ($—СН_2—СН_2—СН_3$), αιθύλιο ($—СН_2 —СН_3$ ) κ.λπ.
Σημειώστε ότι το όνομα του υποκαταστάτη σχηματίζεται αντικαθιστώντας το επίθημα -έναστο επίθημα -ilστο όνομα του αντίστοιχου αλκανίου.
3. Σχηματισμός του ονόματος.
Στην αρχή του ονόματος, υποδεικνύονται αριθμοί - οι αριθμοί των ατόμων άνθρακα στα οποία βρίσκονται οι υποκαταστάτες. Εάν υπάρχουν αρκετοί υποκαταστάτες σε ένα δεδομένο άτομο, τότε ο αντίστοιχος αριθμός στο όνομα επαναλαμβάνεται δύο φορές χωρισμένος με κόμμα ($2,2-$). Μετά τον αριθμό, ο αριθμός των υποκαταστατών υποδεικνύεται με παύλα ( di- δύο, τρία- τρεις, τετρα- τέσσερα, πεντά- πέντε) και το όνομα του αναπληρωτή ( μεθύλιο, αιθύλιο, προπύλιο). Στη συνέχεια, χωρίς κενά ή παύλες, το όνομα της κύριας αλυσίδας. Η κύρια αλυσίδα ονομάζεται υδρογονάνθρακας - μέλος της ομόλογης σειράς μεθανίου ( μεθάνιο, αιθάνιο, προπάνιο κ.λπ.).
Οι ονομασίες των ουσιών των οποίων οι δομικοί τύποι δίνονται παραπάνω είναι οι εξής:
— δομή Α: $2$ -μεθυλοπροπάνιο;
— δομή Β: $3$ -αιθυλεξάνιο;
— δομή Β: $2,2,4$ -τριμεθυλοπεντάνιο;
— δομή G: $2$ -μεθύλιο$4$-αιθυλεξάνιο.
Φυσικές και χημικές ιδιότητες των αλκανίων
Φυσικές ιδιότητες.Οι τέσσερις πρώτοι εκπρόσωποι της ομόλογης σειράς μεθανίου είναι αέρια. Το απλούστερο από αυτά είναι το μεθάνιο, ένα άχρωμο, άγευστο και άοσμο αέριο (η μυρωδιά του αερίου, όταν την ανιχνεύσετε, πρέπει να καλέσετε $104 $, καθορίζεται από τη μυρωδιά των μερκαπτανών - ενώσεων που περιέχουν θείο που προστίθενται ειδικά στο μεθάνιο που χρησιμοποιούνται σε οικιακές και βιομηχανικές συσκευές αερίου, έτσι ώστε οι άνθρωποι, που βρίσκονται δίπλα τους, να μπορούν να ανιχνεύσουν τη διαρροή με τη μυρωδιά).
Οι υδρογονάνθρακες σύστασης από $С_5Н_(12)$ έως $С_(15)Н_(32)$ είναι υγρά. οι βαρύτεροι υδρογονάνθρακες είναι στερεά.
Τα σημεία βρασμού και τήξης των αλκανίων αυξάνονται σταδιακά με την αύξηση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας. Όλοι οι υδρογονάνθρακες είναι ελάχιστα διαλυτοί στο νερό· οι υγροί υδρογονάνθρακες είναι κοινοί οργανικοί διαλύτες.
Χημικές ιδιότητες.
1. Αντιδράσεις υποκατάστασης.Οι πιο χαρακτηριστικές αντιδράσεις για τα αλκάνια είναι οι αντιδράσεις υποκατάστασης ελεύθερων ριζών, κατά τις οποίες ένα άτομο υδρογόνου αντικαθίσταται από ένα άτομο αλογόνου ή κάποια ομάδα.
Ας παρουσιάσουμε τις εξισώσεις των πιο χαρακτηριστικών αντιδράσεων.
Αλογόνωση:
$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$.
Σε περίπτωση περίσσειας αλογόνου, η χλωρίωση μπορεί να προχωρήσει περαιτέρω, μέχρι την πλήρη αντικατάσταση όλων των ατόμων υδρογόνου με χλώριο:
$CH_3Cl+Cl_2→HCl+(CH_2Cl_2)↙(\κείμενο"διχλωρομεθάνιο (μεθυλενοχλωρίδιο)")$,
$CH_2Cl_2+Cl_2→HCl+(CHСl_3)↙(\κείμενο"τριχλωρομεθάνιο(χλωροφόρμιο)")$,
$CHCl_3+Cl_2→HCl+(CCl_4)↙(\κείμενο"τετραχλωριούχος άνθρακας(τετραχλωριούχος άνθρακας)")$.
Οι ουσίες που προκύπτουν χρησιμοποιούνται ευρέως ως διαλύτες και πρώτες ύλες σε οργανικές συνθέσεις.
2. Αφυδρογόνωση (αποβολή υδρογόνου).Όταν τα αλκάνια περνούν πάνω από έναν καταλύτη ($Pt, Ni, Al_2O_3, Cr_2O_3$) σε υψηλές θερμοκρασίες ($400-600°C$), ένα μόριο υδρογόνου εξαλείφεται και σχηματίζεται ένα αλκένιο:
$CH_3—CH_3→CH_2=CH_2+H_2$
3. Αντιδράσεις που συνοδεύονται από την καταστροφή της ανθρακικής αλυσίδας.Όλοι οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες καίγονταιμε το σχηματισμό διοξειδίου του άνθρακα και νερού. Αέριοι υδρογονάνθρακες αναμεμειγμένοι με αέρα σε ορισμένες αναλογίες μπορούν να εκραγούν. Η καύση κορεσμένων υδρογονανθράκων είναι μια εξώθερμη αντίδραση ελεύθερων ριζών, η οποία είναι πολύ σημαντική όταν χρησιμοποιούνται αλκάνια ως καύσιμο:
$СН_4+2О_2→СО_2+2Н_2O+880 kJ.$
Γενικά, η αντίδραση καύσης των αλκανίων μπορεί να γραφτεί ως εξής:
$C_(n)H_(2n+2)+((3n+1)/(2))O_2→nCO_2+(n+1)H_2O$
Θερμική διάσπαση υδρογονανθράκων:
$C_(n)H_(2n+2)(→)↖(400-500°C)C_(n-k)H_(2(n-k)+2)+C_(k)H_(2k)$
Η διαδικασία λαμβάνει χώρα μέσω ενός μηχανισμού ελεύθερων ριζών. Η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε ομολυτική διάσπαση του δεσμού άνθρακα-άνθρακα και στο σχηματισμό ελεύθερων ριζών:
$R—CH_2CH_2:CH_2—R→R—CH_2CH_2·+·CH_2—R$.
Αυτές οι ρίζες αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, ανταλλάσσοντας ένα άτομο υδρογόνου, για να σχηματίσουν ένα μόριο αλκανίου και ένα μόριο αλκενίου:
$R—CH_2CH_2·+·CH_2—R→R—CH=CH_2+CH_3—R$.
Οι αντιδράσεις θερμικής αποσύνθεσης αποτελούν τη βάση της βιομηχανικής διαδικασίας πυρόλυσης υδρογονανθράκων. Αυτή η διαδικασία είναι το πιο σημαντικό στάδιο της διύλισης λαδιού.
Όταν το μεθάνιο θερμαίνεται σε θερμοκρασία $1000°C$, αρχίζει η πυρόλυση μεθανίου - αποσύνθεση σε απλές ουσίες:
$CH_4(→)↖(1000°C)C+2H_2$
Όταν θερμαίνεται σε θερμοκρασία $1500°C$, είναι δυνατός ο σχηματισμός ακετυλενίου:
$2CH_4(→)↖(1500°C)CH=CH+3H_2$
4. Ισομερισμός.Όταν οι γραμμικοί υδρογονάνθρακες θερμαίνονται με καταλύτη ισομερισμού (χλωριούχο αργίλιο), σχηματίζονται ουσίες με διακλαδισμένο σκελετό άνθρακα:
5. Αρωματοποίηση.Τα αλκάνια με έξι ή περισσότερα άτομα άνθρακα στην αλυσίδα κυκλοποιούνται παρουσία καταλύτη για να σχηματίσουν βενζόλιο και τα παράγωγά του:
Ποιος είναι ο λόγος που τα αλκάνια υφίστανται αντιδράσεις ελεύθερων ριζών; Όλα τα άτομα άνθρακα στα μόρια αλκανίου βρίσκονται σε κατάσταση υβριδισμού $sp^3$. Τα μόρια αυτών των ουσιών κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας ομοιοπολικούς μη πολικούς δεσμούς $C-C$ (άνθρακας-άνθρακας) και ασθενώς πολικούς δεσμούς $C-H$ (άνθρακας-υδρογόνου). Δεν περιέχουν περιοχές με αυξημένη ή μειωμένη πυκνότητα ηλεκτρονίων, ή εύκολα πολωμένους δεσμούς, π.χ. τέτοιους δεσμούς, στους οποίους η πυκνότητα ηλεκτρονίων μπορεί να μετατοπιστεί υπό την επίδραση εξωτερικών παραγόντων (ηλεκτροστατικά πεδία ιόντων). Κατά συνέπεια, τα αλκάνια δεν θα αντιδράσουν με φορτισμένα σωματίδια, γιατί Οι δεσμοί στα μόρια των αλκανίων δεν διασπώνται από τον ετερολυτικό μηχανισμό.
Αλκένια
Οι ακόρεστοι περιλαμβάνουν υδρογονάνθρακες που περιέχουν πολλαπλούς δεσμούς μεταξύ ατόμων άνθρακα στα μόριά τους. Απεριόριστες είναι αλκένια, αλκαδιένια (πολυένια), αλκίνια.Οι κυκλικοί υδρογονάνθρακες που περιέχουν διπλό δεσμό στον δακτύλιο (κυκλοαλκένια), καθώς και τα κυκλοαλκάνια με μικρό αριθμό ατόμων άνθρακα στον δακτύλιο (τρία ή τέσσερα άτομα) έχουν επίσης ακόρεστο χαρακτήρα. Η ιδιότητα του ακορέστου σχετίζεται με την ικανότητα αυτών των ουσιών να εισέρχονται σε αντιδράσεις προσθήκης, κυρίως υδρογόνου, με το σχηματισμό κορεσμένων ή κορεσμένων υδρογονανθράκων - αλκανίων.
Τα αλκένια είναι άκυκλοι υδρογονάνθρακες που περιέχουν στο μόριο, εκτός από απλούς δεσμούς, έναν διπλό δεσμό μεταξύ ατόμων άνθρακα και που αντιστοιχεί στον γενικό τύπο $C_(n)H_(2n)$.
Το δεύτερο όνομά του είναι ολεφίνες- τα αλκένια ελήφθησαν κατ' αναλογία με ακόρεστα λιπαρά οξέα (ελαϊκό, λινολεϊκό), τα υπολείμματα των οποίων αποτελούν μέρος υγρών λιπών - ελαίων (από λατ. έλαιο- λάδι).
Ομόλογη σειρά αιθενίου
Τα μη διακλαδισμένα αλκένια σχηματίζουν την ομόλογη σειρά αιθενίου (αιθυλένιο):
$С_2Н_4$ - αιθένιο, $С_3Н_6$ - προπένιο, $С_4Н_8$ - βουτένιο, $С_5Н_(10)$ - πεντένιο, $С_6Н_(12)$ - εξένιο, κ.λπ.
Ισομερισμός και ονοματολογία
Τα αλκένια, όπως και τα αλκάνια, χαρακτηρίζονται από δομικό ισομερισμό. Τα δομικά ισομερή διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τη δομή του σκελετού άνθρακα. Το απλούστερο αλκένιο, που χαρακτηρίζεται από δομικά ισομερή, είναι το βουτένιο:
Ένας ειδικός τύπος δομικής ισομέρειας είναι η ισομέρεια της θέσης του διπλού δεσμού:
$CH_3—(CH_2)↙(βουτένιο-1)—CH=CH_2$ $CH_3—(CH=CH)↙(βουτένιο-2)—CH_3$
Η σχεδόν ελεύθερη περιστροφή των ατόμων άνθρακα είναι δυνατή γύρω από έναν μόνο δεσμό άνθρακα-άνθρακα, έτσι τα μόρια των αλκανίων μπορούν να λάβουν μια μεγάλη ποικιλία σχημάτων. Η περιστροφή γύρω από τον διπλό δεσμό είναι αδύνατη, γεγονός που οδηγεί στην εμφάνιση ενός άλλου τύπου ισομερισμού στα αλκένια - γεωμετρικό, ή cis-trans ισομερισμό.
Cis-τα ισομερή διαφέρουν από έκσταση-ισομερή από τη χωρική διάταξη των μοριακών θραυσμάτων (σε αυτή την περίπτωση, ομάδες μεθυλίου) σε σχέση με το επίπεδο του δεσμού $π$ και, κατά συνέπεια, από τις ιδιότητές τους.
Τα αλκένια είναι ισομερή ως προς τα κυκλοαλκάνια (interclass ισομέρεια), για παράδειγμα:
Η ονοματολογία IUPAC για τα αλκένια είναι παρόμοια με αυτή για τα αλκάνια.
1. Επιλέγοντας το κύριο κύκλωμα.
Η ονομασία ενός υδρογονάνθρακα ξεκινά με τον προσδιορισμό της κύριας αλυσίδας - της μεγαλύτερης αλυσίδας ατόμων άνθρακα στο μόριο. Στην περίπτωση των αλκενίων, η κύρια αλυσίδα πρέπει να περιέχει διπλό δεσμό.
2. Αρίθμηση ατόμων κύριας αλυσίδας.
Η αρίθμηση των ατόμων της κύριας αλυσίδας ξεκινά από το άκρο στο οποίο είναι πλησιέστερος ο διπλός δεσμός. Για παράδειγμα, το σωστό όνομα σύνδεσης είναι:
$5$-μεθυλεξένιο-$2$, όχι $2$-μεθυλεξένιο-$4$, όπως θα περίμενε κανείς.
Εάν η θέση του διπλού δεσμού δεν μπορεί να καθορίσει την αρχή της αρίθμησης των ατόμων στην αλυσίδα, τότε προσδιορίζεται από τη θέση των υποκαταστατών, όπως ακριβώς και για τους κορεσμένους υδρογονάνθρακες.
3. Σχηματισμός του ονόματος.
Τα ονόματα των αλκενίων σχηματίζονται με τον ίδιο τρόπο όπως τα ονόματα των αλκανίων. Στο τέλος του ονόματος, αναφέρετε τον αριθμό του ατόμου άνθρακα από το οποίο ξεκινά ο διπλός δεσμός και ένα επίθημα που δείχνει ότι η ένωση ανήκει στην κατηγορία των αλκενίων - -en.
Για παράδειγμα:
Φυσικές και χημικές ιδιότητες των αλκενίων
Φυσικές ιδιότητες.Οι τρεις πρώτοι εκπρόσωποι της ομόλογης σειράς αλκενίων είναι αέρια. ουσίες της σύνθεσης $С_5Н_(10)$ - $С_(16)Н_(32)$ - υγρά; Τα ανώτερα αλκένια είναι στερεά.
Τα σημεία βρασμού και τήξης αυξάνονται φυσικά με την αύξηση του μοριακού βάρους των ενώσεων.
Χημικές ιδιότητες.
Αντιδράσεις προσθήκης.Ας υπενθυμίσουμε ότι ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα των εκπροσώπων των ακόρεστων υδρογονανθράκων - αλκενίων είναι η ικανότητα να εισέρχονται σε αντιδράσεις προσθήκης. Οι περισσότερες από αυτές τις αντιδράσεις προχωρούν σύμφωνα με τον μηχανισμό
1. Υδρογόνωση αλκενίων.Τα αλκένια είναι ικανά να προσθέτουν υδρογόνο παρουσία καταλυτών υδρογόνωσης, μετάλλων - πλατίνα, παλλάδιο, νικέλιο:
$CH_3—CH_2—CH=CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3—CH_2—CH_2—CH_3$.
Αυτή η αντίδραση συμβαίνει σε ατμοσφαιρική και υψηλή πίεση και δεν απαιτεί υψηλή θερμοκρασία, επειδή είναι εξώθερμος. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, οι ίδιοι καταλύτες μπορούν να προκαλέσουν αντίστροφη αντίδραση - αφυδρογόνωση.
2. Αλογόνωση (προσθήκη αλογόνων).Η αλληλεπίδραση αλκενίου με βρωμιούχο νερό ή διάλυμα βρωμίου σε οργανικό διαλύτη ($CCl_4$) οδηγεί σε γρήγορο αποχρωματισμό αυτών των διαλυμάτων ως αποτέλεσμα της προσθήκης ενός μορίου αλογόνου στο αλκένιο και του σχηματισμού διαλογόνων αλκανίων:
$CH_2=CH_2+Br_2→CH_2Br—CH_2Br$.
3.
$CH_3-(CH)↙(προπένιο)=CH_2+HBr→CH_3-(CHBr)↙(2-βρωμοπροπένιο)-CH_3$
Αυτή η αντίδραση υπακούει Ο κανόνας του Markovnikov:
Όταν ένα υδραλογόνο προστίθεται σε ένα αλκένιο, το υδρογόνο προστίθεται στο πιο υδρογονωμένο άτομο άνθρακα, δηλ. το άτομο στο οποίο υπάρχουν περισσότερα άτομα υδρογόνου και το αλογόνο στο λιγότερο υδρογονωμένο.
Η ενυδάτωση των αλκενίων οδηγεί στο σχηματισμό αλκοολών. Για παράδειγμα, η προσθήκη νερού σε αιθένιο αποτελεί τη βάση μιας από τις βιομηχανικές μεθόδους για την παραγωγή αιθυλικής αλκοόλης:
$(CH_2)↙(αιθένιο)=CH_2+H_2O(→)↖(t,H_3PO_4)CH_3-(CH_2OH)↙(αιθανόλη)$
Σημειώστε ότι μια πρωτοταγής αλκοόλη (με μια υδροξοομάδα στον πρωτογενή άνθρακα) σχηματίζεται μόνο όταν το αιθένιο ενυδατώνεται. Όταν το προπένιο ή άλλα αλκένια ενυδατώνονται, σχηματίζονται δευτεροταγείς αλκοόλες.
Αυτή η αντίδραση προχωρά επίσης σύμφωνα με τον κανόνα του Markovnikov - ένα κατιόν υδρογόνου προσκολλάται σε ένα πιο υδρογονωμένο άτομο άνθρακα και μια υδροξοομάδα σε ένα λιγότερο υδρογονωμένο.
5. Πολυμερισμός.Μια ειδική περίπτωση προσθήκης είναι η αντίδραση πολυμερισμού αλκενίων:
$nCH_2(=)↙(αιθένιο)CH_2(→)↖(UV φως, R)(...(-CH_2-CH_2-)↙(πολυαιθυλένιο)...)_n$
Αυτή η αντίδραση προσθήκης λαμβάνει χώρα μέσω ενός μηχανισμού ελεύθερων ριζών.
6. Αντίδραση οξείδωσης.
Όπως κάθε οργανική ένωση, τα αλκένια καίγονται σε οξυγόνο για να σχηματίσουν $СО_2$ και $Н_2О$:
$СН_2=СН_2+3О_2→2СО_2+2Н_2О$.
Γενικά:
$C_(n)H_(2n)+(3n)/(2)O_2→nCO_2+nH_2O$
Σε αντίθεση με τα αλκάνια, τα οποία είναι ανθεκτικά στην οξείδωση στα διαλύματα, τα αλκένια οξειδώνονται εύκολα από διαλύματα υπερμαγγανικού καλίου. Σε ουδέτερα ή αλκαλικά διαλύματα, τα αλκένια οξειδώνονται σε διόλες (διυδρικές αλκοόλες) και υδροξυλομάδες προστίθενται σε εκείνα τα άτομα μεταξύ των οποίων υπήρχε διπλός δεσμός πριν από την οξείδωση:
Αλκαδιένια (διενικοί υδρογονάνθρακες)
Τα αλκαδιένια είναι άκυκλοι υδρογονάνθρακες που περιέχουν στο μόριο, εκτός από απλούς δεσμούς, δύο διπλούς δεσμούς μεταξύ ατόμων άνθρακα και αντιστοιχούν στον γενικό τύπο $C_(n)H_(2n-2)$.
Ανάλογα με τη σχετική διάταξη των διπλών δεσμών, διακρίνονται τρεις τύποι διενίων:
- αλκαδιένια με σωρευμέναδιάταξη διπλών δεσμών:
- αλκαδιένια με συζευγμένοδιπλοί δεσμοί?
$CH_2=CH—CH=CH_2$;
- αλκαδιένια με απομονωμένοςδιπλούς δεσμούς
$CH_2=CH—CH_2—CH=CH_2$.
Αυτοί οι τρεις τύποι αλκαδιενίων διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους ως προς τη δομή και τις ιδιότητες. Το κεντρικό άτομο άνθρακα (το άτομο που σχηματίζει δύο διπλούς δεσμούς) στα αλκαδιένια με αθροιστικούς δεσμούς βρίσκεται σε κατάσταση $sp$-υβριδισμού. Σχηματίζει δύο $σ$-δεσμούς που βρίσκονται στην ίδια ευθεία και κατευθύνονται σε αντίθετες κατευθύνσεις, και δύο $π$-δεσμούς που βρίσκονται σε κάθετα επίπεδα. $π$-Οι δεσμοί σχηματίζονται λόγω των μη υβριδοποιημένων ρ-τροχιακών κάθε ατόμου άνθρακα. Οι ιδιότητες των αλκαδιενίων με απομονωμένους διπλούς δεσμούς είναι πολύ συγκεκριμένες, γιατί συζευγμένα $π$-ομόλογα επηρεάζουν σημαντικά το ένα το άλλο.
p-τροχιακά που σχηματίζουν συζευγμένους δεσμούς $π$-συνιστούν πρακτικά ένα ενιαίο σύστημα (ονομάζεται $π$-σύστημα), επειδή p-τροχιακά γειτονικών $π$-δεσμών επικαλύπτονται μερικώς.
Ισομερισμός και ονοματολογία
Τα αλκαδιένια χαρακτηρίζονται τόσο από δομικό ισομερισμό όσο και από cis-, trans-ισομερισμό.
Δομική ισομέρεια.
— ισομέρεια σκελετού άνθρακα:
— ισομερισμός της θέσης πολλαπλών δεσμών:
$(CH_2=CH—CH=CH_2)↙(βουταδιένιο-1,3)$ $(CH_2=C=CH—CH_3)↙(βουταδιένιο-1,2)$
Cis-, trans-ισομέρεια (χωρική και γεωμετρική)
Για παράδειγμα:
Τα αλκαδιένια είναι ισομερείς ενώσεις των τάξεων των αλκυνίων και των κυκλοαλκενίων.
Όταν σχηματίζεται το όνομα ενός αλκαδιενίου, υποδεικνύονται οι αριθμοί των διπλών δεσμών. Η κύρια αλυσίδα πρέπει απαραίτητα να περιέχει δύο πολλαπλούς δεσμούς.
Για παράδειγμα:
Φυσικές και χημικές ιδιότητες των αλκαδιενίων
Φυσικές ιδιότητες.
Υπό κανονικές συνθήκες, το προπανδιένιο-1,2, το βουταδιένιο-1,3 είναι αέρια, το 2-μεθυλοβουταδιένιο-1,3 είναι πτητικό υγρό. Τα αλκαδιένια με απομονωμένους διπλούς δεσμούς (ο απλούστερος από αυτούς είναι το πενταδιένιο-1,4) είναι υγρά. Τα ανώτερα διένια είναι στερεά.
Χημικές ιδιότητες.
Οι χημικές ιδιότητες των αλκαδιενίων με απομονωμένους διπλούς δεσμούς διαφέρουν ελάχιστα από τις ιδιότητες των αλκενίων. Τα αλκαδιένια με συζευγμένους δεσμούς έχουν κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά.
1. Αντιδράσεις προσθήκης.Τα αλκαδιένια είναι ικανά να προσθέτουν υδρογόνο, αλογόνα και υδραλογονίδια.
Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της προσθήκης σε αλκαδιένια με συζευγμένους δεσμούς είναι η δυνατότητα προσθήκης μορίων τόσο στις θέσεις 1 και 2 όσο και στις θέσεις 1 και 4.
Η αναλογία των προϊόντων εξαρτάται από τις συνθήκες και τη μέθοδο διεξαγωγής των αντίστοιχων αντιδράσεων.
2.Αντίδραση πολυμερισμού.Η πιο σημαντική ιδιότητα των διενίων είναι η ικανότητα να πολυμερίζονται υπό την επίδραση κατιόντων ή ελεύθερων ριζών. Ο πολυμερισμός αυτών των ενώσεων είναι η βάση των συνθετικών καουτσούκ:
$nCH_2=(CH—CH=CH_2)↙(βουταδιένιο-1,3)→((... —CH_2—CH=CH—CH_2— ...)_n)↙(\κείμενο"συνθετικό καουτσούκ βουταδιενίου")$ .
Ο πολυμερισμός των συζευγμένων διενίων προχωρά ως 1,4-προσθήκη.
Σε αυτήν την περίπτωση, ο διπλός δεσμός αποδεικνύεται ότι είναι κεντρικός στη μονάδα και η στοιχειώδης μονάδα, με τη σειρά της, μπορεί να αναλάβει και τα δύο cis-, Έτσι έκσταση-διαμόρφωση
Αλκίνια
Τα αλκίνια είναι άκυκλοι υδρογονάνθρακες που περιέχουν στο μόριο, εκτός από απλούς δεσμούς, έναν τριπλό δεσμό μεταξύ ατόμων άνθρακα και που αντιστοιχεί στον γενικό τύπο $C_(n)H_(2n-2)$.
Ομόλογη σειρά αιθυνίου
Τα αλκύνια ευθείας αλυσίδας σχηματίζουν την ομόλογη σειρά αιθυνίου (ακετυλένιο):
$С_2Н_2$ - αιθίνη, $С_3Н_4$ - προπίνη, $С_4Н_6$ - βουτίνη, $С_5Н_8$ - πεντίνη, $С_6Н_(10)$ - εξίνη κ.λπ.
Ισομερισμός και ονοματολογία
Τα αλκίνια, όπως και τα αλκένια, χαρακτηρίζονται από δομική ισομέρεια: ισομέρεια του ανθρακικού σκελετού και ισομέρεια της θέσης του πολλαπλού δεσμού. Το απλούστερο αλκύνιο, το οποίο χαρακτηρίζεται από δομικά ισομερή της θέσης πολλαπλών δεσμών της κατηγορίας αλκυνίων, είναι η βουτίνη:
$СН_3—(СН_2)↙(βουτίνη-1)—С≡СН$ $СН_3—(С≡С)↙(βουτίνη-2)—СН_3$
Η ισομέρεια του ανθρακικού σκελετού στα αλκίνια είναι δυνατή, ξεκινώντας από την πεντίνη:
Δεδομένου ότι ένας τριπλός δεσμός υποθέτει μια γραμμική δομή της ανθρακικής αλυσίδας, γεωμετρική ( cis-, trans-) η ισομέρεια είναι αδύνατη για τα αλκίνια.
Η παρουσία τριπλού δεσμού σε μόρια υδρογονανθράκων αυτής της κατηγορίας αντανακλάται από το επίθημα -σεκαι η θέση του στην αλυσίδα είναι ο αριθμός του ατόμου άνθρακα.
Για παράδειγμα:
Οι ενώσεις ορισμένων άλλων τάξεων είναι ισομερείς ως προς τα αλκίνια. Έτσι, ο χημικός τύπος $C_6H_(10)$ έχει εξίνη (αλκύνιο), εξαδιένιο (αλκαδιένιο) και κυκλοεξένιο (κυκλοαλκένιο):
Φυσικές και χημικές ιδιότητες των αλκυνίων
Φυσικές ιδιότητες.Τα σημεία βρασμού και τήξης των αλκινίων, καθώς και των αλκενίων, αυξάνονται φυσικά με την αύξηση του μοριακού βάρους των ενώσεων.
Τα αλκίνια έχουν μια συγκεκριμένη οσμή. Είναι πιο διαλυτά στο νερό από τα αλκάνια και τα αλκένια.
Χημικές ιδιότητες.
Αντιδράσεις προσθήκης.Τα αλκίνια είναι ακόρεστες ενώσεις και υφίστανται αντιδράσεις προσθήκης. Κυρίως αντιδράσεις ηλεκτρόφιλη προσθήκη.
1. Αλογόνωση (προσθήκη μορίου αλογόνου).Ένα αλκύνιο είναι ικανό να συνδέει δύο μόρια αλογόνου (χλώριο, βρώμιο):
$CH≡CH+Br_2→(CHBr=CHBr)↙(1,2-διβρωμοαιθάνιο),$
$CHBr=CHBr+Br_2→(CHBr_2-CHBr_2)↙(1,1,2,2-τετραβρωμοαιθάνιο)$
2. Υδροαλογόνωση (προσθήκη υδραλογόνου).Η αντίδραση προσθήκης ενός υδραλογόνου, η οποία λαμβάνει χώρα μέσω ενός ηλεκτρόφιλου μηχανισμού, συμβαίνει επίσης σε δύο στάδια και και στα δύο στάδια ικανοποιείται ο κανόνας Markovnikov:
$CH_3-C≡CH+Br→(CH_3-CBr=CH_2)↙(2-βρωμοπροπένιο),$
$CH_3-CBr=CH_2+HBr→(CH_3-CHBr_2-CH_3)↙(2,2-διβρωμοπροπάνιο)$
3. Ενυδάτωση (προσθήκη νερού).Μεγάλη σημασία για τη βιομηχανική σύνθεση κετονών και αλδεΰδων έχει η αντίδραση προσθήκης νερού (ενυδάτωση), η οποία ονομάζεται Η αντίδραση του Κουτσέροφ:
4. Υδρογόνωση αλκυνίων.Τα αλκίνια προσθέτουν υδρογόνο παρουσία μεταλλικών καταλυτών ($Pt, Pd, Ni$):
$R-C≡C-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH=CH-R,$
$R-CH=CH-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH_2-CH_2-R$
Δεδομένου ότι ο τριπλός δεσμός περιέχει δύο αντιδραστικούς δεσμούς $π$, τα αλκάνια προσθέτουν υδρογόνο με σταδιακό τρόπο:
1) τριμερισμός.
Όταν το αιθύλιο περνάει πάνω από ενεργό άνθρακα, σχηματίζεται ένα μείγμα προϊόντων, ένα από τα οποία είναι το βενζόλιο:
2) διμερισμός.
Εκτός από τον τριμερισμό του ακετυλενίου, είναι δυνατός ο διμερισμός του. Υπό την επίδραση μονοσθενών αλάτων χαλκού, σχηματίζεται βινυλοακετυλένιο:
$2HC≡CH→(HC≡C-CH=CH_2)↙(\κείμενο"βουτένιο-1-σε-3(βινυλακετυλένιο)")$
Αυτή η ουσία χρησιμοποιείται για την παραγωγή χλωροπρενίου:
$HC≡C-CH=CH_2+HCl(→)↖(CaCl)H_2C=(CCl-CH)↙(χλωροπρένιο)=CH_2$
με πολυμερισμό του οποίου λαμβάνεται καουτσούκ χλωροπρενίου:
$nH_2C=CCl-CH=CH_2→(...-H_2C-CCl=CH-CH_2-...)_n$
Οξείδωση αλκυνίων.
Η αιθίνη (ακετυλένιο) καίγεται σε οξυγόνο, απελευθερώνοντας πολύ μεγάλη ποσότητα θερμότητας:
$2C_2H_2+5O_2→4CO_2+2H_2O+2600kJ$ Η δράση ενός φακού οξυγόνου-ακετυλενίου βασίζεται σε αυτήν την αντίδραση, η φλόγα του οποίου έχει πολύ υψηλή θερμοκρασία (πάνω από $3000°C$), η οποία του επιτρέπει να χρησιμοποιηθεί για κοπή και συγκόλληση μετάλλων.
Στον αέρα, η ακετυλίνη καίγεται με καπνιστή φλόγα, γιατί η περιεκτικότητα σε άνθρακα στο μόριό του είναι μεγαλύτερη από ότι στα μόρια του αιθανίου και του αιθενίου.
Τα αλκίνια, όπως τα αλκένια, αποχρωματίζουν οξινισμένα διαλύματα υπερμαγγανικού καλίου. Σε αυτή την περίπτωση, ο πολλαπλός δεσμός καταστρέφεται.
Ιωνικοί (κανόνας V.V. Markovnikov) και μηχανισμοί ριζικής αντίδρασης στην οργανική χημεία
Τύποι χημικών αντιδράσεων στην οργανική χημεία
Οι αντιδράσεις οργανικών ουσιών μπορούν επίσημα να χωριστούν σε τέσσερις κύριους τύπους: υποκατάσταση, προσθήκη, αποβολή (εξάλειψη) και αναδιάταξη (ισομερισμός). Είναι προφανές ότι ολόκληρη η ποικιλία των αντιδράσεων των οργανικών ενώσεων δεν μπορεί να περιοριστεί στην προτεινόμενη ταξινόμηση (για παράδειγμα, αντιδράσεις καύσης). Ωστόσο, μια τέτοια ταξινόμηση θα βοηθήσει να δημιουργηθούν αναλογίες με τις αντιδράσεις που συμβαίνουν μεταξύ ανόργανων ουσιών, ήδη γνωστές σε εσάς από την πορεία της ανόργανης χημείας.
Τυπικά, η κύρια οργανική ένωση που εμπλέκεται σε μια αντίδραση ονομάζεται υπόστρωμα και το άλλο συστατικό της αντίδρασης θεωρείται συμβατικά το αντιδρόν.
Αντιδράσεις υποκατάστασης
Οι αντιδράσεις που έχουν ως αποτέλεσμα την αντικατάσταση ενός ατόμου ή ομάδας ατόμων στο αρχικό μόριο (υπόστρωμα) με άλλα άτομα ή ομάδες ατόμων ονομάζονται αντιδράσεις υποκατάστασης.
Οι αντιδράσεις υποκατάστασης περιλαμβάνουν κορεσμένες και αρωματικές ενώσεις όπως αλκάνια, κυκλοαλκάνια ή αρένες.
Ας δώσουμε παραδείγματα τέτοιων αντιδράσεων.
Υπό την επίδραση του φωτός, τα άτομα υδρογόνου σε ένα μόριο μεθανίου μπορούν να αντικατασταθούν από άτομα αλογόνου, για παράδειγμα, από άτομα χλωρίου:
$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$
Ένα άλλο παράδειγμα αντικατάστασης του υδρογόνου με αλογόνο είναι η μετατροπή του βενζολίου σε βρωμοβενζόλιο:
Η εξίσωση αυτής της αντίδρασης μπορεί να γραφτεί διαφορετικά:
Σε αυτή τη μορφή γραφής, τα αντιδραστήρια, ο καταλύτης και οι συνθήκες αντίδρασης γράφονται πάνω από το βέλος και τα ανόργανα προϊόντα αντίδρασης γράφονται κάτω από αυτό.
Αντιδράσεις προσθήκης
Οι αντιδράσεις στις οποίες δύο ή περισσότερα μόρια αντιδρώντων ουσιών συνδυάζονται σε ένα ονομάζονται αντιδράσεις προσθήκης.
Οι ακόρεστες ενώσεις όπως τα αλκένια ή τα αλκίνια υφίστανται αντιδράσεις προσθήκης.
Ανάλογα με το ποιο μόριο δρα ως αντιδραστήριο, διακρίνονται οι αντιδράσεις υδρογόνωσης (ή αναγωγής), αλογόνωσης, υδροαλογόνωσης, ενυδάτωσης και άλλες αντιδράσεις προσθήκης. Κάθε ένα από αυτά απαιτεί ορισμένες προϋποθέσεις.
1. Υδρογόνωση— αντίδραση προσθήκης μορίου υδρογόνου μέσω πολλαπλού δεσμού:
$CH_3(-CH=)↙(\text"propene")CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3(-CH_2-)↙(\text"propane")-CH_3$
2.Υδροαλογόνωση— αντίδραση προσθήκης υδραλογόνου (υδροχλωρίωση):
$(CH_2=)↙(\text"αιθάνιο")CH_2+HCl→CH_3(-CH_2-)↙(\text"χλωροαιθάνιο")-Cl$
3.Αλογόνωση- αντίδραση προσθήκης αλογόνου:
$(CH_2=)↙(\text"αιθάνιο")CH_2+Cl_2→(CH_2Cl-CH_2Cl)↙(\text"1,2-διχλωροαιθάνιο")$
4. Πολυμερισμός- ένας ειδικός τύπος αντίδρασης προσθήκης κατά τον οποίο μόρια μιας ουσίας με μικρό μοριακό βάρος συνδυάζονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν μόρια μιας ουσίας με πολύ υψηλό μοριακό βάρος - μακρομόρια.
Οι αντιδράσεις πολυμερισμού είναι διαδικασίες συνδυασμού πολλών μορίων μιας ουσίας χαμηλού μοριακού βάρους (μονομερούς) σε μεγάλα μόρια (μακρομόρια) ενός πολυμερούς.
Ένα παράδειγμα αντίδρασης πολυμερισμού είναι η παραγωγή πολυαιθυλενίου από αιθυλένιο (αιθένιο) υπό την επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας και ενός εκκινητή πολυμερισμού ριζών $R:$
$(nCH_2=)↙(\text"ethene")CH_2(→)↖(\text"UV light, R")((...-CH_2-CH_2-...)_n)↙(\text" πολυαιθυλένιο ")$
Ο πιο χαρακτηριστικός ομοιοπολικός δεσμός για τις οργανικές ενώσεις σχηματίζεται όταν τα ατομικά τροχιακά επικαλύπτονται και ο σχηματισμός κοινών ζευγών ηλεκτρονίων. Ως αποτέλεσμα αυτού, σχηματίζεται ένα τροχιακό κοινό για τα δύο άτομα, στο οποίο βρίσκεται ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων. Όταν ένας δεσμός σπάσει, η μοίρα αυτών των κοινών ηλεκτρονίων μπορεί να είναι διαφορετική.
Τύποι αντιδρώντων σωματιδίων στην οργανική χημεία
Ένα τροχιακό με ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο που ανήκει σε ένα άτομο μπορεί να επικαλύπτεται με ένα τροχιακό άλλου ατόμου που περιέχει επίσης ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζεται ένας ομοιοπολικός δεσμός κατά μήκος μηχανισμός ανταλλαγής:
$H + H→H:H,$ ή $H-H$
Μηχανισμός ανταλλαγήςΟ σχηματισμός ενός ομοιοπολικού δεσμού πραγματοποιείται εάν ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων σχηματίζεται από ασύζευκτα ηλεκτρόνια που ανήκουν σε διαφορετικά άτομα.
Η διαδικασία αντίθετη από το σχηματισμό ενός ομοιοπολικού δεσμού από τον μηχανισμό ανταλλαγής είναι η διάσπαση του δεσμού, κατά την οποία χάνεται ένα ηλεκτρόνιο σε κάθε άτομο. Ως αποτέλεσμα αυτού, σχηματίζονται δύο αφόρτιστα σωματίδια που έχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια:
Τέτοια σωματίδια ονομάζονται ελεύθερες ρίζες.
Ελεύθερες ρίζες- άτομα ή ομάδες ατόμων που έχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια.
Οι αντιδράσεις που συμβαίνουν υπό την επίδραση και με τη συμμετοχή ελεύθερων ριζών ονομάζονται αντιδράσεις ελεύθερων ριζών.
Στην πορεία της ανόργανης χημείας, αυτές είναι οι αντιδράσεις του υδρογόνου με το οξυγόνο, τα αλογόνα και τις αντιδράσεις καύσης. Σημειώστε ότι οι αντιδράσεις αυτού του τύπου χαρακτηρίζονται από υψηλή ταχύτητα και απελευθέρωση μεγάλων ποσοτήτων θερμότητας.
Ένας ομοιοπολικός δεσμός μπορεί επίσης να σχηματιστεί από έναν μηχανισμό δότη-δέκτη. Ένα από τα τροχιακά ενός ατόμου (ή ανιόντος) που περιέχει ένα μεμονωμένο ζεύγος ηλεκτρονίων επικαλύπτεται με ένα μη κατειλημμένο τροχιακό άλλου ατόμου (ή κατιόντος) που έχει ένα μη κατειλημμένο τροχιακό και σχηματίζεται ένας ομοιοπολικός δεσμός, για παράδειγμα:
$H^(+)+(:O-H^(-))↙(\text"acceptor")→(H-O-H)↙(\text"donor")$
Το σπάσιμο ενός ομοιοπολικού δεσμού έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό θετικά και αρνητικά φορτισμένων ειδών. δεδομένου ότι σε αυτή την περίπτωση και τα δύο ηλεκτρόνια από ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων παραμένουν με ένα από τα άτομα, το δεύτερο άτομο έχει ένα μη γεμάτο τροχιακό:
$R:|R=R:^(-)+R^(+)$
Ας εξετάσουμε την ηλεκτρολυτική διάσταση των οξέων:
$H:|Cl=H^(+)+Cl^(-)$
Εύκολα μπορεί κανείς να μαντέψει ότι ένα σωματίδιο που έχει ένα μόνο ζεύγος ηλεκτρονίων $R:^(-)$, δηλ. ένα αρνητικά φορτισμένο ιόν, θα έλκεται από θετικά φορτισμένα άτομα ή από άτομα στα οποία υπάρχει τουλάχιστον ένα μερικό ή αποτελεσματικό θετικό φορτίο. Τα σωματίδια με μεμονωμένα ζεύγη ηλεκτρονίων ονομάζονται πυρηνόφιλους παράγοντες (πυρήνας- πυρήνας, θετικά φορτισμένο μέρος του ατόμου), δηλαδή «φίλοι» του πυρήνα, θετικό φορτίο.
Πυρηνόφιλα ($Nu$)- ανιόντα ή μόρια που έχουν ένα μόνο ζεύγος ηλεκτρονίων που αλληλεπιδρούν με μέρη των μορίων που έχουν αποτελεσματικό θετικό φορτίο.
Παραδείγματα πυρηνόφιλων: $Cl^(-)$ (ιόν χλωρίου), $OH^(-)$ (ανιόν υδροξειδίου), $CH_3O^(-)$ (ανιόν μεθοξειδίου), $CH_3COO^(-)$ (οξικό ανιόν ).
Τα σωματίδια που έχουν ένα μη γεμάτο τροχιακό, αντίθετα, θα τείνουν να το γεμίσουν και, ως εκ τούτου, θα έλκονται από μέρη των μορίων που έχουν αυξημένη πυκνότητα ηλεκτρονίων, αρνητικό φορτίο και μοναχικό ζεύγος ηλεκτρονίων. Είναι ηλεκτρόφιλα, «φίλοι» του ηλεκτρονίου, αρνητικό φορτίο ή σωματίδια με αυξημένη πυκνότητα ηλεκτρονίων.
Ηλεκτρόφιλοι- κατιόντα ή μόρια που έχουν ένα μη γεμάτο τροχιακό ηλεκτρονίων, που τείνουν να το γεμίζουν με ηλεκτρόνια, καθώς αυτό οδηγεί σε μια ευνοϊκότερη ηλεκτρονική διαμόρφωση του ατόμου.
Παραδείγματα ηλεκτρόφιλων: $NO_2$ (νιτροομάδα), -$COOH$ (καρβοξυλικό), -$CN$ (ομάδα νιτριλίου), -$SON$ (ομάδα αλδεΰδης).
Δεν είναι κάθε σωματίδιο με απλήρωτο τροχιακό ηλεκτρόφιλο. Για παράδειγμα, τα κατιόντα αλκαλιμετάλλων έχουν τη διαμόρφωση αδρανών αερίων και δεν τείνουν να αποκτούν ηλεκτρόνια, αφού έχουν χαμηλή συγγένεια ηλεκτρονίων. Από αυτό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι, παρά την παρουσία ενός μη γεμισμένου τροχιακού, τέτοια σωματίδια δεν θα είναι ηλεκτρόφιλα.
Βασικοί μηχανισμοί αντίδρασης
Έχουμε εντοπίσει τρεις κύριους τύπους ειδών που αντιδρούν - ελεύθερες ρίζες, ηλεκτρόφιλα, πυρηνόφιλα - και τρεις αντίστοιχους τύπους μηχανισμών αντίδρασης:
- ελεύθερες ρίζες
- ηλεκτρόφιλο;
- πυρηνόφιλο.
Εκτός από την ταξινόμηση των αντιδράσεων ανάλογα με τον τύπο των σωματιδίων που αντιδρούν, στην οργανική χημεία υπάρχουν τέσσερις τύποι αντιδράσεων που βασίζονται στην αρχή της αλλαγής της σύνθεσης των μορίων: προσθήκη, υποκατάσταση, αποκόλληση ή εξάλειψη (από Lat. εξαλείφω- αφαίρεση, διαχωρισμός) και αναδιατάξεις. Δεδομένου ότι η προσθήκη και η υποκατάσταση μπορούν να συμβούν υπό την επίδραση και των τριών τύπων δραστικών ειδών, μπορούν να διακριθούν αρκετοί βασικοί μηχανισμοί αντίδρασης.
1.Υποκατάσταση ελεύθερων ριζών:
$(CH_4)↙(\κείμενο"μεθάνιο")+Br_2(→)↖(\κείμενο"UV φως")(CH_3Br)↙(\κείμενο"βρωμομεθάνιο")+HBr$
2. Προσθήκη ελεύθερων ριζών:
$nCH_2=CH_2(→)↖(\text"UV light,R")(...-CH_2-CH_2-...)_n$
3. Ηλεκτρόφιλη υποκατάσταση:
4. Ηλεκτροφιλική σύνδεση:
$CH_3-(CH=)↙(\text"προπένιο")CH_2+HBr(→)↖(\text"λύση")(CH_3-CHBr-CH_3)↙(\text"2-βρωμοπροπάνιο")$
$CH_3(-C≡)↙(\text"propyne")CH+Cl_2(→)↖(\text"solution")(CH_3-CCl=CHCl)↙(\text"1,2-dichloropropene")$
5. Πυρηνόφιλη προσθήκη:
Επιπλέον, θα εξετάσουμε αντιδράσεις αποβολής που συμβαίνουν υπό την επίδραση πυρηνόφιλων σωματιδίων - βάσεων.
6. Εξάλειψη:
$СH_3-CHBr-CH_3+NaOH(→)↖(\κείμενο"διάλυμα αλκοόλης")CH_3-CH=CH_2+NaBr+H_2O$
Ο κανόνας του V.V. Markovnikov
Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των αλκενίων (ακόρεστοι υδρογονάνθρακες) είναι η ικανότητά τους να υφίστανται αντιδράσεις προσθήκης. Οι περισσότερες από αυτές τις αντιδράσεις προχωρούν σύμφωνα με τον μηχανισμό ηλεκτρόφιλη προσθήκη.
Υδροαλογόνωση (προσθήκη υδρογόνου αλογόνου):
$СH_3(-CH-)↙(\κείμενο"προπένιο")CH_2+HBr→CH_3(-CHBr-CH_3)↙(\κείμενο"2-βρωμοπροπάνιο")$
Αυτή η αντίδραση υπακούει Ο κανόνας του V.V. Markovnikov:Όταν ένα υδραλογόνο προστίθεται σε ένα αλκένιο, υδρογόνο προστίθεται στο πιο υδρογονωμένο άτομο άνθρακα, δηλ. το άτομο στο οποίο υπάρχουν περισσότερα άτομα υδρογόνου και το αλογόνο στο λιγότερο υδρογονωμένο.
ΑΛΚΕΝΙΑ
Οι υδρογονάνθρακες, στο μόριο των οποίων, εκτός από απλούς δεσμούς σ άνθρακα-άνθρακα και άνθρακα-υδρογόνου, υπάρχουν δεσμοί π άνθρακα-άνθρακα, ονομάζονται απεριόριστος.Δεδομένου ότι ο σχηματισμός ενός δεσμού π είναι τυπικά ισοδύναμος με την απώλεια δύο ατόμων υδρογόνου από το μόριο, οι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες περιέχουν 2πυπάρχουν λιγότερα άτομα υδρογόνου από τα περιοριστικά, όπου Π -αριθμός π δεσμών:
Μια σειρά της οποίας τα μέλη διαφέρουν μεταξύ τους κατά (2Η) n ονομάζεται ισολογική σειρά.Έτσι, στο παραπάνω σχήμα, τα ισόλογα είναι εξάνια, εξένια, εξαδιένια, εξίνες, εξατριένια κ.λπ.
Οι υδρογονάνθρακες που περιέχουν έναν π δεσμό (δηλαδή διπλό δεσμό) ονομάζονται αλκένια (ολεφίνες)ή, σύμφωνα με το πρώτο μέλος της σειράς - αιθυλένιο, υδρογονάνθρακες αιθυλενίου.Ο γενικός τύπος της ομόλογης σειράς τους είναι C p H 2l.
1. Ονοματολογία
Σύμφωνα με τους κανόνες της IUPAC, κατά την κατασκευή των ονομάτων των αλκενίων, η μεγαλύτερη ανθρακική αλυσίδα που περιέχει διπλό δεσμό δίδεται το όνομα του αντίστοιχου αλκανίου στο οποίο η κατάληξη -ένααντικαταστάθηκε από -en.Αυτή η αλυσίδα αριθμείται με τέτοιο τρόπο ώστε τα άτομα άνθρακα που συμμετέχουν στο σχηματισμό του διπλού δεσμού να λαμβάνουν τους μικρότερους δυνατούς αριθμούς:
Οι ρίζες ονομάζονται και αριθμούνται όπως στην περίπτωση των αλκανίων.
Για αλκένια σχετικά απλής δομής, επιτρέπονται απλούστερες ονομασίες. Έτσι, μερικά από τα πιο συχνά εμφανιζόμενα αλκένια ονομάζονται προσθέτοντας το επίθημα -enστο όνομα μιας ρίζας υδρογονάνθρακα με τον ίδιο σκελετό άνθρακα:
Οι ρίζες υδρογονάνθρακα που σχηματίζονται από αλκένια λαμβάνουν το επίθημα -ενίλ.Η αρίθμηση στη ρίζα ξεκινά από το άτομο άνθρακα που έχει ελεύθερο σθένος. Ωστόσο, για τις απλούστερες ρίζες αλκενυλίου, αντί για συστηματικά ονόματα, επιτρέπεται η χρήση ασήμαντων:
Συχνά ονομάζονται άτομα υδρογόνου που συνδέονται άμεσα με ακόρεστα άτομα άνθρακα που σχηματίζουν διπλό δεσμό άτομα υδρογόνου βινυλίου,
2. Ισομέρεια
Εκτός από την ισομέρεια του ανθρακικού σκελετού, η ισομέρεια της θέσης του διπλού δεσμού εμφανίζεται και στη σειρά των αλκενίων. Γενικά, αυτός ο τύπος ισομέρειας είναι ισομέρεια θέσης υποκαταστάτη (συνάρτηση)- παρατηρείται σε όλες τις περιπτώσεις που το μόριο περιέχει οποιεσδήποτε λειτουργικές ομάδες. Για το αλκάνιο C4H10, είναι δυνατά δύο δομικά ισομερή:
Για το αλκένιο C4H8 (βουτένιο), είναι δυνατά τρία ισομερή:
Το βουτένιο-1 και το βουτένιο-2 είναι ισομερή της θέσης της συνάρτησης (σε αυτή την περίπτωση, ο ρόλος του διαδραματίζεται από έναν διπλό δεσμό).
Τα χωρικά ισομερή διαφέρουν ως προς τη χωρική διάταξη των υποκαταστατών σε σχέση μεταξύ τους και ονομάζονται cis ισομερή,εάν οι υποκαταστάτες βρίσκονται στην ίδια πλευρά του διπλού δεσμού, και trans ισομερή,αν βρίσκονται σε αντίθετες πλευρές:
3. Δομή διπλού δεσμού
Η ενέργεια διάσπασης ενός μορίου στον διπλό δεσμό C=C είναι 611 kJ/mol. αφού η ενέργεια του δεσμού C-C σ είναι 339 kJ/mol, η ενέργεια διάσπασης του δεσμού π είναι μόνο 611-339 = 272 kJ/mol. Τα π-ηλεκτρόνια είναι πολύ ελαφρύτερα από τα σ-ηλεκτρόνια και είναι ευαίσθητα στην επίδραση, για παράδειγμα, πολωτικών διαλυτών ή στην επίδραση οποιωνδήποτε επιθετικών αντιδραστηρίων. Αυτό εξηγείται από τη διαφορά στη συμμετρία της κατανομής του νέφους ηλεκτρονίων των σ- και π-ηλεκτρονίων. Η μέγιστη επικάλυψη των ρ-τροχιακών και, επομένως, η ελάχιστη ελεύθερη ενέργεια του μορίου επιτυγχάνονται μόνο με μια επίπεδη δομή του θραύσματος βινυλίου και με μια συντομευμένη απόσταση C-C ίση με 0,134 nm, δηλ. σημαντικά μικρότερη από την απόσταση μεταξύ των ατόμων άνθρακα που συνδέονται με έναν απλό δεσμό (0,154 nm). Καθώς τα «μισά» του μορίου περιστρέφονται μεταξύ τους κατά μήκος του άξονα διπλού δεσμού, ο βαθμός της τροχιακής επικάλυψης μειώνεται, γεγονός που σχετίζεται με την κατανάλωση ενέργειας. Συνέπεια αυτού είναι η απουσία ελεύθερης περιστροφής κατά μήκος του άξονα του διπλού δεσμού και η ύπαρξη γεωμετρικών ισομερών με κατάλληλη υποκατάσταση στα άτομα άνθρακα.
1. Οξείδωση αλκενίων.
1.1 Καύση.
Σε περίσσεια αέρα ή οξυγόνου, όλα τα αλκένια καίγονται σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό:
CH 3 – CH = CH 2 + 4,5 O 2 3 CO 2 + 3 H 2 O
Η καύση των αλκενίων δεν χρησιμοποιείται σε κινητήρες εσωτερικής καύσης, αφού κατά την αποθήκευση της βενζίνης γίνονται ρητινώδη και οι ρητίνες φράζουν τον εξοπλισμό καυσίμου (μπεκ).
Η πιθανότητα καύσης αλκενίων πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τη μεταφορά και αποθήκευση σε χημικά εργοστάσια.
1.2 Οξείδωση αλκενίων με υπολογισμένη ποσότητα ατμοσφαιρικού οξυγόνου παρουσία αργύρου.
Οι εποξειδικές ενώσεις χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία συγκολλητικών για διάφορους σκοπούς.
1.3 Οξείδωση αλκενίων με ένα τοις εκατό διάλυμα υπερμαγγανικού καλίου σε νερό - μια ποιοτική αντίδραση στα αλκένια από τον E.E. Wagner.
Η αντίδραση περιγράφηκε για πρώτη φορά από τον Ε.Ε. Wagner στο Περιοδικό της Ρωσικής Φυσικής και Χημικής Εταιρείας το 1886. Η οξείδωση των αλκενίων ή άλλων ακόρεστων ενώσεων συμβαίνει σε θερμοκρασία δωματίου και συνοδεύεται από την εξαφάνιση του ιώδους χρώματος του υπερμαγγανικού ιόντος και το σχηματισμό καφέ ιζήματος διοξειδίου του μαγγανίου. Ανεξάρτητα από τη δομή του αλκενίου (αλλά όχι αλκαδιενίου, για για παράδειγμα), οι συντελεστές στην αντίδραση Wagner είναι πάντα οι ίδιοι (324-322). Ακολουθούν παραδείγματα οξείδωσης συγκεκριμένων αλκενίων και δείχνουν τις ημι-αντιδράσεις και το συνολικό ORR σε ιοντική και μοριακή μορφή:
:
Όπως φαίνεται στην αντίδραση Wagner, τα τελικά οργανικά προϊόντα είναι οι διυδρικές αλκοόλες. Ονομάζονται επίσης γλυκόλες. Για παράδειγμα, η 1,2-αιθανοδιόλη ονομάζεται αιθυλενογλυκόλη.
1.4 Οξείδωση αλκενίων με ισχυρά οξειδωτικά μέσα στην υγρή φάση σε όξινο περιβάλλον.
Ανάλογα με τη δομή των αλκενίων, όταν οξειδώνονται υπό αυτές τις συνθήκες, λαμβάνονται διάφορα προϊόντα, συγκεκριμένα CO 2, καρβοξυλικά οξέα και κετόνες. Το σχήμα οξείδωσης για αλκένια διαφόρων δομών φαίνεται παρακάτω.
Για να επεξηγηθεί η χρήση αυτού του σχήματος, δίνεται ένα παράδειγμα της οξείδωσης του 2-μεθυλπεντενίου με υπερμαγγανικό κάλιο σε ένα μέσο θειικού οξέος. Σύμφωνα με το σχήμα οξείδωσης, τα τελικά οργανικά προϊόντα για αυτό το αλκένιο είναι ένα καρβοξυλικό οξύ και μια κετόνη:
Ημιαντιδράσεις για αυτή τη διαδικασία:
Άλλο παράδειγμα: η οξείδωση του 2-αιθυλβουτενίου-1 με διχρωμικό κάλιο σε θειικό οξύ. Σύμφωνα με τους κανόνες του σχήματος οξείδωσης, στην περίπτωση αυτή λαμβάνεται μια κετόνη και το διοξείδιο του άνθρακα:
Τρίτο παράδειγμα: οξείδωση cis- 3,4,5-τριμεθυλεπτεν-3 βισμουθικό νάτριο σε αραιό νιτρικό οξύ. Σύμφωνα με τους κανόνες του σχήματος οξείδωσης, στην περίπτωση αυτή λαμβάνονται δύο κετόνες:
1.5 Οζονόλυση
Η οζονόλυση είναι μια διαδικασία δύο σταδίων, στο πρώτο στάδιο της οποίας προστίθεται όζον σε ένα αλκένιο και σχηματίζεται ένα όζον, και στο δεύτερο στάδιο αυτό το όζον καταστρέφεται αργά από το νερό με το σχηματισμό υπεροξειδίου του υδρογόνου, αλδεΰδων και κετονών. ή γρήγορα μειώνεται από τη σκόνη ψευδαργύρου με το σχηματισμό οξειδίου του ψευδαργύρου και των ίδιων αλδεΰδων και κετόνων.
Παρακάτω είναι ένα παράδειγμα οζονόλυσης του 3-μεθυλ- cis-επτένιο-3.
Η οζονόλυση παράγει δύο διαφορετικές κετόνες:
Η φορμαλδεΰδη (μεθάνιο) μπορεί να ληφθεί ως ένα από τα προϊόντα οξείδωσης εάν το τελικό αλκένιο ληφθεί στην αντίδραση:
2. Αντιδράσεις προσθήκης στον διπλό δεσμό των αλκενίων.
Στο διπλό δεσμό των αλκενίων μπορούν να προστεθούν τόσο μη πολικά όσο και πολικά μόρια.
Μη πολικό: H 2, Cl 2, Br 2, J 2. Το φθόριο F2 δεν προσθέτει στα αλκένια, αλλά τα καίει σε CF4 και HF:
CH 3 – CH = CH − CH 3 + 12 F 2 → 4 CF 4 + 8 HF
2.1 Προσθήκη υδρογόνου.
Η προσθήκη λαμβάνει χώρα μόνο παρουσία καταλύτη. Τις περισσότερες φορές, το παλλάδιο ή η πλατίνα χρησιμοποιείται στη βιομηχανία, τα οποία αναγεννώνται εύκολα με πύρωση. Το νικέλιο πρακτικά δεν χρησιμοποιείται, αφού υπό συμβατικές συνθήκες φρύξης μετατρέπεται σε οξείδιο, η αναγωγή του οποίου δεν είναι οικονομικά συμφέρουσα.
CH 3 – CH = CH 2 + H 2 CH 3 – CH 2 – CH 3
2.2 Προσθήκη χλωρίου.
Πηγαίνει σε δύο άτομα σε διπλό δεσμό. Λαμβάνονται διχλωροπαράγωγα αλκανίων. Η αντίδραση μπορεί να συμβεί είτε σε υδατικό διάλυμα σε θερμοκρασία δωματίου ή χαμηλότερες θερμοκρασίες, είτε σε οργανικούς διαλύτες, για παράδειγμα, τετραχλωράνθρακα CCl 4 ή διχλωροαιθάνιο C 2 H 4 Cl 2:
2.3 Προσθήκη βρωμίου.
Εμφανίζεται ομοίως τόσο με βρωμιούχο νερό σε θερμοκρασίες έως 0 0 C όσο και στους ίδιους οργανικούς διαλύτες. Στην τελευταία περίπτωση, η αντίδραση μπορεί να λάβει χώρα σε θερμοκρασίες έως – 25 0 C, δηλαδή στο κρύο.
Η αντίδραση με βρώμιο είναι μια ποιοτική δοκιμή για την παρουσία αλκενίων σε αέρια και υγρά μείγματα, καθώς συνοδεύεται από αποχρωματισμό των πορτοκαλί διαλυμάτων βρωμίου:
2.4 Αντίδραση με ιώδιο.
Η αντίδραση χρησιμοποιείται ευρέως για τον προσδιορισμό του συνολικού ακόρεστου λίπους, τα οποία είναι παράγωγα ακόρεστων λιπαρών οξέων που περιέχουν διπλούς δεσμούς, όπως στα αλκένια:
Η μάζα του ιωδίου σε γραμμάρια που χρησιμοποιείται για την πλήρη ιωδίωση 100 g λίπους ονομάζεται αριθμός ιωδίου. Όσο υψηλότερο είναι, τόσο πιο ωφέλιμο είναι το λίπος για τον άνθρωπο, αφού το σώμα συνθέτει ορμόνες μόνο από πολυακόρεστα λιπαρά οξέα. Παραδείγματα αριθμών ιωδίου: φοινικέλαιο - 12, αρνίσιο λίπος - 35, ελαιόλαδο - 80, σογιέλαιο - 150, λάδι ρέγγας - 200, λάδι φώκιας - 280
2.5 Αντιδράσεις με πολικά μόρια.
Τα πολικά μόρια του τύπου H-A περιλαμβάνουν τα ακόλουθα: H-F, H-Cl, H-Br, H-J, H-OH,
H-O-R (αλκοόλες) και καρβοξυλικά οξέα –
Η προσθήκη υδροχλωρίου και άλλων πολικών μορίων προχωρά αναλόγως, δηλαδή, ένα άτομο υδρογόνου από ένα πολικό μόριο προσκολλάται κατά προτίμηση σε ένα πιο υδρογονωμένο άτομο άνθρακα σε διπλό δεσμό και το υπόλειμμα Α σε άλλο άτομο σε διπλό δεσμό.
Έτσι, η αντίδραση είναι ελάχιστα επιλεκτική.
Καθώς η διαφορά στην υδρογόνωση αυξάνεται, η επιλεκτικότητα στην αντίδραση αυξάνεται. Πράγματι, η διαφορά στην υδρογόνωση των ατόμων 1 και 2 στο προπένιο είναι ένα άτομο υδρογόνου και το 85% του χλωρίου πηγαίνει στο λιγότερο υδρογονωμένο άτομο άνθρακα, ενώ στο
Στο 2-μεθυλοπροπένιο, η διαφορά στην υδρογόνωση μεταξύ των ατόμων 1 και 2 είναι ήδη δύο άτομα υδρογόνου και περισσότερο από το 98% του χλωρίου πηγαίνει στο άτομο 2:
Η προσθήκη HF, HBr, HJ προχωρά παρόμοια:
Διαφορετικά, προστίθεται HBr (και μόνο HBr και όχι HCl, HF και HI) παρουσία υπεροξειδίου του υδρογόνου H 2 O 2:
Αυτή η αντίδραση ονομάζεται προσθήκη HBr σύμφωνα με τον Karas. Η επιλεκτικότητα σε αυτό μεταβάλλεται πρακτικά στο αντίθετο σε σύγκριση με εκείνη για την προσθήκη HBr απουσία υπεροξειδίου του υδρογόνου (σύμφωνα με τον κανόνα του Markovnikov).
Η αντίδραση των αλκενίων με το χλώριο στους 500 °C είναι πολύ ενδιαφέρουσα. Υπό αυτές τις συνθήκες, η αντίδραση προσθήκης χλωρίου στον διπλό δεσμό είναι αναστρέψιμη, επιπλέον, η ισορροπία σε αυτόν μετατοπίζεται έντονα προς τις αρχικές ουσίες. Αντίθετα, μια πολύ πιο αργή αλλά μη αναστρέψιμη αντίδραση ριζικής υποκατάστασης στην αλλυλική θέση, δηλαδή δίπλα στον διπλό δεσμό, φτάνει στο τέλος:
Αυτή η αντίδραση έχει μεγάλη πρακτική σημασία. Για παράδειγμα, ένα από τα στάδια της μεγάλης κλίμακας βιομηχανικής σύνθεσης της γλυκερίνης είναι η χλωρίωση του προπενίου σε
3-χλωροπροπένιο-1.
Όταν προστίθεται νερό στα αλκένια παρουσία καταλυτικών ποσοτήτων θειικών ή φωσφορικών οξέων, λαμβάνονται αλκοόλες. Η ένταξη ακολουθεί τον κανόνα Markovnikov:
Όταν προστίθενται αλκοόλες στα αλκένια, λαμβάνονται αιθέρες:
Αυτοί οι ισομερείς αιθέρες μπορούν να ονομαστούν και αλκάνια που περιέχουν αλκοξυ υποκαταστάτες και αιθέρες. Στην πρώτη περίπτωση, η μακρύτερη αλυσίδα ατόμων άνθρακα επιλέγεται και αριθμείται στην πλησιέστερη πλευρά στον αλκοξυ υποκαταστάτη. Για παράδειγμα, για εκπομπή Εγώαλυσίδα αριθμημένη με αριθμούς σε παρένθεση. Και η αντίστοιχη ονομασία βρίσκεται επίσης σε παρένθεση. Για ισομερές II,Αντίθετα, οι αριθμοί στις αγκύλες αριθμούν την αλυσίδα ξεκινώντας από το άτομο άνθρακα που συνδέεται με το άτομο οξυγόνου. Το όνομα σε αυτή την περίπτωση σχηματίζεται ως εξής: πρώτα ονομάζεται η απλούστερη ρίζα που σχετίζεται με το άτομο οξυγόνου, μετά η πιο σύνθετη και τέλος προστίθεται ο «αιθέρας».
Όταν προστίθενται καρβοξυλικά οξέα στα αλκένια, λαμβάνονται εστέρες:
Τα ονόματα των εστέρων σχηματίζονται ως εξής: πρώτον, ονομάζεται η ρίζα υδρογονάνθρακα που σχετίζεται με το οξυγόνο. Στην περίπτωση αυτή, το άτομο με αριθμό 1 λαμβάνεται ως το άτομο άνθρακα σε επαφή με το οξυγόνο. Η μεγαλύτερη υπάρχουσα αλυσίδα αριθμείται από αυτό το άτομο. Ομάδες ατόμων που δεν περιλαμβάνονται στην κύρια αλυσίδα θεωρούνται υποκαταστάτες και παρατίθενται σύμφωνα με τους συνήθεις κανόνες. Στη συνέχεια προστίθεται ο «εστέρας του τάδε οξέος».
