§ 18. Непредельные углеводороды более активны, чем предельные

Определения и обозначения

Непредельные углеводороды — углеводороды, содержащие кратные связи между атомами углерода. Кратными называют двойную и тройную связи: в них атомы связаны не одной, а несколькими общими электронными парами. Это понятие помогает отличать такие вещества от алканов, в которых между атомами углерода только одинарные связи.

Алкены — непредельные углеводороды с одной двойной связью C=C. В открытой цепи их общая формула CₙH₂ₙ, где n — число атомов углерода. Формула подсказывает, сколько водорода содержит молекула, но не показывает расположение атомов и не исключает, например, циклическое строение.

Алкины — непредельные углеводороды с одной тройной связью C≡C. Для ациклических алкинов общая формула — CₙH₂ₙ₋₂. Сравнение этой формулы с формулами других рядов позволяет предположить наличие тройной связи, а затем проверить вывод по структурной формуле.

Реакция присоединения — реакция, в которой атомы или группы атомов присоединяются по месту кратной связи. При этом между атомами углерода остаётся связь, а к ним присоединяются новые частицы. Это понятие нужно, чтобы описывать характерное превращение алкенов и алкинов и правильно записывать продукты реакции.

Как это устроено

Атом углерода может образовывать четыре ковалентные связи. Если два атома углерода соединены двойной связью, часть их связей друг с другом заменяет связь с водородом, поэтому в ациклическом алкене водорода на два атома меньше, чем в соответствующем алкане. Тройная связь ещё сильнее уменьшает число атомов водорода: отсюда формулы CₙH₂ₙ и CₙH₂ₙ₋₂ для ациклических рядов.

Кратная связь не является одинаковым набором связей. Одна из них — σ-связь, возникающая при перекрывании электронных облаков вдоль линии между ядрами атомов; она удерживает атомы вместе. Остальные составляющие двойной и тройной связи — π-связи: электронные облака располагаются по обе стороны от этой линии, а не прямо между ядрами.

π-связь легче нарушить, чем σ-связь, потому что её электронная плотность менее сосредоточена между ядрами и доступнее для взаимодействия с реагентом. Поэтому при реакции присоединения обычно разрывается π-связь, а σ-связь между атомами углерода сохраняется. Алканы лишены π-связей, и их прочные одинарные связи обычно не вступают в такие превращения в обычных условиях.

Строение кратной связи объясняет присоединение водорода и галогенов. При гидрировании к двум атомам углерода присоединяются атомы водорода, а при взаимодействии с бромом или хлором — атомы галогена; кратная связь становится одинарной. Вода тоже может присоединяться по двойной связи, обычно в присутствии кислотного катализатора, образуя спирт.

Бромная вода окрашена из-за растворённого брома. Алкен или алкин взаимодействует с бромом по кратной связи, поэтому окрашенное вещество расходуется и раствор обесцвечивается; алкан в обычных условиях такого результата не даёт. Раствор перманганата калия также меняет окраску при окислении непредельного соединения, поэтому его используют как ещё одну качественную пробу на кратную связь.

Сравнение предельных и непредельных углеводородов

Сначала сравни тип связи и формулу, чтобы определить класс вещества, а затем — ожидаемое химическое поведение. Пробы с бромной водой и перманганатом удобны для обнаружения кратной связи, но формула сама по себе не всегда устанавливает строение молекулы.

Разбор задач

Определить класс углеводорода C₄H₈ и записать возможную структурную формулу

Условие. Дана молекулярная формула C₄H₈; требуется определить класс вещества и привести один вариант строения. Решение:

1. Для четырёх атомов углерода алкан имел бы формулу C₄H₁₀, поскольку общая формула алканов — CₙH₂ₙ₊₂. В C₄H₈ на два атома водорода меньше, поэтому формула подходит ациклическому алкену с одной двойной связью.

2. Можно записать структурную формулу CH₂=CH–CH₂–CH₃. В ней четыре атома углерода, а двойная связь находится между первым и вторым атомами цепи, поэтому это бут-1-ен.

3. Однако формуле C₄H₈ соответствуют и циклические вещества, например циклобутан. Значит, по одной молекулярной формуле нельзя однозначно установить класс; ответ «алкен» верен, если рассматривается открытая цепь с одной двойной связью.

Ответ: возможный вариант — бут-1-ен CH₂=CH–CH₂–CH₃; формула также может соответствовать циклоалкану.

Записать уравнения реакций этена с водородом и бромом

Условие. Этен CH₂=CH₂ взаимодействует отдельно с водородом и бромом. Нужно указать продукты и показать, что реагенты присоединяются по двойной связи.

1. У этена два атома углерода соединены двойной связью. При присоединении водорода π-связь разрушается, к каждому атому углерода добавляется по одному атому H, а между углеродами сохраняется одинарная связь.

2. Уравнение гидрирования: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃. Продукт — этан; реакцию проводят при подходящих условиях, обычно с катализатором.

3. При присоединении Br₂ по одному атому брома связывается с каждым атомом углерода двойной связи. Уравнение: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br; продукт называется 1,2-дибромэтаном.

Ответ: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃; CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br.

Через раствор бромной воды пропустили смесь этана и этена

Условие. Газовая смесь содержит этан и этен. Нужно объяснить, что произойдёт с бромной водой, и предложить способ разделить или обнаружить компоненты смеси.

1. Этен содержит двойную связь и присоединяет бром. Этан — предельный углеводород с одинарными связями, поэтому в обычных условиях с бромной водой он не реагирует.

2. При пропускании смеси окраска бромной воды исчезает, если в ней есть достаточное количество этена. Реакция этена: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br; бром расходуется и переходит в продукт присоединения.

3. Для обнаружения этена достаточно зафиксировать обесцвечивание раствора. При пропускании смеси через бромную воду этен связывается в жидкий продукт, а этан можно собрать на выходе; так компоненты разделяются, хотя сам этен при этом превращается.

Ответ: бромная вода обесцвечивается из-за реакции с этеном; этан проходит через раствор и может быть собран отдельно.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любая формула CₙH₂ₙ обозначает алкен. Так рассуждают, запомнив формулу гомологического ряда и забыв, что такое же соотношение атомов бывает у циклоалканов. Проверьте, известна ли открытая цепь и действительно ли в структуре есть C=C; без этого формула не даёт однозначного ответа.

Ошибка — записывать для алкена реакцию замещения по образцу алканов. Обычно так происходит, когда свойства двух классов переносят друг на друга, не учитывая строение молекулы. Проверьте, есть ли кратная связь: если реагент присоединяется по ней, в продукте его части оказываются у атомов углерода, между которыми связь стала одинарной.

Ошибка — разрывать при присоединении всю двойную связь и убирать связь между атомами углерода. Путают две составляющие кратной связи, считая их равноценными и не проверяя строение продукта. Убедитесь, что между углеродами осталась σ-связь, а к каждому из них добавился нужный атом или группа; затем проверьте валентности.

Ошибка — объяснять обесцвечивание бромной воды горением. Такое объяснение возникает из-за того, что окраска исчезает, а причина реакции остаётся неясной. Проверьте продукты: при горении нужны кислород и образование оксидов, а в пробе на непредельность бром присоединяется к кратной связи и образует галогенпроизводное.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в непредельных углеводородах, нужно знать строение атома углерода и ковалентных связей: это помогает понять кратные связи и валентность. Знание гомологических рядов и формулы алканов позволяет сравнивать число атомов водорода и замечать признаки ненасыщенности. При этом формулу важно сверять с возможным строением молекулы.

Реакции присоединения — основа для изучения превращений органических веществ. На их примере разбирают получение спиртов из алкенов и образование полимеров из молекул с двойными связями. Представление о кратной связи помогает проследить, как исходное строение определяет свойства и способы получения веществ.

Качественные реакции нужны не только для описания алкенов и алкинов. Обесцвечивание бромной воды помогает распознавать кратные связи при исследовании органических веществ и анализе их состава. Для вывода учитывают условия опыта и сопоставляют результат с другими сведениями о веществе.

Что запомнить

• Непредельные углеводороды содержат двойные или тройные связи.
• Алкены имеют общую формулу CₙH₂ₙ.
• Алкины имеют общую формулу CₙH₂ₙ₋₂.
• Кратная связь включает σ-связь и одну или две π-связи.
• π-связь легче разрывается, поэтому непредельные углеводороды активнее алканов.
• Для непредельных углеводородов характерны реакции присоединения.
• Кратную связь обнаруживают по обесцвечиванию бромной воды.