"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Непредельные углеводороды — вещества, в которых атомы углерода соединены двойными или тройными связями. К ним относятся алкены и алкины: у первых есть одна двойная связь, у вторых — одна тройная. Кратная связь влияет на формулы, названия и химические свойства этих соединений. Главное для изучения темы — научиться распознавать класс вещества, правильно нумеровать цепь и понимать реакции присоединения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Непредельные углеводороды — соединения только углерода и водорода, в молекулах которых есть кратная связь между атомами углерода. В предельных углеводородах, например алканах, связи между атомами углерода только одинарные. Кратная связь означает, что углеродный скелет может присоединять другие атомы или группы атомов.
Алкены — непредельные углеводороды с одной двойной связью. Для их ациклического гомологического ряда общая формула CₙH₂ₙ, где n — число атомов углерода. Формула помогает отличать алкены от других классов, если известно, что молекула не имеет циклов и содержит ровно одну двойную связь.
Алкины — непредельные углеводороды с одной тройной связью. Общая формула ациклического ряда с одной тройной связью — CₙH₂ₙ₋₂. Сравнение этой формулы с формулой алкенов показывает, что на два атома водорода меньше: это связано с большей кратностью связи.
Гомологический ряд — последовательность веществ одного класса, в которой соседние представители отличаются на группу CH₂. Например, алкены образуют ряд C₂H₄, C₃H₆, C₄H₈, а алкины — C₂H₂, C₃H₄, C₄H₆. Ряды позволяют увидеть общий закономерный состав веществ и предсказать формулу следующего представителя.
Кратная связь определяет, к какому классу относится углеводород, и влияет на количество водорода в его молекуле. Углерод образует четыре связи, поэтому появление дополнительных связей между двумя атомами углерода уменьшает число связей, доступных для атомов водорода. Так объясняется, почему у алкенов и алкинов водорода меньше, чем у соответствующего алкана с тем же числом атомов углерода.
Двойная связь состоит из одной σ-связи и одной π-связи: σ-связь образуется при прямом перекрывании электронных облаков, а π-связь — при их боковом перекрывании. В тройной связи к одной σ-связи добавляются две π-связи. При химическом взаимодействии π-связи разрываются легче, чем σ-связи, поэтому по кратной связи часто присоединяются новые атомы, а углеродный скелет при этом сохраняется.
При назывании сначала выбирают главную углеродную цепь, содержащую кратную связь, затем нумеруют её с конца, ближайшего к этой связи. Номер кратной связи — это номер первого атома углерода, который в ней участвует; его указывают в названии перед суффиксом класса. Положение заместителей тоже обозначают числами, но при выборе направления нумерации преимущество отдаётся наименьшему номеру кратной связи.
Разное расположение двойной или тройной связи и разветвление углеродного скелета могут приводить к изомерии: вещества с одинаковой молекулярной формулой имеют разное строение. У некоторых алкенов возникает также геометрическая изомерия. Она возможна потому, что вокруг двойной связи нет свободного вращения, и группы атомов могут находиться по одну или по разные стороны от неё.
Алкены и алкины вступают в реакции присоединения: к атомам углерода при кратной связи присоединяются водород, галогены или галогеноводороды. Например, при присоединении водорода кратная связь становится одинарной; при реакции с галогеном атомы галогена присоединяются к углеродам, между которыми была кратная связь. Бромная вода обесцвечивается, потому что бром расходуется в реакции присоединения; такую пробу используют для обнаружения кратных связей, но она не указывает на единственный класс вещества.
| Признак | Алкены | Алкины |
|---|---|---|
| Тип кратной связи | Одна двойная связь | Одна тройная связь |
| Общая формула ациклического ряда с одной кратной связью | CₙH₂ₙ | CₙH₂ₙ₋₂ |
| Пример и его название | CH₂=CH₂ — этен | HC≡CH — этин |
| Правило обозначения положения кратной связи | Номер первого атома двойной связи перед суффиксом -ен | Номер первого атома тройной связи перед суффиксом -ин |
| Характерная реакция присоединения | CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃ | HC≡CH + 2H₂ → CH₃–CH₃ |
| Качественная реакция на кратную связь | Обесцвечивание бромной воды | Обесцвечивание бромной воды |
Сначала по типу связи в формуле определите класс, затем сверьте число атомов водорода с общей формулой. В названиях обратите внимание на номер кратной связи: он показывает, с какого атома начинается двойная или тройная связь. Обесцвечивание бромной воды подтверждает способность к присоединению, но само по себе не отличает алкены от алкинов.
Решение:
Проверка: при n = 3 получается C₃H₆, что соответствует формуле CH₂=CH–CH₃. Ответ: алкен проп-1-ен (пропен); общая формула ряда CₙH₂ₙ.
Решение:
Другие положения двойной связи в прямой цепи не дают новых вариантов: при нумерации с другого конца они совпадают с уже найденными. Ответ: бут-1-ен, бут-2-ен и 2-метилпроп-1-ен. У бут-2-ена возможны геометрические изомеры, если их также требуется учитывать.
Решение:
Проверяем баланс: слева и справа три атома углерода, шесть атомов водорода и четыре атома брома. Ответ: образуется 1,1,2,2-тетрабромпропан.
Ошибка — перепутать общие формулы алкенов и алкинов. Её часто допускают, запоминая формулы без связи с числом кратных связей. Проверьте себя на первых представителях: этен C₂H₄ подходит к CₙH₂ₙ, а этин C₂H₂ — к CₙH₂ₙ₋₂.
Ошибка — нумеровать цепь с конца, который ближе к заместителю, хотя кратная связь оказывается дальше. Так делают по привычке, перенося правила нумерации заместителей. Сначала пронумеруйте цепь с двух концов и выберите вариант с меньшим номером кратной связи, а потом укажите заместители.
Ошибка — считать, что при присоединении двойная или тройная связь исчезает целиком. На самом деле разрывается одна или обе π-связи, а σ-связь между атомами углерода сохраняется. Проверка — проследить судьбу углеродного скелета: атомы углерода остаются соединёнными, а к ним добавляются атомы реагента.
Ошибка — считать обесцвечивание бромной воды доказательством того, что вещество обязательно является алкеном. Реакцию присоединения дают и другие соединения с кратными связями, например алкины. Используйте эту пробу как признак непредельности, а класс определяйте по строению и типу связи.
Для изучения непредельных углеводородов нужны знания о строении атома углерода, ковалентных связях и структурных формулах. Правила называния алканов помогают выбрать главную цепь и назвать заместители, но нумерацию здесь определяет прежде всего положение кратной связи.
Реакции присоединения удобно сравнивать с химическими свойствами алканов: для алканов более характерны реакции замещения. Такое сопоставление помогает связать особенности строения молекулы с её реакционной способностью.
Знание свойств алкенов пригодится при изучении полимеризации, органического синтеза и взаимопревращений углеводородов. В частности, присоединение и раскрытие кратной связи помогают понять, как из небольших молекул получают более сложные вещества.
Почему алкены и алкины называют непредельными углеводородами?
В их молекулах есть двойная или тройная связь между атомами углерода. Поэтому на углеродный скелет приходится меньше атомов водорода, чем в соответствующих предельных углеводородах — алканах.
Как определить, к какому классу относится углеводород по его формуле?
Если это ациклическое соединение с одной кратной связью, формула CₙH₂ₙ соответствует алкену, а CₙH₂ₙ₋₂ — алкину. Формула сама по себе не всегда показывает строение однозначно, поэтому при наличии структурной формулы нужно также проверить тип связи.
Как правильно нумеровать цепь, если в ней есть кратная связь и заместитель?
Главную цепь выбирают так, чтобы она содержала кратную связь, а нумерацию начинают с ближайшего к ней конца. Сначала добиваются наименьшего номера кратной связи, а затем указывают положения заместителей.
Почему алкины могут присоединять реагент дважды?
Тройная связь состоит из одной σ-связи и двух π-связей. При первом присоединении расходуется одна π-связь и тройная связь становится двойной, а оставшаяся π-связь может вступить во второе присоединение.
Что показывает обесцвечивание бромной воды?
Оно показывает, что вещество может вступать в реакцию присоединения брома, характерную для соединений с кратными связями. Это качественная проба, но она не доказывает, что перед нами именно алкен: бромную воду обесцвечивают и другие непредельные соединения, например алкины.
Тема 7. Непредельные углеводороды
