§ 4. Непредельные углеводороды. Алкены

Определения и обозначения

Непредельные углеводороды — соединения, в молекулах которых между атомами углерода есть кратная связь, то есть двойная или тройная. В отличие от насыщенных углеводородов, они содержат меньше водорода при том же числе атомов углерода. Это определение помогает сразу распознать особенность строения, от которой зависят свойства вещества.

Алкены — непредельные углеводороды с одной двойной связью; для ациклических алкенов общая формула — CₙH₂ₙ. Ациклическими называют соединения с незамкнутой цепью атомов углерода. Формула позволяет находить состав вещества, если известно число атомов углерода, и отличать этот ряд от ряда алканов.

Двойная связь между атомами углерода состоит из σ-связи и π-связи. σ-связь образуется при перекрывании атомных орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра, а π-связь — при их боковом перекрывании. π-связь легче нарушить, поэтому двойная связь определяет повышенную реакционную способность алкенов.

Простейший алкен — этилен, или этен, с молекулярной формулой C₂H₄ и структурной формулой CH₂=CH₂. Каждая из двух связей углерода приходится на отдельный атом водорода, а атомы углерода соединены двойной связью. Запись CH₂=CH₂ наглядно показывает, где находится реакционноспособный участок молекулы.

Как это устроено

У алканов с n атомами углерода формула CₙH₂ₙ₊₂: атомы водорода занимают возможные связи углеродной цепи. Когда между двумя атомами углерода возникает двойная связь, для неё требуется дополнительная связь между этими атомами. Поэтому на них остаётся место на два атома водорода меньше, чем в соответствующем алкане, и формула становится CₙH₂ₙ. Это сравнение относится к ациклическим соединениям с одной двойной связью.

В двойной связи одна часть, σ-связь, удерживает атомы углерода на основной линии соединения, а другая, π-связь, располагается над и под этой линией. Боковое перекрывание орбиталей в π-связи менее устойчиво, чем образование σ-связи, поэтому при реакции легче разрушается именно π-связь. σ-связь при этом сохраняется, и двойная связь становится одинарной. Освободившиеся возможности связей занимают атомы или группы, поэтому для алкенов характерны реакции присоединения.

Чтобы назвать алкен, сначала находят самую длинную непрерывную цепь, которая обязательно содержит двойную связь. Нумерацию начинают с того конца, который ближе к двойной связи: так её положение получает наименьший номер. Название строят от соответствующего алкана, заменяя окончание на «-ен» и указывая цифрой положение связи, например бут-1-ен. Если у цепи есть ответвления, их также обозначают в названии с номерами.

Алкены могут иметь разное строение углеродного скелета, даже если их молекулярные формулы совпадают: это изомерия углеродного скелета. Двойная связь может находиться в разных местах цепи, что даёт изомерию положения, например бут-1-ен и бут-2-ен. У двойной связи вращение затруднено, поэтому в некоторых случаях группы по её сторонам сохраняют взаимное расположение. Если одинаковые или сравниваемые группы находятся с одной стороны — говорят о цис-форме, если по разные стороны — о транс-форме.

При гидрировании к алкену присоединяется водород, и образуется алкан; реакция обычно требует катализатора, например никеля. При галогенировании присоединяется галоген, при гидрогалогенировании — галогеноводород, а при гидратации — вода, в результате чего получается спирт. В реакциях присоединения двойная связь становится одинарной. При полимеризации многие молекулы алкена соединяются в длинную цепь: двойные связи раскрываются, а повторяющиеся звенья формируют полимер.

Характерные реакции алкенов

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите реагент: H₂, X₂, HX или H₂O. Затем замените двойную связь одинарной и присоедините части реагента к двум атомам углерода, учитывая условия. При полимеризации отдельные молекулы не присоединяют маленькие молекулы реагента, а соединяются друг с другом в цепь.

Разбор задач

1. Пропен: формулы и название

Условие. Составить молекулярную и структурную формулы пропена и назвать его. Слово «проп-» указывает на три атома углерода, а суффикс «-ен» — на одну двойную связь. Для решения проверим формулу по общему правилу и расположим связь так, чтобы её номер был наименьшим.

1. Подставим n = 3 в CₙH₂ₙ: молекулярная формула будет C₃H₆.
2. Запишем цепь из трёх атомов углерода и поместим двойную связь у края: CH₂=CH–CH₃.
3. Считаем от ближайшего к двойной связи конца: связь начинается у первого атома углерода, поэтому полное название — проп-1-ен. Обычно для пропена номер можно опустить, поскольку другого положения двойной связи в трёхуглеродной цепи нет.

Ответ: C₃H₆; CH₂=CH–CH₃; пропен (проп-1-ен). В структурной записи число атомов водорода при каждом углероде дополняет его валентность до четырёх. Полученная формула содержит одну двойную связь, как и требуется для алкена.

2. Этен и бромная вода

Условие. Записать реакцию этена с бромом и объяснить, почему меняется цвет раствора. Бромная вода имеет окраску из-за растворённого брома. Если этен присоединяет бром, его концентрация уменьшается, и раствор обесцвечивается.

1. Запишем формулы реагентов: этен — CH₂=CH₂, бром — Br₂.
2. Превратим двойную связь в одинарную и присоединим по атому Br к каждому атому углерода: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br.
3. Назовём продукт: 1,2-дибромэтан. Обесцвечивание раствора означает, что бром вступил в реакцию и был израсходован.

Ответ: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br; продукт — 1,2-дибромэтан. Исчезновение окраски используют как качественную пробу на кратную связь. Однако подобную реакцию могут давать и другие вещества с кратными связями, поэтому это не доказательство присутствия именно алкена.

3. Присоединение к бутену и его изомеры

Условие. Рассмотрим бут-1-ен CH₂=CH–CH₂–CH₃: запишем реакции с водородом и хлороводородом, назовём продукты и найдём возможные изомеры. Сначала установим, какой участок молекулы меняется: это связь между первым и вторым атомами углерода. При присоединении она становится одинарной, а реагент распределяется между этими атомами.

1. При гидрировании добавляем H₂: CH₂=CH–CH₂–CH₃ + H₂ → CH₃–CH₂–CH₂–CH₃. Продукт — бутан; реакция идёт при катализаторе, например Ni.
2. При присоединении HCl к бут-1-ену водород присоединяется к крайнему атому углерода, а хлор — к соседнему: CH₂=CH–CH₂–CH₃ + HCl → CH₃–CHCl–CH₂–CH₃. Продукт — 2-хлорбутан.
3. Изомеры состава C₄H₈ среди ациклических алкенов: бут-1-ен, бут-2-ен и 2-метилпропен. У бут-2-ена возможны цис- и транс-формы, поскольку у каждого атома двойной связи разные заместители.

Ответ: при гидрировании получается бутан, при гидрогалогенировании — преимущественно 2-хлорбутан. В названии бут-1-ена цифра показывает положение двойной связи, а в названии продукта присоединения номер указывает положение атома хлора. При поиске изомеров проверяют и изменение скелета, и перенос двойной связи, не считая одинаковые записи отдельными веществами.

Типичные ошибки

Формулу CₙH₂ₙ иногда принимают за формулу любого углеводорода с n атомами углерода. Ошибка возникает потому, что одной формуле могут соответствовать вещества разных классов, например циклоалканы. Проверяйте условия применения: здесь речь идёт об ациклическом алкене с одной двойной связью, а не о любом углеводороде.

При нумерации цепи иногда начинают считать от конца, удалённого от двойной связи, ориентируясь на удобство записи ответвлений. Тогда связь получает не минимальный номер, и название оказывается неверным. Сначала сравните расстояние до двойной связи от обоих концов и выберите ближайший; затем проверьте, что цифра в названии действительно указывает её положение.

В уравнении присоединения могут оставить двойную связь и просто добавить к формуле реагент. Это противоречит смыслу реакции: π-связь расходуется, поэтому между теми же атомами углерода остаётся одинарная связь. Для самопроверки нарисуйте структурную формулу продукта и убедитесь, что новые атомы или группы присоединены к углеродам бывшей двойной связи.

Обесцвечивание бромной воды порой считают доказательством того, что исследуемое вещество — алкен. Такое заключение слишком точное: бром может присоединяться и к другим веществам с кратными связями. Проверяйте формулу или строение вещества, а результат пробы формулируйте аккуратно: он указывает на реакцию брома с кратной связью, но не устанавливает класс однозначно.

Связь с другими темами

Для изучения алкенов нужны знания о валентности углерода: они помогают правильно строить структурные формулы и проверять их. Правила названий алканов переносятся на алкены, но при выборе цепи и нумерации учитывают двойную связь. Понятия гомологического ряда и изомерии помогают сравнивать состав и строение веществ. Позже реакции алкенов пригодятся при изучении алкинов, полимеров и способов получения органических веществ.

Что запомнить

• Алкены — ациклические углеводороды с одной двойной связью.
• Общая формула алкенов — CₙH₂ₙ.
• Двойная связь состоит из σ-связи и π-связи.
• Для алкенов характерны реакции присоединения.
• Двойная связь в названии обозначается суффиксом «-ен», её положение указывают цифрой.
• При полимеризации молекулы алкена соединяются в длинную цепь.