§ 5. Алкадиены. Каучуки

Определения и обозначения

Алкадиены — непредельные углеводороды, в молекулах которых есть две двойные связи. Для ациклических алкадиенов с двумя двойными связями общая формула — CₙH₂ₙ₋₂. Сравнение этой формулы с формулой алканов помогает увидеть, что каждая двойная связь уменьшает число атомов водорода на два.

Сопряжённые диены — алкадиены, в которых двойные связи разделены одной одинарной связью. Пример — 1,3-бутадиен, CH₂=CH–CH=CH₂. Такое определение нужно, чтобы отличать диены, способные к особым вариантам присоединения, от соединений с другим расположением двойных связей.

Каучук — эластичный полимер, то есть вещество из длинных молекулярных цепей, способных растягиваться и возвращаться к исходной форме. Натуральный каучук получают из природного сырья, а синтетический производят химическим путём из подходящих мономеров. Различие важно при выборе сырья и свойств материала для изделий.

Вулканизация — нагревание каучука с серой, при котором между цепями полимера образуются поперечные связи. Они не дают цепям свободно разъезжаться при растяжении, но сохраняют возможность упругого движения. Поэтому после обработки каучук становится более прочным материалом — резиной.

Как это устроено

В названии алкадиена цифрами обозначают атомы углерода, у которых начинаются двойные связи. Например, в 1,3-бутадиене цепь содержит четыре атома углерода, а связи расположены между первым и вторым, третьим и четвёртым атомами: CH₂=CH–CH=CH₂. У 2-метил-1,3-бутадиена, или изопрена, к второму атому цепи присоединена группа CH₃: CH₂=C(CH₃)–CH=CH₂. Локанты нужны, потому что при изменении положения связей или заместителя меняется строение молекулы, даже если состав остаётся тем же.

По взаимному расположению связей диены бывают сопряжёнными, изолированными и кумулированными. В сопряжённом диене между двойными связями стоит одна одинарная связь, в изолированном — две или больше, а в кумулированном обе двойные связи имеют общий атом углерода. Эти варианты отличаются распределением электронов и характером реакций. Для производства многих каучуков особенно важны сопряжённые диены: их строение позволяет мономерам соединяться в цепь, сохраняя в повторяющемся звене одну двойную связь.

Как и другие непредельные углеводороды, алкадиены вступают в реакции присоединения по двойным связям. У сопряжённого 1,3-бутадиена электронное строение всей цепи связано, поэтому реагент может присоединиться к соседним атомам 1 и 2 либо к крайним атомам 1 и 4. В первом случае оставшаяся двойная связь находится между атомами 3 и 4, а во втором перемещается между атомами 2 и 3. Это объясняет, почему одна исходная молекула даёт продукты 1,2- и 1,4-присоединения.

При полимеризации множество молекул мономера соединяется в длинную цепь. Для бутадиена повторяющееся звено можно записать как –CH₂–CH=CH–CH₂–, а весь полимер — [–CH₂–CH=CH–CH₂–]ₙ. У изопрена при соединении молекул также возникает полимерная цепь; её звенья содержат метильную группу и двойную связь. Так получают синтетические каучуки, а сохранённая в звеньях двойная связь может участвовать в дальнейших превращениях.

Натуральный каучук состоит преимущественно из цепей цис-полиизопрена. Гибкие цепи могут менять форму под действием растяжения, а затем возвращаться обратно, поэтому материал эластичен. При вулканизации сера создаёт поперечные связи между соседними цепями. Такие мостики ограничивают их перемещение и повышают прочность, упругость и устойчивость материала, превращая каучук в резину.

Алкадиены и каучуки: строение, получение и свойства

Таблица сопоставляет строение веществ с процессами, которые помогают получить каучук или изменить его свойства. При повторении темы сначала найдите формулу и тип объекта, затем проследите, какое превращение с ним происходит. Последний столбец показывает, зачем это вещество или процесс применяют.

Разбор задач

1. Строение и тип диена

Условие. Запишите структурную формулу 1,3-бутадиена и укажите, к какому типу диенов он относится. В названии уже заданы длина основной цепи и положения двойных связей. Нужно правильно перенести эти данные в формулу и сравнить связи между собой.

1. Основа «бута-» означает цепь из четырёх атомов углерода.
2. Локанты 1 и 3 показывают, что двойные связи находятся между первым и вторым, а также третьим и четвёртым атомами: CH₂=CH–CH=CH₂.
3. Между двойными связями расположена одна одинарная связь, значит, диен сопряжённый.

Ответ. CH₂=CH–CH=CH₂; это сопряжённый диен.

2. Присоединение брома

Условие. Запишите уравнения присоединения одной молекулы Br₂ к 1,3-бутадиену с образованием продуктов 1,2- и 1,4-присоединения. Поскольку диен сопряжённый, нельзя считать, что атомы брома обязательно займут только соседние положения. Проверяйте одновременно места присоединения и положение оставшейся двойной связи.

1. Запишите исходную цепь и пронумеруйте её: CH₂=CH–CH=CH₂.
2. При 1,2-присоединении атомы Br занимают положения 1 и 2, а двойная связь остаётся между атомами 3 и 4: CH₂=CH–CH=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CHBr–CH=CH₂.
3. При 1,4-присоединении Br занимает крайние положения 1 и 4, а двойная связь перемещается между атомами 2 и 3: CH₂=CH–CH=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH=CH–CH₂Br.
4. В обеих продуктах число атомов углерода сохраняется, а два атома брома соответствуют одной присоединившейся молекуле Br₂.

Ответ. Продукты: CH₂Br–CHBr–CH=CH₂ и CH₂Br–CH=CH–CH₂Br.

3. Масса полимера

Условие. При полимеризации 54 г бутадиена получили бутадиеновый каучук. Нужно определить массу продукта при отсутствии потерь и изобразить повторяющееся звено. При полимеризации молекулы мономера соединяются в цепь без выделения побочных веществ, поэтому общая масса сохраняется.

1. Запишите процесс: nCH₂=CH–CH=CH₂ → [–CH₂–CH=CH–CH₂–]ₙ.
2. Сопоставьте массу исходного бутадиена и массу полученного полимера: по условию ничто не теряется и не удаляется из системы.
3. Следовательно, масса каучука равна массе израсходованного мономера: m = 54 г.
4. В квадратных скобках укажите повторяющееся звено, а индекс n обозначает большое число таких звеньев в цепи.

Ответ. Масса бутадиенового каучука — 54 г; повторяющееся звено: –CH₂–CH=CH–CH₂–.

Типичные ошибки

Ошибка — назвать алкадиен, не указав положения двойных связей. Одной общей формулы недостаточно: она сообщает состав класса, но не отличает структурные изомеры друг от друга. Такую ошибку допускают, когда принимают число атомов углерода за полное название соединения. Проверьте себя: в названии должны быть локанты обеих двойных связей, а формула должна им соответствовать.

Ошибка — считать, что присоединение к сопряжённому диену всегда идёт только по положениям 1 и 2. Часто это происходит из-за привычки переносить на диен простую схему реакции алкена, где рассматривают одну двойную связь. Для проверки пронумеруйте всю сопряжённую цепь и проверьте возможность 1,4-присоединения. В таком продукте двойная связь остаётся между вторым и третьим атомами углерода.

Ошибка — описывать полимеризацию как простое соединение нескольких малых молекул без указания цепи и повторяющегося звена. Такое представление затрудняет понимание, какие части мономера вошли в полимер и какая связь сохранилась. Запишите несколько одинаковых звеньев подряд или формулу в квадратных скобках с индексом n. Проверьте, что звено повторяется, а число атомов в нём соответствует превращению мономера.

Ошибка — употреблять слова «каучук» и «резина» как названия одного и того же вещества. Путаница возникает потому, что оба материала эластичны и применяются для похожих изделий. Но резину получают из каучука при вулканизации, поэтому это не тождественные понятия. Чтобы проверить ответ, спросите себя, был ли каучук обработан с образованием поперечных связей между цепями.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать строение алкадиенов, нужны знания об углеводородах, гомологических рядах и структурной изомерии. Правила называния алкенов помогают понять, как выбирать основную цепь и указывать положения кратных связей. Эти навыки позволяют переводить название диена в структурную формулу.

Реакции алкадиенов связаны с присоединением по двойной связи, которое изучают на примере алкенов. При этом сопряжённая система даёт дополнительную возможность образования продукта 1,4-присоединения. Полимеризация связывает тему с превращениями алкенов и образованием макромолекул.

Каучуки — пример полимерных материалов, свойства которых зависят от строения и обработки. Их изучение помогает объяснить, почему материалы по-разному ведут себя при растяжении и нагревании. Эти знания применяют при знакомстве с полимерами, бытовыми изделиями и промышленным производством.

Что запомнить

• Алкадиены содержат в молекуле две двойные связи.
• Общая формула ациклических алкадиенов с двумя двойными связями — CₙH₂ₙ₋₂.
• В сопряжённых диенах двойные связи разделены одной одинарной связью.
• Сопряжённый 1,3-бутадиен вступает в реакции 1,2- и 1,4-присоединения.
• Полимеризацией бутадиена и изопрена получают синтетические каучуки.
• Натуральный каучук — природный полимер изопренового строения.
• Вулканизация связывает цепи каучука и улучшает свойства материала.