Химические свойства алкенов

Определения и обозначения

Алкен — непредельный углеводород с одной двойной связью C=C. Непредельным его называют потому, что в молекуле есть связь, способная вступать в реакции присоединения. Двойная связь помогает отличать алкены от алканов и предсказывать их типичные превращения. Например, этен CH₂=CH₂ и пропен CH₃–CH=CH₂ относятся к алкенам.

Реакция присоединения — реакция, при которой атомы или группы атомов присоединяются по двойной связи, а молекула алкена становится насыщеннее. В результате между атомами углерода остаётся одинарная связь, а к ним добавляются новые частицы. Это понятие позволяет понять, почему из алкенов получают алканы, спирты и галогеналканы. Примеры таких реакций — гидрирование и гидратация.

Правило Марковникова описывает присоединение полярного вещества, например HCl, к несимметричному алкену: атом водорода присоединяется к тому атому углерода двойной связи, у которого уже больше атомов водорода. Вторую часть молекулы, например Cl, получает соседний атом углерода. Правило нужно, чтобы определить основной продукт, если возможны разные направления присоединения. Для симметричного алкена этот выбор не требуется.

Полимеризация алкенов — соединение множества молекул алкена в одну макромолекулу без выделения побочных продуктов. Исходные молекулы называют мономерами, а повторяющиеся части длинной цепи — звеньями полимера. Например, из этена получают полиэтилен. Это определение помогает увидеть связь между реакцией двойной связи и производством пластмасс.

Как это устроено

Двойная связь состоит из σ-связи и π-связи. σ-связь прочнее и располагается вдоль оси между атомами углерода, а π-связь образуется выше и ниже этой оси и доступнее для взаимодействия с реагентами. Поэтому при многих реакциях алкена разрушается именно π-связь, а σ-связь C–C сохраняется. Освободившиеся валентности углеродных атомов образуют новые связи с присоединяемыми частицами.

При гидрировании к двум атомам углерода двойной связи присоединяются два атома водорода, и алкен превращается в алкан. Например, CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃. Для реакции обычно нужен катализатор — вещество, которое ускоряет превращение, например никель, платина или палладий; он помогает молекулам водорода и алкена взаимодействовать на своей поверхности. Кратность связи уменьшается с двойной до одинарной, но связь между углеродами не исчезает.

При взаимодействии алкена с галогенами, например бромом, к каждому из двух атомов углерода присоединяется по одному атому галогена. Так, из этена и Br₂ получается 1,2-дибромэтан, а бромная вода теряет окраску, поскольку бром расходуется в реакции. При присоединении галогеноводорода HX один атом углерода получает водород, а другой — галоген. Для несимметричного алкена распределение этих атомов определяют по правилу Марковникова.

При гидратации по двойной связи присоединяется вода: её атомы водорода и кислорода распределяются между атомами углерода, образуя спирт. Например, гидратация пропена даёт преимущественно пропан-2-ол: CH₃–CH=CH₂ + H₂O → CH₃–CHOH–CH₃. В этой реакции применяют правило Марковникова: водород идёт к крайнему атому углерода, где водородов уже больше, а группа OH — к среднему. Обычно гидратацию проводят в присутствии кислотного катализатора.

При полимеризации двойные связи большого числа молекул алкена раскрываются, и молекулы соединяются в длинную цепь; побочные продукты не выделяются. Например, nCH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ, где n показывает число повторяющихся звеньев. Окисление — другой тип превращения: при мягком окислении алкена могут образоваться соединения с двумя группами OH, а при полном сгорании в избытке кислорода образуются CO₂ и H₂O. Следовательно, полимеризация объединяет молекулы, а окисление меняет их состав за счёт взаимодействия с кислородом.

Химические свойства алкенов

Используйте таблицу, чтобы быстро сопоставить реагент с ожидаемым продуктом и условиями реакции. При присоединении проверяйте, какие частицы присоединяются к каждому атому углерода двойной связи. Для окисления и горения учитывайте, что это не обычное присоединение по C=C, а превращения с участием кислорода.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение реакции этена с бромом и назовите продукт. Решение.

1. Этен CH₂=CH₂ содержит двойную связь, поэтому рассматриваем присоединение, а не замещение.
2. Связь C=C становится одинарной; к каждому атому углерода присоединяем по одному атому Br из молекулы Br₂.
3. Записываем уравнение CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br и проверяем, что число атомов каждого элемента слева и справа совпадает.

Ответ: образуется 1,2-дибромэтан. Если реакцию проводить с бромной водой, её окраска исчезает, потому что бром расходуется.

Задача 2. Запишите уравнение реакции пропена с хлороводородом и определите основной продукт. Решение.

1. Записываем строение пропена: CH₃–CH=CH₂. Его двойная связь несимметрична, поэтому проверяем, куда направить H и Cl.
2. У крайнего атома углерода CH₂ больше атомов водорода, чем у среднего атома CH. По правилу Марковникова водород присоединяется к CH₂.
3. Атом хлора присоединяется к среднему атому углерода; уравнение: CH₃–CH=CH₂ + HCl → CH₃–CHCl–CH₃.

Ответ: основной продукт — 2-хлорпропан. Самопроверка: двойная связь стала одинарной, а к двум бывшим атомам двойной связи присоединились H и Cl.

Задача 3. Для пропена запишите уравнения гидратации и полимеризации, назовите продукты и объясните, какие связи изменяются. Решение.

1. При гидратации присоединяем H и OH по двойной связи. По правилу Марковникова получаем CH₃–CH=CH₂ + H₂O → CH₃–CHOH–CH₃; продукт — пропан-2-ол.
2. При полимеризации соединяются многие молекулы пропена: nCH₂=CH–CH₃ → (–CH₂–CH(CH₃)–)ₙ. Повторяющееся звено содержит три атома углерода с боковой группой CH₃.
3. В обоих случаях π-связь в каждой молекуле пропена исчезает, а σ-связь между её атомами углерода сохраняется. При гидратации присоединяется одна молекула воды, а при полимеризации друг с другом соединяются многие молекулы.

Ответ: при гидратации образуется пропан-2-ол, при полимеризации — полипропилен. Различие в том, что первая реакция присоединяет небольшую молекулу, а вторая строит длинную цепь из множества мономеров.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при присоединении двойная связь целиком разрывается. Так думают, потому что реагент действительно присоединяется по месту C=C, но между атомами углерода связь остаётся одинарной. Проверяйте продукт: σ-связь C–C должна сохраниться, а исчезает только π-связь. Если между углеродами не осталось связи, формула записана неверно.

Ошибка: выбирать продукт присоединения HX к несимметричному алкену без правила Марковникова. Часто ученики присоединяют атомы к углеродам наугад или ориентируются только на то, как записана формула. Сначала сравните число атомов водорода у двух атомов C двойной связи: H направляется к тому, где водородов больше. Затем поместите второй атом или группу на соседний углерод.

Ошибка: путать галогенирование алкена с замещением в алкане. Путаница возникает из-за того, что в обеих реакциях участвует галоген, хотя тип превращения и продукт различаются. У алкена атомы галогена присоединяются по двойной связи, например образуется дигалогеналкан. Проверка: в продукте должны появиться два атома галогена у соседних атомов углерода, а не замениться один атом водорода.

Ошибка: оставлять двойную связь в звене полимера или забывать, что полимер образуется из многих молекул. Это происходит, если записать продукт как формулу одного алкена или не показать повторение звена. В полимерном звене между атомами углерода цепи должны быть одинарные связи, а повторение обозначают скобками и индексом n. Проверьте также, что исходная формула мономера содержит двойную связь, а в звене она уже раскрыта.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать реакции алкенов, нужно знать строение алканов и алкенов, состав углеводородов и правила их номенклатуры. Понимание σ- и π-связей объясняет, почему двойная связь реагирует иначе, чем одинарная. Сравнение алканов и алкенов помогает отличать присоединение от замещения.

Реакции присоединения используют в органическом синтезе — получении нужных веществ из других соединений. Гидратация позволяет получать спирты, а присоединение галогеноводородов — галогеналканы. Эти продукты служат исходными веществами для дальнейших превращений.

Полимеризация связывает химию алкенов с изучением полимеров и производством пластмасс. Из алкеновых мономеров получают материалы с разными свойствами, которые применяют в быту и промышленности. Строение исходного алкена влияет на повторяющееся звено полимера.

Что запомнить

• Характерная особенность алкенов — двойная связь C=C.
• Для алкенов типичны реакции присоединения по двойной связи.
• Гидрирование алкена приводит к образованию алкана.
• Бромная вода обесцвечивается при реакции с алкеном.
• При присоединении HX к несимметричному алкену учитывают правило Марковникова.
• Полимер образуется при соединении множества молекул алкена.