§ 13. Алкадиены. Строение, свойства, применение

Определения и обозначения

Алкадиены — ациклические углеводороды с двумя двойными связями и общей формулой CₙH₂ₙ₋₂. Слово «ациклические» означает, что атомы углерода не образуют кольца. Например, CH₂=CH–CH=CH₂ — бута-1,3-диен, а CH₂=CH–CH₂–CH=CH₂ — пента-1,4-диен. Определение помогает отличать алкадиены от циклических соединений и углеводородов с другим числом двойных связей.

Сопряжённые алкадиены — соединения, в которых двойные связи разделены одной одинарной связью. В бута-1,3-диене последовательность связей имеет вид C=C–C=C. Такое расположение важно для понимания особенностей реакций присоединения: реагент может присоединиться к разным участкам сопряжённой системы.

Изолированные алкадиены — соединения, в которых двойные связи разделены двумя или более одинарными связями. Например, в пента-1,4-диене между двойными связями находятся два атома углерода и две одинарные связи. Определение позволяет сразу увидеть, что двойные связи находятся в отдельных участках цепи, а не образуют единую сопряжённую систему.

Кумулированные алкадиены — соединения, у которых две двойные связи имеют общий атом углерода. Пример — пропадиен CH₂=C=CH₂: центральный атом углерода входит в обе двойные связи. Выделение этого типа помогает не спутать его с сопряжённым строением, где двойные связи соединены через одинарную.

Как это устроено

Общую формулу алкадиенов можно понять, сравнив их с предельными ациклическими углеводородами. В алкане с n атомами углерода формула CₙH₂ₙ₊₂; образование одной двойной связи уменьшает число атомов водорода на два, а двух — на четыре. Поэтому для алкадиена получается CₙH₂ₙ₋₂. Например, при n = 4 формула бутадиена — C₄H₆, а при n = 5 — C₅H₈; эта зависимость справедлива, если в цепи нет циклов и иных особенностей строения.

Тип алкадиена определяется не длиной цепи, а тем, сколько одинарных связей стоит между двойными. В записи CH₂=CH–CH=CH₂ их разделяет одна одинарная связь, поэтому это сопряжённое соединение. В CH₂=CH–CH₂–CH=CH₂ разделяющих одинарных связей две, и диен изолированный. В CH₂=C=CH₂ двойные связи имеют общий атом углерода, поэтому строение кумулированное.

Для алкадиенов важны реакции присоединения, потому что двойная связь содержит часть связей, которая может превращаться в новые связи с атомами реагента. Например, при присоединении брома к одной двойной связи бута-1,3-диена образуется CH₂Br–CHBr–CH=CH₂. В сопряжённой системе возможно и присоединение по крайним атомам, при котором двойная связь перемещается; тогда получается продукт 1,4-присоединения. Соотношение таких продуктов зависит от условий реакции, поэтому в задаче важно учитывать указанные условия, а не предполагать, что возможен только один результат.

При полимеризации множество молекул алкадиена соединяется в длинную цепь, а исходные двойные связи перестраиваются. Для бута-1,3-диена можно условно записать: n CH₂=CH–CH=CH₂ → (–CH₂–CH=CH–CH₂–)ₙ. В повторяющемся звене остаётся одна двойная связь, а не две исходные связи каждого мономера. Бута-1,3-диен и 2-метилбута-1,3-диен (изопрен) подходят для получения полимеров, которые используют как синтетические каучуки.

Практическое применение связано с тем, что строение молекулы позволяет ей участвовать в реакциях, образующих длинные полимерные цепи. Такие цепи дают материалам свойства, нужные для изготовления резины и изделий из неё. Поэтому получение каучуков — важнейшее направление использования алкадиенов. Конкретный вид полимера зависит от исходного мономера и того, как проходит полимеризация.

Типы алкадиенов и особенности их строения

Чтобы определить тип алкадиена, найдите обе двойные связи в структурной формуле и посчитайте связи между ними. Одна одинарная означает сопряжённое строение, две или более — изолированное, общий атом углерода — кумулированное. Примеры в таблице показывают, как применять этот способ независимо от длины цепи.

Разбор задач

Задача 1. Определить, является ли вещество с формулой C₅H₈ алкадиеном, и назвать его класс по числу двойных связей. Формулу нужно проверить по общей зависимости, но нельзя считать, что одно совпадение автоматически доказывает строение. Требуется также учесть, сколько двойных связей должно быть у представителя этого класса.

1. Подставляем n = 5 в формулу алкадиенов: CₙH₂ₙ₋₂ = C₅H₈.
2. Сравниваем результат с заданной формулой: она совпадает с общей формулой ациклического алкадиена.
3. Проверяем структурную формулу, если она дана: в ней должны быть две двойные связи, а углеродная цепь не должна образовывать цикл.

Ответ: C₅H₈ соответствует общей формуле алкадиенов, но по одной молекулярной формуле нельзя окончательно установить класс вещества. Если строение содержит две двойные связи и не содержит цикла, это алкадиен — непредельный углеводород с двумя двойными связями.

Задача 2. Для бутадиена CH₂=CH–CH=CH₂ определить тип расположения двойных связей и записать присоединение одной молекулы брома. Сначала выясняем строение, затем выбираем вариант реакции. В сопряжённой системе возможны разные направления присоединения, поэтому укажем один допустимый продукт — продукт 1,2-присоединения.

1. В формуле CH₂=CH–CH=CH₂ двойные связи разделяет одна одинарная связь C–C.
2. Следовательно, бутадиен относится к сопряжённым алкадиенам.
3. При присоединении Br₂ к первой двойной связи атомы брома связываются с двумя её атомами углерода, а вторая двойная связь сохраняется.

Уравнение: CH₂=CH–CH=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CHBr–CH=CH₂. Ответ: бута-1,3-диен — сопряжённый алкадиен; показан продукт 1,2-присоединения одной молекулы брома. Условия реакции могут влиять на соотношение продуктов, поэтому уравнение показывает один возможный вариант.

Задача 3. Записать полимеризацию бута-1,3-диена и определить число звеньев, полученных из заданного количества мономера. В условии не указано конкретное количество вещества, поэтому сначала запишем общий способ расчёта. Одна молекула мономера даёт одно повторяющееся звено.

1. Записываем уравнение: n CH₂=CH–CH=CH₂ → (–CH₂–CH=CH–CH₂–)ₙ.
2. Из коэффициента и индекса n видно, что число образовавшихся звеньев равно числу вступивших в реакцию молекул мономера.
3. Если количество мономера равно x моль и он полностью полимеризовался, образуется x моль повторяющихся звеньев. Число звеньев в штуках находят умножением x на число Авогадро.

Ответ: уравнение полимеризации приведено выше; n молекул бутадиена дают n звеньев. Для конкретного численного ответа нужно подставить количество мономера из условия, а при расчёте числа звеньев в штуках — учесть число Авогадро.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать любое вещество с формулой CₙH₂ₙ₋₂ алкадиеном. Такая формула может соответствовать другим классам веществ, потому что молекулярная формула не показывает порядок соединения атомов. Ошибку допускают, когда проверяют только число атомов водорода. Самопроверка: найдите структурную формулу и убедитесь, что в ней две двойные связи и нет цикла.

Вторая ошибка — путать сопряжённые, изолированные и кумулированные алкадиены. Часто смотрят на длину цепи или общее число атомов углерода, хотя важны связи между двойными. Проверьте подряд участок цепи между ними: одна одинарная связь — сопряжённый тип, две или больше — изолированный, общий атом — кумулированный. Такой подсчёт устраняет путаницу.

Третья ошибка — неверно нумеровать цепь при составлении названия и получать большие номера двойных связей. Это происходит, если начинать нумерацию не с того конца молекулы. Сравните номера при двух возможных направлениях и выберите вариант с наименьшим набором локантов. Так, для цепи CH₂=CH–CH=CH₂ название — бута-1,3-диен, а не бута-2,4-диен.

Четвёртая ошибка — при записи полимеризации сохранять в каждом звене обе исходные двойные связи. Так происходит, если механически переписывать формулу мономера, не учитывая образование цепи. Проверьте, что в повторяющемся звене связи перестроены и оно соединяется с соседними звеньями. Для бута-1,3-диена звено записывают как –CH₂–CH=CH–CH₂–.

Связь с другими темами

Для изучения алкадиенов нужны знания о строении углеродной цепи и валентности углерода: они помогают составлять структурные формулы без нарушения числа связей. Общая формула алкенов служит опорой для вывода формулы алкадиенов, а правила номенклатуры — для указания положений двойных связей. Позже эти знания применяются при изучении полимеров и синтетических каучуков. Понимание строения мономера помогает объяснить свойства материалов на его основе.

Что запомнить

• Алкадиены содержат две двойные связи.
• Общая формула ациклических алкадиенов — CₙH₂ₙ₋₂.
• Сопряжённые двойные связи разделены одной одинарной связью.
• В изолированных алкадиенах двойные связи разделены двумя или более одинарными связями.
• В кумулированных алкадиенах двойные связи имеют общий атом углерода.
• Алкадиены вступают в реакции присоединения и полимеризации.
• Некоторые алкадиены используют для получения синтетических каучуков.