§ 7. Алкены

Определения и обозначения

Алкены — непредельные углеводороды, в молекулах которых есть одна двойная связь C=C. Для ациклических алкенов с одной такой связью общая формула — CₙH₂ₙ, где n ≥ 2. По ней можно проверить, подходит ли молекулярная формула вещества к этому классу, но строение всё равно нужно учитывать.

Двойная связь между атомами углерода состоит из σ-связи и π-связи. σ-связь образует основную связь между атомами, а π-связь слабее и легче разрушается в химических реакциях. Это помогает понять, почему алкены способны присоединять другие атомы и группы атомов.

Гомологический ряд алкенов — последовательность веществ, в которой соседние представители отличаются на группу CH₂. Начало ряда составляют этен C₂H₄, пропен C₃H₆ и бутены C₄H₈. Понимание ряда помогает вывести формулу следующего представителя и увидеть закономерность изменения состава.

Номенклатура алкенов — правила составления их названий. Выбирают самую длинную цепь, содержащую двойную связь, нумеруют её с ближайшего к связи конца и заменяют окончание названия алкана на суффикс -ен. Номер указывает положение двойной связи, поэтому без него название может обозначать разные вещества.

Как это устроено

У алкана с n атомами углерода формула CₙH₂ₙ₊₂, а у алкена — CₙH₂ₙ: на два атома водорода меньше. Причина в том, что двойная связь занимает часть возможностей атомов углерода образовывать связи с водородом. Поэтому формула CₙH₂ₙ служит признаком ациклического углеводорода с одной двойной связью, но сама по себе не исключает другие классы изомеров, например циклоалканы.

В молекуле этена каждый атом углерода соединён с двумя атомами водорода и вторым атомом углерода; все атомы лежат в одной плоскости. Между углеродами образуются σ-связь и π-связь, возникающая при боковом перекрывании электронных облаков. Для поворота вокруг оси связи π-связь пришлось бы разрушить, поэтому свободного вращения, как вокруг одинарной связи, нет. Эта особенность важна и для реакционной способности, и для появления геометрических изомеров.

Чтобы назвать алкен, сначала находят самую длинную углеродную цепь, в которую входит двойная связь. Затем выбирают направление нумерации, при котором она получает наименьший номер, и указывают этот номер в названии: например, бут-1-ен и бут-2-ен. Положение обязательно, потому что соединения с одинаковым углеродным скелетом, но разным положением двойной связи — разные вещества. Если есть боковые заместители, их также обозначают номерами.

Алкены могут иметь изомерию углеродного скелета: атомы углерода соединены в цепи по-разному. Возможна и изомерия положения двойной связи, например у бутена она может находиться у первого или второго атома углерода. Геометрическая изомерия возникает, когда у каждого атома двойной связи есть два разных заместителя: из-за отсутствия свободного вращения их расположение по одну или разные стороны связи сохраняется. Так, бут-2-ен существует в цис- и транс-формах.

В реакциях присоединения π-связь разрывается, а атомы реагента образуют новые связи с углеродами; между самими углеродами остаётся одинарная связь. Водород присоединяется с образованием алкана, галоген — дигалогеналкана, галогеноводород — галогеналкана. При присоединении воды образуется спирт; для несимметричного алкена обычно учитывают правило Марковникова: водород присоединяется к более гидрированному атому углерода. При полимеризации множество молекул алкена соединяется в длинную цепь, а при окислении состав продукта зависит от условий; горение приводит к углекислому газу и воде.

Строение, свойства и реакции алкенов

Сравнивайте строки таблицы по одной: так удобно увидеть, как одна и та же двойная связь определяет реакции разных алкенов. В уравнениях присоединения проверяйте, что двойная связь стала одинарной, а число атомов каждого элемента сохранилось. Условия реакции, например катализатор, в кратких уравнениях могут не указываться.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Записать молекулярную и структурную формулы алкена состава C₄H₈, назвать вещество и указать возможные изомеры. Сначала нужно проверить соответствие общей формуле, затем учесть разные положения двойной связи и ветвление скелета. Для каждого строения проверим, что оно действительно содержит одну двойную связь.

1. Подставляем n = 4 в формулу CₙH₂ₙ: получаем C₄H₈.
2. Для прямой цепи возможны CH₂=CH–CH₂–CH₃ — бут-1-ен и CH₃–CH=CH–CH₃ — бут-2-ен.
3. При разветвлённом скелете получаем CH₂=C(CH₃)₂ — 2-метилпропен.
4. Бут-2-ен имеет цис- и транс-изомеры, поскольку у каждого атома двойной связи два разных заместителя.

Ответ. Формула алкенов состава C₄H₈ — C₄H₈; структурные изомеры: бут-1-ен, бут-2-ен и 2-метилпропен. У бут-2-ена есть два геометрических изомера. Молекулярная формула показывает состав, а структурные формулы — различия в строении.

Задача 2

Условие. Составить уравнения реакций пропена с водородом, бромом и водой и назвать продукты. Во всех трёх случаях реагент присоединяется по двойной связи, поэтому её нужно заменить одинарной. Для воды дополнительно проверяем, к какому атому углерода присоединятся водород и гидроксильная группа.

1. Гидрирование: CH₂=CH–CH₃ + H₂ → CH₃–CH₂–CH₃. Продукт — пропан; обычно реакция идёт при нагревании в присутствии катализатора.
2. Присоединение брома: CH₂=CH–CH₃ + Br₂ → CH₂Br–CHBr–CH₃. Продукт — 1,2-дибромпропан.
3. Гидратация: CH₂=CH–CH₃ + H₂O → CH₃–CH(OH)–CH₃. По правилу Марковникова образуется пропан-2-ол.

Ответ. Получаются пропан, 1,2-дибромпропан и пропан-2-ол. В каждом уравнении проверяем, что исходные атомы не исчезли и не появились самопроизвольно. При присоединении брома или водорода оставлять двойную связь в продукте нельзя.

Задача 3

Условие. При сгорании 4,2 г алкена образовалось 13,2 г CO₂ и 5,4 г H₂O. Нужно определить молекулярную формулу вещества и составить уравнение реакции с бромом. По продуктам сгорания можно установить количество атомов углерода и водорода в образце, но следует проверить, достаточно ли данных для определения числа атомов в молекуле.

1. Количество CO₂: 13,2 / 44 = 0,3 моль, значит в образце было 0,3 моль атомов C.
2. Количество H₂O: 5,4 / 18 = 0,3 моль, значит атомов H было 0,6 моль.
3. Отношение C:H равно 0,3:0,6 = 1:2, то есть простейшая формула — CH₂. Она согласуется с формулой алкена CₙH₂ₙ, но не позволяет найти n.
4. Массы C и H составляют 3,6 г и 0,6 г, их сумма равна 4,2 г; дополнительных сведений для определения молярной массы нет.

Ответ. По приведённым данным нельзя однозначно определить молекулярную формулу: возможны разные алкены CₙH₂ₙ. Для определения n нужно дополнительное условие, например молярная масса. Для любого такого алкена реакция с бромом записывается так: CₙH₂ₙ + Br₂ → CₙH₂ₙBr₂; например, для пропена CH₂=CH–CH₃ + Br₂ → CH₂Br–CHBr–CH₃.

Типичные ошибки

Запись CₙH₂ₙ₊₂ вместо CₙH₂ₙ возникает, если алкены путают с алканами и не учитывают двойную связь. Чтобы проверить себя, сравните формулу с примером этена C₂H₄: формула алкана при n = 2 была бы C₂H₆. Для ациклического алкена с одной двойной связью число атомов водорода на два меньше, чем у соответствующего алкана.

Название без номера двойной связи или нумерация не с того конца нарушают правила номенклатуры. Такая ошибка появляется, когда выбирают направление нумерации по заместителю, а не по положению связи. Проверьте, что главная цепь содержит C=C, а номер связи — наименьший из возможных.

Считать типичной для алкенов реакцию замещения — значит переносить на них свойства алканов. У алкенов прежде всего реагирует π-связь, поэтому характерны реакции присоединения. Проверьте, какой фрагмент молекулы изменился: при присоединении двойная связь должна стать одинарной.

Если в продукте после присоединения оставить C=C или не уравнять атомы, уравнение будет неверным. Причина — в записи не показано, что π-связь разорвалась и оба атома реагента присоединились к углеродам. Сосчитайте атомы слева и справа и убедитесь, что при реакции с Br₂ оба атома брома вошли в продукт.

Связь с другими темами

Для изучения алкенов пригодятся знания о строении атома углерода, валентности, ковалентной связи и структурных формулах. Также нужно уметь узнавать алканы и составлять уравнения реакций: это помогает сравнивать предельные и непредельные углеводороды. Позже присоединение по двойной связи встретится при изучении других непредельных соединений, а правило Марковникова поможет предсказывать строение продуктов. Полимеризация алкенов связывает органическую химию с темой полимеров, пластмасс и синтетических материалов.

Что запомнить

• Алкены — непредельные углеводороды с одной двойной связью C=C.
• Общая формула алкенов: CₙH₂ₙ, где n ≥ 2.
• Двойная связь включает σ- и π-связь и не допускает свободного вращения.
• Для алкенов характерны реакции присоединения по двойной связи.
• Бромная вода обесцвечивается при взаимодействии с алкенами.
• Алкены горят с образованием углекислого газа и воды.
• Полимеризация алкенов приводит к образованию полимеров.