§ 10. Непредельные углеводороды. Алкены: строение молекул, гомология и изомерия

Определения и обозначения

Алкены — ациклические углеводороды, в молекулах которых есть одна двойная связь между атомами углерода. Их общая формула — CₙH₂ₙ, где n ≥ 2: минимальный алкен содержит два атома углерода. По формуле можно находить состав вещества и отличать алкены от алканов.

Двойная связь C=C состоит из одной σ-связи и одной π-связи. Она короче и прочнее одинарной связи, однако π-связь разрывается легче, чем σ-связь. Это помогает объяснить характерные реакции алкенов и особенности их пространственного строения.

Гомологический ряд алкенов — последовательность веществ с общей формулой CₙH₂ₙ, в которой соседние соединения отличаются на группу –CH₂–. Например, пропен отличается от этена на один атом углерода и два атома водорода. Ряд позволяет сравнивать состав соседних веществ и предсказывать формулы следующих представителей.

Структурная изомерия алкенов — существование веществ с одинаковой молекулярной формулой, но разным порядком соединения атомов. У алкенов различают изомерию углеродного скелета и положения двойной связи. Это понятие нужно, чтобы не принимать разные записи одной формулы за новые вещества и находить все возможные соединения данного состава.

Как это устроено

Двойная связь возникает, когда атомы углерода образуют две общие электронные пары. Одна пара создаёт σ-связь за счёт перекрывания орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра, а вторая образует π-связь при боковом перекрывании орбиталей. Такое боковое перекрывание возможно только при определённом взаимном расположении атомов, поэтому свободное вращение вокруг C=C затруднено: при повороте π-перекрывание нарушилось бы.

У каждого атома углерода при двойной связи есть три направления связей, расположенные почти в одной плоскости. Это происходит потому, что участвующие в σ-связях орбитали направлены примерно под углами 120° друг к другу, а оставшаяся орбиталь участвует в образовании π-связи. Поэтому участок молекулы вокруг C=C плоский, а валентные углы — то есть углы между направлениями связей — близки к 120°.

Для ациклического алкана с n атомами углерода формула CₙH₂ₙ₊₂. Если в цепи появляется одна двойная связь, два атома водорода, которые могли бы присоединиться к двум атомам углерода при одинарной связи, отсутствуют. Так получается формула алкена CₙH₂ₙ. Например, при n = 2 формула этена C₂H₄; значение n не может быть меньше двух, потому что двойную связь образуют два атома углерода.

Гомологический ряд строят, добавляя к молекуле очередного алкена группу –CH₂– и сохраняя двойную связь. Этен C₂H₄ переходит в пропен C₃H₆, затем в бутен C₄H₈ и пентен C₅H₁₀. На каждом шаге число атомов углерода и водорода увеличивается, а соотношение остаётся соответствующим формуле CₙH₂ₙ. При этом у веществ с одинаковым числом атомов углерода могут быть разные структурные формулы.

Например, у бутена прямую цепь из четырёх атомов углерода можно сохранить, но поставить двойную связь у первого или второго атома: получатся бут-1-ен и бут-2-ен. Или цепь можно разветвить: 2-метилпропен имеет ту же формулу C₄H₈, но другой углеродный скелет. Аналогично у пентена можно менять положение двойной связи или строение цепи, не меняя молекулярную формулу C₅H₁₀. Именно поэтому формула состава не всегда указывает на единственное вещество.

Виды изомерии алкенов

Пользуясь таблицей, сначала убедитесь, что у сравниваемых веществ совпадает молекулярная формула. Затем проверьте, изменился ли порядок соединения атомов углерода или только место двойной связи. Одно и то же строение, записанное с противоположного конца цепи, отдельным изомером не считается.

Разбор задач

Задача 1. Запишите молекулярную формулу алкена с шестью атомами углерода и укажите число атомов водорода.

1. Для алкенов используем формулу CₙH₂ₙ. Число атомов углерода задано, поэтому подставляем n = 6.
2. Вычисляем число атомов водорода: 2 · 6 = 12. Индекс при C равен шести, а при H — двенадцати.
3. Получаем формулу C₆H₁₂. Проверка: число водородов вдвое больше числа атомов углерода, как и требует формула алкенов.

Ответ: C₆H₁₂, 12 атомов водорода.

Задача 2. Составьте формулы двух следующих гомологов после пропена и назовите их.

1. Пропен имеет три атома углерода, поэтому его молекулярная формула — C₃H₆. Следующий гомолог должен отличаться от него на одну группу –CH₂–.
2. Добавляем –CH₂–: получаем C₄H₈, бутен. Ещё одна такая добавка даёт C₅H₁₀, пентен.
3. Проверяем обе формулы по CₙH₂ₙ: для n = 4 получаем H = 8, для n = 5 — H = 10. Формулы соответствуют ряду, а названия показывают число атомов углерода.

Ответ: C₄H₈ — бутен; C₅H₁₀ — пентен.

Задача 3. Запишите структурные формулы всех алкенов состава C₄H₈ с неразветвлённой цепью и укажите, чем они различаются.

1. Рисуем цепь из четырёх атомов углерода без ответвлений и размещаем двойную связь. Если она начинается у первого атома, получаем CH₂=CH–CH₂–CH₃.
2. Перемещаем связь на один атом: CH₃–CH=CH–CH₃. Теперь это бут-2-ен, тогда как первая формула — бут-1-ен.
3. Проверяем, можно ли получить ещё один вариант, записав ту же цепь с другого конца. Нет: двойная связь у четвёртого атома при таком счёте совпадает с положением у первого, поэтому нового вещества не возникает.

Ответ: CH₂=CH–CH₂–CH₃ и CH₃–CH=CH–CH₃. Они различаются положением двойной связи.

Типичные ошибки

Ошибка — записывать для алкена формулу CₙH₂ₙ₊₂. Эту формулу имеют ациклические алканы, а наличие двойной связи означает на два атома водорода меньше. Путаница возникает, если запомнить формулу семейства без связи с его строением. Проверьте, что в записи алкена водородов на два меньше, чем у алкана с тем же числом атомов углерода.

Ошибка — считать двойную связь двумя одинаковыми независимыми σ-связями. На деле она состоит из σ- и π-связи, которые образуются разными способами перекрывания орбиталей. Такую ошибку допускают, воспринимая знак «=» только как условное удвоение одинарной связи. Для самопроверки назовите обе составляющие и вспомните, какая из них легче разрывается.

Ошибка — менять направление записи цепи и объявлять полученную формулу новым изомером. При нумерации выбирают конец, ближайший к двойной связи, поэтому запись C=C у первого атома с одного конца может оказаться той же связью у последнего при счёте с другого. Сравните сам порядок соединения атомов и номера связи после правильной нумерации. Если строение совпало, это одно вещество, а не два изомера.

Ошибка — путать изомерию положения двойной связи с изомерией скелета. В первом случае углеродная цепь сохраняется и перемещается C=C, во втором меняется сама цепь, например появляется ответвление. Путаница возникает, потому что в обоих случаях молекулярная формула остаётся одинаковой. Сначала сравните углеродные скелеты, а затем — положение двойной связи.

Связь с другими темами

Для изучения алкенов нужны знания о валентности углерода, одинарной ковалентной связи, строении электронных оболочек и составлении структурных формул. Позднее строение двойной связи поможет объяснить химические свойства алкенов, реакции присоединения и способы получения непредельных углеводородов. Гомология и изомерия также нужны при сравнении органических веществ и изучении систематической номенклатуры: по строению можно выбрать правильное название соединения.

Что запомнить

• Алкены — ациклические углеводороды с одной двойной связью C=C.
• Общая формула алкенов — CₙH₂ₙ, где n ≥ 2.
• Двойная связь включает одну σ-связь и одну π-связь.
• У атомов углерода при двойной связи плоское строение, валентные углы близки к 120°.
• Соседние гомологи отличаются на группу –CH₂–.
• Алкены могут иметь изомерию углеродного скелета и положения двойной связи.