5. Алкены

Определения и обозначения

Алкены — непредельные ациклические углеводороды, в молекулах которых есть одна двойная связь C=C. Ациклическими называют соединения с открытой, не замкнутой в кольцо цепью. Общая формула алкенов — CₙH₂ₙ, где n ≥ 2. Она помогает быстро определить состав молекулы, если известно число атомов углерода.

Гомологический ряд алкенов — последовательность веществ, в которой каждый следующий представитель отличается от предыдущего на группу –CH₂–. Например, этен C₂H₄ и пропен C₃H₆ отличаются именно на эту группу. При добавлении одного атома углерода и двух атомов водорода формула остаётся вида CₙH₂ₙ. Это позволяет находить формулы соседних представителей ряда.

Изомерия положения двойной связи — различие в том, где расположена связь C=C в углеродной цепи одинакового состава. Например, бут-1-ен CH₂=CH–CH₂–CH₃ и бут-2-ен CH₃–CH=CH–CH₃ имеют формулу C₄H₈, но разное положение двойной связи. Такое различие нужно учитывать при составлении названий и сравнении свойств.

Геометрическая, или цис-транс-, изомерия — существование разных пространственных форм одной молекулы из-за ограниченного вращения вокруг двойной связи. У цис-формы одинаковые группы находятся по одну сторону C=C, у транс-формы — по разные стороны. Это не разные соединения по составу, а разные варианты расположения атомов в пространстве.

Как это устроено

Двойная связь образована одной σ-связью и одной π-связью. σ-связь возникает при перекрывании электронных облаков вдоль линии между ядрами, а π-связь — при боковом перекрывании облаков над и под этой линией. Такое боковое перекрывание нарушилось бы при свободном вращении атомов углерода, поэтому части молекулы вокруг C=C не вращаются так же легко, как вокруг одинарной связи. π-связь слабее σ-связи и легче разрывается при взаимодействии с реагентами, что объясняет повышенную реакционную способность алкенов.

В алкане все связи между атомами углерода одинарные, а в алкене одна из них двойная. При образовании двойной связи у соседних атомов углерода становится на два атома водорода меньше, чем было бы в соответствующем ациклическом алкане. Поэтому для алкенов получается формула CₙH₂ₙ, тогда как для алканов — CₙH₂ₙ₊₂. Формула CₙH₂ₙ встречается также у циклоалканов: кольцо тоже означает потерю двух атомов водорода, поэтому формула сама по себе не доказывает наличие C=C.

Для названия выбирают главную цепь, обязательно содержащую двойную связь, и нумеруют её от ближайшего к этой связи конца. Затем называют число атомов углерода в цепи и добавляют суффикс «-ен», указывая положение двойной связи: например, бут-1-ен. Если нумеровать с другого конца, связь получила бы больший номер, поэтому такое направление не подходит. В разветвлённых молекулах при выборе направления номер двойной связи имеет приоритет перед номерами заместителей.

Разная форма углеродного скелета и разное положение C=C дают изомерию скелета и положения связи. Для цис-транс-изомерии нужно, чтобы у каждого атома углерода двойной связи было по два разных заместителя: иначе невозможно однозначно различить расположение групп по разные стороны связи. Например, у бут-2-ена каждый такой атом связан с H и CH₃, поэтому возможны цис- и транс-формы. У бут-1-ена один атом двойной связи связан с двумя одинаковыми атомами водорода, поэтому цис-транс-изомерии нет.

Молекулы алкенов неполярны или слабо полярны, поэтому плохо смешиваются с водой, но растворяются во многих органических растворителях. Низшие алкены при обычных условиях — газы, более крупные молекулы — жидкости, а очень длинные цепи могут быть твёрдыми. При присоединении водорода алкен превращается в алкан, а при присоединении галогена, например брома, образуется дигалогеналкан. Алкены можно окислять, а при соединении множества их молекул в длинные цепи происходит полимеризация.

Строение, свойства и реакции алкенов

Используйте таблицу, чтобы связать строение алкена с его свойствами и типичными реакциями. При разборе примера сначала определите, какая часть молекулы изменяется, а затем проверьте, соответствует ли продукт этому изменению. Уравнения реакций присоединения нужно проверить по числу атомов каждого элемента.

Разбор задач

Задача 1. Запишите молекулярную формулу алкена с шестью атомами углерода и назовите его, если двойная связь находится у первого атома углерода.

1. В общей формуле алкенов CₙH₂ₙ подставляем n = 6: получаем C₆H₁₂.
2. В цепи из шести атомов углерода берём двойную связь между первым и вторым атомами. Название строится от слова «гекс-» и суффикса «-ен».
3. Поскольку связь начинается у первого атома, её положение обозначаем цифрой 1.

Ответ: C₆H₁₂, гекс-1-ен. Формула задаёт состав, а номер в названии уточняет положение двойной связи.

Задача 2. Для бут-1-ена запишите уравнения реакций с водородом и бромом и назовите продукты.

1. Формула бут-1-ена — CH₂=CH–CH₂–CH₃. При присоединении H₂ двойная связь становится одинарной, а к её атомам присоединяются по одному атому водорода.
2. Уравнение гидрирования: CH₂=CH–CH₂–CH₃ + H₂ → CH₃–CH₂–CH₂–CH₃. Продукт — бутан.
3. При реакции с Br₂ по месту двойной связи присоединяются два атома брома: CH₂=CH–CH₂–CH₃ + Br₂ → CH₂Br–CHBr–CH₂–CH₃. Продукт — 1,2-дибромбутан.
4. Проверяем баланс: в каждом уравнении слева и справа одинаковое число атомов C, H и Br.

Ответ: при гидрировании образуется бутан, при присоединении брома — 1,2-дибромбутан.

Задача 3. Составьте структурные формулы всех ациклических алкенов состава C₄H₈, укажите пары изомеров и определите, для каких форм возможна цис-транс-изомерия.

1. Сначала берём неразветвлённую цепь из четырёх атомов углерода. Двойная связь может быть у первого или второго атома: CH₂=CH–CH₂–CH₃ и CH₃–CH=CH–CH₃.
2. Затем проверяем разветвлённый скелет из трёх атомов в главной цепи: (CH₃)₂C=CH₂. Это 2-метилпроп-1-ен.
3. Бут-1-ен и бут-2-ен — изомеры положения двойной связи, а разветвлённый 2-метилпроп-1-ен отличается от них строением скелета.
4. У бут-2-ена каждый атом C=C связан с H и CH₃, поэтому у него есть цис- и транс-формы. У бут-1-ена и 2-метилпроп-1-ена один атом двойной связи имеет два одинаковых заместителя, поэтому таких форм у них нет.

Ответ: CH₂=CH–CH₂–CH₃, CH₃–CH=CH–CH₃ и (CH₃)₂C=CH₂; цис-транс-изомерия возможна только у бут-2-ена.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что формула CₙH₂ₙ относится только к алкенам. Так думают, потому что запоминают формулу как определение, но у циклоалканов состав такой же: кольцо также уменьшает число атомов водорода на два относительно алкана. Чтобы проверить себя, выясните, есть ли в структуре открытая цепь и двойная связь или замкнутое кольцо и только одинарные связи.

Ошибка — начинать нумерацию с конца, который удобнее для заместителей. Это приводит к неверному номеру двойной связи, потому что её положение при выборе направления важнее положения боковых групп. Сначала отметьте C=C и сравните расстояние до неё от обоих концов цепи. Выбирайте конец, от которого двойная связь получает меньший номер.

Ошибка — считать двойную связь двумя одинаковыми σ-связями. Такое представление не объясняет, почему алкены реагируют иначе, чем алканы: одна часть двойной связи — π-связь — разрывается легче и участвует в присоединении. Проверка проста: у C=C должна быть одна σ-связь и одна π-связь. Если в ответе указаны две σ-связи, строение описано неверно.

Ошибка — приписывать цис-транс-изомерию любому алкену. Её допускают только тогда, когда у каждого атома углерода при двойной связи есть два разных заместителя. Проверьте заместители отдельно у левого и правого атомов C=C: если хотя бы у одного из них два заместителя одинаковы, цис-транс-изомерии нет.

Связь с другими темами

Для изучения алкенов нужны знания о строении атома углерода и ковалентных связях: они помогают понять, как устроена связь C=C. Представление об углеводородах и гомологических рядах позволяет сравнивать алкены с алканами и выводить их формулы. Особенно полезно сопоставление с алканами: оно показывает, как двойная связь влияет на реакционную способность. Позже эти знания пригодятся при изучении алкинов, полимеров и способов получения органических веществ.

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.
• При назывании алкена указывают положение двойной связи.
• Для алкенов характерны реакции присоединения по двойной связи.
• Обесцвечивание бромной воды служит качественным признаком непредельной связи.
• Цис-транс-изомерия возможна, если у каждого атома углерода при двойной связи разные заместители.