§ 39. Непредельные углеводороды этиленового ряда (алкены)

Определения и обозначения

Алкены — непредельные ациклические углеводороды, в молекулах которых есть одна двойная связь между атомами углерода. Их общая формула — CₙH₂ₙ, где n ≥ 2. «Ациклические» означает, что углеродная цепь не замыкается в кольцо, а «непредельные» — что связь позволяет присоединять другие атомы или группы атомов. По формуле можно определить состав простейшего представителя, этена C₂H₄.

Двойная связь C=C — связь между двумя атомами углерода, состоящая из одной σ-связи и одной π-связи. σ-связь образуется при перекрывании электронных облаков вдоль линии, соединяющей ядра, а π-связь — при их боковом перекрывании. Наличие π-связи объясняет, почему алкены вступают в реакции присоединения. Это различие помогает предсказать свойства вещества по его структурной формуле.

Гомологический ряд алкенов — последовательность веществ, соседние представители которой отличаются на группу –CH₂–. Например, этен C₂H₄ и пропен C₃H₆ относятся к одному ряду. Каждый следующий представитель имеет на один атом углерода и два атома водорода больше. Понятие гомологического ряда позволяет сравнивать вещества с похожим строением и свойствами.

Изомерия положения двойной связи — различие строения алкенов с одинаковым составом, но разным местом двойной связи в углеродной цепи. Так, бут-1-ен и бут-2-ен имеют формулу C₄H₈, но связь C=C находится у них в разных местах. Указание положения связи необходимо, чтобы название точно соответствовало строению вещества. Кроме того, изомеры могут отличаться некоторыми физическими и химическими свойствами.

Как это устроено

В алкане с n атомами углерода общая формула CₙH₂ₙ₊₂: каждый атом углерода образует четыре связи, и цепь насыщена водородом. Когда в цепи возникает двойная связь, два атома углерода связываются друг с другом дополнительной связью и на два водорода меньше. Поэтому формула ациклического алкена с одной двойной связью становится CₙH₂ₙ. Это правило относится к алкенам, а не ко всем углеводородам с такой формулой: например, её могут иметь и циклоалканы.

В двойной связи σ-связь лежит вдоль линии между ядрами углерода, а π-связь образуется за счёт бокового перекрывания электронных облаков над и под этой линией. Для вращения одного участка молекулы относительно другого π-связь пришлось бы разрушить, поэтому свободное вращение вокруг C=C затруднено. При реакции присоединения π-связь разрывается, а σ-связь между атомами углерода сохраняется. Так к каждому из этих атомов может присоединиться по одному атому или группе атомов.

Чтобы назвать алкен, находят самую длинную углеродную цепь, содержащую двойную связь. Затем нумеруют её с того конца, который ближе к этой связи: так она получает наименьший возможный номер. Название строят от названия соответствующего углеводорода, используя суффикс «-ен», а цифрой обозначают начало двойной связи. Например, CH₂=CH–CH₂–CH₃ — бут-1-ен, а CH₃–CH=CH–CH₃ — бут-2-ен.

Структурные изомеры имеют одинаковую молекулярную формулу, но различаются строением. У C₄H₈ есть изомеры с разным углеродным скелетом: бутены имеют прямую цепь, а 2-метилпропен — разветвлённую. Положение двойной связи различается у бут-1-ена и бут-2-ена; названия с двойной связью у первого и последнего атомов цепи не создают двух разных веществ, если при нумерации цепь просто развернуть. Поэтому для прямой цепи состава C₄H₈ достаточно учесть бут-1-ен и бут-2-ен.

Двойная связь определяет реакции алкенов: водород, галогены, галогеноводороды и вода могут присоединяться по месту C=C. В результате π-связь исчезает, а атомы реагента оказываются у разных атомов углерода бывшей двойной связи; например, бром присоединяется с образованием дигалогеналкана. При полимеризации множество молекул алкена соединяется друг с другом, образуя длинные цепи. Для этена процесс можно записать так: nCH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ.

Строение, номенклатура и характерные реакции алкенов

Сначала по формуле и строению определите, к какому типу веществ относится соединение, затем проверьте правило нумерации и название. В реакциях ищите место двойной связи: именно там происходит присоединение. Таблица помогает связать строение алкена с типом превращения и продуктом.

Разбор задач

1. Формула и название алкена с шестью атомами углерода

Условие. Запишите молекулярную формулу алкена с шестью атомами углерода и назовите его. Нужно воспользоваться общей формулой CₙH₂ₙ и определить название цепи по числу атомов углерода. Предполагается, что речь идёт об ациклическом алкене с одной двойной связью.

1. Подставляем n = 6 в общую формулу: C₆H₂·₆.
2. Вычисляем число атомов водорода: 2 · 6 = 12, получаем C₆H₁₂.
3. Цепь из шести атомов углерода соответствует корню «гекс-», поэтому общий вариант названия — гексен. Чтобы назвать конкретный изомер, нужно знать положение двойной связи.

Ответ. Молекулярная формула — C₆H₁₂; название алкена зависит от положения двойной связи, например гекс-1-ен или гекс-2-ен. По одной молекулярной формуле положение связи определить нельзя. Нужно также учитывать, что возможны разветвлённые изомеры.

2. Изомеры состава C₄H₈ с разным положением двойной связи

Условие. Составьте структурные формулы и названия алкенов C₄H₈, различающихся положением двойной связи. Углеродный скелет должен оставаться прямым, а состав — неизменным. Изображения, которые отличаются только направлением записи цепи, считать разными веществами нельзя.

1. Записываем цепь из четырёх атомов углерода: C–C–C–C.
2. Помещаем двойную связь между первым и вторым атомами: CH₂=CH–CH₂–CH₃. Название — бут-1-ен.
3. Перемещаем связь между вторым и третьим атомами: CH₃–CH=CH–CH₃. Название — бут-2-ен.
4. Связь между третьим и четвёртым атомами не даёт нового варианта: при нумерации с другого конца это снова бут-1-ен.

Ответ. Бут-1-ен: CH₂=CH–CH₂–CH₃; бут-2-ен: CH₃–CH=CH–CH₃. У них одинаковая формула C₄H₈, но разное положение двойной связи. Разветвлённый изомер 2-метилпропен относится к тому же составу, однако отличается уже углеродным скелетом.

3. Реакция пропена с бромом

Условие. Составьте уравнение реакции пропена с бромом и определите продукт. Структурная формула пропена — CH₃–CH=CH₂, а формула брома — Br₂. Нужно показать, как оба атома брома присоединяются по месту двойной связи.

1. Находим связь C=C в пропене; она находится между вторым и третьим атомами углерода.
2. При присоединении разрывается π-связь, а связь между атомами углерода становится одинарной.
3. Присоединяем по одному атому Br к каждому из двух атомов углерода, ранее связанных двойной связью.
4. Записываем уравнение: CH₃–CH=CH₂ + Br₂ → CH₃–CHBr–CH₂Br.

Ответ. Образуется 1,2-дибромпропан. Атомы брома оказываются у соседних атомов углерода, а формула продукта сохраняет все атомы исходных веществ. Обесцвечивание раствора брома можно использовать как качественный признак двойной связи.

Типичные ошибки

Считать, что формула CₙH₂ₙ подходит любому углеводороду, — неверно: она относится к ациклическим алкенам с одной двойной связью, но может совпадать с формулой веществ другого класса. Ошибка возникает, если запомнить формулу без условий её применения. Для проверки установите, есть ли в веществе открытая цепь и ровно одна двойная связь.

Нумеровать цепь с конца, удалённого от двойной связи, нельзя, потому что связь должна получить наименьший номер. Часто выбирают направление по привычке или ориентируются на боковой отросток, забывая о главной особенности алкена. Проверьте оба направления нумерации и выберите то, при котором номер двойной связи меньше.

Двойная связь не состоит из двух одинаковых σ-связей: в ней одна σ- и одна π-связь. Путаница связана с тем, что графически двойную связь изображают двумя чертами. Проверка простая: вспомните, что π-связь образуется боковым перекрыванием электронных облаков и участвует в присоединении.

При присоединении нельзя оставлять двойную связь неизменной или присоединять обе части реагента к одному атому углерода. Так происходит из-за того, что на схеме не отслеживают, какие атомы были соединены двойной связью. Для проверки разорвите π-связь, сохраните σ-связь и присоедините по одной части реагента к каждому из двух атомов углерода.

Связь с другими темами

Для изучения алкенов нужны знания о валентности углерода, структурных формулах и углеродных цепях. Сравнение с гомологическим рядом алканов помогает понять, откуда берётся формула CₙH₂ₙ: в алкене на два атома водорода меньше. Эти понятия позволяют читать формулы и строить названия веществ.

Двойная связь и реакции присоединения пригодятся при изучении алкинов и других непредельных соединений. Сравнивая их, можно увидеть, как число и тип кратных связей влияют на состав молекулы и химические свойства. Полимеризация алкенов связывает органическую химию с производством пластмасс и применением полимерных материалов.

Что запомнить

• Алкены — ациклические углеводороды с одной двойной связью C=C.
• Общая формула алкенов — CₙH₂ₙ, где n ≥ 2.
• Двойная связь состоит из одной σ-связи и одной π-связи.
• При названии алкена цепь нумеруют с ближайшего к двойной связи конца.
• Для алкенов характерны реакции присоединения по двойной связи.
• Молекулы алкенов могут вступать в реакцию полимеризации.