Получение и химические свойства алкенов

Определения и обозначения

Алкены — непредельные углеводороды с одной двойной связью C=C; общая формула их гомологического ряда — CₙH₂ₙ. Непредельными называют вещества, способные присоединять другие атомы или группы атомов. Формула помогает отличить алкены от алканов и проверять, соответствует ли состав вещества этому ряду.

Дегидрирование — отщепление водорода от молекулы алкана с образованием алкена. Например, из этана удаляются два атома водорода, которые образуют молекулу H₂, а между атомами углерода возникает двойная связь. Понятие помогает распознавать способ получения алкена из более насыщенного углеводорода.

Дегидратация — отщепление воды от спирта при нагревании в присутствии концентрированной серной кислоты или оксида алюминия. Атомы, из которых образуется вода, удаляются от соседних атомов углерода, и между ними формируется двойная связь. Этот термин нужен, чтобы не путать превращение спирта в алкен с присоединением воды к алкену.

Реакции присоединения — реакции по двойной связи, в которых к алкену присоединяются атомы или группы атомов без разрыва углеродного скелета. Двойная связь становится одинарной, а каждый из двух атомов углерода получает новую связь. Так описывают многие важные превращения алкенов.

Как это устроено

В двойной связи между атомами углерода одна связь σ, а вторая — π. σ-связь расположена вдоль линии между ядрами, а π-связь образована электронными облаками над и под этой линией. π-связь слабее и доступнее для реагентов, поэтому при реакции разрывается первой; именно это объясняет большую химическую активность алкенов по сравнению с алканами.

Алкены получают из алканов дегидрированием: при нагревании от соседних атомов углерода отнимаются атомы водорода. Освободившиеся валентности образуют π-связь, и алкан превращается в алкен. Нагревание помогает преодолеть энергетический барьер, а катализатор ускоряет превращение, не расходуясь в реакции.

Другой путь — отщепление от галогенпроизводных. При дегидрогалогенировании галогеналкана от соседних атомов углерода удаляются галоген и водород; обычно используют спиртовой раствор щёлочи и нагревание. Из дигалогеналкана с атомами галогена у соседних углеродов алкен можно получить отщеплением галогенов, например действием цинка. В обоих случаях после удаления групп между атомами углерода образуется двойная связь.

При дегидратации спирта гидроксильная группа OH и атом водорода уходят с соседних атомов углерода, образуя молекулу воды. Между углеродами остаётся возможность сформировать двойную связь. Нагревание и кислотный катализатор или оксид алюминия ускоряют отщепление; положение новой связи зависит от строения исходного спирта.

В реакциях присоединения π-связь разрывается, но σ-связь C–C и весь углеродный скелет сохраняются. Атомы реагента образуют две новые σ-связи с атомами углерода, и продукт становится насыщенным по этой связи. Так протекают гидрирование, галогенирование, гидрогалогенирование и гидратация. При присоединении к несимметричному алкену двух разных частей реагента распределение определяет правило Марковникова: водород присоединяется к тому атому углерода, у которого уже больше атомов водорода.

Получение и химические свойства алкенов

В таблице собраны типичные исходные вещества, условия и продукты. Сравнивайте, что именно отщепляется при получении алкена и что присоединяется в реакциях по двойной связи. В графе признака указаны наблюдение или практическое значение превращения.

Разбор задач

Получить этен из этана и записать уравнение реакции

Условие. Исходное вещество — этан C₂H₆, нужно получить этен C₂H₄. Требуется выбрать тип превращения и указать условия. Здесь число атомов углерода не меняется, поэтому ищем способ удалить водород, а не перестраивать углеродный скелет.

1. Сравниваем формулы: в этане шесть атомов водорода, в этене — четыре. Разность составляет два атома, которые образуют H₂.
2. Определяем тип реакции: отщепление водорода от алкана — это дегидрирование. Для него нужны нагревание и катализатор.
3. Записываем и проверяем уравнение: C₂H₆ → C₂H₄ + H₂. Число атомов каждого элемента слева и справа одинаково.

Ответ. C₂H₆ → C₂H₄ + H₂, нагревание, катализатор.

Реакции пропена с бромом, водородом и водой

Условие. Для пропена CH₃–CH=CH₂ нужно записать реакции с Br₂, H₂ и H₂O. Во всех трёх случаях реагент присоединяется по двойной связи, поэтому она становится одинарной. Сначала определяем, какие части реагента должны связаться с каждым из двух атомов углерода.

1. Бром присоединяется двумя атомами к бывшим атомам двойной связи: CH₃–CH=CH₂ + Br₂ → CH₃–CHBr–CH₂Br. Бромная вода обесцвечивается.
2. При гидрировании к углеродам присоединяются два атома водорода: CH₃–CH=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₂–CH₃. Продукт — пропан; реакцию проводят с катализатором.
3. При гидратации присоединяются H и OH. По правилу Марковникова OH оказывается у среднего атома углерода: CH₃–CH=CH₂ + H₂O → CH₃–CH(OH)–CH₃.

Ответ. Образуются 1,2-дибромпропан, пропан и пропан-2-ол соответственно.

Главный продукт гидратации бут-1-ена

Условие. Нужно предсказать продукт реакции бут-1-ена CH₂=CH–CH₂–CH₃ с водой. Алкен несимметричен: у двух атомов двойной связи разное число атомов водорода. Поэтому нельзя распределить H и OH произвольно — применяем правило Марковникова.

1. Сравниваем атомы углерода двойной связи. У крайнего CH₂ два атома водорода, у соседнего CH — один.
2. Водород из воды присоединяется к более гидрированному крайнему атому CH₂. Группа OH присоединяется к соседнему атому углерода.
3. Записываем продукт: CH₂=CH–CH₂–CH₃ + H₂O → CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃. Условия — кислотный катализатор.

Ответ. Главный продукт — бутан-2-ол.

Типичные ошибки

Записывают для алкенов формулу CₙH₂ₙ₊₂, смешивая их с алканами. У алкенов двойная связь означает на два атома водорода меньше, чем у соответствующего алкана. Проверьте себя на этене: при n = 2 формула C₂H₄, а не C₂H₆.

Иногда считают, что присоединение разрушает один из атомов углерода или весь фрагмент C=C. На деле разрывается π-связь, углеродный скелет сохраняется, а на каждом атоме углерода появляются новые связи. Проверка проста: пересчитайте атомы углерода до и после реакции — их число должно совпадать.

Ошибку в продукте гидратации или гидрогалогенирования несимметричного алкена допускают, если не учитывают правило Марковникова. Сначала отметьте, у какого атома двойной связи больше водородов: к нему направляется H, а другая часть реагента идёт к соседнему атому. Затем проверьте валентность углерода.

Дегидратацию спирта путают с гидратацией алкена, потому что в обоих названиях есть корень «гидрат». При дегидратации вода отщепляется от спирта, а при гидратации присоединяется к алкену. Сверьте исходное вещество и направление изменения: нагревание с кислотой способствует получению алкена из спирта.

Связь с другими темами

Для понимания реакций нужны знания о строении углеводородов, валентности углерода, химических связях и уравнивании реакций. Алканы, спирты и галогенопроизводные выступают исходными веществами или продуктами взаимных превращений: например, спирт можно превратить в алкен, а алкен — в спирт. Полимеризация связывает тему с производством пластмасс, нефтехимией и органическим синтезом. Обесцвечивание бромной воды используют как качественную реакцию на двойную связь.

Что запомнить

• Алкены содержат одну двойную связь C=C и имеют общую формулу CₙH₂ₙ.
• Двойная связь делает алкены более реакционноспособными, чем алканы.
• Алкены получают дегидрированием, дегидратацией и реакциями отщепления.
• Главный тип реакций алкенов — присоединение по двойной связи.
• Бромная вода обесцвечивается при взаимодействии с алкенами.
• При гидратации несимметричных алкенов действует правило Марковникова.
• Из алкенов получают полимеры реакцией полимеризации.