§ 76. Алкены. Строение, номенклатура, изомерия, физические свойства

Определения и обозначения

Алкен — ациклический углеводород, в молекуле которого есть одна двойная связь C=C. Для гомологического ряда таких веществ общая формула — CₙH₂ₙ, где n обозначает число атомов углерода. Формула помогает быстро определить состав алкена, если известно n. Однако она не заменяет структурную формулу: тот же состав может иметь циклоалкан.

Двойная связь C=C состоит из одной σ-связи и одной π-связи. σ-связь образуется при перекрывании орбиталей вдоль линии между ядрами атомов, а π-связь — при боковом перекрывании. Такое устройство удерживает атомы вместе и препятствует свободному вращению вокруг связи. Это нужно учитывать при объяснении строения и изомерии алкенов.

Гомологический ряд алкенов — последовательность веществ, в которой каждый следующий представитель отличается от предыдущего на группу CH₂. Так, при переходе к следующему члену ряда углеродная цепь увеличивается на один атом углерода, а число атомов водорода — на два. Понятие ряда позволяет сравнивать вещества с похожим строением. Оно также помогает находить формулы представителей по общей закономерности.

Геометрическая изомерия — разновидность изомерии, возникающая из-за ограниченного вращения вокруг C=C и разного расположения заместителей при этой связи. Заместители могут находиться по одну или по разные стороны от двойной связи. Такие вещества имеют одинаковый состав и порядок соединения атомов, но различаются расположением частей молекулы. Чтобы определить, возможна ли эта изомерия, сравнивают заместители у каждого атома углерода связи.

Как это устроено

Каждый атом углерода при двойной связи образует три σ-связи и использует для этого три гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости. Оставшаяся негибридная орбиталь одного атома перекрывается сбоку с такой же орбиталью соседнего атома и образует π-связь. Поэтому окружение каждого углерода плоское, а направления связей располагаются примерно под углами 120°. Такое строение объясняет и геометрию участка молекулы, и ограничение вращения.

В двойной связи два атома углерода удерживаются сильнее, чем в одинарной, поэтому C=C короче и прочнее связи C–C. Но прочность двойной связи не означает, что обе её части одинаково устойчивы: π-связь слабее σ-связи, поскольку боковое перекрывание орбиталей менее эффективно. При разрыве π-связи атомы могут образовать новые связи, не разрушая σ-каркас полностью. Поэтому двойная связь определяет характерное строение и реакционную способность алкенов.

Для ациклического алкена с одной двойной связью каждый атом углерода связан с таким числом атомов водорода, чтобы суммарное число водородов было вдвое больше числа углеродов: CₙH₂ₙ. Например, если n = 5, то формула будет C₅H₁₀. Эта закономерность получается из строения открытой цепи с одной двойной связью. У циклоалканов та же общая формула, но недостающие два атома водорода связаны с образованием кольца, а не C=C.

Для названия сначала находят самую длинную углеродную цепь, в которую входит двойная связь: без неё главная цепь выбрана неверно. Затем цепь нумеруют с того конца, который ближе к C=C, чтобы связь получила наименьший номер. В названии указывают положение двойной связи и заместителей, если они есть. Например, пять атомов углерода и связь между вторым и третьим дают основу пент-2-ен.

У алкенов возможна изомерия углеродного скелета, когда меняется разветвлённость цепи, и положения двойной связи, когда C=C перемещается вдоль той же цепи. Геометрическая изомерия возникает из-за того, что поворот вокруг двойной связи ограничен. Чтобы различать два расположения заместителей, у каждого из двух атомов C=C должны быть разные заместители. Если хотя бы у одного углерода два заместителя одинаковы, перестановка сторон не создаёт отдельного геометрического изомера.

При увеличении числа атомов углерода растут размер и масса молекул, поэтому меняются физические свойства алкенов. Низшие представители — газы, более крупные молекулы могут быть жидкостями и твёрдыми веществами. Алкены практически не растворяются в воде, так как их молекулы плохо взаимодействуют с молекулами воды. С ростом молекулярной массы обычно повышаются температуры кипения.

Строение и физические свойства алкенов

Таблица помогает быстро сопоставить молекулярное строение алкенов с их свойствами. При решении задачи сначала проверьте, относится ли формула к открытому углеводороду с C=C, а затем используйте соответствующую строку. Условия геометрической изомерии удобно проверять отдельно для каждого атома двойной связи.

Разбор задач

Задача 1

Запишите молекулярную формулу алкена, содержащего 5 атомов углерода, и назовите его простейший представитель с таким числом атомов углерода. Слово «простейший» здесь означает неразветвлённую цепь с двойной связью у края. Сначала найдём формулу по общему правилу, затем определим название по числу атомов углерода и положению связи.

1. Используем формулу алкенов CₙH₂ₙ и подставляем n = 5.
2. Получаем пять атомов углерода и 2 × 5 = 10 атомов водорода, то есть C₅H₁₀.
3. Неразветвлённая цепь из пяти атомов называется пент-, а крайнее положение двойной связи обозначается номером 1.

Ответ: молекулярная формула — C₅H₁₀, простейший неразветвлённый представитель — пент-1-ен. Та же молекулярная формула возможна у других изомеров, поэтому для их различения нужно знать строение. Общая формула даёт состав, но сама по себе не задаёт название единственного вещества.

Задача 2

Назовите соединение CH₃–CH=CH–CH₂–CH₃ и укажите положение двойной связи. В формуле видна непрерывная цепь из пяти атомов углерода, и все они должны войти в название. Чтобы найти номер C=C, нужно отсчитать атомы от того конца, который ближе к двойной связи.

1. Определяем главную цепь: в ней пять атомов углерода, значит, основа названия — пент-.
2. Слева двойная связь начинается у второго атома углерода; справа она началась бы у третьего.
3. Выбираем наименьший номер, поэтому записываем положение связи как 2.

Ответ: пент-2-ен, двойная связь находится между вторым и третьим атомами углерода. Номер указывает на первый из двух атомов, образующих C=C. Если бы нумерацию начали справа, название ошибочно указывало бы положение 3.

Задача 3

Для пент-2-ена определите, возможна ли геометрическая изомерия, изобразите два её варианта и сравните их с пент-1-еном. Сначала проверим заместители у каждого атома двойной связи: это надёжнее, чем пытаться определить изомерию только по названию. У пент-2-ена строение CH₃–CH=CH–CH₂–CH₃.

1. У первого атома C=C заместители — H и CH₃, у второго — H и CH₂CH₃; в обоих случаях они разные.
2. Значит, возможны два расположения: CH₃ и CH₂CH₃ по одну сторону от C=C или по разные стороны. В первом варианте группы H тоже оказываются по одну сторону, во втором — по разные.
3. У пент-1-ена CH₂=CH–CH₂–CH₂–CH₃ у крайнего атома двойной связи два одинаковых заместителя H. Поэтому перестановка сторон не создаёт пары геометрических изомеров.

Ответ: пент-2-ен имеет два геометрических изомера, которые также называют цис- и транс-формами: в цис-форме углеродные группы по одну сторону C=C, в транс-форме — по разные. Для пент-1-ена геометрическая изомерия невозможна. Это не изомерия положения: при ней сама двойная связь перемещается, тогда как геометрические формы имеют одинаковое соединение атомов.

Типичные ошибки

Частая ошибка — начинать нумерацию со стороны ближайшего заместителя, а не двойной связи. Так поступают, потому что по аналогии с некоторыми названиями органических веществ пытаются сначала дать наименьший номер боковой группе. Проверьте себя: сравните расстояние от обоих концов цепи до C=C и выберите меньший номер связи.

Формулу CₙH₂ₙ иногда автоматически принимают за формулу алкена. Причина в том, что её запоминают как общую формулу ряда, забывая, что такой же состав возможен у циклоалкана. Проверка простая: откройте структурную формулу и убедитесь, что цепь ациклическая и содержит одну двойную связь.

Неверно считать, что геометрические изомеры есть у любого алкена. Это происходит, когда замечают наличие C=C, но не проверяют заместители при каждом её атоме. Для самопроверки выпишите по два заместителя у обоих атомов углерода: если у одного из них заместители совпадают, геометрическая изомерия невозможна.

Ещё одна ошибка — изображать свободное вращение вокруг C=C, словно это одинарная связь. Такое представление игнорирует π-связь, которая удерживается боковым перекрыванием орбиталей и нарушилась бы при повороте. Проверьте рисунок: если поворот меняет взаимное расположение заместителей, он не описывает свободное движение молекулы, а соответствует переходу между геометрическими формами.

Связь с другими темами

Для изучения алкенов нужны знания о строении атома углерода, ковалентных связях и структурных формулах. Навыки называния углеводородов помогают выбрать главную цепь и правильно указать положение двойной связи. Понимание устройства C=C пригодится при изучении реакций присоединения и полимеризации: строение связи помогает объяснить, как алкены образуют новые вещества. Изомерия и номенклатура также понадобятся при сравнении и систематическом назывании более сложных органических соединений.

Что запомнить

• Общая формула ациклических алкенов с одной двойной связью — CₙH₂ₙ.
• Двойная связь состоит из одной σ-связи и одной π-связи.
• Атомы углерода при двойной связи имеют плоское окружение.
• Главную цепь выбирают так, чтобы она содержала двойную связь.
• Нумерацию цепи начинают с конца, ближайшего к двойной связи.
• Геометрическая изомерия возможна, если у каждого атома C=C по два разных заместителя.
• С ростом молекулярной массы алкенов обычно повышаются температуры кипения.