§ 77. Химические свойства алкенов

Определения и обозначения

Реакция присоединения — превращение алкена, при котором атомы или группы атомов присоединяются по двойной связи, а связь C=C становится одинарной. Иными словами, π-связь разрывается, но между атомами углерода сохраняется связь. Это понятие помогает проследить, какие части реагента окажутся в продукте.

Электрофильное присоединение — присоединение к двойной связи, начинающееся с взаимодействия электрофила с электронной π-связью. Электрофил — частица, которая принимает электронную пару; им может быть, например, положительно заряженная часть полярной молекулы. Понятие объясняет, почему реакции присоединения характерны для алкенов.

Правило Марковникова — при присоединении полярной молекулы HX или воды к несимметричному алкену водород связывается с тем атомом углерода при двойной связи, у которого уже больше атомов водорода. Второй фрагмент молекулы присоединяется к соседнему атому углерода. Правило нужно, чтобы выбрать преимущественный продукт и правильно записать его структурную формулу.

Полимеризация алкенов — соединение большого числа молекул алкена в макромолекулу без выделения низкомолекулярных побочных продуктов. Двойные связи мономеров раскрываются, и образуется цепь из повторяющихся звеньев. Это определение помогает отличить полимеризацию от обычного присоединения одной молекулы реагента.

Как это устроено

Двойная связь алкена включает прочную σ-связь и более доступную π-связь. π-Электронная плотность расположена вне линии, соединяющей ядра атомов, поэтому реагентам легче с ней взаимодействовать. Когда π-связь разрывается, атомы углерода могут образовать новые связи с присоединяемыми частицами, а σ-связь между ними сохраняется.

При гидрировании к двум атомам углерода двойной связи присоединяются два атома водорода. Обычно реакция идёт при нагревании в присутствии катализатора, например никеля. Так этен превращается в этан: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃; атомам углерода недостаёт по одному атому водорода, чтобы образовать алкан.

Галоген присоединяется по двойной связи: каждый из двух его атомов связывается с одним атомом углерода. Например, при реакции с бромом образуется дигалогеналкан. Галогеноводород HX тоже присоединяется по месту двойной связи, но в несимметричном алкене возможны два направления; преимущественное определяет правило Марковникова, связанное с тем, как распределяются H и X по атомам углерода.

При гидратации к алкену присоединяется вода, а продуктом становится спирт. Кислотный катализатор помогает реакции протекать, активируя молекулы реагентов. Если алкен несимметричен, направление присоединения определяют по правилу Марковникова: водород идёт к атому углерода с большим числом атомов водорода, а гидроксильная группа –OH — к соседнему.

При мягком окислении водным раствором перманганата калия связь C=C превращается в одинарную, а у каждого из этих атомов углерода появляется группа –OH. Поэтому образуется двухатомный спирт, а фиолетовый раствор перманганата обесцвечивается. При горении углерод алкена окисляется до углекислого газа, а водород — до воды; при полимеризации же двойные связи раскрываются, и атомы углерода многих молекул соединяются в цепь без выделения побочных продуктов.

Основные химические свойства алкенов

В таблице сопоставлены реагенты, изменение двойной связи и основной продукт. При решении задач сначала определите тип реакции и условия, а затем проследите, какие атомы присоединяются или какой процесс происходит с углеродной цепью. Для несимметричного алкена при присоединении HX отдельно проверьте направление по правилу Марковникова.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение реакции этена с бромом и назовите органический продукт. Чтобы выбрать продукт, отметьте двойную связь и присоедините к её атомам углерода по одному атому брома. В реакции участвуют равные количества этена и Br₂.

1. Этен имеет формулу CH₂=CH₂, а бром — Br₂.
2. Заменяем двойную связь на одинарную и присоединяем по атому Br к каждому атому углерода.
3. Получаем уравнение CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br.
4. В продукте два атома брома, значит, это 1,2-дибромэтан.

Ответ: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br; 1,2-дибромэтан.

Задача 2. Запишите присоединение HCl к пропену и назовите преимущественный продукт. Пропен CH₃–CH=CH₂ несимметричен, поэтому нужно проверить, к какому атому углерода присоединяется водород. Направление реакции выбирают по правилу Марковникова, а не по положению атома хлора наугад.

1. Сравниваем атомы углерода двойной связи: у крайнего CH₂ два атома водорода, у среднего CH — один.
2. Водород из HCl присоединяется к крайнему CH₂, где водородов больше.
3. Хлор присоединяется к среднему атому углерода; уравнение: CH₃–CH=CH₂ + HCl → CH₃–CHCl–CH₃.
4. Называем продукт по главной цепи и положению хлора: 2-хлорпропан.

Ответ: преимущественно образуется 2-хлорпропан, CH₃–CHCl–CH₃.

Задача 3. Для заданного объёма пропена рассчитайте объём водорода, необходимый для полного гидрирования, и массу образовавшегося продукта. Пусть объём пропена равен V л, а газы измерены при нормальных условиях, где молярный объём равен 22,4 л/моль. Уравнение нужно составить до вычислений: именно его коэффициенты задают соотношение веществ.

1. Записываем реакцию: C₃H₆ + H₂ → C₃H₈. Коэффициенты перед всеми веществами равны единице.
2. Значит, на 1 моль пропена нужен 1 моль водорода, а объёмы газов при одинаковых условиях относятся так же, как количества вещества: V(H₂) = V.
3. Количество пропена n = V/22,4 моль; столько же образуется пропана.
4. Молярная масса пропана M(C₃H₈) = 44 г/моль, поэтому масса продукта m = 44V/22,4 г.

Ответ: требуется V л водорода, масса пропана составляет 44V/22,4 г. Если объём дан не при нормальных условиях, в расчёте нужно использовать соответствующий молярный объём газа.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при присоединении двойная связь исчезает полностью. Её π-связь действительно разрывается, но между атомами углерода остаётся одинарная σ-связь. Такую ошибку допускают, смешивая понятия «двойная связь» и «две отдельные связи». Проверьте продукт: атомы углерода должны оставаться соединёнными, а их валентность — быть равной четырём.

Ошибка — выбирать продукт присоединения HX к несимметричному алкену наугад или ориентироваться на то, куда хочется поместить галоген. Направление присоединения определяет правило Марковникова: сначала найдите атом углерода двойной связи, у которого больше атомов водорода. Затем поставьте H к нему, а галоген — к соседнему атому; такая проверка помогает избежать неверного изомера.

Ошибка — считать обесцвечивание бромной воды и раствора перманганата калия проявлением одной и той же реакции. В первом случае бром присоединяется по двойной связи и образуется дигалогеналкан, а при мягком окислении перманганатом появляется двухатомный спирт. Путают реакции потому, что в обоих случаях меняется окраска раствора. Проверьте себя, указав реагент, условия и продукт, а не только наблюдаемый признак.

Ошибка — записывать побочный продукт в уравнении полимеризации или изменять состав повторяющегося звена. Полимеризация алкена идёт без выделения низкомолекулярных веществ, а состав звена соответствует составу мономера. Это можно проверить по уравнению: атомы должны сохраниться, а двойная связь должна стать одинарной в цепи. Например, из n молекул этена получают звено –CH₂–CH₂–.

Связь с другими темами

Для понимания реакций понадобятся строение алкенов, различие σ- и π-связей, номенклатура и умение составлять структурные формулы. Без этого трудно проследить, какие атомы соединяются и как назвать продукт. Сначала определите углеродную цепь и положение двойной связи, а затем анализируйте реакцию.

Реакции присоединения связаны со способами получения алкенов и их качественным распознаванием. Одни процессы превращают алкен в другое органическое вещество, а характерное изменение окраски реагента помогает обнаружить двойную связь. Сопоставление прямой и обратной задачи показывает, как строение вещества связано с его превращениями.

Полимеризация объясняет образование полимерных материалов из небольших молекул, а окисление помогает понять превращения органических веществ с несколькими функциональными группами. При изучении таких соединений пригодится умение следить за тем, какие связи разрываются и какие группы появляются. Эти представления расширяют знания о возможных превращениях углеродного скелета.

Что запомнить

• Для алкенов характерны реакции присоединения по двойной связи.
• При присоединении π-связь превращается в σ-связь.
• Гидрирование алкена приводит к образованию алкана.
• При присоединении HX к несимметричному алкену обычно действует правило Марковникова.
• Мягкое окисление перманганатом калия позволяет обнаружить двойную связь.
• Полимеризация раскрывает двойные связи и образует длинные цепи.
• При полном горении алкена образуются углекислый газ и вода.