17.3. Химические свойства

Определения и обозначения

Реакция присоединения — превращение алкена, при котором атомы или группы атомов присоединяются по месту двойной связи, а π-связь разрывается. Между атомами углерода при этом сохраняется σ-связь. Это определение помогает понять, почему в продукте присоединения двойная связь становится одинарной.

Правило Марковникова — правило, которое определяет направление присоединения полярных реагентов к несимметричному алкену. При присоединении HX атом водорода идёт к тому атому углерода двойной связи, у которого уже больше атомов водорода. Правило нужно, чтобы выбрать основной продукт реакции, а не просто записать возможное соединение.

Гидратация алкенов — присоединение воды к двойной связи с образованием спирта в присутствии кислотного катализатора. Катализатор ускоряет реакцию, сам не расходуясь. Это понятие связывает свойства алкенов со способом получения спиртов.

Полимеризация алкенов — соединение большого числа молекул мономера в одну макромолекулу, то есть очень длинную молекулу полимера. Мономером называют исходную небольшую молекулу, например этен. Понятие важно для объяснения получения полиэтилена и других полимерных материалов.

Как это устроено

У атомов углерода в алкене есть двойная связь, состоящая из σ-связи и π-связи. π-связь слабее и располагается так, что её легче атакуют частицы реагента. Когда она разрывается, к атомам углерода могут присоединиться новые атомы или группы, а σ-связь между углеродами сохраняется. Поэтому для алкенов особенно характерно присоединение, тогда как алканы с одинарными связями реагируют иначе и обычно менее активно.

При гидрировании молекула водорода присоединяется к двум атомам углерода двойной связи. Реакция проходит в присутствии катализатора, например никеля, платины или палладия, который помогает ослабить связь H–H и ускорить превращение. В результате двойная связь становится одинарной, а алкен превращается в алкан. Например: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃.

Галогенирование — присоединение Br₂ или Cl₂ — также использует способность π-связи взаимодействовать с реагентом: из этена и брома образуется 1,2-дибромэтан. Галогеноводороды HX присоединяются с образованием галогеналканов. Если алкен несимметричный, возможны разные направления реакции, но преимущественно образуется продукт по правилу Марковникова: например, пропен с HCl даёт 2-хлорпропан, CH₃–CHCl–CH₃.

При гидратации к двойной связи присоединяется вода, а кислотный катализатор облегчает реакцию. Для несимметричного алкена направление присоединения также приводит преимущественно к более замещённому спирту: при реакции пропена образуется пропан-2-ол. Это объясняет, почему из одного и того же алкена нельзя выбирать продукт только по тому, как удобнее расположить формулу: нужно учитывать направление присоединения.

При мягком окислении раствором перманганата калия KMnO₄ двойная связь преобразуется, а раствор теряет окраску. Например, пропен может окисляться до пропан-1,2-диола. Обесцвечивание используют как качественную реакцию на кратные связи, но оно не уникально для алкенов. При полимеризации молекулы алкена соединяются по двойным связям в длинные цепи; так получают полиэтилен, применяемый в производстве множества изделий.

Основные химические свойства алкенов

Сначала определите, что именно присоединяется или меняется, затем проверьте условия и запишите продукт с одинарной связью между бывшими атомами двойной связи. Для несимметричного алкена при реакции с HX или водой отдельно определите направление присоединения.

Разбор задач

1. Составить уравнение реакции пропена с бромом и назвать продукт

Нужно определить, что происходит с двойной связью пропена при взаимодействии с Br₂. Это присоединение галогена: каждый атом брома присоединяется к одному из атомов углерода бывшей двойной связи. После записи проверяем, что число атомов каждого элемента сохранено.

1. Записываем формулу пропена: CH₃–CH=CH₂.
2. Заменяем двойную связь на одинарную, добавляя по одному атому Br к каждому из двух связанных углеродов.
3. Получаем уравнение CH₃–CH=CH₂ + Br₂ → CH₃–CHBr–CH₂Br.

Ответ: образуется 1,2-дибромпропан. Два атома брома оказываются у соседних атомов углерода, потому что именно так раскрывается двойная связь.

2. Составить уравнение реакции пропена с HCl и определить основной продукт

Пропен несимметричен: у крайних атомов двойной связи разное число атомов водорода. Поэтому сначала применяем правило Марковникова, а затем записываем продукт присоединения. Нельзя выбирать направление произвольно: оно определяет, где окажется атом хлора.

1. Записываем пропен: CH₃–CH=CH₂.
2. Атом H присоединяем к крайнему CH₂, у которого больше атомов водорода; Cl — к среднему атому углерода.
3. Записываем уравнение: CH₃–CH=CH₂ + HCl → CH₃–CHCl–CH₃.
4. Проверяем: двойная связь стала одинарной, а в продукте есть все атомы исходных веществ.

Ответ: основной продукт — 2-хлорпропан. Такое расположение атомов соответствует правилу Марковникова.

3. Осуществить цепочку этен → этанол → этен → полиэтилен

В цепочке нужно сначала присоединить к этену воду, затем удалить воду из спирта, а в конце соединить молекулы этена. На каждом переходе меняется тип реакции, поэтому подбираем реагенты и условия отдельно. Проверяем, чтобы продукт одного этапа совпадал с веществом, необходимым для следующего.

1. Гидратация этена: CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃–CH₂OH; требуется кислотный катализатор.
2. Дегидратация этанола: CH₃–CH₂OH → CH₂=CH₂ + H₂O; нагревание с концентрированной H₂SO₄ или пропускание паров спирта над нагретым катализатором.
3. Полимеризация этена: nCH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ; используют подходящие катализатор и условия.

Ответ: последовательность включает гидратацию, дегидратацию и полимеризацию. В последнем продукте повторяющееся звено –CH₂–CH₂– образует цепь полиэтилена.

Типичные ошибки

При записи присоединения иногда оставляют двойную связь и просто добавляют к формуле новые атомы. Так нарушается смысл реакции: π-связь разрывается, поэтому между атомами углерода остаётся одинарная связь. Проверяйте, что к двум атомам бывшей двойной связи добавились части реагента и валентности углерода соблюдены.

Другая ошибка — неверно направить присоединение HCl или воды к несимметричному алкену, механически присоединив H к более замещённому атому углерода. Сначала сравните количество атомов водорода у двух атомов двойной связи и примените правило Марковникова. Затем проверьте, что второй компонент реагента оказался на соседнем атоме.

Обесцвечивание бромной воды иногда считают доказательством наличия именно алкена. Реакцию дают и некоторые другие вещества с кратными связями, поэтому она указывает на ненасыщенность, но не устанавливает строение однозначно. Для вывода учитывайте другие сведения о веществе.

Полимеризацию путают с замещением или представляют как образование отдельных молекул с побочным продуктом. При полимеризации много молекул мономера соединяются по двойным связям в макромолекулу, обычно без выделения низкомолекулярного вещества. Проверьте, что в повторяющемся звене раскрыта двойная связь и состав звена соответствует мономеру.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать реакции алкенов, нужно знать строение двойной связи, номенклатуру и изомерию этих углеводородов, типы химических связей и правила составления уравнений. Эти знания помогают определить, какие атомы соединены между собой и как назвать продукт. Дальше свойства алкенов пригодятся при изучении спиртов, полимеров и пластмасс, нефтехимического синтеза и качественного анализа органических веществ. Так прослеживается связь от структуры молекулы к получению материалов и распознаванию соединений.

Что запомнить

• Для алкенов характерны реакции присоединения по двойной связи.
• При присоединении π-связь разрывается, а между атомами углерода сохраняется σ-связь.
• Алкены обесцвечивают бромную воду.
• При гидрировании алкен превращается в алкан.
• Направление присоединения HX к несимметричному алкену определяет правило Марковникова.
• Гидратация алкенов приводит к спиртам.
• Полимеризация алкенов является основой получения многих пластмасс.