4.5. Получение

Определения и обозначения

Дегидратация — отщепление молекулы воды от органического соединения, обычно спирта, с образованием алкена. Например, из этанола удаляются группа OH и атом водорода, после чего между атомами углерода возникает двойная связь. Это обозначают так: спирт → алкен + H₂O.

Дегидрогалогенирование — отщепление атома водорода и атома галогена от галогеналкана под действием спиртового раствора щёлочи. В результате галогеналкан превращается в алкен, а удалённые части молекулы связываются с компонентами щёлочи. Реакция помогает получить двойную связь из соединения, содержащего C–Hal.

Дегидрирование — отщепление водорода от молекулы алкана с образованием алкена. Поскольку два соседних атома углерода теряют по одному атому водорода, между ними формируется вторая связь. Общая схема имеет вид: алкан → алкен + H₂.

Правило Зайцева утверждает, что в реакции отщепления преимущественно образуется более замещённый алкен. Замещённым называют алкен, у которого больше углеводородных групп присоединено к атомам двойной связи. Правило нужно, чтобы выбрать основной продукт, если двойная связь может возникнуть в нескольких местах.

Как это устроено

Получение алкенов часто основано на отщеплении, потому что двойная связь появляется после удаления двух атомов или групп от соседних атомов углерода. В одинарной связи C–C углерод уже соединён с соседями, а отщепление освобождает валентности для образования дополнительной связи. Поэтому продуктом становится более ненасыщенное соединение — алкен.

При дегидрировании алкана удаляются два атома водорода, находящиеся у соседних атомов углерода. Процесс требует нагревания, так как прочные связи C–H не разрываются самопроизвольно, и катализатора, который ускоряет превращение. Например, этан превращается в этен: C₂H₆ → C₂H₄ + H₂.

Спирт превращается в алкен при дегидратации, когда от соседних атомов углерода удаляются OH-группа и водород. Концентрированная серная кислота связывает воду и помогает сделать уходящую группу более удобной, а нагревание ускоряет реакцию. Вместо кислоты применяют твёрдые кислотные катализаторы, например оксид алюминия, также при нагревании.

При дегидрогалогенировании галогеналкана галоген удаляется вместе с водородом от соседнего атома углерода. Спиртовой раствор щёлочи способствует именно отщеплению, особенно при нагревании, тогда как водный раствор чаще вызывает замещение галогена на гидроксильную группу. Например, из 2-бромбутана могут образоваться бут-1-ен и бут-2-ен.

Если соседних атомов для отщепления несколько, возможны разные алкены. Более замещённая двойная связь обычно устойчивее, поэтому соответствующий алкен образуется в большем количестве. Это и выражает правило Зайцева: атом водорода чаще отщепляется от того соседнего углерода, после чего двойная связь оказывается более замещённой.

Основные способы получения алкенов

В таблице сначала определите исходный класс веществ, затем найдите условия реакции и состав продуктов. Последняя строка показывает не отдельный способ, а правило выбора главного продукта при нескольких возможных направлениях отщепления. В уравнениях с щёлочью галоген связывается с катионом металла, а вода образуется из водорода и гидроксильной группы.

Разбор задач

Получите этен из этанола и укажите условия реакции

Исходное вещество — этанол, значит, подходит дегидратация спирта. При ней от соседних атомов углерода удаляются OH-группа и атом водорода. Двойная связь образуется между двумя атомами углерода этанола.

1. Записываем формулу этанола: CH₃–CH₂–OH.
2. Отщепляем H и OH в виде H₂O, сохраняя углеродный скелет.
3. Ставим двойную связь между атомами углерода и указываем нагревание с концентрированной H₂SO₄ или Al₂O₃.

Уравнение реакции: CH₃–CH₂–OH → CH₂=CH₂ + H₂O. При использовании серной кислоты необходимы её концентрированный раствор и нагревание, обычно около 170 °C. Ответ: образуется этен.

Дегидрогалогенирование 2-бромбутана

В молекуле 2-бромбутана атом брома связан со вторым атомом углерода. Водород можно отщепить от первого или третьего атома углерода, поэтому возможны два положения двойной связи. Реакцию проводят спиртовым раствором KOH при нагревании.

1. Записываем скелет: CH₃–CHBr–CH₂–CH₃.
2. При отщеплении водорода от первого атома получается бут-1-ен.
3. При отщеплении водорода от третьего атома получается бут-2-ен, который более замещён.
4. По правилу Зайцева выбираем бут-2-ен как основной продукт.

Схема основного превращения: CH₃–CHBr–CH₂–CH₃ + KOH → CH₃–CH=CH–CH₃ + KBr + H₂O. Одновременно может образоваться небольшое количество бут-1-ена. Ответ: главные продукты — бут-2-ен и в меньшем количестве бут-1-ен.

Цепочка превращений этана в бут-2-ен

Нужно увеличить углеродную цепь от двух до четырёх атомов и затем создать двойную связь в середине цепи. Для соединения двух одинаковых углеводородных фрагментов удобно использовать реакцию Вюрца. После получения бутана его превращают в 2-бромбутан, который подвергают дегидрогалогенированию.

1. Хлорируем этан на свету: C₂H₆ → C₂H₅Cl + HCl.
2. Проводим реакцию Вюрца: 2C₂H₅Cl + 2Na → C₄H₁₀ + 2NaCl.
3. Бромируем бутан, выбирая образование 2-бромбутана: C₄H₁₀ → CH₃–CHBr–CH₂–CH₃ + HBr.
4. Нагреваем 2-бромбутан со спиртовым KOH и применяем правило Зайцева.

Итоговая схема приводит к бут-2-ену: CH₃–CHBr–CH₂–CH₃ + KOH → CH₃–CH=CH–CH₃ + KBr + H₂O. На стадии бромирования возможны изомеры, поэтому в лабораторной цепочке потребуется выделение нужного продукта. Ответ: этан → хлорэтан → бутан → 2-бромбутан → бут-2-ен.

Типичные ошибки

При дегидратации иногда записывают присоединение воды к алкену и получают спирт вместо алкена. Так происходит из-за смешения прямой и обратной реакций. Проверьте себя: при получении алкена вода должна стоять среди продуктов, а между атомами углерода должна появиться двойная связь.

Вместо спиртового раствора щёлочи часто указывают водный. Причина — оба раствора содержат OH⁻, но условия и среда направляют реакцию по-разному. Если требуется алкен, укажите спиртовой KOH или NaOH и нагревание; водная щёлочь обычно ведёт к замещению и образованию спирта.

Некоторые выбирают любой атом водорода при дегидрогалогенировании и не сравнивают продукты. Ошибка возникает, если не проследить, какие атомы находятся рядом с углеродом, несущим галоген. Сначала постройте все допустимые двойные связи, затем выберите более замещённую по правилу Зайцева.

Иногда двойную связь ставят там, где у соседнего атома нет водорода, или превышают валентность углерода. Такая запись физически невозможна, хотя внешне похожа на правильное уравнение. Проверьте каждый атом углерода: он должен иметь четыре связи, а отщепляемые водород и галоген должны находиться на подходящих соседних атомах.

Связь с другими темами

Для понимания способов получения алкенов нужны строение алканов, алкенов и спиртов, типы химических связей и правила составления структурных формул. Без этого трудно определить, какие атомы могут участвовать в отщеплении.

Тема опирается на изомерию и номенклатуру органических соединений. Они помогают различать бут-1-ен и бут-2-ен, находить положение двойной связи и правильно называть продукты.

Получение алкенов связано с их дальнейшими химическими свойствами: реакциями присоединения, полимеризацией и промышленным органическим синтезом. Алкен, полученный в одной реакции, часто становится исходным веществом для следующего превращения.

Что запомнить

• Алкены получают преимущественно реакциями отщепления.
• При дегидрировании алкана образуются алкен и водород.
• При дегидратации спирта образуются алкен и вода.
• Дегидрогалогенирование проводят обычно спиртовым раствором щёлочи при нагревании.
• При отщеплении от несимметричных молекул основным продуктом обычно является более замещённый алкен.
• Условия реакции определяют, будет преобладать замещение или отщепление.