"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Алкены — непредельные углеводороды с двойной связью между атомами углерода; из-за неё они легко вступают в реакции присоединения и служат важным сырьём для органического синтеза. Их получают из спиртов и галогеналканов, отщепляя небольшие молекулы, а также из алканов и при крекинге углеводородов. Чтобы предсказать продукт, нужно понять, какие атомы удаляются, и учитывать строение исходного вещества. Для выбора главного продукта часто применяют правило Зайцева.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Реакция дегидратации — отщепление молекулы воды от органического соединения с образованием двойной связи. Чаще всего так получают алкен из спирта: водород и группа OH удаляются от соседних атомов углерода. Это определение помогает отличать процесс от реакций, в которых отщепляется только водород.
Реакция дегидрогалогенирования — отщепление галогеноводорода от галогеналкана под действием спиртового раствора щёлочи. Галоген и атом водорода уходят от соседних атомов углерода, а между ними образуется двойная связь. Понятие нужно, чтобы распознать способ получения алкена из галогеналкана и выбрать подходящие условия.
Правило Зайцева — при отщеплении атома водорода от одного из соседних атомов углерода преимущественно образуется более замещённый алкен. Замещённым называют алкен, у которого у атомов двойной связи больше углеродных заместителей. Правило помогает выбрать главный продукт, если из исходного вещества могут образоваться разные алкены.
Крекинг — промышленное расщепление крупных углеводородных молекул на более мелкие, среди которых образуются алкены. В результате разрываются связи углеродного скелета, поэтому могут одновременно появляться разные продукты. Это понятие связывает получение алкенов с переработкой углеводородного сырья.
Двойная связь появляется, когда от двух соседних атомов углерода удаляются частицы, а освободившиеся валентности используются для образования дополнительной связи. При дегидратации одной из таких частиц становится группа OH, а другой — атом водорода; вместе они образуют воду. При дегидрогалогенировании уходят галоген и водород, образующие галогеноводород. Поэтому для образования двойной связи важно, чтобы удаляемые частицы находились у соседних атомов углерода.
При нагревании спирта с концентрированной серной кислотой или другим кислотным катализатором происходит дегидратация. Кислота облегчает отщепление группы OH, а нагревание помогает преодолеть энергетический барьер реакции. Направление процесса зависит от строения спирта и условий: в частности, имеет значение температура. Например, из этанола при подходящих условиях получается этилен и вода: CH₃CH₂OH → CH₂=CH₂ + H₂O.
Для получения алкена из галогеналкана используют спиртовой раствор щёлочи и нагревание. В этой среде щёлочь способствует удалению водорода с соседнего атома углерода, а галоген уходит вместе с ним в виде галогеноводорода; образуются соль и вода. Если же взять водный раствор щёлочи, часто преимущественным становится замещение галогена на группу OH. Значит, выбор растворителя меняет направление реакции и основной продукт.
Алкены можно получать каталитическим дегидрированием алканов: от молекулы отщепляется водород, а между соседними атомами углерода возникает двойная связь. Катализатор ускоряет превращение, не расходуясь в ходе реакции, а нагревание обеспечивает необходимую энергию. Например, этан может превращаться в этилен и водород: C₂H₆ → C₂H₄ + H₂. Этот способ важен для промышленного производства алкенов.
При дегидратации и дегидрогалогенировании у исходного вещества иногда есть несколько соседних атомов углерода, от которых можно отщепить водород. Поэтому возможны разные положения двойной связи и несколько алкенов. Согласно правилу Зайцева, обычно преимущественно образуется более замещённый алкен, поскольку такой продукт устойчивее. Правило помогает определить главный продукт, но конкретное соотношение продуктов может зависеть от строения вещества и условий.
| Способ | Исходное вещество | Условия | Что отщепляется | Пример продукта | Применение |
|---|---|---|---|---|---|
| Дегидратация спиртов | Спирт | Нагревание, кислотный катализатор | H₂O | Этен из этанола | Лабораторный и промышленный синтез |
| Дегидрогалогенирование галогеналканов | Галогеналкан | Спиртовой раствор щёлочи, нагревание | Галогеноводород HX | Бутены из 2-хлорбутана | Получение алкенов в лаборатории |
| Дегидрирование алканов | Алкан | Нагревание, катализатор | H₂ | Этен из этана | Промышленное производство |
| Крекинг углеводородов | Крупные углеводороды | Высокая температура, иногда катализатор | Молекула расщепляется на фрагменты | Смесь алкенов и других веществ | Переработка углеводородного сырья |
Сначала найдите в таблице исходное вещество, а затем сверьте условия и то, какая частица отщепляется: это помогает отличить похожие процессы. Столбец с примером показывает тип продукта, но при разборе конкретного вещества нужно учитывать его строение. Последний столбец подсказывает, где способ применяют чаще.
Запишите уравнение получения этилена из этанола и укажите условия реакции. Исходное вещество — спирт, поэтому сначала нужно определить, что отщепляется при дегидратации. Затем проверьте, что число атомов каждого элемента одинаково по обе стороны уравнения.
Ответ: CH₃CH₂OH → CH₂=CH₂ + H₂O; концентрированная серная кислота, нагревание. Проверка показывает, что два атома углерода и шесть атомов водорода сохранены.
При действии спиртового раствора гидроксида калия на 2-хлорбутан определите продукты и основной продукт. В исходной молекуле хлор связан со вторым атомом углерода, а водород может удаляться от первого или третьего атома. Поэтому нужно рассмотреть два возможных положения двойной связи.
Ответ: образуются бут-1-ен и бут-2-ен, преимущественно — бут-2-ен. В записи уравнения допустимо указать смесь изомеров, отдельно отметив главный продукт.
Из пропанола массой 120 г получили пропен с выходом 80%. Найдите массу продукта. Для расчёта используйте уравнение дегидратации и соотношение количеств вещества спирта и алкена. Выход 80% означает, что фактически полученная масса составляет 0,80 от теоретической.
Ответ: масса пропена равна 67,2 г. Такой расчёт предполагает, что пропанол превращается по приведённому уравнению, а практический выход уже учтён отдельным множителем.
При дегидратации иногда записывают отщепление водорода, смешивая её с дегидрированием алкана. Ошибка возникает из-за похожих названий двух реакций, хотя при дегидратации уходит вода, а при дегидрировании — H₂. Проверьте формулу продукта: в уравнении дегидратации среди продуктов должна быть H₂O.
Для получения алкена из галогеналкана могут ошибочно выбрать водный раствор щёлочи. Причина — забывают, что в водной среде часто идёт замещение, а не отщепление. Перед записью уравнения проверьте условие: для дегидрогалогенирования нужны спиртовой раствор щёлочи и нагревание.
Иногда основным продуктом называют менее замещённый алкен, не применяя правило Зайцева. Так происходит, если замечают только один из возможных атомов водорода и не сравнивают продукты. Составьте все допустимые варианты, посчитайте углеродные заместители у двойной связи и выберите более замещённый алкен.
Ещё одна ошибка — отрывать водород не от того атома углерода, который соседствует с атомом, связанным с OH или галогеном. Тогда двойная связь не возникает в результате отщепления от соседних атомов, и уравнение не соответствует механизму реакции. Для проверки отметьте атом с функциональной группой или галогеном, затем рассматривайте только непосредственно соседние атомы углерода.
Для изучения способов получения алкенов нужно знать строение алканов, спиртов и галогеналканов, а также уметь различать одинарную и двойную связи. Навык составления уравнений и понимание реакций замещения помогают предсказывать продукты при действии щёлочи. Получение алкенов связано с органическим синтезом: сами алкены вступают в реакции присоединения. В дальнейшем их используют для гидрирования, галогенирования, гидратации и полимеризации.
Чем дегидратация отличается от дегидрирования?
При дегидратации от органического вещества отщепляется молекула воды, а при дегидрировании — молекула водорода H₂. Дегидратацию обычно проводят со спиртами, дегидрирование — с алканами.
Почему для получения алкена из галогеналкана используют именно спиртовой раствор щёлочи?
В спиртовой среде при нагревании щёлочь способствует отщеплению галогеноводорода и образованию двойной связи. В водном растворе чаще преобладает замещение галогена на группу OH, поэтому образуется спирт.
Как определить, какой из возможных алкенов будет основным продуктом?
Нужно рассмотреть атомы углерода, соседние с тем, от которого отщепляется галоген или группа OH, и определить возможные положения двойной связи. Обычно главным становится более замещённый алкен — это следует из правила Зайцева.
Можно ли получить алкен из любого спирта?
Не всегда: для образования двойной связи у соседнего с атомом углерода, несущим группу OH, атома должен быть водород. Строение спирта и условия также влияют на возможность реакции и состав продуктов.
Почему крекинг считают промышленным способом получения алкенов?
При крекинге крупные молекулы углеводородов расщепляются на более мелкие, в том числе на алкены. Этот процесс позволяет получать востребованные вещества из тяжёлого углеводородного сырья.
5.4. Получение алкенов
