§ 5. Алкены

Определения и обозначения

Алкены — ненасыщенные углеводороды, содержащие одну двойную связь между атомами углерода. Для ациклических алкенов с одной двойной связью общая формула — CₙH₂ₙ, где n ≥ 2. В классификации углеводородов они относятся к непредельным соединениям, в отличие от алканов с одинарными связями. Это определение помогает отличать алкены от других веществ с тем же соотношением атомов.

Двойная связь — связь C=C, состоящая из одной σ-связи и одной π-связи. σ-связь образуется при перекрывании орбиталей вдоль линии между ядрами, а π-связь — при боковом перекрывании орбиталей. Именно π-связь легче нарушить в химической реакции, поэтому алкены часто вступают в присоединение. Такое представление помогает понять и строение, и свойства этих веществ.

Гомологический ряд алкенов — последовательность соединений общей формулы CₙH₂ₙ, в которой соседние представители отличаются на группу CH₂. Например, за этеном C₂H₄ следует пропен C₃H₆. При переходе к следующему члену сохраняется тип строения, но углеродная цепь становится длиннее. Ряд позволяет выводить формулы и сравнивать свойства близких веществ.

Изомерия алкенов — существование веществ с одинаковой молекулярной формулой, но разным строением. Углеродный скелет может быть разветвлённым или неразветвлённым, а двойная связь может занимать разные положения. Если у каждого атома углерода при C=C два разных заместителя, возможна также геометрическая изомерия. Различение изомеров нужно, чтобы не считать разные вещества одним соединением.

Как это устроено

У каждого атома углерода при двойной связи три области связывания: две связи с соседними атомами и одна связь с другим атомом или группой. Для их образования атом использует три sp²-гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости под углами около 120°. Оставшаяся негибридная p-орбиталь перекрывается с такой же орбиталью соседнего углерода. Поэтому фрагмент C=C плоский, а окружающие его атомы лежат почти в одной плоскости.

Боковое перекрывание p-орбиталей создаёт π-связь над и под плоскостью σ-связей. При присоединении реагента π-связь разрывается, а атомы углерода образуют новые σ-связи; это энергетически выгоднее, чем разрывать прочную σ-связь. Вращение вокруг C=C требует нарушить боковое перекрывание, поэтому свободно повернуть части молекулы нельзя. Если заместители у каждого атома двойной связи различны, их фиксированное положение может привести к геометрическим изомерам.

В ациклическом алкане с n атомами углерода формула CₙH₂ₙ₊₂. При образовании одной двойной связи два атома водорода теряются: число атомов водорода становится 2n, и получается CₙH₂ₙ. Так, при n = 4 формула алкена — C₄H₈. Эта формула применима к алкенам с одной двойной связью в открытой цепи, но сама по себе не определяет строение вещества.

Чтобы назвать алкен, сначала выбирают самую длинную цепь, в которую входит двойная связь. Затем нумеруют её с того конца, от которого двойная связь получает наименьший номер, и называют цепь по числу атомов углерода. Положение связи обозначают номером первого атома углерода при C=C: например, бут-1-ен и бут-2-ен. Заместители также указывают в названии с их положением, но направление нумерации прежде всего выбирают по двойной связи.

В реакциях присоединения двойная связь превращается в одинарную: по одному атому или группе присоединяется к каждому из двух атомов углерода. При гидрировании присоединяется H₂, при галогенировании — молекула галогена, а при гидратации — вода; гидрогалогенирование означает присоединение HX. При полимеризации множество молекул алкена соединяется в длинную цепь, а при горении углеводород реагирует с кислородом с образованием углекислого газа и воды. Эти процессы различаются реагентами и продуктами, но строение двойной связи помогает объяснить их ход.

Основные химические свойства алкенов

В таблице собраны типичные превращения алкенов. При составлении уравнения проверьте, что атомы реагента распределены между атомами углерода двойной связи, а число молекул соответствует коэффициентам. Для полимеризации записывают повторяющееся звено, а для горения обязательно учитывают кислород и балансируют уравнение.

Разбор задач

Задача 1. Определить молекулярную формулу и дать название алкену с пятью атомами углерода. Число атомов углерода задаёт n = 5, поэтому используем общую формулу CₙH₂ₙ. Она определяет состав, но не положение двойной связи, поэтому название без дополнительных сведений относят к представителю ряда.

1. Подставим n = 5: число атомов водорода равно 2 · 5 = 10.
2. Запишем молекулярную формулу C₅H₁₀.
3. Цепь из пяти атомов углерода соответствует корню пент-. При неуказанном положении связи можно привести допустимый пример: пент-1-ен.

Ответ: C₅H₁₀; пример названия — пент-1-ен. У формулы есть и другие структурные изомеры, поэтому единственное положение двойной связи из условия установить нельзя.

Задача 2. Для формулы C₄H₈ составить структурные формулы возможных алкенов и указать виды изомерии. Сначала переберём цепи из четырёх атомов углерода, затем проверим положение двойной связи. Для разветвлённого скелета отдельно расположить связь можно только в одном неэквивалентном положении.

1. Неразветвлённая цепь: CH₂=CH–CH₂–CH₃ — бут-1-ен.
2. Переносим связь на соседнее положение: CH₃–CH=CH–CH₃ — бут-2-ен.
3. Разветвлённая цепь: CH₂=C(CH₃)₂ — 2-метилпропен.
4. У бут-2-ена каждый атом двойной связи связан с H и CH₃, поэтому существуют цис- и транс-формы (геометрические изомеры).

Ответ: возможны бут-1-ен, бут-2-ен и 2-метилпропен; у бут-2-ена есть геометрические изомеры. Различия между неразветвлённой и разветвлённой цепями дают изомерию скелета, а между бут-1-еном и бут-2-еном — изомерию положения двойной связи.

Задача 3. Рассчитать объём водорода для полного гидрирования 5,6 г этена и массу продукта. Предположим, что газ измерен при н. у., где молярный объём равен 22,4 л/моль. Уравнение C₂H₄ + H₂ → C₂H₆ показывает соотношение 1:1: один моль этена потребляет один моль водорода и даёт один моль этана.

1. Молярная масса этена M(C₂H₄) = 28 г/моль; количество вещества n = 5,6 / 28 = 0,20 моль.
2. По уравнению n(H₂) = 0,20 моль, поэтому V(H₂) = 0,20 · 22,4 = 4,48 л.
3. Количество этана также 0,20 моль. Его молярная масса M(C₂H₆) = 30 г/моль, значит m = 0,20 · 30 = 6,0 г.

Ответ: потребуется 4,48 л H₂ при н. у.; образуется 6,0 г этана. Если заданы другие условия измерения газа, для объёма потребуется использовать соответствующий молярный объём.

Типичные ошибки

Формулу CₙH₂ₙ иногда считают достаточным признаком алкена. Однако такое же соотношение атомов может встречаться у других классов веществ, например у циклоалканов. Ошибка возникает, когда запоминают формулу, но забывают о строении. Проверьте, что в открытой углеродной цепи действительно есть одна двойная связь.

Некоторые начинают нумерацию главной цепи со стороны заместителя. Так можно присвоить двойной связи больший номер, чем возможно, и получить неверное название. Сначала сравните расстояние от обоих концов цепи до C=C: выбирают ближайший конец. После этого указывают положения заместителей.

Двойную связь могут представлять как две одинаковые одинарные и считать, что вокруг неё возможно свободное вращение. Но одна из составляющих — π-связь — возникает при боковом перекрывании орбиталей и при повороте нарушается. Проверка проста: если такое вращение было бы свободным, фиксированное расположение заместителей и геометрическая изомерия не объяснялись бы.

В уравнениях присоединения иногда оставляют двойную связь или присоединяют не то число молекул реагента. Это происходит, если не учитывать разрыв π-связи и стехиометрию. После реакции между бывшими атомами C=C должна остаться одинарная связь, а присоединяемые атомы должны распределиться по углеродам. Проверьте баланс всех атомов и коэффициенты уравнения.

Связь с другими темами

Для понимания алкенов пригодятся знания о строении атома углерода, ковалентной связи и валентности. Формулы и последовательность членов ряда опираются на понятие гомологического ряда, а названия — на правила номенклатуры органических веществ. Эти основы помогают связывать молекулярную формулу с конкретным строением.

Тема подготавливает к изучению алкинов и ароматических углеводородов: сравнение классов показывает, как кратные связи влияют на свойства. Представление о разрыве π-связи помогает перейти к механизмам реакций присоединения. Полимеризация алкенов становится основой для объяснения получения многих полимерных материалов.

Свойства алкенов важны для понимания превращений этилена и процессов нефтехимической переработки. Из алкенов получают вещества, используемые в производстве пластмасс и других материалов. Поэтому реакции, записанные в уравнениях, связаны не только с формулами, но и с промышленными процессами.

Что запомнить

• Алкены — ненасыщенные углеводороды с одной двойной связью C=C.
• Общая формула алкенов с одной двойной связью — CₙH₂ₙ.
• Двойная связь состоит из одной σ-связи и одной π-связи.
• Атомы углерода при двойной связи имеют sp²-гибридизацию и плоское окружение.
• Для алкенов характерны реакции присоединения по двойной связи.
• Двойная связь ограничивает вращение и может приводить к геометрической изомерии.
• Алкены способны вступать в реакции полимеризации.