"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Алкадиены — углеводороды с двумя двойными связями; важный представитель этого класса — бутадиен-1,3, сырьё для синтетического каучука. Чтобы получить алкадиен, из исходного вещества удаляют водород, а при использовании спирта — также воду. Бутан можно превратить в бутадиен последовательным дегидрированием, а этанол — по методу Лебедева. Выход продукта зависит от катализатора, температуры и точного соблюдения условий процесса.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Дегидрирование алканов — отщепление водорода от алкана с образованием алкадиена. Например, бутан при потере двух молекул H₂ превращается в бутадиен-1,3. Понятие помогает понять, откуда в конечном продукте берутся двойные связи.
Дегидрирование алкенов — отщепление водорода от алкена, приводящее к образованию второй двойной связи. Алкен уже содержит одну двойную связь, поэтому удаление водорода из подходящих соседних атомов углерода повышает ненасыщенность молекулы. Так можно получить алкадиен без прохождения через алкан.
Метод Лебедева — промышленное получение бутадиена-1,3 из этанола при одновременном отщеплении воды и водорода. Углеродные атомы двух молекул этанола соединяются в цепь из четырёх атомов. Метод важен как пример получения ценного углеводорода из спирта.
Дегидратация спиртов — отщепление воды от спирта; в методе Лебедева она протекает одновременно с дегидрированием. Слово «одновременно» не означает, что от одной молекулы удаляется одна и та же частица: в суммарном превращении образуются и вода, и водород. Различение этих процессов нужно для правильной записи уравнения.
Алкадиен содержит две двойные связи, тогда как многие доступные исходные вещества имеют меньше связей такого типа. Чтобы увеличить ненасыщенность, из молекулы удаляют атомы водорода: после этого между атомами углерода могут возникнуть дополнительные связи. Если исходным веществом служит спирт, часть его атомов кислорода и водорода удаляется в составе воды. Поэтому способы получения алкадиенов относятся к реакциям отщепления.
При дегидрировании бутана образование бутадиена удобно представить как две стадии. Сначала от бутана отщепляется водород и образуется бутен, в котором есть одна двойная связь. Затем из бутена удаляется ещё одна молекула водорода, и появляется вторая двойная связь. Суммарное уравнение: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ → CH₂=CH–CH=CH₂ + 2H₂; катализатор и нагревание обеспечивают протекание процесса.
Алкен можно превратить в алкадиен дальнейшим дегидрированием, потому что в его молекуле уже есть одна двойная связь. При отщеплении водорода в подходящем месте возникает ещё одна, и степень ненасыщенности возрастает. Например, бутен подходящего строения превращается в бутадиен-1,3. Положение атомов, от которых уходит водород, важно: оно определяет расположение новых кратных связей в продукте.
В методе Лебедева исходным веществом служит этанол, а продуктом — бутадиен-1,3. Два атома углерода каждой молекулы этанола участвуют в построении четырёхуглеродной цепи, поэтому в суммарном уравнении нужны две молекулы спирта. Запись процесса: 2C₂H₅OH → CH₂=CH–CH=CH₂ + 2H₂O + H₂. Вода показывает дегидратацию, а выделение H₂ — дегидрирование.
Высокая температура помогает разрывать связи и ускоряет отщепление, а катализатор облегчает химическое превращение. Однако слишком жёсткий режим или неподходящий катализатор могут усиливать побочные реакции, при которых расходуется сырьё и образуются нежелательные вещества. Поэтому важны не только формула реакции, но и состав катализатора, температура и другие условия. Их подбирают так, чтобы повысить выход нужного алкадиена.
Сравнивайте способы по исходному веществу и тому, что удаляется или образуется в реакции. Таблица показывает, что алкадиены получают как из углеводородов, так и из спиртов, но для каждого сырья нужны свои условия. При чтении уравнения проверяйте и состав продукта, и баланс атомов.
| Способ получения | Исходное вещество | Основное превращение | Продукт | Особенности условий |
|---|---|---|---|---|
| Дегидрирование алканов | Бутан | Последовательное отщепление водорода | Бутадиен-1,3 | Нагревание, катализатор |
| Дегидрирование алкенов | Бутен подходящего строения | Отщепление водорода, образование второй двойной связи | Бутадиен-1,3 | Нагревание, катализатор |
| Метод Лебедева | Этанол | Совместные дегидратация и дегидрирование | Бутадиен-1,3 | Катализатор и контролируемый нагрев |
| Дегидратация и дегидрирование спирта | Этанол | Удаление воды и водорода | Бутадиен-1,3 | Каталитический процесс; важен режим реакции |
Задача 1. Запишите уравнение получения бутадиена-1,3 дегидрированием бутана и укажите тип реакции. Сначала определим, что в продукте должны быть четыре атома углерода и две двойные связи. При переходе от алкана к диену удаляются четыре атома водорода, то есть образуются две молекулы H₂.
Ответ: уравнение приведено выше; тип реакции — дегидрирование.
Задача 2. Запишите превращение этанола в бутадиен-1,3 по методу Лебедева и назовите два процесса. В продукте четыре атома углерода, значит, берём две молекулы этанола, в каждой из которых по два атома углерода. Затем балансируем водород и кислород: справа получаются вода и водород.
Ответ: уравнение сбалансировано; одновременно протекают дегидратация и дегидрирование.
Задача 3. Из 92 г этанола получили бутадиен-1,3 с выходом 70%. Нужно найти реальную массу продукта, поэтому сначала определяем теоретическое количество по уравнению, а затем учитываем выход. Молярные массы: M(C₂H₅OH) = 46 г/моль, M(C₄H₆) = 54 г/моль.
Ответ: получили 37,8 г бутадиена-1,3. Выход применяют к теоретической массе, а не к массе исходного этанола.
При дегидрировании иногда записывают присоединение водорода, путая приставку «де-» со словом «гидро». Но дегидрирование означает именно удаление H₂, поэтому проверьте, что водород стоит среди продуктов, если обратное направление реакции не задано. Дополнительно сравните число атомов водорода до и после превращения.
Метод Лебедева ошибочно называют только дегидратацией, потому что в названии спиртовой реакции легко заметить удаление воды. Однако в уравнении образуется также H₂, что указывает на дегидрирование. Проверьте баланс: запись без водорода не уравнивает число атомов водорода.
Другая ошибка — неверно выбирать положение второй двойной связи и получать не бутадиен-1,3. Нумеруйте цепь из четырёх атомов углерода и сверяйте продукт с записью CH₂=CH–CH=CH₂: кратные связи стоят у первого и третьего атомов. Если двойные связи расположены иначе, продукт имеет другое строение.
В расчётах могут забыть практический выход или применить молярную массу не того вещества. Сначала используйте коэффициенты уравнения для нахождения теоретической массы, а затем умножайте её на выход в долях единицы. Проверьте единицы измерения и то, что масса продукта меньше теоретической при выходе ниже 100%.
Для понимания получения алкадиенов нужны знания о строении и номенклатуре алканов, алкенов и спиртов, а также о реакциях дегидрирования и дегидратации. Дальше тема приводит к полимеризации диенов: из бутадиена получают синтетический каучук. Она также показывает, как в промышленном органическом синтезе применяют катализаторы и выбирают условия реакции. Уравнения и расчёты выхода помогают оценивать количество продукта в производстве.
Почему алкадиен нельзя получить простым присоединением водорода?
Присоединение водорода уменьшает число двойных связей и превращает ненасыщенное соединение в более насыщенное. Для получения алкадиена, наоборот, водород отщепляют.
Чем дегидрирование отличается от дегидратации?
При дегидрировании от молекулы отщепляется водород H₂, а при дегидратации — вода H₂O. В методе Лебедева оба процесса идут одновременно.
Почему метод Лебедева считают одновременно несколькими химическими превращениями?
При превращении этанола в бутадиен-1,3 от молекул спирта удаляются и водород, и вода. Поэтому процесс включает дегидрирование и дегидратацию, которые протекают в одной каталитической стадии.
Можно ли получить бутадиен-1,3 непосредственно из бутана?
Да. При нагревании бутан дегидрируют: сначала образуется бутен, а затем отщепление водорода создаёт вторую двойную связь. В суммарном уравнении бутан превращается в бутадиен-1,3 и водород.
Как учитывать выход продукта при расчётах по уравнению реакции?
Сначала по уравнению находят теоретическую массу продукта, как если бы реакция прошла полностью. Затем умножают её на выход, выраженный десятичной дробью: например, 70% — это 0,70.
6.4. Получение алкадиенов
