8.3. Химические свойства

Определения и обозначения

Реакция присоединения — превращение, при котором атомы или группы атомов присоединяются по месту разрыва двойной связи алкена. В результате двойная связь становится одинарной, а состав молекулы увеличивается. Это главное направление химических превращений алкенов.

Гидрирование — присоединение водорода к алкену с образованием алкана в присутствии катализатора. Например, этен превращается в этан. Реакция нужна для получения насыщенных углеводородов и показывает, как двойная связь исчезает.

Правило Марковникова — закономерность присоединения полярных реагентов к несимметричным алкенам. Водород присоединяется к тому атому углерода двойной связи, у которого уже больше атомов водорода. Правило помогает заранее определить строение основного продукта.

Полимеризация — соединение множества молекул алкена в макромолекулу полимера. При этом двойные связи раскрываются, а исходные молекулы становятся повторяющимися звеньями цепи. Так получают полиэтилен, полипропилен и другие важные материалы.

Как это устроено

Двойная связь состоит из σ-связи и π-связи. π-связь образуется сбоку перекрывающимися орбиталями, поэтому она слабее и доступнее для реагентов, чем σ-связь. Электронная плотность двойной связи притягивает частицы, способные принять электроны, а пространственное строение позволяет присоединить группы к двум соседним атомам углерода.

При гидрировании и галогенировании двойная связь превращается в одинарную, потому что её π-связь расходуется на образование новых связей. В присутствии катализатора водород даёт алкан, а молекула Br₂ или Cl₂ — дигалогенпроизводное. Поэтому в продуктах исчезает признак алкеновой связи C=C.

Галогены присоединяются к алкенам без образования окрашенных устойчивых продуктов: бром расходуется на реакцию. Из-за этого жёлто-бурая окраска бромной воды исчезает. Такое обесцвечивание используют как качественную реакцию — простой способ обнаружить двойную связь.

Галогеноводороды и вода являются полярными реагентами, поэтому их части присоединяются не случайно. При образовании промежуточной частицы выгоднее возникает более устойчивый карбокатион, и это приводит к направлению, описанному правилом Марковникова. В итоге галоген или гидроксильная группа обычно оказывается у более замещённого атома углерода.

Окисление может идти по разным направлениям в зависимости от условий. Мягкие окислители присоединяют кислородсодержащие группы, а сильное окисление и горение разрушают углеродный скелет. При полимеризации разрушение отдельных π-связей, наоборот, соединяет молекулы в длинную цепь, что позволяет получать материалы с заданными свойствами.

Химические свойства алкенов

Таблицу удобно читать от реагентов к продукту: сначала определите тип реакции, затем проверьте условия и ожидаемый признак. Если в условии есть бромная вода, ищите галогенирование; если указаны H₂O и кислота, рассматривайте гидратацию.

При записи уравнения следите, чтобы двойная связь исчезала именно там, где присоединяются частицы. После этого расставьте коэффициенты и укажите катализатор или другие условия над стрелкой.

Разбор задач

Задача 1. Реакция пропена с бромом

Условие: составьте уравнение реакции пропена с бромом и укажите наблюдаемый признак. Пропен содержит одну двойную связь, поэтому должен вступить в реакцию присоединения. Бром присоединяется к двум атомам углерода этой связи.

1. Записываем формулу пропена: CH₃–CH=CH₂.
2. Разрываем π-связь и присоединяем по одному атому Br к двум соседним атомам углерода.
3. Получаем CH₃–CHBr–CH₂Br: 1,2-дибромпропан.
4. Фиксируем наблюдение: бромная вода обесцвечивается.

Ответ: CH₃–CH=CH₂ + Br₂ → CH₃–CHBr–CH₂Br; бромная вода обесцвечивается.

Задача 2. Присоединение HCl к бут-1-ену

Условие: определите основной продукт взаимодействия бут-1-ена с хлороводородом. Молекула несимметрична, поэтому направление присоединения определяет правило Марковникова. Нужно сравнить количество атомов водорода у атомов углерода двойной связи.

1. Записываем строение: CH₂=CH–CH₂–CH₃.
2. Водород присоединяем к крайнему атому CH₂, где уже больше водородов.
3. Хлор присоединяется к соседнему атому углерода.
4. Записываем продукт: CH₃–CHCl–CH₂–CH₃.

Ответ: образуется 2-хлорбутан: CH₂=CH–CH₂–CH₃ + HCl → CH₃–CHCl–CH₂–CH₃.

Задача 3. Пропен → пропан-2-ол → углекислый газ

Условие: предложите цепочку превращений от пропена к пропан-2-олу, а затем к углекислому газу. На первом этапе нужно присоединить воду по правилу Марковникова. На втором этапе спирт полностью окисляют кислородом.

1. Проводим гидратацию пропена: CH₃–CH=CH₂ + H₂O → CH₃–CH(OH)–CH₃, H⁺, t°.
2. Полученный продукт — пропан-2-ол.
3. Записываем горение спирта и уравниваем атомы углерода и водорода.
4. Получаем: 2C₃H₇OH + 9O₂ → 6CO₂ + 8H₂O.

Ответ: CH₃–CH=CH₂ → CH₃–CH(OH)–CH₃ → CO₂; используются гидратация и полное окисление.

Типичные ошибки

Замещение вместо присоединения. Так ошибаются, если не учитывают двойную связь. Проверьте себя: при присоединении π-связь исчезает, а к двум атомам углерода добавляются новые частицы.

Неверное направление присоединения. Причина — механическое распределение атомов без применения правила Марковникова. Сначала сравните количество водородов у атомов двойной связи, затем разместите H и вторую часть реагента.

Путаница качественной реакции с горением. Обесцвечивание бромной воды доказывает наличие двойной связи, а CO₂ образуется при полном окислении. Уточняйте реагент и условия, прежде чем называть продукт.

Пропуск коэффициентов и условий. Уравнение может оказаться неверным по составу или смыслу реакции. Пересчитайте атомы слева и справа, а над стрелкой укажите катализатор, кислоту, нагревание или другой необходимый фактор.

Связь с другими темами

Для понимания реакций алкенов нужны строение двойной связи, валентность углерода, правила номенклатуры и изомерия. Эти знания помогают правильно записывать формулы и выбирать главную цепь.

Продукты присоединения связывают тему алкенов со спиртами, галогенопроизводными и другими направлениями органического синтеза. Например, гидратация даёт спирт, а галогенирование — дигалогенпроизводное.

Полимеризация подготавливает изучение пластмасс и полимеров. Свойства получаемого материала зависят от строения исходного мономера и условий промышленного процесса.

Что запомнить

• Алкены преимущественно вступают в реакции присоединения по двойной связи.
• Гидрирование алкена приводит к образованию алкана.
• Бромная вода обесцвечивается при взаимодействии с алкеном.
• При присоединении HCl, HBr или воды к несимметричному алкену действует правило Марковникова.
• Алкены горят с образованием углекислого газа и воды.
• Полимеризация алкенов приводит к образованию полимеров.