Тема: Непредельные углеводороды
План лекции:
1. Определение алкенов.
2. Строение углеводородов ряда этилена.
3. Получение алкенов.
4. Физические и химические свойства.
5. Применение алкенов.
Непредельными называются углеводороды с двойными и тройными углерод-углеродными связями. Углеводороды с одной двойной связью состава CnH2n относятся к этиленовому ряду, их простейший представитель – этилен C2H4. Известны и циклические непредельные углеводороды, например, циклогексен C6H10 с одной двойной связью. Углеводороды с одной тройной связью состава CnH2n-2 называются диенами.
Этилен и его производные (алкены)
В отличие от предельных углеводородов, алкены содержат двойную связь С=С, которая осуществляется 4-мя общими электронами:
В образовании такой связи участвуют атомы углерода в sp2-гибридизованном состоянии. Каждый из них имеет по три 2sp2-гибридных орбитали, направленных друг к другу под углом 120°, и одну негибридизованную 2р-орбиталь, расположенную под углом 90° к плоскости гибридных АО.
Простейшие представители:
Двойная связь является сочетанием σ- и π-связей (хотя она изображается двумя одинаковыми черточками, всегда следует учитывать их неравноценность). σ-Связь возникает при осевом перекрывании sp2-гибридных орбиталей, а π-связь – при боковом перекрывании р-орбиталей соседних sp2-гибридизованных атомов углерода. Образование связей в молекуле этилена можно изобразить следующей схемой:
С=С σ-связь (перекрывание 2sp2-2sp2) и π-связь (2рz-2рz)
С–Н σ-связь (перекрывание 2sp2-АО углерода и 1s-АО водорода)
σ-связи, образуемые sp2-гибридными орбиталями, находятся в одной плоскости под углом 120°. Поэтому молекула этилена имеет плоское строение:
Модели молекулы этилена
По своей природе π-связь резко отличается от σ-связи: π-связь менее прочная вследствие меньшей эффективности перекрывания р- орбиталей.
В молекуле пропилена СН2=СН–СН3 в одной плоскости лежат 6 атомов: два sp2-атома углерода и четыре связанные с ними атома (3 атома Н и атом С группы СН3). Вне этой плоскости находятся атомы водорода в метильной группе СН3, имеющей тетраэдрическое строение, т.к. этот атом углерода sp3-гибридизован
Аналогичное строение имеют другие алкены.
Алкенам свойственна изомерия различных типов. Если алкан С4Н10 имеет 2 изомера, то алкену с тем же числом углеродных атомов формулы С4Н8 соответствует уже 6 изомерных соединений (4 алкена и 2 циклоалкана).
Такое многообразие изомеров объясняется тем, что наряду со структурной изомерией углеродного скелета для алкенов характерны, во-первых, другие разновидности структурной изомерии – изомерия положения кратной связи и межклассовая изомерия.
Во-вторых, в ряду алкенов проявляется пространственная изомерия, связанная с различным положением заместителей относительно двойной связи, вокруг которой невозможно внутримолекулярное вращение.
Получение алкенов.
В природе алкены встречаются в значительно меньшей степени, чем предельные углеводороды, по-видимому, вследствие своей высокой реакционной способности. Поэтому их получают с использованием различных реакций.
I. Крекинг алканов:
Например:
II. Отщепление (элиминирование) двух атомов или групп атомов от соседних атомов углерода с образованием между ними p-связи.
1. Дегидрогалогенирование галогеналканов при действии спиртового раствора щелочи
2. Дегидратация спиртов при повышенной температуре (выше 140° C) в присутствии водоотнимающих реагентов
Реакции элиминирования идут в соответствии с правилом Зайцева: отщепление атома водорода в реакциях дегидрогалогенирования и дегидратации происходит преимущественно от наименее гидрогенизированного атома углерода.
Современная формулировка: реакции отщепления идут с образованием более замещенных при двойной связи алкенов.
Такие алкены обладают более низкой энергией.
3. Дегалогенирование дигалогеналканов, имеющих атомы галогена у соседних атомов углерода, при действии активных металлов :
4. Дегидрирование алканов при 500°С:
Физические свойства
Первые 4 члена ряда – газы при обычных условиях. Высшие гомологи – жидкости с очень неприятным запахом или твёрдые вещества, не растворяющиеся в воде. Температуры плавления и кипения 1-алкенов возрастают с увеличением числа атомов углерода в молекуле.
Химические свойства
1) Алкены вступают в разнообразные реакции присоединения.
H2C=CH2 + Br2 → CH2Br–CH2Br
H2C=CH2 + H2 → H3C–CH3
2) Алкены горят с выделением тепла, например:
C4H8 + 6O2 →4CO2 + 4H2O
C2H4 + 3O2 →2CO2 + 2H2O
Газообразные алкены образуют с воздухом взрывчатые смеси.
3) окисление алкенов водным раствором перманганата калия приводит к образованию двухатомных спиртов (реакция Вагнера):
Полное уравнение реакции:
При этом раствор KMnO4 обесцвечивается.
4) Полимеризация – реакция образования высокомолекулярного соединения (полимера) путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) по схеме:
Число n называется степенью полимеризации. Реакции полимеризации алкенов идут в результате присоединения по кратным связям:
В зависимости от типа катализатора полимеризация может идти по ионному или радикальному механизму.
5) Взаимодействие с галогенговодородами.
H2C=CH2- CH3 + HCL = C H2 Cl – CH2Cl - CH3
Такие реакции идут по правилу Владимира Васильевича Марковникова: водород присоединяется к тому атому углерода при двойной связи, с которым соединено больше водородных атомов, а атом галогена – к тому атому углерода, где его меньше.
Применение алкенов.
Алкены применяются в качестве исходных продуктов в производстве полимерных материалов (пластмасс, каучуков, пленок) и других органических веществ.
Этилен (этен) Н2С=СН2 используется для получения полиэтилена, политетрафторэтилена (тефлона), этилового спирта, уксусного альдегида, галогенопроизводных и многих других органических.соединений.
Применяется как средство для ускоренного созревания фруктов.
Пропилен (пропен) Н2С=СН2–СН3 и бутилены (бутен-1 и бутен-2) используются для получения спиртов и полимеров.
Изобутилен (2-метилпропен) Н2С=С(СН3)2 применяется в производстве синтетического каучука
