1.2. Непредельные углеводороды

1.2.1. Алкены. Диены

АЛКЕНЫ – непредельные (ненасыщенные) углеводороды, молекулы которых содержат одну двойную связь. Общая формула C_nH_2n.

Номенклатура

Названия этиленовых углеводородов производятся от названия соответствующих предельных углеводородов с заменой окончания "- ан" на

"-ен". Выбирают углеродную цепь, включающую двойную связь (если она не является самой длинной), и нумеруют начиная с того конца, где ближе всего расположена двойная связь. В конце названия ставят цифру, указывающую углеродный атом при двойной связи.

Углеродные атомы, связанные двойной связью, находятся в состоянии sp²- гибридизации.

Изомерия

Для алкенов помимо структурной изомерии характерна пространственная (цис-, транс-) изомерия. Цис-, транс- изомерия обуславливается невозможностью вращения фрагментов молекулы вокруг двойной связи:

Получение

В промышленности алкены получают:

1. Крекингом нефтепродуктов:

2. Дегидрированием алканов:

В лаборатории:

1. Крекингом алканов

2. Дегидрирование алканов

3. Дегидратацией спиртов

Подобные реакции относятся к реакциям элиминирования. Их протекание в большинстве случаев подчиняется правилу Зайцева: при отщеплении (элиминировании) галогеноводорода из молекулы алкилгалогенида водород отщепляется от наименее гидрогенизированного (с наименьшим числом водородных атомов) углеродного атома:

4. Отщепление галогеноводородов при действии спиртовых растворов щелочей на галогеналканы

5. Дегалогенирование галогеналканов

Химические свойства

Для алкенов характерны реакции присоединения:

1. Гидрогалогенирование (по правилу Марковникова): при присоединении водородных соединений к несимметричным алкенам атом водорода присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода при двойной связи

2. Гидратация (по правилу Марковникова)

3. Галогенирование (алкены обесцвечивают бромную воду)

4. Гидрирование

5. Полимеризация

6. Окисление:

а) при мягком окислении: холодный раствор перманганата калия в нейтральной или щелочной среде окисляет алкены с расщеплением двойной связи с образованием диолов.

б) при жёстком окислении: кислый раствор KMnO₄ при нагревании окисляет алкены с разрывом молекулы по месту двойной связи. В результате образуются различные кислородосодержащие органические соединения, например:

7. Горение алкенов

Примеры решения типовых задач

Пример № 1. Напишите структурные формулы изомеров, соответствующие эмпирической формуле С₄Н₈, и дайте им названия.

Решение: Изомерия алкенов обусловлена положением двойной связи и разветвлённостью углеродного скелета:

Однако той же структурной формуле соответствуют циклоалканы:

Таким образом, эмпирической формуле С₄Н₈ соответствуют пять изомеров.

Пример № 2. При крекинге бутана объёмом 3,36 л (н.у.) образуются этан и этилен. Рассчитайте массу бромной воды (массовая доля Br₂ 1,6 %), которую могут обесцветить продукты крекинга.

Решение:

1. Рассчитайте количество вещества бутана, подвергнутого крекингу:

n(C₄H₁₀) = ;

n(C₄H₁₀) = = 0,15 моль

2. Составьте уравнение реакции термического разложения (крекинга) бутана:

С₄Н₁₀ С₂Н₆ + С₂Н₄

Из уравнения реакции следует:

n(C₂H₄) = n(C₄H₁₀); n(С₂Н₄) = 0,15 моль

3. С бромной водой реагирует только этилен:

С₂Н₄ + Br₂  С₂Н₄Br₂

На основании этого уравнения записываем:

n(Br₂) = n(С₂Н₄); n(Br₂) = 0,15 моль

4. Вычислите массу брома, требуемого для реакции:

m(Br₂) = n(Br₂)  M(Br₂); m(Br₂) = 0,15  160 = 24 г

5. Рассчитайте массу бромной воды, которую может обесцветить образовавшийся при крекинге бутана этилен:

m_{(бромной воды)} = ;

m_{(бромной воды)} = = 1500 г = 1,5 кг

Ответ: 1,5 кг.

Пример № 3. Алкен нормального строения содержит двойную связь при первом углеродном атоме. Образец этого алкена массой 2,8 г присоединил бром массой 8 г. Определите формулу алкена и назовите его.

Решение:

1. Вычислите количество вещества брома, участвующего в реакции:

n(Br₂) = ; n(Br₂) = = 0,05 моль

2. Составьте уравнение реакции бромирования алкена:

C_nH_2n + Br₂  C_nH_2nBr₂

Из уравнения реакции следует:

n(C_nH_2n) = n(Br₂); n(C_nH_2n) = 0,05 моль

3. Вычислите молярную массу алкена:

М(C_nH_2n) = ; М(C_nH_2n) = = 56 г/моль

4. Молярная масса алкена равна:

М(C_nH_2n) = n∙М(C) + 2n∙М(H);

М(C_nH_2n) = (n 12 + 2n1) г/моль = 14n г/моль

5. Получаем уравнение: 14n = 56, находим n = 4, т.е. формула алкена С₄Н₈ (бутен). Известно, что алкен имеет нормальное строение и содержит двойную связь при первом атоме углерода, записываем его структурную формулу: СН₂ = СН – СН₂ – СН₃ – бутен – 1.

Пример № 4. Этиленовый углеводород присоединяет 6,72 л (н.у.) хлороводорода. При гидролизе продукта реакции водным раствором гидроксида натрия при нагревании образуется 22,2 г предельного одноатомного спирта, содержащего три метильные  группы. Определите строение исходного углеводорода и полученного спирта.

Решение: Запишем уравнения реакций:

С_nН_2n + НСl → С_nН_2n+1Сl, C_nH_2n+1Cl + NaOH → C_nH_2n+1OH + NaCl. n(HCl) = 6,72/22,4 = 0,3 моль.

Согласно уравнениям реакций, n(C_nH_2n+1OH) = n(C_nH_2n+1Cl) = n(HCl) = 0.3 моль.

Молярная масса спирта равна: M(C_nH_2n+1OH) = 22,2/0,3 = 74 г/моль, откуда 

n = 4. Следовательно, молекулярная формула спирта – С₄Н₉ОН.

Из четырёх спиртов состава С₄Н₉ОН только третичный спирт

(2-метилпропанол-2, или трет-бутиловый спирт) содержит три метильные группы. В состав молекулы этого спирта входит разветвлённый углеродный скелет, следовательно, исходный алкен состава С₄Н₈ тоже имел разветвлённый скелет. Это 2-метилпропен.

Уравнения реакций:

Ответ: 2-метилпропен; трет-бутанол.

Пример № 5 . Смесь этана и этилена объёмом 3 л пропустили через поглотительную склянку, содержащую 200 мл 3 %-ной бромной воды (d = 1,02 г/мл). При этом образовалось 4,7 г дибромэтана. Рассчитайте состав смеси углеводородов в объемных процентах.

Решение: Начнём с анализа химической сущности задачи. С бромной водой реагируют углеводороды, содержащие кратные связи.

Предельные углеводороды в этих условиях в реакцию не вступают: C₂H₆ + Br_2(aq) =/=

(1) C₂H₄ + Br_2(aq) → C₂H₄Br₂