Главная / Теория / Органическая химия / Алкены

Алкены (олефины, этиленовые углеводороды)

1. Определение и общая формула

Определение

Алкены — непредельные (ненасыщенные) нециклические углеводороды, в молекулах которых присутствует одна двойная связь C=C.

Общая формула алкенов: $C_nH_{2n}$,   где $n \geq 2$

Важно

Двойная связь C=C состоит из одной $\sigma$-связи и одной $\pi$-связи. Именно $\pi$-связь определяет характерные реакции алкенов — реакции присоединения.

2. Гомологический ряд алкенов

Первый представитель ряда — этилен (этен) $C_2H_4$. Метилен $CH_2$ не существует в виде стабильной молекулы.

Этен (этилен)
$C_2H_4$
Пропен
$C_3H_6$
Бутен-2
$C_4H_8$
Бутен-1
$C_4H_8$
Формула Название T кип., °C Агрег. сост.
$C_2H_4$Этен (этилен)-103,7Газ
$C_3H_6$Пропен (пропилен)-47,6Газ
$C_4H_8$Бутен-1-6,3Газ
$C_5H_{10}$Пентен-130,0Жидкость
$C_6H_{12}$Гексен-163,5Жидкость
$C_7H_{14}$Гептен-193,6Жидкость
$C_8H_{16}$Октен-1121,3Жидкость

Важно

$C_2H_4 - C_4H_8$ — газы, начиная с $C_5$ — жидкости. Алкены не растворимы в воде, легче воды.

3. Строение алкенов

Рассмотрим строение на примере этилена $CH_2=CH_2$:

  • Связь C-H — ковалентная слабополярная, одинарная ($\sigma$-связь)
  • Связь C=C — двойная, ковалентная неполярная ($\sigma + \pi$)

Гибридизация

Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Три $sp^2$-гибридные орбитали расположены в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Негибридная $p$-орбиталь перпендикулярна этой плоскости и образует $\pi$-связь.

$sp^2$-гибридизация:   3 $\sigma$-связи + 1 $\pi$-связь   |   Угол 120°   |   Плоская форма
sp2-гибридизация в этилене: три гибридные орбитали в плоскости под углом 120°, p-орбитали образуют π-связь

$sp^2$-гибридизация в этилене ($C_2H_4$): $\sigma$- и $\pi$-связи

$\sigma$-связь C=C

Перекрывание $sp^2$-гибридных орбиталей вдоль линии связи.

Прочная, длина 0,134 нм.

$\pi$-связь C=C

Перекрывание негибридных $p$-орбиталей над и под плоскостью молекулы.

Менее прочная, легко разрывается.

Энергия связей

$E(C=C)$ = 620 кДж/моль, $E(C-C)$ = 348 кДж/моль.
Энергия $\pi$-связи: 620 − 348 = 272 кДж/моль.
$\pi$-связь менее прочная, чем $\sigma$-связь, поэтому алкены вступают в реакции присоединения.

Важное свойство

Вращение вокруг двойной связи C=C невозможно (в отличие от одинарной C-C). Это объясняет существование цис-транс-изомеров.

4. Номенклатура алкенов (IUPAC)

Суффикс -ен (вместо -ан у алканов). Алгоритм:

1
Найти главную цепь
Выбрать самую длинную цепь, обязательно включающую двойную связь.
2
Пронумеровать
Нумерация начинается с того конца, к которому ближе двойная связь.
3
Назвать заместители
Указать номера и названия заместителей в алфавитном порядке.
4
Составить название
Заместители + корень алкана + суффикс -ен + номер положения двойной связи.

Примеры

Этен
Пропен
Бутен-1
Бутен-2
2-Метилпропен
3-Этилпентен-2

5. Изомерия алкенов

5.1. Структурная изомерия

Изомерия углеродного скелета

Различное строение углеродной цепи:

$CH_2=CH-CH_2-CH_3$   (бутен-1)
$CH_2=C(CH_3)-CH_3$   (2-метилпропен)

Изомерия положения двойной связи

Различное расположение C=C в цепи:

$CH_2=CH-CH_2-CH_3$   (бутен-1)
$CH_3-CH=CH-CH_3$   (бутен-2)

Межклассовая изомерия

Алкены изомерны циклоалканам ($C_nH_{2n}$):

Пропен
$C_3H_6$
Циклопропан
$C_3H_6$

5.2. Пространственная изомерия (цис-транс-)

Вращение вокруг C=C невозможно, поэтому заместители у разных атомов C при двойной связи могут располагаться по-разному:

Цис-бутен-2

Группы $CH_3$ по одну сторону от плоскости C=C.

Цис-бутен-2: группы CH3 по одну сторону от двойной связи

Транс-бутен-2

Группы $CH_3$ по разные стороны от плоскости C=C.

Транс-бутен-2: группы CH3 по разные стороны от двойной связи

Условие цис-транс-изомерии

Цис-транс-изомерия возможна только если у каждого атома C при двойной связи два различных заместителя. Для $CH_2=CH-R$ (два одинаковых H у одного C) цис-транс-изомерия невозможна.

6. Физические свойства алкенов

  • $C_2H_4 - C_4H_8$ — газы без цвета, с характерным слабым запахом
  • $C_5-C_{17}$ — жидкости
  • $C_{18}$ и выше — твёрдые вещества
  • Нерастворимы в воде, растворимы в органических растворителях
  • Легче воды
  • T кипения и плавления возрастают с ростом молекулярной массы
  • Цис-изомеры имеют более высокие T кипения, чем транс-изомеры

7. Химические свойства алкенов

Для алкенов характерны реакции, обусловленные разрывом $\pi$-связи:

Присоединение

$H_2$, $Hal_2$, $HHal$, $H_2O$. Разрыв $\pi$-связи.

Окисление

Горение, мягкое и жёсткое окисление.

Полимеризация

Образование высокомолекулярных соединений.

7.1. Реакции присоединения

Гидрирование

Присоединение водорода при нагревании в присутствии катализатора (Ni, Pt, Pd):

$CH_2=CH_2 + H_2 \xrightarrow{Ni, t} CH_3-CH_3$   (этан)
$CH_3-CH=CH_2 + H_2 \xrightarrow{Ni, t} CH_3-CH_2-CH_3$   (пропан)

Галогенирование

Присоединение галогенов при комнатной температуре (электрофильное присоединение):

$CH_2=CH_2 + Br_2 \to CH_2Br-CH_2Br$   (1,2-дибромэтан)

Качественная реакция!

Обесцвечивание бромной воды — качественная реакция на двойную связь C=C. Раствор $Br_2$ из бурого становится бесцветным.

Гидрогалогенирование

Присоединение галогеноводородов (HCl, HBr) — электрофильное присоединение:

$CH_2=CH_2 + HBr \to CH_3-CH_2Br$   (бромэтан)

Правило Марковникова

При присоединении HX к несимметричному алкену водород присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода при двойной связи (к тому, где больше атомов H), а галоген — к менее гидрогенизированному.

$CH_3-CH=CH_2 + HBr \to CH_3-\underset{|}{CH}(Br)-CH_3$   (2-бромпропан)

Гидратация

Присоединение воды в присутствии кислот ($H_2SO_4$, $H_3PO_4$). Образуются спирты:

$CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH_2OH$   (этанол)
$CH_3-CH=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH(OH)-CH_3$   (пропанол-2, по Марковникову)

7.2. Реакции окисления

Горение (полное окисление)

В общем виде: $C_nH_{2n} + \frac{3n}{2}O_2 \to nCO_2 + nH_2O + Q$
$C_2H_4 + 3O_2 \to 2CO_2 + 2H_2O$

Мягкое окисление (реакция Вагнера)

Окисление раствором $KMnO_4$ на холоду. Разрывается только $\pi$-связь, образуются двухатомные спирты (диолы):

$3CH_2=CH_2 + 2KMnO_4 + 4H_2O \to 3CH_2(OH)-CH_2(OH) + 2MnO_2 + 2KOH$

Качественная реакция!

Обесцвечивание раствора $KMnO_4$ — вторая качественная реакция на двойную связь C=C. Фиолетовый раствор становится бесцветным (или выпадает бурый осадок $MnO_2$).

Жёсткое окисление

При действии $KMnO_4$ в кислой среде ($H_2SO_4$) или $K_2Cr_2O_7$ происходит полный разрыв двойной связи C=C. Продукты зависят от структуры алкена:

Фрагмент при C=C Продукт окисления
$=CH_2$$CO_2$ (углекислый газ)
$=CH-R$$R-COOH$ (карбоновая кислота)
$=CR_2$$R_2C=O$ (кетон)
$5CH_3-CH=CH-CH_3 + 8KMnO_4 + 12H_2SO_4 \to 10CH_3COOH + 8MnSO_4 + 4K_2SO_4 + 12H_2O$

Каталитическое окисление этилена

$2CH_2=CH_2 + O_2 \xrightarrow{кат., t} 2CH_3CHO$   (ацетальдегид)

7.3. Полимеризация

Определение

Полимеризация — процесс многократного соединения молекул мономера друг с другом с образованием высокомолекулярного вещества — полимера.

$nCH_2=CH_2 \xrightarrow{кат., t, p} (-CH_2-CH_2-)_n$   (полиэтилен)
$nCH_2=CH-CH_3 \xrightarrow{кат., t, p} (-CH_2-CH(CH_3)-)_n$   (полипропилен)

7.4. Замещение в боковой цепи и изомеризация

Замещение в боковой цепи

При хлорировании алкенов при нагревании до 500°C или на свету происходит не присоединение, а радикальное замещение H в аллильном положении (у C, ближайшего к C=C):

$CH_2=CH-CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{500°C} CH_2=CH-CH_2Cl + HCl$   (3-хлорпропен-1)

Изомеризация

При нагревании с катализатором ($Al_2O_3$) двойная связь перемещается к центру молекулы:

$CH_2=CH-CH_2-CH_3 \xrightarrow{Al_2O_3, t} CH_3-CH=CH-CH_3$   (бутен-1 -> бутен-2)

8. Способы получения алкенов

1
Дегидрирование алканов Промышленный

Протекает при высокой температуре с катализатором (Ni, Pt, Pd, $Cr_2O_3$):

$CH_3-CH_3 \xrightarrow{Ni, t} CH_2=CH_2 + H_2$   (этан -> этилен)
$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 \xrightarrow{Cr_2O_3, t} CH_3-CH=CH-CH_3 + H_2$   (бутан -> бутен-2)

Образуется наиболее замещённый алкен (с максимальным числом заместителей при C=C).

2
Крекинг алканов Промышленный

При сильном нагревании алканов происходит разрыв C-C с образованием алкана + алкен:

$C_{10}H_{22} \xrightarrow{t} C_5H_{12} + C_5H_{10}$   (декан -> пентан + пентен)
3
Дегидратация спиртов Лабораторный

Отщепление воды от спиртов при нагревании с конц. $H_2SO_4$ (или $H_3PO_4$) при t > 140°C:

$CH_3-CH_2OH \xrightarrow{H_2SO_4, t>140°C} CH_2=CH_2 + H_2O$
$CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3 \xrightarrow{t} CH_3-CH=CH-CH_3 + H_2O$   (по Зайцеву)

Правило Зайцева

Водород отщепляется от менее гидрогенизированного соседнего атома C (того, у которого меньше атомов H). Образуется более замещённый алкен.

4
Дегидрогалогенирование Лабораторный

Действие спиртового раствора щелочи на галогеналканы:

$CH_3-CH_2Br + KOH \xrightarrow{спирт} CH_2=CH_2 + KBr + H_2O$

Отщепление HHal также по правилу Зайцева.

5
Дегалогенирование вицинальных дигалогеналканов

Действие металлов (Zn) на 1,2-дигалогеналканы:

$CH_2Br-CH_2Br + Zn \to CH_2=CH_2 + ZnBr_2$

Практические задания

Задача 1. Номенклатура

Решение

Назовите по IUPAC: $CH_3-CH=C(CH_3)-CH_2-CH_3$

Решение:

  1. Главная цепь (включает C=C): 5 атомов C (пентен)
  2. Нумеруем с ближнего к C=C конца: C=C между C-2 и C-3
  3. Заместитель: метил у C-3
Ответ: 3-метилпентен-2

Задача 2. Изомеры $C_4H_8$

Решение

Напишите структурные формулы всех изомеров-алкенов состава $C_4H_8$ и определите, для какого из них возможна цис-транс-изомерия.

Решение:

1) $CH_2=CH-CH_2-CH_3$ — бутен-1

2) $CH_3-CH=CH-CH_3$ — бутен-2

3) $CH_2=C(CH_3)-CH_3$ — 2-метилпропен

Цис-транс-изомерия возможна только для бутена-2 (у каждого C при C=C два разных заместителя: CH₃ и H).

Ответ: 3 изомера; цис-транс возможна для бутена-2

Задача 3. Правило Марковникова

Решение

Определите продукт реакции: $CH_3-CH=CH_2 + HCl \to ?$

Решение:

По правилу Марковникова: H присоединяется к C с бóльшим числом атомов H (к $CH_2$), а Cl — к менее гидрогенизированному C:

$CH_3-CH=CH_2 + HCl \to CH_3-CHCl-CH_3$   (2-хлорпропан)

Задача 4. Жёсткое окисление

Решение

Определите продукты жёсткого окисления пентена-2 ($CH_3-CH=CH-CH_2-CH_3$) раствором $KMnO_4$ в кислой среде.

Решение:

При жёстком окислении C=C полностью разрывается. Определим фрагменты:

  • $CH_3-CH=$ → фрагмент $=CH-R$ → образуется $CH_3COOH$ (уксусная кислота)
  • $=CH-CH_2-CH_3$ → фрагмент $=CH-R$ → образуется $CH_3CH_2COOH$ (пропионовая кислота)
Ответ: $CH_3COOH$ и $C_2H_5COOH$

Задача 5. Цепочка превращений

Решение

Осуществите цепочку: этан → этилен → этанол → этилен → 1,2-дибромэтан

Решение:

1) Дегидрирование:

$C_2H_6 \xrightarrow{Ni, t} CH_2=CH_2 + H_2$

2) Гидратация:

$CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} C_2H_5OH$

3) Дегидратация:

$C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4, t>140°C} CH_2=CH_2 + H_2O$

4) Бромирование:

$CH_2=CH_2 + Br_2 \to CH_2Br-CH_2Br$

Задача 6. Получение алкена

Решение

Какой алкен преимущественно образуется при дегидратации бутанола-2? Укажите правило.

Решение:

Бутанол-2: $CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3$

По правилу Зайцева: H отщепляется от менее гидрогенизированного соседнего C (от $CH$ у C-1, а не $CH_2$ у C-3):

$CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3 \xrightarrow{H_2SO_4, t} CH_3-CH=CH-CH_3 + H_2O$

Преимущественный продукт: бутен-2.

Задания ЕГЭ по теме
Задание 10. Классы органических Тест → Задание 12. Химические реакции Тест → Задание 14. Свойства углеводородов Тест → Задание 16. Взаимосвязь классов Тест → Задание 32. Цепочка (5 реакций) Самопроверка