Какими химическими свойствами обладают алкены

Общая формула гомологического ряда алкенов (табл. 2) – CnH2n

Таблица 2. Гомологический ряд алкенов.

Углеводородные радикалы, образованные от алкенов: -CH = CH2 – винил и –СН2-СН = СН2 – аллил.

Для алкенов, начиная с бутена, характерна изомерия углеродного скелета:

CH2 = CH-CH2-CH3 (бутен-1)

СН2-С(СН3)-СН3 (2-метилпропен-1)

и положения двойной связи:

CH2 = CH-CH2-CH3 (бутен-1)

CH3-C = CH-CH3 (бутен-2)

Для алкенов, начиная с бутена-2, характерна геометрическая (цис-транс) изомерия (рис. 1).

Для алкенов, начиная с пропена, характерна межклассовая изомерия с циклоалканами. Так, составу C4H8 отвечают вещества класса алкенов и циклоалканов – бутен-1(2) и циклобутан.

Атомы углерода в молекулах алкенов находятся в sp2-гибридизациии: 3σ-связи располагаются в одной плоскости под углом 120 друг к другу, а π-связь образована p-электронами соседних атомов углерода. Двойная связь является сочетанием σ- и π-связей.

Химические свойства алкенов

Большинство химических реакций алкенов протекают по механизму электрофильного присоединения:

— гидрогалогенирование – взаимодействие алкенов с галогенводородами (HCl, HBr), протекающее по правилу Марковникова (при присоединении полярных молекул типа НХ к несимметричным алкенам водород присоединяется к более гидрированному атому углерода при двойной связи)

CH3-CH = CH2 + HCl = CH3-CHCl-CH3

— гидратация — взаимодействие алкенов с водой в присутствии минеральных кислот (серной, фосфорной) с образованием спиртов, протекающее по правилу Марковникова

CH3-C(CH3) = CH2 + H2O = CH3-C(CH3)OH-CH3

— галогенирование — взаимодействие алкенов с галогенами, например, с бромом, при котором происходит обесцвечивание бромной воды

CH2 = CH2 + Br2 = BrCH2-CH2Br

При нагревании смеси алкена с галогеном до 500С возможно замещение атома водорода алкена по радикальному механизму:

CH3-CH = CH2 + Cl2 = Cl-CH2-CH = CH2 + HCl

По радикальному механизму протекает реакция гидрирования алкенов. Условием протекания реакции является наличие катализаторов (Ni, Pd, Pt), а также нагревание реакционной смеси:

CH2 = CH2 + H2 = CH3-CH3

Алкены способны окисляться с образованием различных продуктов, состав которых зависит от условий проведения реакции окисления. Так, при окислении в мягких условиях (окислитель – перманганат калия) происходит разрыв π-связи и образование двухатомных спиртов:

3CH2 = CH2 + 2KMnO4 +4H2O = 3CH2(OH)-CH2(OH) +2MnO2 + 2KOH

При жестком окислении алкенов кипящим раствором перманганата калия в кислой среде происходит полный разрыв связи (σ-связи) с образованием кетоны, карбоновых кислот или углекислого газа:

Окисление этилена кислородом при 200С в присутствии CuCl2 и PdCl2 приводит к образованию ацетальдегида:

CH2 = CH2 +1/2O2 = CH3-CH = O

Алкены вступают в реакции полимеризации. Полимеризация — процесс образования высокомолекулярного соединения – полимера-путем соединения друг с другом с помощью главных валентностей молекул исходного низкомолекулярного вещества – мономера. Полимеризация может быть вызвана нагреванием, сверхвысоким давлением, облучением, действием свободных радикалов или катализаторов. Так, полимеризация этилена происходит под действием кислот (катионный механизм) или радикалов (радикальный механизм):

n CH2 = CH2 = -(-CH2-CH2-)n—

Физические свойства алкенов

При обычных условиях С2-С4 – газы, С5-С17 – жидкости, начиная с С18 – твердые вещества. Алкены не растворимы в воде, хорошо растворимы в органических растворителях.

Получение алкенов

Основные способы получения алкенов:

— дегидрогалогенирование галогенпроизводных алканов под действием спиртовых растворов щелочей

CH3-CH2-CHBr-CH3 + KOH = CH3-CH = CH-CH3 + KBr + H2O

— дегалогенирование дигалогенпроизводных алканов под действием активных металлов

CH3-CHCl-CHCl-CH3 + Zn = ZnCl2 + CH3-CH = CH-CH3

— дегидратация спиртов при их нагревании с серной кислотой (t >150 C) или пропускании паров спирта над катализатором

CH3-CH(OH)- CH3 = CH3-CH = CH2 + H2O

— дегидрирование алканов при нагревании (500С) в присутствии катализатора (Ni, Pt, Pd)

CH3-CH2 — CH3 = CH3-CH = CH2 + H2

Алкены применяются в качестве исходных продуктов в производстве полимерных материалов (пластмасс, каучуков, пленок) и других органических веществ.

Примеры решения задач

Алкены химически активны. Их химические свойства во многом определяются наличием двойной связи. Для алкенов наиболее характерны реакции электрофильного присоединения и реакции радикального присоединения. Реакции нуклеофильного присоединения обычно требуют наличие сильного нуклеофила и для алкенов не типичны. Алкены легко вступают в реакции окисления, присоединения а также способны к алильному радикальному замещению.

Реакции присоединения

1. Гидрирование Присоединение водорода (реакция гидрирования) к алкенам проводят в присутствии катализаторов. Чаще всего используют измельченные металлы — платину, никель, палладий и др. В результате образуются соответствующие алканы (насыщенные углеводороды).

   $CH_2=CH_2 + H2 → CH_3–CH_3$

2. Присоединение галогенов. Алкены легко при обычных условиях вступают в реакции с хлором и бромом с образованием соответствующих дигалогеналканов, в которых атомы галогена находятся у соседних атомов углерода.

   Замечание 1

   При взаимодействии алкенов с бромом наблюдается обесцвечивание желто-бурой окраски брома. Это одна из старейших и самых простых качественных реакций на ненасыщенные углеводороды, поскольку аналогично реагируют также алкины и алкадиены.

   $CH_2=CH_2 + Br_2 → CH_2Br–CH_2Br$

3. Присоединение галогеноводородов. При взаимодействии этиленовых углеводородов с галогеноводородами ($HCl$, $HBr$) образуются галогеналканы, направление реакции зависит от строения алкенов.

   В случае этилена или симметричных алкенов реакция присоединения происходит однозначно и ведет к образованию только одного продукта:

   $CH_2=CH_2 + HBr → CH_3–CH_2Br$

   В случае несимметричных алкенов возможно образование двух разных продукта реакции присоединения:

   Замечание 2

   На самом деле в основном образуется только один продукт реакции. Закономерность направлении прохождения таких реакций установил российский химик В.В. Марковников в 1869 Она носит название правило Марковникова. При взаимодействии галогеноводородов с несимметричными алкенами атом водорода присоединяется по месту разрыва двойной связи в наиболее гидрированного атома углерода, то есть до того, что соединен с большим количеством атомов водорода.

   Данное правило Марковников сформулировал на основе экспериментальных данных и только значительно позже оно получило теоретическое обоснование. Рассмотрим реакцию пропилена с хлористым водородом.

   Одной из особенностей $p$-связи является его способность легко поляризоваться. Под влиянием метильной группы (положительный индуктивный эффект + $I$) в молекуле пропена электронная плотность $p$-связи смещается к одному из атомов углерода (= $CH_2$). Вследствие этого на нем возникает частичный отрицательный заряд ($delta -$). На другом атоме углерода двойной связи в соответствии возникает частичный положительный заряд ($delta +$).

   Такое распределение электронной плотности в молекуле пропилена определяет место будущей атаки протоном. Это — атом углерода метиленовой группы (= $CH_2$), который несет частичный отрицательный заряд $delta-$. А хлор, соответственно, атакует атом углерода с частичным положительным зарядом $delta+$.

   Как следствие, основным продуктом реакции пропилена с хлористым водородом является 2-хлорпропан.

4. Гидратация

   Гидратация алкенов происходит в присутствии минеральных кислот и подчиняется правилу Марковникова. Продуктами реакции являются спирты

   $CH_2=CH_2 + H_2O → CH_3–CH_2–OH$

5. Алкилирование

   Присоединение алканов к алкенам в присутствии кислотного катализатора ($HF$ или $H_2SO_4$) при низких температурах приводит к образованию углеводородов с большей молекулярной массой и часто используется в промышленности для получения моторного топлива

   $R–CH_2=CH_2 + R’–H → R–CH_2–CH_2–R’$

Готовые работы на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость

Реакции окисления

Окисление алкенов может происходить в зависимости от условий и видов окислительных реагентов как с разрывом двойной связи, так и с сохранением углеродного скелета:

1. Окисление перманганатом калия $KM_nO_4$ (реакция Е. Вагнера)

   При окисления алкенов слабым раствором $KM_nO_4$ в слабощелочной среде образуются гликоли

   $3CH_2=CH_2 + 2KM_nO_4 + 4H_2O → 3HO–CH_2–CH_2–OH + 2KOH + 2M_nO_2$

   Данная реакция имеет стереоселективный характер, так как обусловлена образованием на промежуточных стадиях сложных цикличних эфиров.

2. Окисление пероксидом водорода в присутствии осмий (VIII) оксида

   Продуктом данной реакции аналогично реакции Вагнера будет гликоль

   $ CH_2=CH_2 + HO–OH → HO–CH_2–CH_2–OH$

3. Окисление органическими пероксидами (реакция М. Прилежаева)

   Определение 1

   Реакция М. Прилежаева — это синтез окиси этилена окислением олефинов гидропероксидами кислот, или надкислотами такими как надмуравьиная $HCOOH$, надбензойная $C_6H_5COOH$ и тому подобные.

   Реакцию проводят смешиванием реагентов растворенных в инертном растворителе (гексан, бензол, хлороформ и др.) При температуре от -10 ° C до 60 ° C.

4. Окисление молекулярным кислородом

   При окислении алкенов кислородом без катализатора происходит разрыв $beta$-связи $C-H$ с образованием гидропероксидов, которые раскладываются на спирты и альдегиды. Если использовать катализатор $Ag$, то продуктами реакции будут окись этилена (органические оксиды)

5. Озонолиз

   Замечание 3

   Реакция алкенов с озоном является наиболее важным методом окислительного расщепления алкенов по двойной связи. Ее используют для определения строения алкена. Данная реакция идет селективно по двойной связи с образованием пероксида водорода, альдегидов или кетонов.

   В условиях реакции образованные альдегиды способны окисляться до соответствующих карбоновых кислот.

6. Окисление в присутствии солей палладия

   Во время окисления алкенов в присутствии солей палладия $Pd$ (II) и воды образуются карбонильные соединения (альдегиды или кетоны). Например, этилен окисляется до этаналя. Данная реакция протекает в кислой среде и является промышленным способом добывания ацетальдегида

   $2CH_2=CH_2 + O_2 → 2CH_3COH$

Реакции полимеризации

Молекулы алкенов способны присоединяться при определенных условиях друг к другу с раскрытием $pi$-связей и образования димеров, триммеров или высокомолекулярных соединений — полимеров. Полимеризация алкенов может протекать как по свободнорадикальному, так и катионно-анионому механизму. Как инициаторы полимеризации применяют кислоты, перекиси, металлы и др. Реакцию полимеризации осуществляют также под действием температуры, облучения, давления. Типичным примером является полимеризация этилена с образованием полиэтилена

$nCH_2=CH_2 → (–CH_2–CH_{2^–})_n$

Реакции замещения

Реакции замещения для алкенов не являются характерными. Однако при высоких температурах (свыше 400 ° C) реакции радикального присоединения, что носят обратимый характер, и подавляются. В этом случае становится возможным провести замещение атома водорода, находящегося в аллильном положении при сохранении двойной связи

$CH_2=CH–CH_3 + Cl_2 – CH_2=CH–CH_2Cl + HCl$