Непредельные или ненасыщенные углеводороды ряда этилена алкены или олефины

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Непредельные, или ненасыщенные, углеводороды ряда этилена (алкены, или олефины)

Алкены, или олефины (от лат. olefiant - масло —старое название, но широко используемое в химической литературе. Поводом к такому названию послужилхлористый этилен, полученный в XVIII столетии, —жидкое маслянист вещество.) —алифатические непредельные углеводороды, в молекулах которых между углеродными атомами имеется одна двойная связь.

Алкены содержат в своей молекуле меньшее число водородных атомов, чем соответствующие им алканы (с тем же числом углеродных атомов), поэтому такие углеводороды называют непредельными или ненасыщенными.

Алкены образуют гомологический ряд с общей формулой CnHn.

1. Строение алкенов

Простейшим представителем этиленовых углеводородов, его родоначальником является этилен (этен) СН. Строение его молекула можно выразить такими формулами:

 H H   H  H

| |  :  : 

C==C  C::C

| |  :  : 

H H  H  H

По названию первого представителя этого ряда —этилена —такие углеводороды называют этиленовыми.

В этиленовых углеводородах (алкенах) атомы углерода находятся во втором валентном состоянии (sр-гибридизапия). Напомним, что в этом случае между углеродными атомами возникает двойная связь, состоящая из одной s- и одной p-связи. Длина и энергия двойной связи равны соответственно 0,134 нм и 610 кДж/моль. Разница в энергиях s- и p-связей (610 - 350 = 260) является приблизительной мерой, характеризующей прочность p-связи. Будучи более слабой, она в первую очередь подвергается разрушительному действию химического реагента.

2. Номенклатура и изомерия

Номенклатура. Алкены простого строения часто называют, заменяя суффикс -ан в алканах на -илен: этан —этилен, пропан —пропилен и т.д.

По систематической номенклатуре названия этиленовых углеводородов производят заменой суффикса -ан в соответствующих алканах на суффикс -ен (алкан —алкен, этан —этен, пропан —пропен и т.д.). Выбор главной цепи и порядок названия тот же, что и для алканов. Однако в состав цепи должна обязательно входить двойная связь. Нумерацию цепи начинают с того конца, к которому ближе расположена эта связь. Например:

СH3

|

H3C—CH2—C—CH==CH2  H3C—C==CH—CH—CH2—CH3 

|   |   |

CH3   CH3  CH3 

,3-диметилпентен-1  2,4-диметилгексен-2

Иногда используют и рациональные названия. В этом случае все алкеновые углеводороды рассматривают как замещенные этилена:

НС—СН==СН—CH—СН 

метилэтилэтилен

Непредельные (алкеновые) радикалы называют тривиальными названиями или по систематической номенклатуре:

НС==СН—- винил (этенил)

НС==CН—СН - аллил (пропенил-)

Изомерия.

Для алкенов характерны два вида структурной изомерии. Кроме изомерии, связанной со строением углеродного скелета (как у алканов), появляется изомерия, зависящая от положения двойной связи в цепи. Это приводит к увеличению числа изомеров в ряду алкенов.

Первые два члена гомологического ряда алкенов - этилен и пропиле) - изомеров не имеют и их строение можно выразить так:

H2C==CH2  H2C==CH—CH3

этилен  пропилен

(этен)  (пропен)

Для углеводорода СH возможны три изомера:

CH3

|

H2C==CH—CH2—CH3  H3C—CH==CH—CH3 H2C==C—CH3  

бутен-1  бутен-2 2-метилпропен-1  

Первые два отличаются между собой положением двойной связи углеродной цепи, а третий —характером цепи (изостроение).

Однако в ряду этиленовых углеводородов помимо структурно изомерии возможен еще один вид изомерии —цис-, транс-изомерия (геометрическая изомерия). Такая изомерия характерна для соединений с двойной связью. Если простая s-связь допускает свободное вращение отдельных звеньев углеродной цепи вокруг своей оси, то вокруг двойной связи такого вращения не происходит. Это и является причиной появления геометрических (цис-, транс-) изомеров.

Геометрическая изомерия —один из видов пространственной изомерии.

Изомеры, у которых одинаковые заместители (при разных углеродных атомах) расположены по одну сторону от двойной связи, называют цис-изомерами, а по разную —транс-изомерами:

H H  H  CH3 

| |   |  |

C==C    C==C

| |   |  |

H3C CH3  H3C  H

цис-бутен-2 транс-бутен-2

Цис- и транс-изомеры отличаются не только пространственным строением, но и многими физическими и химическими свойствами. Транс-изомеры более устойчивы, чем цис-изомеры.

3. Получение алкенов

В природе алкены встречаются редко. Обычно газообразные алкены (этилен, пропилен, бутилены) выделяют из газов нефтепереработки (при крекинге) или попутных газов, а также из газов коксования угля. В промышленности алкены получают дегидрированием алканов в присутствии катализатора (СrО). Например:

® HC==CH—CH—CH

H3C—CH2—CH2—CH3 ® -H2  бутен-1

бутан  ® H3C—CH==CH—CH3

 бутен-2

Из лабораторных способов получения можно отметить следующие:

. Отщепление галогеноводорода от галогеналкилов при действии на них спиртового раствора щелочи:

H2C—CH2 ® H2C==CH2 + KCl + H2O

| |

Cl H K—OH

2. Гидрирование ацетилена в присутствии катализатора (Pd):

H—CєєC—H + H2 ® H2C==CH2

3. Дегидратация спиртов (отщепление воды). В качестве катализатора используют кислоты (серную или фосфорную) или А1O:

НС—СН ® НС==СН + НО

 | |

H OH

этиловый

спирт

В таких реакциях водород отщепляется от наименее гидрогенизированного (с наименьшим числом водородных атомов) углеродною атома (правило А.М.Зайцева):

H OH

| |

H3C—C—CH—CH3 ® H3C—C==CH—CH3 + H2O

|    |

CH    CH

3-метилбутанол-2  2-метилбутен-2

4. Физические и химические свойства :

Физические свойства. Физические свойства некоторых алкенов показаны в табл. 1. Первые три представителя гомологического ряда алкенов (этилен, пропилен и бутилен) —газы, начиная с CH(амилен, или пентен-1) —жидкости, а с СН —твердые вещества. С увеличением молекулярной массы повышаются температуры плавления и кипения. Алкены нормального строения кипят при более высокой температуре, чем их изомеры, имеющие изостроение. Температуры кипения цис-изомеров выше, чем транс-изомеров, а температуры плавления —наоборот.

Алкены плохо растворимы в воде (однако лучше, чем соответствующие алканы), но хорошо —в органических растворителях. Этилен и пропилен горят коптящим пламенем.

Таблица 1. Физические свойства некоторых алкенов

Название	Формула	t пл,°С	t кип,°С	d
Этилен (этен)	СН	-169,1	-103,7	,5700
Пропилен (пропен)	СН	-187,6	-47,7	,5193*
Бутилен (бутен-1)	CH	-185,3	-6,3	,5951
Цис-бутен-2	СН	-138,9	,7	,6213
Транс-бутен-2	СН	-105,5	,9	,6042
Изобутилен (2-метилпропен)	СН	-140,4	-7,0	,5942*
Амилен (пентен-1)	CH	-165,2	+30,1	,6405
Гексилен (гексен-1)	СН	-139,8	,5	,6730
Гептилен (гептен-1)	CH	-119	,6	,6970
Октилен (октен-1)	CH	-101,7	,3	,7140
Нонилен (нонен-1)	CH	-81,4	,8	,7290
Децилен (децен-1)	СН	-66,3	,6	,7410

* Жидкий

Алкены малополярны, но легко поляризуются.

Химические свойства. 

Алкены обладают значительной реакционной способностью. Их химические свойства определяются, главным образом, двойной углерод-углеродной связью. p-Связь, как наименее прочная и более доступная, при действии реагента разрывается, а освободившиеся валентности углеродных атомов затрачиваются на присоединение атомов, из которых состоит молекула реагента. Это можно представить в виде схемы:

\ p /   \  /

C==C + A—B ® C—C

/ s \   / |  s | \

 А  В

Таким образом, при реакциях присоединения двойная связь разрывается как бы наполовину (с сохранением s-связи).

Для алкенов, кроме присоединения, характерны еще реакции окисления и полимеризации.

Реакции присоединения. Чаще реакции присоединения идут по гетеролитическому типу, являясь реакциями электрофильного присоединения.

1. Гидрирование (присоединение водорода). Алкены, присоединяя водород в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni), переходят в предельные углеводороды —алканы:

НС==СН + H ® НС—СН

этилен  этан

2. Галогенирование (присоединение галогенов). Галогены легко присоединяются по месту разрыва двойной связи с образованием дигалогенопроизводных:

НС==СН + Cl  ® ClHC—CHCl

1,2-дихлорэтан

Легче идет присоединение хлора и брома, труднее —иода. Фтор с алкенами, как и с алканами, взаимодействует со взрывом.

Сравните: у алкенов реакция галогенирования —процесс присоединения, а не замещения (как у алканов).

Реакцию галогенирования обычно проводят в растворителе при обычной температуре.

Электрофильное присоединение галогенов к алкенам можно представить следующим образом. Вначале под влиянием p-электронов алкена происходит поляризация молекулы галогена с образованием переходной неустойчивой системы (p-комплекс):

HC=Ї=CH

Brd+ ® Brd- 

p-комплекс

Стрелка, пересекающая двойную связь, обозначает взаимодействие p-электронной системы алкена с молекулой брома ("перекачка" p-электронной плотности на Brd+). В данном случае двойная связь, имеющая высокую электронную плотность, выступает в качестве донора электронов. Затем p-комплекс разрушается: двойная связь и связь между атомами брома гетеролитически разрываются с образованием двух ионов брома —аниона и катиона. Катион за счет электронов p-связи образует с углеродом обычную s-связь С—Br. Так возникает другая неустойчивая система —карбкатион (s-комплекс):

H2C=|=CH2 ® H2C –CH2+ + Br- ® H2C—CH2

Ї   |  ¬—Ї  |  |

Brd+ ® Brd- Br  Br  Br

карбкатион  1,2-дибром-

(s-комплекс)  этан

Результат этой реакции нетрудно предвидеть: анион брома атакует карбкатион с образованием дибромэтана.

Присоединение брома к алкенам (реакция бромирования) —качественная реакция на предельные углеводороды. При пропускании через бромную воду (раствор брома в воде) непредельных углеводородов желтая окраска исчезает (в случае предельных —сохраняется).

3. Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводородов). Алкены легко присоединяют галогенводороды:

HС==СН + НВr ® НС—CHВr

Присоединение галогенводородов к гомологам этилена идет по правилу В.В.Марковникова (1837—): при обычных условиях водород галогенводорода присоединяется по месту двойной связи к наиболее гидрогенизированному атому углерода, а галоген —к менее гидрогенизированному:

Ї——————————|

НС=СН—СН + Н—Вr ® НС—СН—СН 

————————|   |

Br

 2-бромпропан

Правило Марковникова можно объяснить тем, что у несимметричных алкенов (например, в пропилене) электронная плотность распределена неравномерно. Под влиянием могильной группы, связанной непосредственно с двойной связью, происходит смещение электронной плотности в сторону этой связи (на крайний углеродный атом).

Вследствие такого смещения p-связь поляризуется и на углеродных атомах возникают частичные заряды. Легко представить, что положительно заряженный ион водорода (протон) присоединится к атому углерода (электрофильное присоединение), имеющему частичный отрицательный заряд, а анион брома —к углероду с частичным положительным зарядом.

Такое присоединение является следствием взаимного влияния атомов в органической молекуле. Как известно, электроотрицательность атома углерода немного выше, чем водорода. Поэтому в метильной группе наблюдается некоторая поляризация s-связей С—Н, связанная со смещением электронной плотности от водородных атомов к углероду. В свою очередь это вызывает повышение электронной плотности в области двойной связи и особенно на ее крайнем, атоме. Таким образом, метильная группа, как и другие алкильные группы, выступает в качестве донора электронов. Однако в присутствии пероксидных соединений или О (когда реакция имеет радикальный характер) эта реакция может идти и против правила Марковникова.

По тем же причинам правило Марковникова соблюдается при присоединении к несимметричным алкенам не только галогеноводоро-дов, но и других электрофильных реагентов (HO, HSО, НОС1, IC1 и др.). При этом катионные и анионные части таких реагентов будут следующими:

Катион..... Н  H  Н Н Н С1  I

Анион ...... С1 Br I  SOH ОН ОН С1

Как известно, катионная часть реагента при присоединении идет к наиболее гидронизированному углеродному атому, а анионная часть —к менее гидронизированному.

4. Гидратация (присоединение воды). В присутствии катализаторов [HSO (конц.) и др.] к алкенам присоединяется вода с образованием спиртов. Например:

H3C—CH==CH2 + H—OH ® H3C—CH—CH3

|

OH

пропилен  изопропиловый

спирт

Реакции окисления. Алкены окисляются легче, чем алканы. Продукты, образованные при окислении алкенов, и их строение зависят от строения алкенов и от условий проведения этой реакции.

1. Окисление при обычной температуре. При действии на этилен водного раствора КМnO (при нормальных условиях) происходит образование двухатомного спирта —этиленгликоля:

3H2C==CH2 + 2KMnO4 + 4H2O ® 3HOCH2—CH2OH + 2MnO2 + KOH

этиленгликоль

Эта реакция является качественной: фиолетовая окраска раствора перманганата калия изменяется при добавлении к нему непредельного соединения.

В более жестких условиях (окисление КМnO в присутствии серной кислоты или хромовой смесью) в алкене происходит разрыв двойной связи с образованием кислородсодержащих продуктов:

H3C—CH=|=CH—CH3 + 2O2 ® 2H3C—COOH

уксусная кислота

При окислении этилена кислородом воздуха в присутствии металлического серебра образуется оксид этилена:

°C

2НС==СН + O ® 2НС——СН 

Ag  \ O /

оксид этилена

2. Горение алкенов. Как и алканы, непредельные соединения ряда этилена сгорают на воздухе с образованием оксида углерода (IV) и воды:

НС=СН + 3O ® 2СO + 2НO

Реакция изомеризации. При нагревании или в присутствии катализаторов алкены способны изомеризоваться —происходит перемещение двойной связи или установление изостроения.

Реакции полимеризации. За счет разрыва p-связей молекулы алкена могут соединяться друг с другом, образуя длинные цепные молекулы.

5. Отдельные представители

Этилен (этен) НС==CН - газ без цвета и запаха, мало растворимый в воде. Как и метан, с воздухом образует взрывоопасные смеси. Широко используется для получения различных органических веществ: этилового спирта, стирола, галогенопроизводных, полиэтилена, оксида этилена и др.

Пропилен (пропен) НС—СН==СН служит сырьем для получения изопропилбензола, ацетона, фенола, полипропилена, глицерина, изопропилового спирта, синтетического каучука и других ценных органических продуктов.

Бутилены (бутен-1 и бутен-2), изобутилен (3-метилпропен-1) CH. Бутен-1 применяется для получения дивинила и изооктана, а бутен-2 —в качестве среды при полимеризации дивинила. Из изобутилена получают изооктан, изопропен и полиизобутилен.

Следует отметить, что алкены широко используются в качестве мономеров для получения многих высокомолекулярных соединений (полимеров).

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://chemistry.narod.ru/

1. Социосфера Пензенский государственный университет Пензенская государственная технологическая ак
2. Давыдов Д. В
3. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук Харків 2001 Дисер
4. Семей ~ 21 19601969~ара~анды металлургия зауытында
5. четырех сеток. 1
6. 2 Зведений кошторисний розрахунок вартості будівництва Зведений кошторисний розрахунок у сумі
7. Балки покрытия Балки покрытия могут иметь пролёт 12 18м а в отдельных конструкциях и 24м
8. Количество детей с которыми ребенок вступает в общение а Не вступает в общение б Вступает в общение с 1
9. Финансовая политика
10. 30.12. Менеджмент Гр
11. Межкультурном фестивале молодых мастеров ЭтноДар Общие положения
12. вариантов ответа распределение и продвижение товар
13. Реферат- Проблемы смерти и бессмертия
14. Теоретические проблемы исследования больших социальных групп Введение Психология больших социальных
15. тема права Вопросы- Понятие и признаки системы права Предмет и метод правового регулирования как ос
16. Тому властивості особистості виступають головними факторами діяльності вчителя
17. экономист Место работы- пенсионер Место жительства г
18. Размещение и деятельность эвакуированных заводов в Новокузнецке
19. Менеджмент 1
20. задание Трехфазные электрические цепи ИДЗ состоит из двух заданий

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе