Тема 14. Алкены Содержание темы: Алкены, их электронное строение, изомерия и номенклатура. Способы получения алкенов, их химические свойства. Алкены — ненасыщенные углеводороды с одной двойной связью. Общая формула алкенов CnH2n. Названия алкенов образуются от названия алканов путем замены суффикса -ан на суффикс -ен. Первый член гомологического ряда алкенов называется этен или этилен С2Н4. Электронные орбитали атомов углерода, образующих двойную связь, находятся в состоянии sp2 -гибридизации. Эти атомы углерода связаны σ-связью, образованной sp2гибридными орбиталями, и π -связью, образованной за счет бокового перекрывания pорбиталей. H H C H H C H C H C H H Виды изомерии: 1) структурная изомерия (изомерия цепи, изомерия положения двойной связи и межклассовая – изомерны циклоалканам); СН3 Н2С СН2 (С4Н8) СН3СН2СН СН2; СН3СН CHСН3; С СН2; Н2С СН2 СН3 бутен-1 бутен-2 метилпропен циклобутан 2) пространственная (цис-, транс-изомерия) — различное расположение заместителей у атомов углерода, связанных двойной связью. Если одинаковые заместители находятся по одну сторону от плоскости π-связи , то это цис-изомер. Если одинаковые заместители находятся по разные стороны от плоскости π-связи, то это транс-изомер. H3C CH3 C C H H цис-бутен-2 H3C H C C H CH3 транс-бутен-2 Для алкенов характерны реакции электрофильного присоединения (АЕ ), π-связь в алкенах менее прочная, чем σ-связь. При взаимодействии с водородом, галогенами, галогеноводородами или водой π-связь разрывается. Электрофил — частица, которая принимает пару электронов для образования ковалентной связи. Это положительно заряженные ионы (например, H+, Cl+) или нейтральные молекулы, имеющие частичный положительный заряд на одном из атомов (CH3→Cl). Нуклеофил — частица, которая отдает пару электронов для образования ковалентной связи. Это отрицательные ионы (например, ОН–, Cl–) или нейтральные молекулы, содержащие атомы с неподеленной парой электронов (Н2О, NH3 ). Катионы и анионы образуются при гетеролитическом разрыве ковалентной связи. При этом электронная пара остается у одного из атомов: A:B → A+ + :B– Механизм реакции электрофильного присоединения (АЕ) CH3 δ+ δ− CH CH2 + H электрофил CH3 CH CH3 Br Правило Марковникова: при присоединении полярных молекул типа НХ к несимметричным алкенам водород присоединяется к наиболее гидрированному атому углерода при двойной связи. Методы получения алкенов 1. Крекинг алканов: 2. C8H18 Пиролиз метана: 2CH4 3. to to; кат. CH3 CH CH3 + Br карбокатион нуклеофил C4H10 + C4H8 CH2 CH2 + 2H2 Дегидрирование алканов: to; кат. CH2 CH2 + H2 CH3 CH3 4. Гидрирование алкинов: to; кат. CH CH + H2 CH2 CH2 5. Реакции элиминирования (отщепления): а) дегидратация спиртов — отщепление молекулы воды. H2SO4 / t ° CH3CH CH2 CH3CH CH2 –H2O OH H б) отщепление галогеноводорода действием спиртовых растворов щелочей t° CH3CH CH2 + KBr + H2O CH3CH CH2 спирт (alcohol) H Br Правило Зайцева: при отщеплении воды или галогеноводорода атом водорода отщепляется от соседнего наименее гидрированного атома углерода, и преимущественно образуется более замещенный алкен. Химические свойства алкенов 1. Реакции присоединения: а) присоединение галогенов (галогенирование) Обесцвечивание водного раствора брома — качественная реакция на двойную связь. CH3 CH CH2 + Br2 (aq) CH3 CH CH2 Br Br коричневый бесцветный б) присоединение водорода (гидрирование) p CH3 CH CH2 + H2 CH3 CH2 CH3 cat в) присоединение галогеноводорода (гидрогалогенирование) CH3 CH CH2 + HBr CH3 CH CH3 Br г) присоединение воды (гидратация) CH3 CH CH2 + H2O H+ CH3 CH CH3 OH Присоединение полярных молекул типа НХ к несимметричным алкенам проходит по правилу Марковникова: Смещение электронной плотности под влиянием заместителей в несимметричных алкенах: Электронодонорные заместители смещают электронную плотность π-связи к удаленному от них атому углерода и создают на нем частичный отрицательный заряд δ– CH3 CH CH2 Электроноакцепторные заместители смещают электронную плотность π-связи от удаленного от них атома углерода. В этом случае присоединение происходит против правила Марковникова. δ– O CH2 CH C OH + O H O δ– CH CH C + H2O CH2 CH C 2 2 OH OH OH 2. Реакции окисления: а) горение алкенов 3CO2 + 3H2 O CH3CH=CH2 + 4,5O2 б) каталитическое окисление алкенов с образованием эпоксидов CH3CH CH2 + 0.5O2 t°, Ag CH3CH CH2 O в) каталитическое окисление алкенов с образованием альдегидов PdCl2, CuCl2 O CH2 CH2 + 0.5O2 CH3 C H г) окисление алкенов водным раствором перманганата калия — качественная реакция на двойную связь. При окислении алкенов водным раствором перманганата калия (образуются двухатомные спирты: 3HOCH2–CH2OH + 2MnO2↓+ 2КОН 3СН2=СH2 + 2KMnO4 + 4H2O Фиолетовый раствор перманганата калия обесцвечивается и выпадает коричневый осадок оксида марганца(IV). 3. Полимеризация алкенов: H+ nCH2=CH2 -(CH2-CH2)n- мономер полимер n — степень полимеризации; фрагмент (–СН2–СH2–) — элементарное звено R nCH2=CH (CH2 CH)n CH3 CH3 6. Дегалогенирование CH3 CH CH2 + Zn Br Br t° CH3 CH CH2 + ZnBr2 Домашнее задание для подготовки к занятию: 1. Проработать главу 11, §11.31ОХ и материал лекций. 2. Из каких соединений можно получить метилпропен? Напишите уравнения соответствующих реакций. 3. Напишите уравнения реакций, характеризующих химические свойства метилпропена. САРС «Алкены» 1. Напишите структурные формулы следующих соединений: бутен-1; пентен-2; 2метилбутен-1; метилбутан; циклопентан; 1,1-диметилциклопропан. Укажите, какие из этих соединений являются изомерами, а какие гомологами пентена-1. 2. Напишите структурные формулы изомерных алкенов С5H10 и С6 H12. Назовите их по заместительной номенклатуре. 3. Напишите уравнения следующих реакций, укажите условия их протекания: а) метан → этин → этен → этан → оксид углерода(IV); б) этан → хлороэтан → этен → этанол; в) пропанол-2 → пропен → 2-бромопропан → 2,3-диметилбутан. 4. Напишите уравнения реакций гидрирования и гидратации: а) пропена; б) бутена-2; в) метилпропена. 5. Напишите уравнения реакций присоединения бромоводорода к следующим алкенам: а) пропену; б) бутену-1; в) метилпропену; г) 3-хлоропропену. 6. Какие углеводороды образуются при дегидратации следующих спиртов: а) бутанола-2; б) 3-метилбутанола-2; в) 2-метилпропанола-1. 7. Напишите уравнения реакций, позволяющих отличить пропан от пропена, укажите условия их протекания. 8. Предложите способ получения: а) пропена из изопропанола; б) циклопропана. бутена-2 из бутена-1; в) 2-бромопропена из 9. Цис-изомер алкена массой 7.0 г полностью прореагировал с 2.24 л (н.у.) бромоводорода. Определите молярную массу и напишите структурные формулы этого алкена и продукта реакции. (Ответ 70 г/моль).