Гомологический ряд алкенов таблица – Урок №60. Непредельные углеводороды. Этилен. Физические и химические свойства. Применение. Ацетилен. Диеновые углеводороды. Понятие о циклических углеводородах (циклоалканы, бензол).

Содержание

Алкены — Википедия

Пространственная структура этилена.

Алке́ны (олефины, этиленовые углеводороды) — ациклические непредельные углеводороды, содержащие одну двойную связь между атомами углерода, образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n. Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp² гибридизации и имеют валентный угол 120°. Простейшим алкеном является этилен (C2H4). По номенклатуре IUPAC названия алкенов образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса «-ан» на «-ен»; положение двойной связи указывается арабской цифрой.

Углеводородные радикалы, образованные от алкенов, имеют суффикс «-енил». Тривиальные названия: CH2=CH— «винил», CH2=CH—CH2 «аллил».

Алкены, число атомов углерода в которых больше двух, (т.е. кроме этилена) имеют изомеры. Для алкенов характерны изомерия углеродного скелета, положения двойной связи, межклассовая и геометрическая. Например, единственным изомером пропилена является циклопропан (C

3H6) по межклассовой изомерии. Начиная с бутилена, существуют изомеры по положению двойной связи (бутен-1 и бутен-2), по углеродному скелету (изобутилен или метилпропилен) и геометрические изомеры (цис-бутен-2 и транс-бутен-2). С ростом числа атомов углерода в молекуле количество изомеров быстро возрастает.

Alkenes-rus.png

Алкены могут существовать в виде пространственных или геометрических изомеров.

Различают:

  • цис- изомеры: заместители расположены по одну сторону от двойной связи;
  • транс- изомеры: заместители расположены по разные стороны от двойной связи.

IUPAC рекомендует называть геометрические изомеры по следующей номенклатуре:

  • Z- изомеры: старшие заместители у углеродных атомов двойной связи находятся по одну сторону относительно двойной связи;
  • E- изомеры: старшие заместители у углеродных атомов двойной связи находятся по разные стороны относительно двойной связи.

Ezisomers.png

В соответствии с теорией гибридизации двойная связь образуется за счёт перекрывания вдоль линии связи С-С sp²-гибридных орбиталей атомов углерода (σ-связь) и бокового перекрывания углеродных p-орбиталей (π-связь).

Ezisomers.png Схема образования связей в молекуле этилена

В состоянии sp² гибридизации электронное состояние атома углерода можно представить следующим образом:

C∗↑↓1s↑sp2↑sp2↑sp2↑p{\displaystyle C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp^{2}}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp^{2}}}{\frac {\uparrow \,}{sp^{2}}}{\frac {\uparrow \,}{p}}}

Все атомы этилена лежат в одной плоскости, а величина валентного угла связи C-H практически равна 120 °. Центры углеродных атомов в этилене находятся на расстоянии 0,134 нм, то есть длина двойной связи несколько короче, чем С-С.

Согласно теории молекулярных орбиталей линейная комбинация двух атомных 2p-орбиталей углерода формирует две молекулярные π-орбитали этилена[1]:

C^{{*}}\quad {\frac  {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac  {\uparrow \,}{sp^{2}}}\;{\frac  {\uparrow \,}{sp^{2}}}{\frac  {\uparrow \,}{sp^{2}}}{\frac  {\uparrow \,}{p}} Формирование π-орбиталей этилена

Первый потенциал ионизации этилена составляет 10,51 эВ[2], что позволяет электрону относительно легко уходить (электрофильное взаимодействие) с высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО). В то же время, низшая связывающая молекулярная орбиталь (НСМО) этилена имеет достаточно низкую энергию: −1,6-1,8 эВ, что объясняет относительную лёгкость присоединения электрона с образованием аниона[2] (нуклеофильное взаимодействие).

Добавление метильного заместителя снижает потенциал ионизации π— электронов примерно на 0,6-0,8 эВ и повышает энергию НСМО на 0,2 эВ, а ВЗМО на 0,7 эВ[2].

Впервые этилен был получен в 1669 году немецким химиком и врачом Бехером действием серной кислоты на этиловый спирт. Учёный установил, что его «воздух» более химически активен, чем метан, однако идентифицировать полученный газ он не смог и названия ему не присвоил[3].

Вторично и тем же способом «воздух Бехера» был получен и описан голландскими химиками Дейманом, Потс-ван-Трооствиком, Бондом и Лауверенбургом в 1795 году. Они назвали его «маслородным газом» так как при взаимодействии с хлором, он образовывал маслянистую жидкость — дихлорэтан (об этом стало известно позднее). По-французски «маслородный» — oléfiant. Французский химик Антуан Фуркруа ввёл этот термин в практику, а когда были обнаружены другие углеводороды такого же типа, это название стало общим для всего класса олефинов (или, по современной номенклатуре, алкенов)[4].

В начале XIX века французский химик Ж. Гей-Люссак обнаружил, что этанол состоит из «маслородного» газа и воды. Этот же газ он обнаружил и в хлористом этиле[5]. В 1828 году Ж. Дюма и П. Буллей предположили, что этилен представляет собой основание, способное давать соли подобно аммиаку. Якоб Берцелиус принял эту идею, назвав соединение «этерином» и обозначив буквой E[6].

Определив, что этилен состоит из водорода и углерода, долгое время химики не могли выписать его настоящую формулу. В 1848 году Кольбе писал формулу этилена как С4Н4, этого же мнения придерживался и Либих. Ж. Дюма правильно определил состав вещества, но его структура по-прежнему была описана неверно: С2НН3[5].

В 1862 году немецкий химик-органик Э.Эрленмейер предположил наличие в молекуле этилена двойной связи, а в 1870 году известный российский учёный А. М. Бутлеров признал эту точку зрения правильной, подтвердив её природу экспериментально[7].

Нахождение в природе и физиологическая роль алкенов[править | править код]

В природе ациклические алкены практически не встречаются[8]. Простейший представитель этого класса органических соединений — этилен (C2H4) — является гормоном для растений и в незначительном количестве в них синтезируется.

Один из немногих природных алкенов — мускалур (цис— трикозен-9) является половым аттрактантом самки домашней мухи (Musca domestica).

Мускалур

Низшие алкены в высоких концентрациях обладают наркотическим эффектом. Высшие члены ряда также вызывают судороги и раздражение слизистых оболочек дыхательных путей[9].

Отдельные представители:

  • Этилен — вызывает наркоз, обладает раздражающим и мутагенным действием.
  • Пропилен — вызывает наркоз (сильнее, чем этилен), оказывает общетоксическое и мутагенное действие.
  • Бутен-2 — вызывает наркоз, обладает раздражающим действием[9].
  • Температуры плавления и кипения алкенов (упрощённо) увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи.
  • При нормальных условиях алкены с C2H4 до C4H8 — газы; с пентена C5H10 до гептадецена C17H34 включительно — жидкости, а начиная с октадецена C
    18
    H36 — твёрдые вещества. Алкены не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях.
Физические свойства алкенов[10]
Название Формула Т плавления, ° C Т кипения, ° C Плотность, d20
4
1 Этилен С2H4 −169,1 −103,7 0,5700*
2 Пропилен C3H6 −187,6 −47,7 0,5193*
3 Бутен-1 C4H8 −185,3 −6,3 0,5951*
4 цис-Бутен-2 CH3-CH=CH-CH3 −138,9 3,7 0,6213
5 транс-Бутен-2 CH
3
-CH=CH-CH3
−105,5 0,9 0,6042
6 2-Метилпропен-1 CH3-C(CH3)=CH2 −140,4 −7,0 0,5942*
7 Пентен-1 С5H10 −165,2 30,1 0,6405
8 Гексен-1 С6H12 −139,8 63,5 0,6730
9 Гептен-1 С7H14 −119,0 93,6 0,6970
10 Октен-1 С8H16 −101,7 121,3 0,7140
Гептадецен[11] С17H34 4,1 284,4 0,7811

* Значения измерены при температуре кипения.

Основным промышленным методом получения алкенов является каталитический и высокотемпературный крекинг углеводородов нефти и природного газа. Для производства низших алкенов используют также реакцию дегидратации соответствующих спиртов.

В лабораторной практике обычно применяют метод дегидратации спиртов в присутствии сильных минеральных кислот[1], дегидрогалогенирование и дегалогенирование соответствующих галогенпроизводных; синтезы Гофмана, Чугаева, Виттига и Коупа[12].

Подробнее — см. соответствующие разделы ниже.

Дегидрирование алканов[править | править код]

Это один из промышленных способов получения алкенов[13][14]. Температура: 350—450 °C, катализатор — Cr2O3. Также используются алюмомолибденовые и алюмоплатиновые катализаторы[15]. Для получения транс-алкенов используют MOH/EtOH, для цис-производных NaNH2/NH3

Ch4−Ch4→Ch3=Ch3+h3{\displaystyle {\mathsf {CH_{3}\!\!-\!\!CH_{3}}}\rightarrow {\mathsf {CH_{2}\!\!=\!\!CH_{2}+H_{2}}}}

(Ch4)2CH−Ch4→(Ch4)2C=Ch3+h3{\displaystyle {\mathsf {(CH_{3})_{2}CH\!\!-\!CH_{3}}}\rightarrow {\mathsf {(CH_{3})_{2}C\!\!=\!\!CH_{2}+H_{2}}}}

Дегидрогалогенирование и дегалогенирование алканов[править | править код]

Отщепление галогенов у дигалогеналканов происходит в присутствии цинка[16]:

R−CHCl−Ch3Cl+Zn→R−CH=Ch3+ZnCl2{\displaystyle {\mathsf {R\!\!-\!\!CHCl\!\!-\!\!CH_{2}Cl+Zn}}\rightarrow {\mathsf {R\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH_{2}+ZnCl_{2}}}}

Дегидрогалогенирование проводят при нагревании действием спиртовыми растворами щелочей[17]:

R−CHBr−Ch4+C2H5ONa→R−CH=Ch3+NaBr+C2H5OH{\displaystyle {\mathsf {R\!\!-\!\!CHBr\!\!-\!\!CH_{3}+C_{2}H_{5}ONa}}\rightarrow {\mathsf {R\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH_{2}+NaBr+C_{2}H_{5}OH}}}

При отщеплении галогенводорода образуется смесь изомеров, преобладающий из которых определяется правилом Зайцева: отщепление протона происходит от менее гидрогенизированного атома углерода.

Дегидратация спиртов[править | править код]

Дегидратацию спиртов ведут при повышенной температуре бани в присутствии сильных минеральных кислот

[16]:

Ch4−CH(OH)−Ch4+h3SO4→Ch4−CH(OSO3H)−Ch4+h3O{\displaystyle {\mathsf {CH_{3}\!\!-\!\!CH(OH)\!\!-\!\!CH_{3}+H_{2}SO_{4}}}\rightarrow {\mathsf {CH_{3}\!\!-\!\!CH(OSO_{3}H)\!\!-\!\!CH_{3}+H_{2}O}}}

Ch4−CH(OSO3H)−Ch4→Ch4−CH=Ch3+h3SO4{\displaystyle {\mathsf {CH_{3}\!\!-\!\!CH(OSO_{3}H)\!\!-\!\!CH_{3}}}\rightarrow {\mathsf {CH_{3}\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH_{2}+H_{2}SO_{4}}}}

В современной практике алкены из вторичных и третичных спиртов также получают с использованием дегидратирующего реагента — реагента Бёрджесса[18]:

Использование реагента Бёрджесса

Гидрирование алкинов[править | править код]

Частичное гидрирование алкинов требует специальных условий и наличие катализатора (например, дезактивированного палладия — катализатора Линдлара)[16]:

Ch4−C≡C−Ch4+h3 →Pd/Pb(Ch4COO)2 Ch4−CH=CH−Ch4{\displaystyle {\mathsf {CH_{3}\!\!-\!\!C}}\!\!\equiv \!\!{\mathsf {C\!\!-\!\!CH_{3}+H_{2}}}\ {\xrightarrow {Pd/Pb(CH_{3}COO)_{2}}}\ {\mathsf {CH_{3}\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH\!\!-\!\!CH_{3}}}}  

(цис-изомер)

Ch4−C≡C−Ch4+2Na+2Nh4→Ch4−CH=CH−Ch4{\displaystyle {\mathsf {CH_{3}\!\!-\!\!C}}\!\!\equiv \!\!{\mathsf {C\!\!-\!\!CH_{3}+2Na+2NH_{3}}}\rightarrow {\mathsf {CH_{3}\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH\!\!-\!\!CH_{3}}}}  (транс-изомер) +2NaNh3{\displaystyle {\mathsf {+2NaNH_{2}}}}

Реакция Виттига[править | править код]

Реакция Виттига — стереоселективный синтез алкенов взаимодействием карбонильных соединений и алкилиденфосфоранов (илидов фосфониевых солей)[19]:

(C6H5)3P+Ch4Br→[(C6H5)3P−Ch4]Br{\displaystyle {\mathsf {(C_{6}H_{5})_{3}P+CH_{3}Br}}\rightarrow {\mathsf {[(C_{6}H_{5})_{3}P\!\!-\!\!CH_{3}]Br}}}

[(C6H5)3P−Ch4]Br+C6H5Li→(C6H5)3P−Ch3:+C6H6+LiBr{\displaystyle {\mathsf {[(C_{6}H_{5})_{3}P\!\!-\!\!CH_{3}]Br+C_{6}H_{5}Li}}\rightarrow {\mathsf {(C_{6}H_{5})_{3}P\!\!-\!\!CH_{2}\!\!:+}}{\mathsf {C_{6}H_{6}+LiBr}}}

Ch4−CO−Ch4+(C6H5)3P−Ch3:→Ch4−C(Ch4)=Ch3+(C6H5)3P=O{\displaystyle {\mathsf {CH_{3}\!\!-\!\!CO\!\!-\!\!CH_{3}+(C_{6}H_{5})_{3}P\!\!-\!\!CH_{2}\!\!:}}\rightarrow {\mathsf {CH_{3}\!\!-\!\!C(CH_{3})\!\!=\!\!CH_{2}+(C_{6}H_{5})_{3}P\!\!=\!\!O}}}

Для превращения солей фосфония в илиды используются бутиллитий, гидрид, амид или алкоголят натрия, а также некоторые другие сильные основания.

В реакцию могут вступать самые различные карбонильные соединения, среди которых ароматические и алифатические альдегиды и кетоны, в том числе содержащие двойные и тройные связи и различные функциональные группы.

В лабораторной практике часто используют более современную модификацию (1959 год) реакции Виттига — реакцию Хорнера-Уодсворта-Эммонса[20]:

Хорнера-Уодсворта-Эммонса

Преимущество использования фосфонатов заключается в том, что образующиеся в ходе реакции фосфаты легко отмываются водой. Кроме того, реакция позволяет избирать оптическое направление элиминирования, получая на выходе транс— (термодинамический контроль) или цис-изомеры (кинетический контроль)[18].

Реакция Кнёвенагеля[править | править код]

Реакция Кнёвенагеля — конденсация альдегидов или кетонов с соединениями, содержащими активную CH2-группу[18]:

Реакция Кнёвенагеля

Реакция имеет очень широкий диапазон применения, при этом помимо эфиров малоновой кислоты, в реакцию могут вступать и другие соединения, например: CH3CN, CH3NO2, LiCH2COOC2H5 и пр.[21].

Реакция Чугаева[править | править код]

Реакция Чугаева — взаимодействие спиртов с CS2 и NaOH с последующим метилированием и дальнейшим пиролизом образовавшихся S-метилксантогенатов[22]:

R−Ch3−Ch3OH+CS2+NaOH→R−Ch3−Ch3OC(S)−SNa+h3O{\displaystyle {\mathsf {R\!\!-\!\!CH_{2}\!\!-\!\!CH_{2}OH+CS_{2}+NaOH}}\rightarrow {\mathsf {R\!\!-\!\!CH_{2}\!\!-\!\!CH_{2}OC(S)\!\!-\!\!SNa+H_{2}O}}}

R−Ch3−Ch3OC(S)−SNa→R−CH=Ch3+COS+NaHS{\displaystyle {\mathsf {R\!\!-\!\!CH_{2}\!\!-\!\!CH_{2}OC(S)\!\!-\!\!SNa}}\rightarrow {\mathsf {R\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH_{2}+COS+NaHS}}}

Реакция Гофмана[править | править код]

Исчерпывающее метилирование по Гофману — разложение четвертичных аммониевых оснований на алкен, третичный амин и воду[23]:

(C2H5)4N+OH−→Ch3=Ch3+(C2H5)3N+h3O{\displaystyle {\mathsf {(C_{2}H_{5})_{4}N^{+}OH^{-}}}\rightarrow {\mathsf {CH_{2}\!\!=\!\!CH_{2}+(C_{2}H_{5})_{3}N+H_{2}O}}}

На первой стадии реакции действием метилиодида амин превращают в четвертичный аммонийиодид, который далее переводят в гидроксид действием оксида серебра, наконец, последний этап — разложение — ведут при 100-200 °C, часто при пониженном давлении[24].

Элиминирование по Гофману приводит к образованию наименее замещенных алкенов (против правила Зайцева).

Метод используется, в основном, для получения некоторых циклических алкенов и в химии алкалоидов[24].

Реакция Коупа[править | править код]

Реакция Коупа — разложение N-окисей третичных аминов[24]:

Реакция Коупа

Прочие методы синтеза[править | править код]

Реакция Бурда[править | править код]

Реакция Бурда — элиминирование брома и этоксигруппы из бромалкилэтиловых эфиров под действием цинковой пыли[25]:

Реакция Бурда

Синтез из тозилгидразонов[править | править код]

Алкены можно получить разложением тозилгидразонов под действием оснований (Реакция Бэмфорда-Стивенса и Реакция Шапиро)[26]:

Синтез алкенов из толилгидразонов

Реакция Бэмфорда-Стивенса и Реакция Шапиро протекают по одинаковому механизму. В первом случае используются натрий, метилат натрия, гидриды лития или натрия, амид натрия и т. п. Во втором: аллкиллитий и реактивы Гриньяра. В реакция Бэмфорда-Стивенса образуются более замещенные, а в реакция Шапиро — наименее замещенные алкены[27].

Реакция Перкина[править | править код]

Реакция Перкина — взаимодействие ароматических альдегидов с ангидридами карбоновых кислот в присутствии катализаторов основного характера (щелочных солей карбоновых кислот, третичных аминов и т. п.)[28]:

Реакция Перкина

Последующим декарбоксилированием образующейся кислоты можно получить соответствующий алкен.

Синтез Кори-Винтера[править | править код]

Синтез Кори-Винтера

Олефинирование Жюлиа-Лижо[править | править код]

Олефинирование Жюлиа-Лижо

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.

Особенностью алкенов являются также реакции циклоприсоединения и метатезиса.

Алкены легко вступают в реакции окисления, гидрируются с сильными восстановителями или водородом под действием катализаторов , а также способны к радикальному замещению.

Реакции электрофильного присоединения[править | править код]

В данных реакциях атакующей частицей является эл

Алкины — Википедия

Алки́ны (иначе ацетиленовые углеводороды) — углеводороды, содержащие тройную связь между атомами углерода, образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n-2. Атомы углерода при тройной связи находятся в состоянии sp-гибридизации.

Для алкинов характерны реакции присоединения. В отличие от алкенов, которым свойственны реакции электрофильного присоединения, алкины могут вступать также и в реакции нуклеофильного присоединения. Это обусловлено значительным s-характером связи и, как следствие, повышенной электроотрицательностью атома углерода. Кроме того, большая подвижность атома водорода при тройной связи обусловливает кислотные свойства алкинов в реакциях замещения.

Впервые ацетилен был получен в 1836 году Эдмундом Дэви, двоюродным братом знаменитого английского химика Гемфри Дэви, нагреванием уксуснокислого калия с древесным углем и последующей реакцией с водой образовавшегося карбида калия [1]. Дэви назвал свой газ «двууглеродистым водородом».

В 1862 году немецкий химик и врач Ф. Вёлер вновь открыл ацетилен, действуя водой на карбид кальция.

В 1863 году французский химик М. Бертло получил ацетилен, пропуская водород над раскалёнными электрической дугой графитовыми электродами[2]. Именно он дал газу имя ацетилен (от латинских слов acetum — уксус и греческого иле — дерево). Русское название «ацетилен» впервые было применено Д. И. Менделеевым[3].

Большую роль в изучении химии ацетилена и его производных в конце XIX века сыграл А. Е. Фаворский.

В 1895 году Ле Шателье обнаружил, что ацетилен, сгорая в кислороде, даёт очень горячее пламя, что впоследствии легло в основу ацетиленовой технологии сварки и резки тугоплавких металлов[4].

Простейшим алкином является этин (ацетилен C2H2). По номенклатуре IUPAC названия алкинов образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса «-ан» на «-ин»; положение тройной связи указывается арабскими цифрами.

Углеводородные радикалы, образованные от алкинов имеют суффикс «-инил», так CH≡C- называется «этинил».

Ниже представлены некоторые представители алкинов и их названия:

Алкины

Различают внутреннюю тройную связь (пример: бут-2-ин) и концевую (пример: бут-1-ин).

Гомологический ряд алкинов:

  • В противном случае, разница в положении тройной связи в двух разных молекулах алкинов (например, бутин-1 и пентин-2) будет сигнализировать о том, что эти вещества будут являтся структурными изомерами по положению связи.

У алкинов связь −С≡С− линейна (угол 180°) и находится в одной плоскости. Атомы углерода связаны одной σ- и двумя π-связями, максимальная электронная плотность которых расположена в двух взаимно перпендикулярных плоскостях[5]. Длина тройной связи примерно 0,121 нм, энергия связи 836 кДж/моль.

Структура тройной связи

На представленной выше диаграмме приведены молекулярные орбитали этилена и ацетилена.

Алкины по своим физическим свойствам напоминают соответствующие алкены. Низшие (до С4) — газы без цвета и запаха, имеющие более высокие температуры кипения, чем аналоги в алкенах. Алкины плохо растворимы в воде, лучше — в органических растворителях.

Физические свойства некоторых алкинов[6][7]
Название Формула Т плавления,°С Т кипения,°С Плотность, d204
1 Этин С2H2 −81,8 −75 0,565*
2 Пропин C3H4 −101,5 −23 0,670*
3 Бут-1-ин HC≡C−CH2CH3 −125,9 8,1 0,678*
4 Бут-2-ин CH3−C≡C−CH3 −32,3 27,0 0,694
5 Пент-1-ин HC≡C−C3H7 −90,0 39,3 0,695
6 Пент-2-ин CH3−C≡C−C2H5 −101,0 55,0 0,714
7 3-Метилбут-1-ин HC≡C−CH(CH3)CH3 н/д 28,0 0,665
8 Гекс-1-ин HC≡C−C4H9 −132,4 71,4 0,719

* Значения измерены при температуре кипения.

Нахождение в природе и физиологическая роль алкинов[править | править код]

В природе алкины практически не встречаются. В некоторых видах грибов Basidiomycetes были обнаружены в крайне малом количестве соединения, содержащие полиацетиленовые структуры[8].

Ацетилен обнаружен в атмосфере Урана[9], Юпитера[10] и Сатурна[11].

Алкины обладают слабым наркозным действием. Жидкие алкины вызывают судороги[12].

Основным промышленным способом получения ацетилена является электро- или термокрекинг метана, пиролиз природного газа и карбидный метод.

Карбидный метод (промышленный способ)[править | править код]

Прокаливанием в электрических печах смеси оксида кальция с коксом при 1800—2000°С получают карбид кальция:

CaO+3C→CaC2+CO{\displaystyle {\mbox{CaO}}+3{\mbox{C}}\rightarrow {\mbox{CaC}}_{2}+{\mbox{CO}}}

При действии на полученный карбид воды образуется гидроксид кальция и ацетилен:

CaC2+2h3O→C2h3+Ca(OH)2{\displaystyle {\mbox{CaC}}_{2}+2{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}\rightarrow {\mbox{C}}_{2}{\mbox{H}}_{2}+{\mbox{Ca(OH)}}_{2}}

Пиролиз углеводородов (промышленный способ)[править | править код]

Суть способа заключается в пропускании над специальной огнеупорной насадкой смеси природного газа с воздухом, который, сгорая, поднимает температуру до 1500 °C. Затем на насадке происходит пиролиз метана[13]:

2Ch5→C2h3+3h3{\displaystyle 2{\mbox{CH}}_{4}\rightarrow {\mbox{C}}_{2}{\mbox{H}}_{2}+3{\mbox{H}}_{2}}

Крекинг природного газа (промышленный способ)[править | править код]

Электрокрекинг[править | править код]

Метод заключается в пропускании метана между двумя металлическими электродами с огромной скоростью. Температура 1500—1600°С. С химической точки зрения метод аналогичен методу пиролиза, отличаясь лишь технологическим и аппаратным исполнением[14].

Термоокислительный крекинг[править | править код]

В этом методе используется частичное окисление метана благодаря использованию теплоты, образующейся при его сгорании[14]:

6Ch5+4O2→C2h3+8h3+3CO+CO2+3h3O{\displaystyle 6{\mbox{CH}}_{4}+4{\mbox{O}}_{2}\rightarrow {\mbox{C}}_{2}{\mbox{H}}_{2}+8{\mbox{H}}_{2}+3{\mbox{CO}}+{\mbox{CO}}_{2}+3{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}}

Метод прямого синтеза[править | править код]

Углерод напрямую взаимодействует с водородом при очень высоких температурах:

2C+h3→C2h3{\displaystyle 2{\mbox{C}}+{\mbox{H}}_{2}\rightarrow {\mbox{C}}_{2}{\mbox{H}}_{2}}

Этот метод имеет чисто историческое значение (получение ацетилена в 1863 году М. Бертло).

Электролиз солей непредельных карбоновых кислот[править | править код]

В 1864 году Кекуле получил ацетилен электролизом фумарата и малеата натрия[15]:

NaOOCCH=CHCOONa+2h3O→C2h3+2CO2+2NaOH+h3{\displaystyle {\mbox{NaOOCCH}}\!\!=\!\!{\mbox{CHCOONa}}+2{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}\rightarrow {\mbox{C}}_{2}{\mbox{H}}_{2}+2{\mbox{CO}}_{2}+2{\mbox{NaOH}}+{\mbox{H}}_{2}}

Аналогично получается ацетилен и из акрилата натрия.

Этот метод носит чисто историческое значение.

Дегидрогалогенирование галогеналканов и галогеналкенов (лабораторный способ)[править | править код]

Реакция дегидрогалогенирования проводят действием сильного основания на дигалогеналканы:

дегидрогалогенирование галогеналканов щелочью

В качестве дегидрогалогенирующего агента удобно использовать амид натрия в жидком аммиаке [16]:

дегидрогалогенирование галогеналканов амидом натрия

Алкилирование алкинов (лабораторный способ)[править | править код]

Алкилирование алкинов с концевой тройной связью производится по следующей схеме:

алкилирование алкинов

    Подробнее смотри подраздел: Реакции нуклеофильного замещения алкинидов.

Прочие лабораторные способы получения алкинов[править | править код]

На первой стадии идёт образование дибромалкена:

Реакция Кори-Фукса-1

На второй стадии происходит обмен брома на литий и альфа-элиминирование с последующим превращением винилидена в алкин в результате перегруппировки Фрича-Буттенбергера-Вихеля:

Реакция Кори-Фукса-2

  • Разложение дигидразонов[18]:

Разложение дигидразонов

  • Перегруппировка Фрича-Буттенберга-Вихелля — превращение 1,1-диарил-2-дигалогенэтиленов в производные ацетилена под действием сильных оснований[19]:

Перегруппировка Фрича-Буттенберга-Вихелля

Кислотные свойства алкинов и реакции нуклеофильного замещения[править | править код]

Образование алкинидов[править | править код]

Алкины с концевой тройной связью являются С-H кислотами (сильнее чем аммиак и алкены, но слабее, чем спирты) которые с очень сильными основаниями могут образовывать соли — алкиниды[6]:

HC≡CH+2NaNh3→NaC≡CNa+2Nh4{\displaystyle {\mbox{HC}}\!\!\equiv \!\!{\mbox{CH}}+2{\mbox{NaNH}}_{2}\rightarrow {\mbox{NaC}}\!\!\equiv \!\!{\mbox{CNa}}+2{\mbox{NH}}_{3}} (ацетиленид динатрия)

HC≡CH+2K→KC≡CK+h3{\displaystyle {\mbox{HC}}\!\!\equiv \!\!{\mbox{CH}}+2{\mbox{K}}\rightarrow {\mbox{KC}}\!\!\equiv \!\!{\mbox{CK}}+{\mbox{H}}_{2}} (ацетиленид дикалия)

Ch4−C≡CH+C2H5MgBr→Ch4−C≡CMgBr+C2H6{\displaystyle {\mbox{CH}}_{3}\!\!-\!\!{\mbox{C}}\!\!\equiv \!\!{\mbox{CH}}+{\mbox{C}}_{2}{\mbox{H}}_{5}{\mbox{MgBr}}\rightarrow {\mbox{CH}}_{3}\!\!-\!\!{\mbox{C}}\!\!\equiv \!\!{\mbox{CMgBr}}+{\mbox{C}}_{2}{\mbox{H}}_{6}} (пропинилмагнийбромид)

Реакция алкинов с аммиакатами серебра или одновалентной меди является качественной на наличие концевой тройной связи[6]:

Ch4−C≡CH+Ag(Nh4)2OH→Ch4−C≡C−Ag↓+ 2Nh4+h3O{\displaystyle {\mbox{CH}}_{3}\!\!-\!\!{\mbox{C}}\!\!\equiv \!\!{\mbox{CH}}+{\mbox{Ag(NH}}_{3})_{2}{\mbox{OH}}\rightarrow {\mbox{CH}}_{3}\!\!-\!\!{\mbox{C}}\!\!\equiv \!\!{\mbox{C}}\!\!-\!\!{\mbox{Ag}}\!\downarrow +\ 2{\mbox{NH}}_{3}+{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}}

Ch4−C≡CH+Cu(Nh4)2OH→Ch4−C≡C−Cu↓+ 2Nh4+h3O{\displaystyle {\mbox{CH}}_{3}\!\!-\!\!{\mbox{C}}\!\!\equiv \!\!{\mbox{CH}}+{\mbox{Cu(NH}}_{3})_{2}{\mbox{OH}}\rightarrow {\mbox{CH}}_{3}\!\!-\!\!{\mbox{C}}\!\!\equiv \!\!{\mbox{C}}\!\!-\!\!{\mbox{Cu}}\!\downarrow +\ 2{\mbox{NH}}_{3}+{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}}

HC≡CH+2Cu(Nh4)2OH→Cu−C≡C−Cu↓+ 4Nh4+2h3O{\displaystyle {\mbox{HC}}\!\!\equiv \!\!{\mbox{CH}}+2{\mbox{Cu(NH}}_{3})_{2}{\mbox{OH}}\rightarrow {\mbox{Cu}}\!\!-\!\!{\mbox{C}}\!\!\equiv \!\!{\mbox{C}}\!\!-\!\!{\mbox{Cu}}\!\downarrow +\ 4{\mbox{NH}}_{3}+2{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}}

Пропинид серебра представляет собой осадок белого цвета, пропинид меди — осадок жёлтого цвета, наконец, диацетиленид меди — осадок красного цвета.

Алкинид серебра легко растворяется при добавлении цианида натрия с выделением соответствующего алкина[8]:

Ch4−C≡C−Ag+2NaCN+h3O→Ch4−C≡CH↑+Na[Ag(CN)2]+NaOH{\displaystyle {\mbox{CH}}_{3}\!\!-\!\!{\mbox{C}}\!\!\equiv \!\!{\mbox{C}}\!\!-\!\!{\mbox{Ag}}+2{\mbox{NaCN}}+{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}\rightarrow {\mbox{CH}}_{3}\!\!-\!\!{\mbox{C}}\!\!\equiv \!\!{\mbox{CH}}\!\uparrow +{\mbox{Na}}[{\mbox{Ag(CN)}}_{2}]+{\mbox{NaOH}}}

    См. также статью: Ацетилениды.

Реакции нуклеофильного замещения алкинидов[править | править код]

Алкиниды являются сильными нуклеофилами и легко вступают в реакции нуклеофильного замещения:

NaC≡CNa+2h3O→HC≡CH+2

Алкены, подготовка к ЕГЭ по химии

Алкены — непредельные (ненасыщенные) углеводороды, имеющие в молекуле одну двойную связь С=С. Такая связь содержит одну сигма-связь (σ-связь) и одну пи-связь (π-связь).

Алкены также называют этиленовыми углеводородами, по первому члену гомологического ряда — этилену — CH2=CH2. Общая формула их гомологического ряда — CnH2n.

Номенклатура и изомерия алкенов

Названия алкенов формируются путем добавления суффикса «ен» к названию алкана с соответствующим числом: этен, пропен, бутен, пентен и т.д.

При составлении названия алкена важно учесть, что главная цепь атомов углерода должна обязательно содержать двойную связь. Принято начинать нумерацию атомов углерода с того края, к которому ближе двойная связь. В конце названия указывают атом углерода, у которого начинается двойная связь.

Номенклатура алкенов

Атомы углерода, прилежащие к двойной связи находятся в sp2 гибридизации.

Для алкенов характерна изомерия углеродного скелета, положения двойной связи, межклассовая изомерия с циклоалканами и пространственная геометрическая изомерия в виде существования цис- и транс-изомеров.

Изомерия алкенов

Некоторые данные, касающиеся алкены, надо выучить:

  • Длина связи между атомами углерода составляет 0,134 нм
  • Тип гибридизации атомов углерода (прилежащих к двойной связи) — sp2
  • Валентный угол (между химическими связями) составляет 120°
Получение алкенов

Алкены получают несколькими способами:

  • Крекинг нефти
  • В результате крекинга нефти образуется один алкан и один алкен.

    C12H26 → C6H12 + C6H14

  • Дегидрирование алканов
  • При наличии катализатора и повышенной температуры от молекул алканов отщепляется водород. Наиболее легко водород отдает третичный атом, чуть труднее — вторичный и заметно труднее — первичный.

    CH3-CH3 → (t, кат) CH2=CH2 + H2

    Дегидрирование алканов
  • Дегидрогалогенирование галогеналканов
  • В реакции галогеналкана со спиртовым(!) раствором щелочи образуется алкен. По правилу Зайцева, водород отщепляется от соседнего наименее гидрированного атома углерода.

    Дегидрогалогенирование галогеналканов
  • Дегалогенирование дигалогеналканов
  • В подобных реакциях применяется цинк (цинковая пыль) — двухвалентный металл, который связывает расположенные рядом атомы галогенов. Между атомами углерода, которым принадлежали галогены, завязывается двойная связь.

    Дегалогенирование дигалогеналканов
  • Внутримолекулярная дегидратация спиртов
  • При нагревании спиртов c серной кислотой — H2SO4, обладающей выраженными водоотнимающими свойствами, происходит отщепление воды от спирта по правилу Зайцева. В результате образуется алкен.

    Внутримолекулярная дегидратация спиртов происходит при t > 140 °C.

    Дегидратация спиртов
Химические свойства алкенов

Алкены — ненасыщенные углеводороды, охотно вступающие в реакции присоединения. Реакции замещения для них не характерны.

  • Гидрирование
  • Водород присоединяется к атомам углерода, образующим двойную связь. Пи-связь (π-связь) рвется, остается единичная сигма-связь (σ-связь).

    Гидрирование алкенов
  • Галогенирование
  • Реакция с бромной водой является качественной для непредельных соединений, содержащих двойные (и тройные) связи. В ходе такой реакции бромная вода обеспечивается, что указывает на присоединение его по кратным связям к органическому веществу.

    Реакция с хлором на свету протекает по свободнорадикальному механизму, так как на свету молекулы хлора расщепляются, образуя свободные радикалы.

    Галогенирование алкенов
  • Гидрогалогенирование
  • Алкены вступают в реакции гидрогалогенирования, протекающие по типу присоединения.

    Гидрогалогенирование протекает по правилу Марковникова, в соответствии с которым атом водорода присоединяется к наиболее гидрированному, а атом галогена — к наименее гидрированному атому углерода.

    Гидрогалогенирование алкенов
  • Гидратация
  • Присоединение воды, гидратация, происходит по правилу Марковникова. Водород присоединяется к наиболее гидрированному атому углерода, гидроксогруппа — к наименее гидрированному.

    Гидратация алкенов
  • Окисление
  • При горении алкены, как и все органические соединения, сгорают с образованием углекислого газа и воды — полное окисление. При неполном окислении образуются окиси.

    Окисление алкенов

    Окисление алкенов перманганатом калия (марганцовкой) в нейтральной среде является качественной реакцией на алкены в частности, и непредельные углеводороды в целом. В результате реакции фиолетовый раствор марганцовки обесцвечивается и выпадает осадок бурого цвета — MnO2.

    В более жестких условиях — при подкислении раствора серной кислотой, реакция идет с полным разрывом в самом слабом месте молекулы — двойной связи.

    Окисление алкенов перманганатом калия
  • Полимеризация
  • Полимеризация — цепная реакция синтеза полимеров, при котором молекула полимера образуется путем последовательного соединения молекул мономеров.

    Индекс «n», степень полимеризации, обозначает число мономерных звеньев, которые входят в состав полимера.

    Полимеризация алкенов

©Беллевич Юрий Сергеевич

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Строение, изомерия и гомологический ряд алкадиенов

Алкадиены – это непредельные (ненасыщенные) нециклические углеводороды, в молекулах которых присутствуют две двойные связи между атомами углерода С=С.

Общая формула алкадиенов CnH2n+2 (как у алкинов, а также циклоалкенов), где n ≥ 3.

Наличие двух двойных связей между атомами углерода очень сильно влияет на свойства углеводородов. В этой статье мы подробно остановимся на свойствах, способах получения и особенностях строения алкадиенов.

Строение, изомерия и гомологический ряд алкадиенов

Химические свойства алкадиенов

Получение алкадиенов

 

Свойства алкадиенов определяются их строением и взаимных расположением двойных связей в молекуле.

Изолированные двойные связи разделены в углеродной цепи двумя или более σ-связями С–С. Например, в пентадиене-1,4:

CH2=CH–CH2–CH=CH2

Изолированные алкадиены проявляют свойства алкенов.

Кумулированные двойные связи расположены в углеродной цепи у одного атома углерода. Например, пропадиен:

CH2=C=CH2

Кумулированные алкадиены неустойчивы.

Сопряженные двойные связи разделены одной σ-связью С-С. Например, бутадиен-1,3:

CH2=CH–CH=CH2

Сопряженные алкадиены обладают характерными свойствами, которые отличаются от свойств алкенов.

Строение сопряженных алкадиенов

Молекула бутадиена-1,3 содержит четыре атома углерода в sp2гибридизованном состоянии. 

π-Электроны двойных связей образуют единое π-электронное облако (сопряженную систему) и делокализованы (равномерно распределены) между всеми атомами углерода.

Это соответствует плоскому строению молекулы бутадиена-1,3.

Образуется единая сопряженная π-система, которая может вступать во взаимодействие целиком, используя все четыре р-орбитали π-связей. 

Реальное строение бутадиена более точно отражает формула с делокализованными «полуторными» связями.

Аналогичное устроены и другие сопряженные алкадиены.

Например, 2-метилбутадиен-1,3:

Сопряжение в молекуле алкадиенов можно также схематично изобразить так:

Изображение с сайта orgchem.ru

Для  алкадиенов характерна структурная и пространственная изомерия.

Структурная изомерия

Для  алкенов характерна структурная изомерия – изомерия углеродного скелета, изомерия положения кратных связей и межклассовая изомерия.

Структурные изомеры — это соединения с одинаковым составом, которые отличаются порядком связывания атомов в молекуле, т.е. строением молекул.

Изомеры положения двойных связей отличаются положением двойных связей.

Например.

Изомеры положения двойных связей с формулой С6Н10 — гексадиен-1,3 и гексадиен-2,4

Гексадиен-1,3

Гексадиен-2,4

Межклассовые изомеры — это вещества разных классов с различным строением, но одинаковым составом. Алкадиены являются межклассовыми изомерами с алкинами и циклоалкенами с общей формулой — CnH2n-2.

Например.

Межклассовые изомеры с общей формулой  С4Н6 — бутадиен-1,3, бутин-1, циклобутен

Изомеры углеродного скелета отличаются строением углеродного скелета.

Например.

Изомеры углеродного скелета, которые соответствуют формуле С5Н8 — пентадиен-1,3 и 2-метилбутадиен-1,3 (изопрен)

Пентадиен-1,32-Метилбутадиен-1,3

Пространственная изомерия

Для некоторых алкадиенов характерна пространственная изомерия: цис-транс-изомерия и оптическая.

Алкадиены, которые обладают достаточно большим углеродным скелетом, могут существовать в виде оптических изомеров. В молекуле алкадиена должен присутствовать асимметрический атом углерода (атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями).

Цис-транс-изомерия обусловлена отсутствием вращения по двойной связи у некоторых алкадиенов.

Алкадиены, имеющие у каждого из двух атомов углерода при двойной связи различные заместители, могут существовать в виде двух изомеров, отличающихся расположением заместителей относительно плоскости π-связи.

Алкадиены, в которых одинаковые заместители располагаются по одну сторону от плоскости двойной связи, это цис-изомеры. Алкадиены, в которых одинаковые заместители располагаются по разные стороны от плоскости двойной связи, это транс-изомеры.

цис-Алкадиен

транс-Алкадиен

Цис-транс-изомерия не характерна для тех алкадиенов, у которых хотя бы один из атомов углерода при двойной связи имеет два одинаковых соседних атома.

Например.

Для бутадиена-1,3 цис-транс-изомерия не характерна, так как у одного из атомов углерода при двойной связи есть два одинаковых заместителя (два атома водорода)

CH2=CH–CH=CH2

В названиях алкадиенов для обозначения двух двойных связей используется суффикс -ДИЕН.

Например, алкадиен имеет название бутадиен-1,3.

При этом правила составления названий (номенклатура) для алкадиенов в целом такие же, как и для алканов. 

Для простейших алкадиенов применяются также исторически сложившиеся (тривиальные) названия:

Тривиальное названиеФормула алкадиена
Дивинил
Изопрен

 

 

Поделиться ссылкой:

Учебно-методический материал по химии (10 класс) на тему: открытый урок по теме: «Алкены. Строение. Гомологический ряд этилена. Номенклатура. Изомерия алкенов»

Тема:«Алкены. Строение. Гомологический ряд этилена. Номенклатура.        

Изомерия алкенов»

Цель урока:

  • выработка умений самостоятельно применять знания об алканах, применять их в новых условия.
  • изучить строение алкенов; выявить их существенные отличия от алканов; рассмотреть виды изомерии алкенов; основываясь на особенностях строения, спрогнозировать химические свойства алкенов.

Задачи урока:

  • Образовательные:
  • формирование знаний школьников о непредельных углеводородах и об алкенах как самостоятельном классе этих веществ, а также об особенностях их электронного строения, изомерии, номенклатуры, физических свойств;
  • показать место и значение алкенов среди углеводородов и в жизни человека;

Развивающие:

  • развивать умение учащихся на основе теоретических знаний сравнивать, анализировать, обобщать, логически рассуждать, устанавливать взаимосвязь строения и свойств веществ.
  • развивать внимание, познавательный интерес учащихся к предмету путем формирования мотивов деятельности и использования разнообразных форм работы (коллективная, индивидуальная, парная).

Воспитательные:

  • воспитывать желание учиться активно, с интересом, прививать сознательную дисциплинированность, четкость и организованность в работе.

Форма проведения: урок-игра.

Тип урока:  урок формирования новых знаний.  

Оборудование:

1. Комплект для построения шаростержневых моделей молекул.

2. Раздаточный материал:«судовой журнал»

3. Презентация: «Алкены. Строение. Гомологический ряд этилена. Номенклатура. Изомерия алкенов» .

Ход урока

(слайд №1)

Любой человек, невзирая на возраст любит путешествовать. Вот и я Вас приглашаю совершить вместе со мной путешествие на прекрасном лайнере. Я – «капитан», Вы – пассажиры. Нам нужен штурман, который будет моим помощником. Его мы можем выбрать по количеству жетонов за отгаданный кроссворд.
Сегодня вместо тетрадей вы будете работать с «судовым журналом», который у Вас на столах.
Итак, начинаем. Чтобы определить- кто поведёт карабль? Небоходимо ответить на вопросы  кроссворда:(слайд №2-10)

  1. Процесс выравнивания S и P электронных облаков
  2. Гомолог метана, формула которого C4h20.
  3. Основной компонент болотного газа
  4. Вещества относящиеся к одному классу, но отличающиеся друг от друга на одну или несколько групп  -Ch3
  5. Вещество получаемое в процессе дегидратации этилового спирта
  6. Частица несущая один не спаренный электрон
  7. Вещества имеющие одинаковое число атомов, одну и ту же молекулярную массу, но различное химическое строение
  8. Ученый, который получил этан из галогеннопроизводных предельных углеводород с металлическим натрием:

По итогам назначается Штурман.____________

Учитель: Итак карабль готов к выходу в плаванье. Отдать швартовый !

Учитель ставит перед штурманом задачу: на протяжении всего нашего плаванья  следить за курсом, за правильные ответы учащимся выдавать жетоны.

Учитель: (слайд №11)

Штурман, что у нас по курсу?
Штурман:

1. Форватор основных понятий.

Как нам его преодалеть?

Учитель: Чтобы выйти из бухты необходимо ответить на вопросы в «судовом журнале»

Работа учащихся на местах:

1. Вопрос в «судовом журнале» (слайд №12)   Ответ (слайд №13)

— Из перечисленных веществ, выпишите формулы предельных УВ  и дайте им названия:

C4H8, Ch5, C5h22, C2h5, C3H6, C7h26, C8h28, C8h26, C5h20 .

!!!! Один учащийся тем временем решает задачу у доски на вывод химической формулы:

Задача. Выведите молекулярную формулу УВ, если известно, что массовая доля углерода в данном веществе составляет 87,5%, массовая доля водорода – 14,3%. Плотность данного вещества по водороду равна 14.   (Ответ: C2h5)

Все вещества которые вы выписали относят к классу алканов. Давайте дадим  характеристику класса, ответив на вопрос 2.

2. Вопрос в «судовом журнале»

Заполните таблицу отвечая на вопросы:

  1. Какова общая формула алканов?
  2. Какой тип гибридизации характерен для атомов углерода у алканов?
  3. Чему равен валентный угол?
  4. Форма молекул алканов?
  5. Виды связи?
  6. Длина связи С – С ?
  7. Виды изомерии?

                                               Ответ (слайд №14)     

 Признаки

Предельные УВ

(насыщенные, алканы)

1. Общая формула

Cnh3n+2  

2. Тип гибридизации

sp3

3. Валентный угол

109о28

4. Форма молекулы

тетраидрическая

5. Виды связей

σ — связь

6. Длина связи

0,154 нм

7. Виды изомерии

Структурная:

изомерия углеводородного скелета

Учитель: Штурман, что у нас дальше по курсу?              

Ответ (слайд №15)     
                                                   2. Море классов органических соединений

Учитель:

1. Будет ли УВ, формулу которого была  выведена в задаче относится к предельным УВ? Почему? — Не отвечает общей формуле алканов

2. Является ли данный УВ насыщенным?  — Данный УВ не является насыщенным

Данный УВ используют широко для обработки фруктов и овощей, чтобы ускорить их созревание. Сегодня его широко применяют для получения многих видов пластмасс. Это этилен.

Учитель: Как вы думаете, какую тему урока мысегодня будем изучать?  Ответ (слайд №16)

Записать тему в «судовой журнал»

Тема: «Алкены. Строение. Гомологический ряд этилена. Номенклатура. Изомерия алкенов»

???? Постановка целей урока                         

Сообщение учащегося об истории открытия и истории названия этилена.

Ответ (слайд №17)       

Впервые этилен был получен в 1669 г. немецким химиком Иоганном Иоахимом Бехером (1635–1682)… случайно! В одном из опытов он вместо добавления к нагретому купоросному маслу (концентрированной серной кислоте) еще одной его порции в рассеянности прилил винный спирт (этанол), который находился рядом в стакане. Бехер увидел сильное вспенивание раствора с выделением неизвестного газа, похожего на метан СН4. В отличие от метана новый газ горел коптящим пламенем и обладал слабочесночным запахом. Бехер установил, что его “воздух” более химически активен, чем метан. Так был открыт этилен С2Н4, образующийся по реакции:

Современники не смогли по достоинству оценить открытие учёного. Ведь Бехер не только синтезировал новый углеводород, но и впервые применил химический катализатор в процессе реакции. До этого в научной практике применялись только биологические катализаторы природного происхождения – ферменты. Этилен более 100 лет после его открытия не имел собственного названия.

В конце ХVIII века выяснилось, что при взаимодействии с хлором “газ Бехера” превращается в маслянистую жидкость; после чего его назвали олефином, что значит рождающий масло. Затем это название распространилось на все углеводороды, которые имели подобное этилену строение. И только в середине XIX в. “газ Бехера” получил название “этилен”, которое дал ему А.М. Бутлеров. Это название и осталось в химии до наших дней.

Работа учащихся на местах: Вопрос в «судовом журнале»

1. Выразить строение этилена структурной формулой, если согласно теории А.М.Бутлерова углерод в органических соединениях четырёхвалентен.

Ответ (слайд №18)

2. Лабораторный опыт № 1: Собрать шаростержневую модель молекулы этилена, ответить на ряд вопросов, заполнив таблицу:

  • Сколько сигма-связей в молекуле этена? Ответ (слайд №19)
  • В состоянии какого типа гибридизации находятся атомы углерода в этом соединении?
  • Сколько гибридных и негибридных орбиталей в атоме углерода в sp2- гибридном состоянии?
  • Как расположены гибридные орбитали в пространстве?
  • Каков будет угол связи?
  • Какая из связей более прочная: сигма- или пи-связь? Ответ (слайд №20)

3. Характеристика двойной связи.  Ответ (слайд №21)

Сделать вывод о характере двойной связи:

а) двойная связь является сочетанием сигма- и пи-связей, различающихся своей прочностью.

б) наличие пи-связи (более слабой) объясняет высокую химическую активность алкенов.

Учитель:

Ответив на вопросы, мы двигаемся дальше по курсу. Штурман, что у нас дальше по курсу?              

Ответ (слайд №22)     

3. Рифы химических формул

Задание классу: в «судавом журнале»

Гомологический ряд алкенов.

1. Составить молекулярные формулы первых семи представителей ряда этена Ответ (слайд № 23).  Существует ли алкен с одним атомом углерода?

Номенклатура алкенов.             

2. Назовите непредельный углеводород. (слайд №24,25)

                                                СН2   

                                                     ||

                           СН3 – СН2 – СН2 – С– СН2 – СН3       (2- этилпентен-1)

Запомни!!!      (слайд №26)                

 Названия одновалентных радикалов алкенов: -СН=СН2 (винил)    –СН2–СН=СН2   ( аллил )    

Изомерия. (Предложить учащимся ответить на вопросы)   

1. Какие виды изомерии характерны для алкенов?

— изомерия углеродного скелета. Ответ (слайд № 27)

— изомерия положения двойной связи. Ответ (слайд № 28)

— межклассовая изомерия. Ответ (слайд № 29)

Лабораторный опыт № 2: (слайд № 30)

а) заменить в шаростержневой модели молекулы этилена два атома водорода на 2 атомыа хлора по вариантам.

б) возможно свободного вращения атомов углерода при двойной связи?

в) сравнить полученные вещества и ответить на вопрос:Может ли молекула одной конфигурации  свободно превратиться в молекулу другой конфигурации ?

  • Это два разных вещества, изомерных друг другу.  (слайд № 31)
  • Данный вид изомерии обусловлен не разным порядком соединения атомов в молекулах, а различным расположением атомов в пространстве.

Это один из видов пространственной изомерии – геометрическая изомерия.

Если замещающие группы в изомере находятся по одну сторону плоскости двойной связи, то будет цис-изомер (цис- от лат.- по эту сторону), если они находятся по разные стороны – транс-изомер (транс- от лат. – через, по разные стороны).

Эти изомеры отличаются физическими и химическими свойствами.

Вывод:

  • для алкенов характерна пространственная (цис-, транс) изомерия.
  • цис-транс-изомерия возникает только в том случае, если каждый из атомов углерода, связанных двойной связью, соединён с разными атомами или группами атомов.

Учитель: Давайте заполним таблицу в «судовом журнале»

Тип изомерии

Виды изомерии

     l Структурная изомерия

1 углеродного скелета

2 положения двойной связи

3 межклассовая

 ll  Пространственная изомерия

1 цис-изомерия

2 транс-изомерия

Физические свойства алкенов. Ответ (слайд № 32)

Изменение физических свойств происходит вслед за возрастанием Mr веществ.

По физическим свойствам алкены близки к алканам, т.к. их молекулы также практически неполярны. С воздухом этилен образует взрывоопасные смеси. Жидкие алкены имеют неприятный специфический запах.

Распространение в природе.  В отличие от предельных УВ алкены в природе, как правило, не встречаются, что объясняется их высокой химической активностью. Этилен может входить в состав природного и попутного газов, правда содержание его невелико (0,5- 4%). Газообразные алкены выделяют из газов нефтепереработки, а также из газов коксообразования угля.

Учитель: Штурман, что у нас дальше по курсу?  Ответ (слайд №33)

                                                           

4. Залив знаний

Чтобы преодалеть это испатание нам необходимо ответить на ряд вопросов.

1. Какое вещество является лишним? Почему?(слайд №34)

А) 3-метилпентен-1                          Г) 2-метил-4-этилгексен-2       Ж) циклогексан
           Б) 2,2-диметил-3-этилгептен-3       Д) 3-метилпентен-2                    З) цис-изомер-гексен-2

            В) 2-метилоктен-2                            Е) 3-метилгексен-2                    И) гексан

Ответ (слайд №35) Какое вещество является лишним? Почему? — И) гексан

2. Какие вещества являются изомерами? Почему?   (слайд №36)

Ответ (слайд №37)  Какие вещества являются изомерами? Почему? — 1)  А и Д; 2) В и Г.

  • 3. Вставьте в текст соответствующие слова и символы из скобок  (слайд №38)

Алкенами называются УВ, содержащие в молекуле одну…. (одинарную, двойную, тройную) связь и имеющие общую формулу …. (СnН2n+2, СnН2n, СnН2n-2). Длина углерод-углеродной связи в этилене ….(больше, меньше), чем в этане, и равна ….(0,154 нм, 0,120 нм, 0,134 нм)

Ответ (слайд №39)

Алкенами называются УВ, содержащие в молекуле одну…. (одинарную, двойную, тройную) связь и имеющие общую формулу …. (СnН2n+2  СnН2n   СnН2n-2  ). Длина углерод-углеродной связи в этилене ….(больше, меньше), чем в этане, и равна ….(0,154 нм, 0,120 нм, 0,134 нм)

5. Порт

Учитель:  (слайд №40)

Итак, мы подошли в конечный пункт нашего путешествия – порт.

Давайте подведём итог нашему путешествию, ответив вопросы в «судовам журнале»:  

(слайд №41)

  1. Что мы узнали в ходе путешествия?
  2. Где встретились затруднения на нашем пути?
  3. С каким настроением Вы вернулись в Порт?(поднимите смайлик)

Учащиеся отвечают на вопросы,  учитель считает количество жетонов и выставляет оценки за урок.

(слайд №42) Домашнее задание

Учитель: Домашнее задание у вас находится в «судовом журнале»

1.  §7

 2. Напишите структурные формулы веществ:

а)  3-метилпентен-1                         б) 2,2-диметил-3-этилгептен-3                 в) 2-метилоктен-2

г) 2-метил-4-этилгексен-2               д) 3-метилпентен-2                                    е) 3-метилгексен-2

ж) циклогексан                                  з) цис-изомер-гексен-2

  (слайд №43)     Спасибо за внимание!

Физические и химические свойства алкенов

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

Таблица 2. Гомологический ряд алкенов.

Название химического соединения Структурная формула

Этен (этилен)

C2H4 (СH2 = CH2)

Пропен (пропилен)

C3H6 (СH2 = CH-CH3)

Бутен

C4H8

Пентен

C5H10

Гексен

C6H12

Гептен

C7H14

Октен

C8H16

Нонен

C9H18

Декен

C10H20

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).

Рис. 1. Геометрические изомеры бутена-2.

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 С24 – газы, С517 – 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

Алкадиены, подготовка к ЕГЭ по химии

Алкадиены — непредельные (ненасыщенные) углеводороды, имеющие в молекуле две двойных связи С=С. Каждая такая связь содержит одну сигма-связь (σ-связь) и одну пи-связь (π-связь).

Алкадиены также называют диеновыми углеводородами. Первый член гомологического ряда — пропадиен — CH2=C=CH2. Общая формула их гомологического ряда — CnH2n-2.

Номенклатура и изомерия алкадиенов

Названия алкенов формируются путем добавления суффикса «диен» к названию алкана с соответствующим числом: пропадиен, бутадиен, пентадиен и т.д.

При составления названия алкадиена важно учесть, что главная цепь атомов углерода должна обязательно содержать двойные связи. Нумерация атомов углерода в ней начинается с того края, к которому ближе двойная связь. В конце названия указывают атомы углерода, у которых начинается двойная связь.

Номенклатура алкадиенов

Атомы углерода, прилежащие к двойной связи находятся в sp2 гибридизации.

Для алкадиенов характерна изомерия углеродного скелета, положения двойных связей, межклассовая изомерия с алкинами и пространственная геометрическая изомерия в виде существования цис- и транс-изомеров.

Изомерия алкадиенов

Также к синтетическим каучукам относится бутадиен-1,3 (дивинил).

Классификация по положению двойных связей

В зависимости от того, как чередуются двойные связи в молекуле алкадиена, они подразделяются на следующие типы:

  • Кумулированные двойные связи
  • В случае, если две двойные связи прилежат к одному и тому же атому углерода.

    Пример — пропадиен-1,2 (аллен) — CH2=C=CH2

    В молекуле аллена все атомы углерода находятся в состоянии sp2гибридизации.

  • Сопряженные двойные связи
  • В случае, если две двойные связи разделены одной одинарной связью. В результате такого взаиморасположения в молекулах возникает сопряжение: формируется единое π-электронное облако.

    Помните, что сигма-связи (σ-связи) перекрываются вдоль линии плоскости, а пи-связи (π-связи) над и под линией плоскости (линией, соединяющей центры атомов).

    Сопряжение в молекуле бутадиена

    Пример — бутадиен-1,3 — CH2=CH-CH=CH2

  • Изолированные двойные связи
  • В случае, если две двойные связи разделены двумя и более одинарными связями.

    Пример — пентадиен-1,4 — CH2=CH-CH2-CH=CH2

Получение алкадиенов

Алкадиены получают несколькими способами:

  • Дегидрогалогенирование дигалогеналканов
  • В результате реакции молекулы алкана, содержащей два атома галогена, со спиртовым (!) раствором щелочи получается алкадиен. В зависимости от положения галогенов возможны разные варианты.

    Отщепление идет по правилу Зайцева: атом водорода отщепляется от соседнего, наименее гидрированного атома углерода.

    Получение алкадиенов
  • Синтез С.В. Лебедева
  • Сергей Васильевич Лебедев в 1927 году разработал первый промышленный способ получения синтетического каучука из этилового спирта.

    2CH3-CH2-OH → (450 °C, кат. ZnO) CH2=CH-CH=CH2 + 2H2O + H2

    Каучук занимает важное место в промышленности благодаря своим свойствам: водонепроницаемости, эластичности и способности к электроизоляции. Путем вулканизации из каучука получают резину, использующуюся повсеместно.

    Вулканизация каучука
  • Дегидрирование алканов
  • В результате отщепления водорода от молекулы алкана образуются двойные связи. Дегидрирование происходит при повышенной температуре и в присутствии катализатора.

    Получение алкадиенов
Химические свойства алкадиенов

Алкадиены — ненасыщенные углеводороды, легко вступающие в реакции присоединения. Реакции замещения для них не характерны. Наличие сопряженных двойных связей увеличивает реакционную способность молекулы и обуславливает необычный механизм некоторых реакций.

  • Гидрирование
  • Водород присоединяется к атомам углерода, образующим двойную связь. Пи-связь (π-связь) рвется, остается единичная сигма-связь (σ-связь).

    Гидрирование алкадиенов
  • Галогенирование
  • Реакция с бромной водой является качественной для непредельных соединений, содержащих двойные (и тройные) связи. В ходе такой реакции бромная вода обеспечивается, что указывает на присоединение его по кратным связям к органическому веществу.

    В случае, если двойные связи находятся в сопряжении, выход продуктов во многом зависит от температуры. Например, в ходе галогенирования бутадиена-1,3 при -80°C преимущественно получается продукт 1,2-присоединения, а при +60°C — продукт 1,4-присоединения.

    Галогенирование алкадиенов
  • Гидрогалогенирование
  • Алкадиены вступают в реакции гидрогалогенирования, протекающие по типу присоединения.

    Гидрогалогенирование протекает по правилу Марковникова, в соответствии с которым атом водорода присоединяется к наиболее гидрированному, а атом галогена — к наименее гидрированному атому углерода.

    Гидрогалогенирование алкадиенов
  • Окисление
  • При горении алкадиены, как и все органические соединения, сгорают с образованием углекислого газа и воды — полное окисление.

    2CH2=CH-CH=CH2 + 11O2 → 8CO2 + 6H2O

  • Полимеризация
  • Полимеризация — цепная реакция синтеза полимеров, при котором молекула полимера образуется путем последовательного соединения молекул мономеров.

    Индекс «n», степень полимеризации, обозначает число мономерных звеньев, которые входят в состав полимера.

    Полимеризация алкадиенов

©Беллевич Юрий Сергеевич

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *