Алкены - общая характеристика, химические и физические свойства

Структура и свойства

Структурную (пространственную) изомерию имеют представители с четырьмя и более углеродными атомами. Это означает, что для каждой молекулярной формулы можно создать два и более изомера. Наглядно строение можно увидеть на примере бутена — С4Н8 (СН2 = СН-СН2-СН3):

1. СН3-СН = СН-СН3 — бутен-2;
2. (С Н3)2С = СН2 — 2-метилпропен.

Однако существует другой вид изомерии — геометрическая. Поскольку углеродная связь не позволяет вращаться вокруг неё, группы СН3 блокируются на одной стороне молекулы или напротив друг друга.

Соединения содержат двойную карбоновую связь. Именно она определяет и меняет физические свойства алкенов:

1. Физическое состояние. Этилен, пропилен и бутен существуют в виде бесцветных газов. Элементы из пяти и более атомов углерода (гентен, гексен и гептен) являются жидкими. Представители, которые вмещают в себя пятнадцать и более углеродных атомов, — твёрдые вещества.
2. Плотность. Алкены неполярные и менее плотные, чем вода, поэтому практически нерастворимы в ней.
3. Растворимость. Хорошо растворяются в органических растворителях.
4. Точки кипения. Температура кипения зависит от молекулярной массы соединения (длины цепи). Чем больше добавлено межмолекулярной массы, тем выше t кипения.
5. Точки плавления. Это свойство зависит от упаковки молекулы. Однако цис-изомеры, которые упакованы в форме U-изгиба, будут иметь более низкие точки плавления, чем транс-изомеры. Пример в таблице:

   Соединения	Точка плавления, ° С	Точка кипения, ° С
   Этилен	- 169	- 104
   Пропен	- 185	- 47
   1-пентен	- 165	30
   1-гептен	- 119	115

6. Полярность. Алкены неполярны. Химическая структура и функциональные группы могут влиять на полярность алкеновых соединений. Углерод sp2 (орбитальные гибридизации) — более электроноаккумулирующий, чем гибридизирующие орбитали sp3, поэтому создаёт слабый диполь вдоль углеродной связи заместителя.

Почти все представители семейства не проводят электричество. Некоторые соединения имеют запах. Например, этилен — сладковатый. А этан совсем не пахнет.

Реакционная способность

Алкеновые соединения относительно стабильные. Однако они более реакционноспособны, чем алканы. Это связано, вероятно, с особенностями связи углерод-углерод. Основные химические свойства алкенов — участие в реакциях.

Первая — реакция добавления. Она происходит путём раскрытия двойной связи. Основной механизм — электрофильное присоединение. Например, гидрогалогенирование, галогенирование, образование галогидрина, оксимеркурация, гидроборирование, добавление дихлоркарбена, реакция Симмонса-Смита, каталитическое гидрирование, эпоксидирование, радикальная полимеризация и гидроксилирование. Более подробно о самых распространённых:

1. Гидрирование. Даёт соответствующий алкан. Реакцию проводят под давлением при температуре 200 ° C в присутствии металлического катализатора. В промышленности используют катализаторы, основанные на палладии, никеле или платине. В лабораторном синтезе часто применяют никель Ренея (сплав с алюминием). Пример каталитического гидрирования этилена с получением этана: СН2 = СН2 + Н2 → СН3 - СН3.
2. Гидратация. Добавление воды через двойную связь алкенов. Приводит к спиртам. В качестве катализатора реакции выступают сильные кислоты, например, серная. В промышленности проводят для получения этанола: СН2 = СН2 + Н2О → СН3 - СН2ОН.
3. Галогенирование. Добавление элементарного брома или хлора к алкенам даёт вицинальные дибром- и дихлоралканы (1, 2-дигалогениды или этилендигалогениды) соответственно. Кстати, аналитическим тестом на наличие алкеновых соединений в воде является добавление в неё раствора брома. Если он обесцветился, алкены есть.
4. Гидрогалогенация. Представляет собой добавление таких галогеноводородов, как HCI и/или HI, к алкенам с получением соответствующих галогеналканов. Когда два атома углерода в двойной связи связаны с различным числом атомов водорода, то галоген будет находиться преимущественно в углеродном атоме с меньшим количеством водородных заместителей. Эта модель более известна как правило Марковникова. Использование радикальных инициаторов, а также других соединений может привести к противоположному результату. Бромистоводородная кислота, в частности, склонна к образованию радикалов в присутствии различных примесей или даже атмосферного кислорода.
5. Образование галогидрина. Происходит в результате реакции присоединения, когда алкены реагируют с водой и галогенами.
6. Окисление. Алкены реагируют с больши́м количеством окислителей. Присутствие кислорода вызывает горение алкенов с образованием углекислого газа и воды. Эпоксиды получаются в результате каталитического окисления алкеновых соединений с перкарбоновыми кислотами. Озонолиз приводит к разрыву двойной связи. В результате получаются два альдегида или кетоны.
7. Фотооксигенация. В присутствии подходящего фотосенсибилизатора, таких как метиленовый синий и свет, алкены вступают в реакцию с активными формами кислорода, генерируемыми, например, гидроксильными радикалами или синглетным кислородом.

Вторая распространённая химическая реакция — полимеризация. Она даёт полимеры высокой промышленной ценности при большой экономичности процесса. Получаются, например, различные пластмассы, полиэтилен и полипропилен. Полимеры из алкеновых мономеров принято называть полиолефинами или в редких случаях полиалкенами.

Помимо перечисленных, алкены могут участвовать в других реакциях, например, в алкилировании, поэтому часто служат сырьём для нефтехимической промышленности.

Получение алкенов

В промцелях алкены получают путём крекинга (сложные молекулы разбиваются на более простые) углеводородов. Основным сырьём являются компоненты природного газового конденсата — этан и пропан. Алканы распадаются при высоких температурах в присутствии цеолитного катализатора. Смесь затем разделяется путём фракционной перегонки. Такой метод используется в основном для получения небольших алкенов, содержащих до шести атомов углерода.

Одним из основных способов синтеза алкенов в лабораторных условиях является удаление в помещении алкилгалогенидов, спиртов и подобных соединений. Самой распространённой считается бета-элиминация по механизму Е2 или Е1. Ещё один метод получения алкеновых соединений включает построение новой углерод-углеродной связи путём сочетания карбонильного соединения (альдегид или кетон) с карбанионным эквивалентом. Такие реакции иногда называют олифенациями. Наиболее известным из этих методов является реакция Виттига.

Алкены могут быть получены путём обмена с другими алкеновыми соединениями в реакции, известной как метатезис олефина. Катализируемое переходным металлом гидровинилирование является ещё одним важным процессом синтеза. Как правило, это включает добавление водорода и винильной группы (или алкенильной) через двойную связь. В настоящее время такую реакцию проводят с помощью таких катализаторов, как железо, кобальт и палладий.

Монозамещённые алкены получают путём карбометаллирования алкинов, что приводит к разнообразию получаемых соединений. Помимо метасинтеза олефинов, используют большое количество перициклических реакций, например, перегруппировку Куопа.

Образование названий

Молекулярная формула углеводорода показывает информацию о возможных типах структур, которые он может представлять. Соединения могут иметь тройную связь, две двойные, одно или два кольца. Поэтому, как и в случае алканов, было необходимо принять последовательную систему номенклатуры, которая могла бы разделять природу этих ненасыщенных химических веществ.

Самыми простыми являются алкены, представляющие собой углеводороды, которые имеют функциональные группы углерод-углеродная двойная связь с формулой CnH2n. Общие правила Международного союза теоретической и прикладной химии (англ. аббр. ИЮПАК) по номенклатуре для класса алкенов гласят:

• На группу указывает суффикс (окончание) -ен.
• Самая длинная цепь, выбранная для имени корня, должна включать оба атома углерода двойной цепи.
• Корневая цепочка должна быть пронумерована от конца ближайшего к атому углерода двойной связи. Если связь находится в центре цепи, для определения конца, где начинается нумерация, используется правило ближайшего заместителя.
• Меньшее из двух чисел, обозначающих атомы углеродной связи, используется в качестве её локатора.
• Соединения называются диеновыми, триеновыми. Добавляется другой эквивалентный префикс, указывающих на количество связей, с присвоением номера локатора.
• Заместителями являются: винильная - Н2С = СН и аллильная группы - Н2С = СН-СН2.

Системные имена алкенов по первому правилу МСТПХ можно представить в виде таблицы. Она содержит первые двадцать представителей с прямой цепью.

Согласно второму правилу, если алкен содержит только одну двойную карбоновую связь, и она является концевой, то никаких чисел перед именем не ставят. Например:

• бутан С4Н10 (СН3СН2СН2СН3);
• бутен С4Н8 (СН2 = СНСН2СН3).

В ином случае атомы углерода должны быть пронумерованы таким образом, чтобы дать первому из двух двойных минимально возможное число. При этом оно должно предшествовать суффиксу -ен с тире, например:

• пент-2-ен (СН3СН = СНСН2СН3) - правильно, но допускается написание 2-пентен;
• пент-3-ен (СН3СН2СН = СНСН3) - неверно, поскольку переворот формулы приводит к меньшему числу.

Часто вызывает затруднения шестое правило. Нужно помнить, что общее название этенила — винил, а 2-пропенила — аллил. Формулы заместителей следующие:

• винильный Н2С = СН-;
• аллильный Н2С = СН-СН2 -.

Понять и закрепить правило помогут уравнения. Необходимо взять молекулярную формулу алкена и назвать его, согласно правилам МСТПХ и, наоборот, по имени соединения написать формулу.

Способы применения

В природе алкеновые соединения чаще всего являются частью других веществ. Терпены — основные компоненты эфирных масел. Например, альфа-пинен входит в состав скипидарного масла, а 1-ментен даёт характерный аромат мяте. Конъюгированными полиенами являются, например, витамин А и бета-каротин. В этом контексте интересно отметить, что процесс зрения основан на индуцированной светом цис-транс-изомеризации, связанного с белком ретинола.

Натуральный каучук — полиен, полученный из молочного сока каучукового дерева. Формально этот ненасыщенный углеводород получают путём полимеризации изопрена. Этен — самый простой алкен, также встречается в природе. Как растительный гормон он влияет на созревание плодов. Фрукты, например, киви, которым предстоит долгое путешествие и длительное хранение, собирают рано и держат при низких температурах и высоких СО2 концентрациях. Впоследствии их созревание начинается с обработки плодов газообразным этиленом.

Благодаря качественным характеристикам применение алкенов в промышленной среде довольно разнообразно. Они используются для исходных материалов при синтезе спиртов, пластмасс, лаков, моющих средств и топлива:

1. Этен. Применяется в качестве органического сырья в химической промышленности. Его получают из природного газа и сырой нефти путём крекинга. Из него производят такие продукты, как полиэтилен, винилхлорид, стирол.
2. Пропен. Используется в основном для производства различных продуктов окисления, таких как бутанол, акриловая кислота, акролеин и прочих.
3. Бутадиен. Из него готовят различные синтетические каучуки и другие ударопрочные полимеры.

К слову, алкены используют для производства ядовитого газа иприта, который является боевым оружием. В быту алкеновые соединения в чистом виде не применяются.