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

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 послужил хлористый 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 CnH₂n.

1. Строение алкенов

    Простейшим представителем этиленовых углеводородов, его родоначальником является этилен (этен) С₂Н₄. 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 (sр₂-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

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

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

    Н₃С--СН==СН--CH₂--СН₃

     метилэтилэтилен

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

    Н₂С==СН-- - винил (этенил)

    Н₂С==CН--СН₂ - аллил (пропенил-₂)

    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 С₄H₈ 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 (Сr₂О₃). Например:

     ® H₂C==CH--CH₂--CH₃

    H₃C--CH₂--CH₂--CH₃ ® -H₂  бутен-1

     бутан  ® H₃C--CH==CH--CH₃

     _бутен-2

    Из лабораторных способов получения можно отметить следующие:

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

    H₂C--CH₂ ® H₂C==CH₂ + KCl + H₂O

     | |

    

    2. Гидрирование ацетилена в присутствии катализатора (Pd):

    H--CººC--H + H₂ ® H₂C==CH₂

    3. Дегидратация спиртов (отщепление воды). В качестве катализатора используют кислоты (серную или фосфорную) или А1₂O₃:

    Н₂С--СН₂ ® Н₂С==СН₂ + Н₂О

      | |

    

    этиловый

     спирт

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

    

     | |

    H₃C--C--CH--CH₃ ® H₃C--C==CH--CH₃ + H₂O

      |    |

     CH₃    CH₃

    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 C₅H₁₀ (амилен, или пентен-1) -- жидкости, а с С₁₈Н₃₆ -- 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