Ненасыщенные (непредельные) углеводороды (алкены).

Ненасыщенные (непредельные) углеводороды (алкены).

С.Ю. Елисеев

Понятие ненасыщенных углеводородов, их использование. Гомологические ряды, общие формулы, номенклатура. Структурная и пространственная изомерия. Энергия, длина, полярность и поляризуемость химических связей, физико-химические и пожароопасные свойства.

Основные химические реакции:

окисления (неполное окисление, горение, склонность к самовозгоранию в атмосфере галогенов);

присоединения (водорода, галогенов, галогенводородов, воды, [правило В.В. Марковникова], галогенводородов в присутствии примесей);

полимеризации.

Ненасыщенные (непредельные) углеводороды (алкены)

Ненасыщенными, или непредельными, углеводородами называют такие углеводороды, элементарный состав которых характеризуется меньшим содержанием водорода по сравнению с соответствующими по числу углеродных атомов предельными углеводородами.

Согласно теории химического строения в ненасыщенных углеводородах углерод также имеет валентность равную четырем, но строение этих соединений отличается тем, что в их молекулах имеются пары углеродных атомов, соединенные так называемыми кратными – двойными или тройными – связями. Благодаря наличию кратных связей атомы углерода в непредельных углеводородах не до предела насыщены водородом; отсюда и возникло название - непредельные или ненасыщенные.

Все другие органические соединения, в молекулах которых имеются кратные связи между углеродными атомами, являются производными ненасыщенных углеводородов; их также называют непредельными органическими веществами.

В противоположность насыщенным, ненасыщенные углеводороды проявляют высокую активность в химических реакциях и особенно склонны к реакциям присоединения.

Ненасыщенные углеводороды ряда этилена (олефины, алкены)

Углеводородами ряда этилена, или этиленовыми углеводородами (олефинами) называют ненасыщенные углеводороды, строение которых отличается наличием в их молекулах одной двойной связи между углеродными атомами, т.е. – группировки  >C=C<.

Цис –транс изомерия

В ряду этиленовых углеводородов встречается еще один вид изомерии, который связан с различием в пространственном строении некоторых молекул, имеющих двойную связь.

Простые связи не препятствуют вращению соединенных ими углеродных атомов вокруг линии связи, вместе с каждым из этих углеродных атомов могут поворачиваться в пространстве и другие связанные с ним атомы и группы.

В молекуле бутилена с двойной связью между вторым и третьим углеродными атомами обе метильные группы могут располагаться в пространстве двояким способом: по одну сторону плоскости двойной связи и по обе стороны от нее. Это можно изобразить при помощи следующих структурных формул:          бутилены (а) и (б)

Н—С—СН3 (цис-изомер        Н—С—СН3 (транс-изомер

 II     Ткип. +3,5 оС           II      Ткип. +0,9 оС

Н—С—СН3 Тпл. –138,9 оС)   СН3—С—Н   Тпл. –105,5 оС)

Двойная связь препятствует вращению соединенных ею атомов вокруг линии связи. Поэтому строение молекул а и б в пространстве зафиксировано; расстояние между метильными группами в каждой из них различно, и, следовательно, размеры этих молекул неодинаковы. Такое различие в пространственном строении приводит к различию в свойствах, т.е. соединения а и б являются изомерами. Изомерия, которая основана на различном пространственном расположении атомов или групп атомов, соединенных двойной связью, называется цис–транс изомерией, а соответствующие изомеры - цис–транс изомерами. Те из них, в которых различные группы атомов расположены по одну сторону плоскости двойной связи, называются цис-изомерами, а те, в которых группы атомов направлены в разные стороны, - транс-изомерами.

Очевидно, что цис-транс изомерия возможна только в том случае, когда в этиленовом соединении оба атома или обе группы при каждом из углеродов, соединенных двойной связью, неодинаковы. Например, для бутилена с двойной связью между первым и вторым углеродом геометрическая изомерия невозможна, т.к. в его молекуле при одном из ненасыщенных атомов находятся два одинаковых атома водорода.

Мы можем написать два изображения этого вещества:

    Н—С—Н                        Н—С—Н

       II                               II     

    Н—С—СН2—СН3         СН3—СН2—С—Н

Однако нетрудно убедиться, что обе написанные формулы идентичны и изображают одну и ту же пространственную модификацию молекулы. Для этого лишь необходимо мысленно повернуть одну из формул вокруг линии двойной связи.

Номенклатура

Названия отдельных гомологов этиленовых углеводородов производят от названий предельных углеводородов с тем же числом углеродных атомов путем замены родового окончания – ан на окончание – илен. Например, этан – этилен, пропан – пропилен, изобутан – изобутилен, и т.д. Только углеводороды С5Н10, как исключение, называют амиленами.

Чтобы различать изомеры в ряду этиленовых углеводородов, до сих пор часто пользуются старой рациональной номенклатурой. Но наиболее всеобъемлющей и современной является международная заместительная номенклатура.

Рациональная номенклатура. По рациональной номенклатуре этиленовые углеводороды рассматривают как производные простейшего в данном гомологическом ряду этилена, указывая названия радикалов, соединенных с этиленовой группировкой >C=C<; количество одинаковых обозначают греческими числительными. При наличии двух одинаковых или разных радикалов указывают, симметрично (симм-) или несимметрично (несимм-) они расположены по отношению к этиленовой группировке. Рациональные названия выведенных выше изомерных бутиленов приведены в таблице 1.

                                                  Таблица 1.

Названия бутиленов и двух изомерных гексиленов.

Состав	Строение	название
		Заместительное	Рациональное
С4Н8	СН2=СН—СН2—СН3 СН3—СН=СН—СН3 СН3—С=СН2  ½ СН3	1-бутен 2-бутен 2-метилпропен	Этилэтилен Симм-диметилэтилен Несим-диметилэтилен
С6Н12	СН3    ½ СН3—С=СН—СН2—СН3      СН3        ½  СН3—СН=С—СН2—СН3	2-метил-2-пентен   3-метил-2-пентен	a,a-диметил-b-этилэтилен a,b-диметил-a-этилэтилен

Если с этиленовой группировкой связаны три или четыре неодинаковых радикала, образующие ее атомы углерода можно пометить греческими буквами a (альфа), b(бета) и таким образом обозначить положение радикалов.

Международная заместительная номенклатура. По заместительной номенклатуре этиленовые углеводороды называют, руководствуясь теми ж принципами, что и при наименовании предельных углеводородов; наличие двойной связи обозначают, заменив в международном названии предельного углеводорода окончание – ан на – ен. Поэтому углеводороды с двойной связью по международной номенклатуре объединяют общим названием алкены. Чтобы отразить в названии положение двойной связи, перед наименованием основы (главной цепи) соединения ставят цифру, обозначающую номер того углеродного атома, за которым следует кратная (двойная) связь. В качестве главной цепи выбирают такую наиболее длинную и наиболее разветвленную углеродную цепь, которая включает атомы углерода, соединенные кратной связью. Нумерацию атомов главной цепи начинают с того конца, к которому ближе кратная связь. Если же непредельный углерод имеет боковые цепи, а кратная связь находится в середине главной цепи, последнюю нумеруют с того конца, к которому ближе простейшие боковые ответвления или с той стороны, где разветвлений больше.

Для примера напишем еще формулы и заместительные названия более сложных этиленовых углеводородов:   1СН2 5С Н2—6СН3 

      СН3                   II    ½

      ½          СН3—СН2—2С—3СН2—4СН—СН3 

  СН3—СН2—3С—4СН—5СН3       4-метил-2-этил-1-гексен

½              

     2СН СН3     

II                   СН3—СН2  СН3  

        1СН2                       ½  ½

3,4-диметил-3-этил-1-пентен 6СН3—5СН2—4С=3СН—2СН—1СН3

                               2-метил-4-этил-3-гексен  

Физические свойства

Углеводороды ряда этилен – бесцветные тела. Температуры кипения и температуры плавления гомологов этилена нормального строения возрастают по мере увеличения в их составе числа углеродных атомов. Первые три члена ряда (С2-С4)- газы, начиная с амиленов и кончая углеводородами С16Н32 – жидкости, высшие этиленовые углеводороды – твердые тела.  

Химические свойства

В отличие от насыщенных углеводородов для углеводородов ряда этилена характерны разнообразные реакции присоединения по месту двойной связи; при этом они значительно легче вступают во взаимодействие с различными реагентами.

Все специфические особенности этиленовых углеводородов определяются характером двойной связи. Казалось бы, что двойная связь должна быть прочнее простой; на самом же деле она легко разрывается и превращается в простую (чем и обусловлены реакции присоединения). При определенных условиях молекулы непредельных соединений распадаются с разрывом углеродной цепи именно по месту двойной связи. В то же время двойная связь реально существует; она препятствует, например, вращению соединенных ею углеродных атомов вокруг оси связи (этим обусловлена геометрическая изомерия этиленовых углеводородов).

Как уже было указано, двойная связь осуществляется двумя парами обобщенных электронов, принадлежащим обоим соединенным двойной связью атомам. Состояние этих  электронных пар неодинаково. Одна пара осуществляет связь, аналогичную обычной простой связи (s-связь). Электроны же второй пары находятся в особом состоянии (p-связь). Эта пара электронов весьма лабильна и осуществляемая ею связь в значительно большей мере, чем простая связь, подвергается поляризации. Поэтому именно атомы, соединенные двойной связью, наиболее реакционноспособны и проявляют ненасыщенность, т.е. присоединяют к себе атомы или атомные группы реагента. Таким образом, принятый для изображения двойной связи символ – две черточки (=) не отражает ее природы; надо помнить, что две связи, образующие двойную связь, неравноценны.

Реакция окисления

В зависимости от условий непредельные углеводороды окисляются в различной степени. При высоких температурах они сгорают, образуя СО2 и Н2О. Некоторые медленно окисляются кислородом воздуха уже при обыкновенной температуре. Обычно окисление происходит прежде всего по месту двойной связи. Одной из наиболее характерных реакций окисления является взаимодействие непредельных углеводородов с раствором KMnO4 (реакция Е.Е. Вагнера, 1886г.)  

           СН2 O + HOH  СН2—ОН     

              II ¾¾® ½

              CH2 KMnO4  CH2—OH  

Реакция протекает в водном растворе, поэтому по месту двойной связи присоединяется кислород (из окислителя- KMnO4). [Окисление марганцевокислым калием в нейтральном или в слабощелочном растворе можно представить схемой:

      7+           4+  

     2 KMnO4 + Н2О  ®  2MnO2  +  2KOH + 3O

В кислом растворе:

         7+              2+          

     2 KMnO4 + 3H2SO4 ® 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O + 5O

При составлении реакций окисления органических соединений обычно не пишут общего баланса реакции и для простоты над стрелкой обозначают кислород [О], отдаваемый окислителем, а под стрелкой – применяемый окислитель. (В данном случае KMnO4).] и вода, т.е. две гидроксильные группы и образуются двухатомные спирты. Рассматриваемая реакция очень чувствительна, и ее используют для качественного определения ненесыщенных соединений; уже на холоду фиолетовая окраска нейтрального или щелочного раствора KMnO4 исчезает и образуется бурый (коричневый) осадок MnO2; в кислой среде происходит полное обесцвечивание реактива.

При энергичном действии окислителей молекулы этиленовых углеводородов распадаются с разрывом углеродной цепи в том месте, где была двойная связь. Например:

1   2  3 4   5  4O 1   2  О         О 3  4   5                         

1.  СН3—СН=СН—СН2—СН3 ¾® СН3—С  + С—СН2—СН3  

                            кислота  ОН  НО кислота

   СН3               СН3

1 2½ 3  4  3О 1 2½       О 3 4  

2. СН3—С=СН—СН3 ¾®  СН3—С=О +   С—СН3 

                      кетон      НО  кислота 

   СН3СН3            СН3       СН3

1 2½ 3½ 4 2О  1 2 ½                3½ 4

3. СН3—С=С—СН3  ¾®  СН3—С=О + О=С—СН3   

                     кетон           кетон      

Как видно из приведенных схем реакций, при окислительном распаде этиленовых углеводородов образуются "осколки", в которых атомы углерода, соединенные в этиленовом углеводороде двойной связью, превращаются в кислородсодержащие функциональные группы. В зависимости от строения исходного олефина получаются кислоты или кетоны, по составу и строению которых можно судить о строении исходного олефина и, в частности, о положении в нем двойной связи.

Большой практический интерес представляет прямое каталитическое окисление этилена кислородом воздуха, в результате которого образуется окись этилена  (СН2—СН2) – ценное исходное вещество во многих синтезах.

       О     

Способы получения алкенов

В природе этиленовые углеводороды (олефины; алкены) встречаются довольно редко. Иногда низшие олефины в небольших количествах растворены в нефти и входят в состав попутного нефтяного газа. Лишь в некоторых месторождениях нефть содержит значительные количества высших олефинов (например, канадская нефть). Довольно много этиленовых углеводородов получается при крекинге и пиролизе углеводородов нефти и содержатся в крекинг-бензинах. Важным источником этилена, пропилена и бутиленов служат получающиеся при этом газы (газы крекинга); в таблице приведены данные о содержании в них непредельных углеводородов в зависимости от вида переработки нефтепродуктов.

Некоторые данные о содержании непредельных углеводородов в газах образующихся при крекинге и пиролизе высших фракций нефти

Вид переработки	Содержание, %
	этилена	пропилена	бутилена	изобутилена	бутана
Жидкофазный крекинг	2,1	12,4	10,3	-	10,6
Парофазный крекинг	19,8	22,4	10,0	6,9	2,0
Каталитичесий крекинг	1,2	6,8	3,3	0,5	47,9
пиролиз	20,4	17,8	4,0	6,0	1,0

При крекинге цепи молекул углеводорода разрываются в различных местах и между образующимися в виде "осколков" радикалами с более короткими цепями перераспределяется водород. Таким образом, получается смесь более коротких непредельных углеводородов. Например:

                     ¾® СН2=СН2 + СН3—СН2—СН3

СН3—СН2—СН2—СН2—СН3 ¾® СН2—СН=СН2 + СН3—СН3

 пентан          ¾® СН3—СН2—СН=СН2 + СН4

                (этилен и пропан; пропилен и этан; бутилен и метан.)

Дегидрирование алканов

В присутствии катализаторов при высокой температуре происходит отщепление водорода (реакция дегидрирования) от молекул насыщенных углеводородов с образованием двойных связей. Так, при пропускании бутана над катализатором, содержащим окислы тяжелых металлов (например, Cr2O3), при температурах 400-600 оС образуется смесь бутенов:

  СН3—СН2—СН2—СН3 ¾® СН2=СН—СН2—СН3 + Н2  

бутан        ¾® СН3—СН=СН—СН3  + Н2  (бутилены)  

Этот метод дает особую возможность использовать в качестве сырья для химической промышленности попутный нефтяной газ. Последний, как уже знаем, содержит метан, этан, пропан и бутан. Путем дегидрирования их переводят в непредельные углеводороды, являющиеся исходными веществами для многих синтезов.

Список литературы

Писаренко А.П., Хавин З.Я. Курс органической химии. М., Высшая школа,  1975. 510 с.

Нечаев А.П. Органическая химия. М., Высшая школа, 1976. 288 с.

Артеменко А.И. Органическая химия. М., Высшая школа, 2000. 536 с.

Березин Б.Д., Березин Д.Б.  Курс современной органической химии.  М., Высшая школа, 1999. 768 с.

Ким А.М. Органическая химия. Новосибирск, Сибирское университетское издательство, 2002. 972 с.

 

Ненасыщенные (непредельные) углеводороды (алкены).

С.Ю. Елисеев

Понятие ненасыщенных углеводородов, их использование. Гомологические ряды, общие формулы, номенклатура. Структурная и пространственная изомерия. Энергия, длина, полярность и поляризуемость химических связей, физико-химические и пожароопасные свойства.

Основные химические реакции:

окисления (неполное окисление, горение, склонность к самовозгоранию в атмосфере галогенов);

присоединения (водорода, галогенов, галогенводородов, воды, [правило В.В. Марковникова], галогенводородов в присутствии примесей);

полимеризации.

Ненасыщенные (непредельные) углеводороды (алкены)

Ненасыщенными, или непредельными, углеводородами называют такие углеводороды, элементарный состав которых характеризуется меньшим содержанием водорода по сравнению с соответствующими по числу углеродных атомов предельными углеводородами.

Согласно теории химического строения в ненасыщенных углеводородах углерод также имеет валентность равную четырем, но строение этих соединений отличается тем, что в их молекулах имеются пары углеродных атомов, соединенные так называемыми кратными – двойными или тройными – связями. Благодаря наличию кратных связей атомы углерода в непредельных углеводородах не до предела насыщены водородом; отсюда и возникло название - непредельные или ненасыщенные.

Все другие органические соединения, в молекулах которых имеются кратные связи между углеродными атомами, являются производными ненасыщенных углеводородов; их также называют непредельными органическими веществами.

В противоположность насыщенным, ненасыщенные углеводороды проявляют высокую активность в химических реакциях и особенно склонны к реакциям присоединения.

Ненасыщенные углеводороды ряда этилена (олефины, алкены)

Углеводородами ряда этилена, или этиленовыми углеводородами (олефинами) называют ненасыщенные углеводороды, строение которых отличается наличием в их молекулах одной двойной связи между углеродными атомами, т.е. – группировки  >C=C<.