Лекция 4. Ненасыщенные (непредельные) углеводороды (алкены).

Учебные вопросы:

1. 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.

2. 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 углеводородыпроявляют 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<.

Гомология, изомерия и номенклатура

Этиленовые углеводороды образуют гомологический ряд, состав каждого члена которого выражается общей эмпирической формулой C_nH₂_n.Родоначальником этого ряда является углеводород этилен состава С₂Н₄, строение которого может быть представлено следующей структурной и упрощенной структурной формулами:

Н—С—Н СН₂

II II

H—C—H CH₂

Оба углерода и все водородные атомы в этилене равноценны. Поэтому этилену соответствует один одновалентный радикал СН₂=СН—, называемый винилом.

Замещая в этилене каждый из водородных атомов на радикал метил, мы можем вывести следующий гомолог этого ряда – пропилен состава С₃Н₆, имеющий строение СН₂=СН—СН₃. (Его радикал СН₂=СН—СН₂—, называют аллил). Точно также, в результате замещения на метил водородных атомов пропилена можно вывести формулу следующего непредельного углеводорода С₄Н₈. Как и в предыдущем ряду, у непредельных углеводородов, начиная с гомологов, содержащих четыре углеродных атома, проявляется изомерия. Однако этиленовые углеводороды имеют больше изомеров, чем предельные с тем же числом углеродных атомов. Так, мы видели, что существует только два изомерных предельных углеводорода состава С₄Н₁₀. Непредельных же углеводородов состава С₄Н₈ существует три. Строение их может быть выведено исходя их пропилена путем последовательной замены в его молекуле атомов водорода при различных углеродных атомах на метил.

В молекуле каждого изомера непредельного углеводорода С₄Н₈ должна быть одна двойная связь. Напишем вначале нормальные цепи из четырех углеродных атомов с двойной связью, причем в одном случае после первого, а во втором – после второго углеродного атома:

_{1 2 3 4 1 2 3 4}

С=С—С—С С—С=С—С.

Очевидно, что помещать двойную связь после третьего атома углерода не имеет смысла, так как это будет равноценно ее расположению после первого углерода. Помня, что углерод всегда четырехвалентен, напишем около каждого углеродного атома цепи необходимое количество водородных атомов; таким образом получим формулы непредельных углеводородов С₄Н₈ нормального строения, различающихся положением двойной связи и называемых бутиленами:

_{1 2 3 4 1 2 3 4}

СН₂=СН—СН₂—СН₃ (1) СН₃—СН=СН—СН₃ (2)

Далее исходя из углеродного скелета с четырьмя углеродными атомами изостроения с единственно возможным в данном случае положением двойной связи выведем формулу непредельного углеводорода С₄Н₈с разветвленной цепью, называемого изобутиленом

СН₃

СН₂=С—СН₃ (3) изобутилен

Очевидно, что при большем числе углеродных атомов непредельные углеводороды изостроения также могут иметь различное положение двойной связи.

Таким образом, усложнение изомерии непредельных углеводородов обусловлено тем, что наряду с изомерией углеродной цепи для них характерна изомерия положения двойной связи. Для высших гомологов этиленовых углеводородов различие в числе изомеров по сравнению с предельными углеводородами с тем же числом углеродных атомов еще больше.

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 Т_кип. +3,5 ^оС II Т_кип. +0,9 ^оС

Н—С—СН₃ Т_пл. –138,9 ^оС) СН₃—С—Н Т_пл. –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 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 разные реакции присоединения по месту двойной связи; при этом они 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.

Присоединение водорода (реакция гидрирования)

При действии на этиленовые углеводороды водорода в присутствии катализаторов (Ni, Pt) атомы водорода легко присоединяются к углеродным атомам, соединенным двойной связью, которая при этом разрывается и на ее месте сохраняется простая связь:

СН₂ СН₃

II + Н₂ ¾® ½

СН₂ ^Ni СН₃

этилен этан

CН₃—СН=СН₂ + Н₂ ¾® СН₃—СН₂—СН₂

Пропилен ^Ni пропан

В результате гидрирования образуются предельные углеводороды. Гидрирование непредельных углеводородов – важный способ получения углеводородов ряда метана. Присоединения водорода по месту кратных связей вообще имеет большое практическое значение для превращения непредельных соединений различных классов в предельные. Так, гидрирование применяют в промышленности при получении твердых жиров из жидких растительных масел.

Присоединение галогенов (галогенирование)

При действии на этиленовые углеводороды галогенов в результате присоединения их по месту двойной связи образуются дигалогенпроизводные предельных углеводородов с атомами галогена при соседних углеродных атомах. Например:

СН₂ СН₂—Cl

II + Cl₂ ¾® ½

CH₂ CH₂—Cl

этилен 1,2-дихлорэтан

СН₂=СН—СН₃ + Br₂ ¾® CH₂—CH—CH₃

пропилен ½ ½

Br Br 1.2-дибромпропан

Реакция идет легко с хлором, несколько труднее с бромом и труднее всего с иодом. Реакция с бромом очень удобна для качественного и количественного определения непредельных соединений; при взаимодействии их с бромом или его растворами (обычно применяют бромную воду – раствор брома в воде) бурая окраска этих реагентов мгновенно исчезает. Для этой цели можно применять и окрашенные в коричневый цвет растворы иода. Эта реакция лежит в основе определения непредельных жиров и масел. (Так, представление о содержании непредельных кислот в масле дает иодное число – количество граммов иода, которое может присоединяться [при соблюдении стандартных условий] к непредельным кислотам в 100 г жира. Для большинства жиров и растительных масел иодное число 30-150).