Ациклические непредельные углеводороды (алкены)

«Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет»

Кафедра: «Физическая и органическая химия»

























Реферат

Ациклические непредельные углеводороды (алкены)









Ст.гр.БТП-09-01 

Антипин А.

Доцент 

Калашников С.М.











Уфа 2010


Содержание



1. Алкены

2. Цис-транс-изомерия в ряду алкенов

3. Получение алкенов

4. Физические свойства алкенов

5. Химические свойства алкенов

6. Применение алкенов

7. Номенклатура




1. Алкены



АЛКЕНЫ (ОЛЕФИНЫ) (от лат. oleum-масло) (этиленовые углеводороды), ненасыщенные ациклические углеводороды, содержащие одну двойную связь С=С; общая формула СnН2n. Атомы углерода при двойной связи имеют sp2-гибридизацию и образуют s- и p-связи. Последняя состоит из двух базисных орбиталей-связывающей и разрыхляющей, образующихся за счет р-орбиталей атомов С. Энергия связи ~615 кДж/моль. Простейший олефин - этилен, валентные углы которого практически равны 120°. Для олефинов, начиная с С4Н8, наряду с изомерией углеродного скелета и разл. положения двойной связи, возможна геометрическая (цис-, транс-) изомерия, обусловленная большим барьером вращения вокруг двойной связи.



2. Цис-транс-изомерия в ряду алкенов



“Наряду с изомерией, связанной со строением углеродного скелета и положением двойной связи, в ряду алкенов имеет место геометрическая или цис-транс-изомерия. Ее существование обусловлено отсутствием свободного вращения атомов, связанных двойной связью.



CH3
\

 

CH3
/

 

CH3
\

 

 H
/

 

C=C

 

 

 

C=C

 

/
H 

 

\
 H

 

/
H 

 

\
CH3

цис-изомер транс-изомер



Метильные группы в приведенных примерах могут располагаться как по одну сторону двойной связи (такой изомер называется цис-изомером), так и по разные стороны (такой изомер называется транс-изомером). Названия упомянутых изомеров происходят от латинского cis - на этой стороне и trans- через, на другой стороне. Превращение изомеров друг в друга невозможно без разрыва двойной связи”.



3. Получение алкенов



1) Основным промышленным источником получения первых четырех членов ряда алкенов (этилена, пропилена, бутиленов и пентиленов ) являются газы крекинга и пиролиза нефтепродуктов, а также газы коксования угля (этилен, пропилен). Газы крекинга и пиролиза нефтепродуктов содержат от 15 до 30% олефинов. Так, крекинг бутана при 600С приводит к смеси водорода, метана, этана и олефинов – этилена, пропилена, псевдобутилена (бутена -2) с соотношением олефинов ≈ 3,5 : 5 : 1,5 соответственно.

2) Все более значительные количества алкенов получают дегидрогенизацией алканов при повышенной температуре с катализатором.


CH3–CH2–CH2–CH3 ––300C,Cr2O3–

|
|

 CH2=CH–CH2–CH3(бутен-1) + H2

 CH3–CH=CH–CH3(бутен-2) + H2



3) В лабораторной практике наиболее распространенным способом получения алкенов является дегидратация (отщепление воды) спиртов при нагревании с водоотнимающими средствами (концентрированная серная или фосфорная кислоты) или при пропускании паров спирта над катализатором (окись алюминия).



CH3–CH2–OH(этанол) ––t,Al2O3 CH2=CH2 + H2O



Порядок дегидратации вторичных и третичных спиртов определяется правилом А.М.Зайцева: при образовании воды атом водорода отщепляется от наименее гидрогенизированного соседнего атома углерода, т.е. с наименьшим количеством водородных атомов.



CH3–

CH–C
 I I

H–CH3(бутанол-2)  CH3–CH=CH–CH3(бутен-2) + H2O

 

OH H

 



4) Часто алкены получают реакцией дегидрогалогенирования (отщепление галогеноводорода) из галогенопроизводных при действии спиртового раствора щелочи. Направление данной реакции также соответствует правилу Зайцева.



CH3–CH–CH2–CH3(2-бромбутан) + NaOH(спирт p-p)  CH3–CH=CH–CH3 + NaBr + H2O
 I
 Br



5) Реакция дегалогенирования (отщепление двух атомов галогена от соседних атомов углерода) при нагревании дигалогенидов с активными металлами также приводит к алкенам.



CH2–CH –CH3(1,2-дибромпропан) + Mg  CH2=CH–CH3(пропен) + MgBr2
 I I
Br Br



4. Физические свойства алкенов

По физическим свойствам этиленовые углеводороды близки к алканам. При нормальных условиях углеводороды C2–C4 – газы, C5–C17 – жидкости, высшие представители – твердые вещества. Температура их плавления и кипен я, а также плотность увеличиваются с ростом молекулярной массы. Все олефины легче воды, плохо растворимы в ней, однако растворимы в органических растворителях.


5. Химические свойства алкенов



Углеродные атомы в молекуле этилена находятся в состоянии sp2- гибридизации, т.е. в гибридизации участвуют одна s- и две p -орбитали.



 





Схематическое изображение строения молекулы этилена


В результате каждый атом углерода обладает тремя гибридными sp2 -орбиталями, оси которых находятся в одной плоскости под углом 120º друг к другу, и одной негибридной гантелеобразной p-орбиталью, ось которой расположена под прямым углом к плоскости осей трех sp2 -орбиталей. Одна из трех гибридных орбиталей атома углерода перекрывается с подобной орбиталью другого атома углерода, образуя - связь. Каждая оставшаяся гибридная орбиталь атомов углерода перекрывается с s- орбиталью атомов водорода, приводя к образованию в той же плоскости четырех - связей C–H. Две негибридные p- орбитали атомов углерода взаимно перекрываются и образуют - связь, максимальная плотность которой расположена перпендикулярно плоскости - связей. Следовательно, двойная связь алкенов представляет собой сочетание - и - связей.

- Связь менее прочна, чем - связь, так как p- орбитали с параллельными осями перекрываются значительно меньше, чем при образовании теми же p- орбиталями и s- орбиталями - связи (перекрывание осуществляется по оси орбиталей). В связи с этим, - связь легко разрывается и переходит в две новые - связи посредством присоединения по месту двойной связи двух атомов или групп атомов реагирующих веществ. 

Иными словами, для алкенов наиболее типичными являются реакции присоединения. 

В реакциях присоединения двойная связь выступает как донор электронов, поэтому для алкенов характерны реакции электрофильного присоединения.

1) Галогенирование. Алкены при обычных условиях присоединяют галогены, приводя к дигалогенопроизводным алканов, содержащим атомы галогена у соседних углеродных атомов.



H2C=CH2 + Br2  BrCH2–CH2Br(1,2-дибромэтан)



Приведенная реакция - обесцвечивание алкеном бромной воды является качественной реакцией на двойную связь.

2) Гидрирование. Алкены легко присоединяют водород в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni), образуя предельные углеводороды.



CH3–CH=CH2 + H2 ––Ni CH3–CH2–CH3(пропан)



3) Гидрогалогенирование. Этилен и его гомологи присоединяют галогеноводороды, приводя к галогенопроизводным углеводородов.



H2C=CH2 + HBr  CH3–CH2Br(бромистый этил)



Присоединение галогеноводородов к пропилену и другим алкенам происходит в соответствии с правилом В.В.Марковникова (водород присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода при двойной связи).





CH3−CH=CH2 + HCl  CH3−

CH−CH3(2-хлорпропан)
 I
Cl



4) Гидратация. В присутствии минеральных кислот олефины присоединяют воду, образуя спирты.



 



OH
 I

CH3−

C=CH2(2-метилпропен-1) + H2O ––H+ CH3−

C−CH3(2-метилпропанол-2)

 

 I
CH3

 I
CH3



5) Сульфатация (O- сульфирование). Взаимодействие алкенов с серной кислотой приводит к кислым эфирам серной кислоты.



CH2=CH−CH3 + HO−SO2−OH  CH3− 

CH−O−SO2−OH(изопропилсерная кислота)
 I
CH3



Как видно, направление реакций гидратации и сульфирования также определяется правилом Марковникова.

6) Окисление. Алкены легко окисляются. В зависимости от условий проведения реакции образуются различные продукты.

a) При сжигании на воздухе олефины дают углекислый газ и воду. 



H2C=CH2 + 3O2  2CO2 + 2H2O


b) При окислении алкенов разбавленным раствором перманганата калия образуются двухатомные спирты – гликоли (реакция Е.Е.Вагнера). Реакция протекает на холоде.



3H2C=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O  3

CH2−CH2(этиленгликоль) + 2MnO2 + 2KOH
 I I
OH OH 



В результате реакции наблюдается обесцвечивание раствора перманганата калия. Реакция Вагнера служит качественной пробой на двойную связь.

c) При жестком окислении алкенов кипящим раствором перманганата калия в кислой среде происходит полный разрыв двойной связи и образование кислот или кетонов.



 

O
 II

O
 II

CH3−CH=CH−CH2−CH3(пентен-2) –[O] CH3−

C (уксусная кислота) + 

C−CH2−CH3(пропионовая кислота)

 

 I
OH

 I
OH



 

 

 

O
 II

CH3−

C=CH−CH3(2-метилбутен-2) –[O] CH3−

C=O(пропанон-2) + 

C−CH3(уксусная кислота)

 

 I
CH3

 I
CH3

 I
OH



6. Применение алкенов

Алкены широко используются в промышленности в качестве исходных веществ для получения растворителей (спирты, дихлорэтан, эфиры гликолей и пр.), полимеров (полиэтилен, поливинилхлорид, полиизобутилен и др.), а также многих других важнейших продуктов.

Номенклатура

В алкенах с неразветвленной углеродной цепью нумерацию начинают с того конца, ближе к которому находится двойная связь. В названии соответствующего алкана окончание -ан заменяется на -ен. В разветвленных алкенах выбирают главную цепь так, чтобы она содержала двойную связь, даже если она при этом и не будет самой длинной. Перед названием главной цепи указывают номер атома углерода, при котором находится заместитель, и название этого заместителя. Номер после названия главной цепи указывает положение двойной связи, например:





 4-метил-2-пентен

2