Алкены

На этой странице вы узнаете 

• Лайфхак для фруктов: как ускорить созревание зеленых бананов?
• Как алкены помогают нашим котлетам не пригорать?

Алкены — следующий за алканами класс углеводородов, общая формула которых C_nH_2n. Их отличие заключается не только в одной гласной букве, а еще в том, что появляется кратная двойная связь, которая сильно расширяет возможные реакции алкенов. В статье мы узнаем, как алкены применяются в нашей обычной жизни, что из них делают на производстве и даже один лайфхак.

Строение молекулы этилена

Рассмотрим основные характеристики молекулы первого представителя класса алкенов — этилена, бесцветного газа со слабым сладковатым запахом: 

• гибридизация атомов C=С: sp²; 
• связи: двойная (σ + π) и одинарные (σ); 
• форма молекул (участок С=С): плоская; 
• валентный угол: 120°; 
• длина связи: 0,134 нм.

Химическая формула этилена C₂H₄ указывает на два атома углерода с двойной связью между ними. Она сформирована σ- (между атомами H и C) и π-связью (между атомами C).

Для этилена характерно линейное строение, но его гомологи — например, пропилен — имеют уже пространственное строение из-за наличия CH₃ групп в форме тетраэдра.

Лайфхак для фруктов: как ускорить созревание зеленых бананов? Этилен обладает свойством ускорять созревание фруктовых плодов, поэтому часто для лучшей сохранности фрукты перевозят неспелыми, а затем хранят в помещениях, куда вводят этилен. Обычные яблоки при этом сами по себе выделяют немного этилена при хранении. Поэтому, если так случилось, что вы купили, например, зеленые бананы, можно положить их рядом с яблоками, и процесс дозревания ускорится.

Общая формула гомологического ряда алкенов C_nH_2n. Гомологический ряд алкенов выглядит следующим образом:

Имена для алкенов мы формируем по следующему алгоритму: 1. Выбираем самую длинную углеродную цепь, содержащую двойную связь (= главная цепь). 2. Нумеруем ее с того конца, где ближе двойная связь. 3. Называем вещество по схеме: «местоположение заместителя + название заместителя + число атомов углерода в главной цепи + -ЕН- + местоположение двойной связи (после какого атома С она находится)».

Физические и химические свойства алкенов

Алкены, по сравнению с соответствующими алканами, имеют более низкие температуры плавления и кипения, которые увеличиваются с длиной углеродной цепи. Они почти не растворяются в воде, но хорошо растворяются в неполярных растворителях (C₆H₆, CCl₄).

Рассмотрим теперь химические свойства алкенов. Входящая в состав двойной связи у алкенов π-связь довольно слабая, поэтому алкены вступают в реакции присоединения с разрывом π-связи. Но для них также характерны интересные реакции окисления, полимеризации.

1. Реакции присоединения:

• Галогенирование. 

Галогенирование алкенов проходит при комнатной температуре в растворе, в присутствии полярных растворителей по ионному механизму.

При взаимодействии алкенов с бромной водой, имеющей красно-бурую окраску, раствор обесцвечивается. Это является качественной реакцией на алкены.

Если над стрелочкой стоит температура: нам намекают на то, что мы должны проводить аномальное галогенирование (не у атома углерода, стоящего рядом с двойной связью). Это «алкановское» замещение: оно происходит у sp³-гибридного атома углерода при одинарных связях по радикальному механизму.

• Гидрирование.

Алкены реагируют с водородом с разрывом двойной связи с использованием металлов-катализаторов — например, никеля.

• Гидрогалогенирование. 

При присоединении галогеноводородов образуется галогеналкан.

При присоединении к несимметричным алкенам применяется правило Марковникова.

Правило Марковникова: при взаимодействии галогеноводородов с несимметричными алкенами водород преимущественно присоединяется к наиболее гидрогенизированному (у которого больше H) атому углерода при двойной связи.

• Гидратация.

Гидратация проходит аналогично гидрогалогенированию, тоже с использованием правила Марковникова, только вместо галогена у нас OH-группа, а образуются спирты.

2. Реакции полимеризации.

Полимеризация — процесс, при котором двойная связь в молекуле алкена как бы раскрывается. Полученные частицы называются полимерами, они могут соединяться между собой в длинные цепи.

Процесс полимеризации невероятно важен для промышленности. Полимеры окружают нас повсюду — это всем нам хорошо известная полиэтиленовая пленка, пластмасса, каучук, резина, искусственная кожа, синтетические ткани, клей, органическое стекло и множество других изделий.

Реакцией полимеризации получают в том числе вещество под названием тефлон. Это его запатентованное название. На самом деле это полимер тетрафторэтилена (ПТФЭ).

nCF₂ = CF₂ → (–CF₂ –CF₂ –)n

Как алкены помогают нашим котлетам не пригорать? Политетрафторэтилен был случайно открыт в апреле 1938 года 27-летним ученым-химиком Роем Планкеттом во время работы над созданием альтернативных хладагентов, в частности — тетрафторэтилена, который представляет из себя бесцветный газ.  Полученное вещество хранилось в небольших баллонах. Однажды, после открытия одного из них, газ не выходил, хотя, судя по весу баллона, его содержимое все еще находилось внутри. Заинтересовавшись произошедшим, Планкетт решил разрезать баллон и проверить, что случилось с газом. Выяснилось, что тетрафторэтилен, ранее находившийся в баллоне, полимеризовался в воскообразную белую субстанцию, политетрафторэтилен.  Данное вещество обладает удивительными свойствами: — оно чрезвычайно скользкое (одно из самых скользких веществ, известных человеку); — не подвергается коррозии; — политетрафторэтилен химически стабилен; — температура плавления политетрафторэтилена чрезвычайно высокая. В быту это вещество получило широкое распространение как антипригарное покрытие для посуды. Масла и загрязнения не прилипают к нему, поэтому жарить котлеты на тефлоновой сковородке — одно удовольствие.

Рекламный постер сковороды  с антипригарным покрытием (1960-е) 

3. Реакции окисления. Здесь различают несколько типов окисления: 

• Мягкое окисление.

При мягком окислении алкенов (в нейтральной среде — H₂O) происходит разрыв ТОЛЬКО слабых π-связей. При этом атомы углерода при «порванной» связи окисляются совсем немного — до спиртов (так как окисление мягкое!).

• Жесткое окисление.

При жестком окислении (в кислой или щелочной среде — H⁺/OH⁻) происходит разрыв ВСЕЙ кратной связи (как σ-, так и π-). При этом атомы углерода при «порванной» связи окисляются сильно — до карбоновых кислот (или их солей в щелочной среде) или даже до CO₂ (если атом углерода «одиночный»):

• Каталитическое окисление.

Взаимодействие этилена с кислородом в присутствии солей меди или палладия приводит к образованию этаналя (уксусного альдегида).

Получение алкенов

В отличие от алканов, алкены в природе содержатся в малом количестве, поэтому их получают с помощью химических реакций. В промышленности алкены получают следующими способами:

• Дегидрирование алканов.

• Крекинг алканов.

• Гидрирование алкинов, алкадиенов.

В лаборатории:

• Дегалогенирование дигалогенпроизводных.

Галогены при этом должны находиться у соседних атомов углерода, чтобы двойная связь замкнулась.

• Межмолекулярная дегидратация спиртов.

Дегидратация спиртов проходит по правилу Зайцева.

Правило Зайцева: отщепление атома водорода в реакциях дегидрогалогенирования и дегидратации происходит преимущественно от наименее гидрогенизированного атома углерода.

• Дегидрогалогенирование моногалогенпроизводных.

Применение алкенов

Пожалуй, основное применение алкенов — производство полимеров. Выше мы уже говорили о том, как полимеры повсеместно используются в нашей жизни: это и упаковочные материалы, и материалы для изготовления одежды и обуви — в общем, основа легкой промышленности. 

Галогенпроизводные этилена — хлорэтан и дихлорэтан — используются как анестезирующее вещество и растворитель.

Из этилена получают этиловый спирт, уксусный альдегид, стирол.

На складах фрукты хранят в атмосфере этилена, чтобы они быстрее стали спелыми.

Фактчек

• Алкены — углеводороды, в которых присутствуют кратные двойные связи.
• Общая формула алканов C_nH_2n.
• Алкены могут быть в жидком, твердом и газообразном состояниях.
• Для алкенов, в отличие от алканов, характерны реакции присоединения.

Проверь себя 

Задание 1.
Общая формула алкенов: 

1. C_nH_2n+2
2. C_nH_2n
3. C_nH_2n-2
4. C_nH_n

Задание 2.
По какому механизму идут реакции галогенирования при нагревании? 

1. по радикальному
2. по ионному

Задание 3.
При мягком окислении этилена в качестве органического продукта образуется: 

1. уксусная кислота
2. углекислый газ
3. этиленгликоль
4. пропановая кислота

Задание 4.
Какие связи присутствуют в алкенах? 

1. двойная и одинарные
2. только одинарные
3. тройная и двойная
4. тройная и одинарная

Ответы: 1. — 2; 2. — 1; 3. — 3; 4. — 1.