Алкены

Этилен

Алке́ны — ациклические непредельные углеводороды, молекулы которых включают одну двойную связь между атомами углерода.

Двойная связь образована одной «сигма-связью» (σ-связь) и «одной пи-связью» (π-связь). Алкены, также известные как этиленовые углеводороды, получили своё название по первому представителю гомологического ряда — этилену (${\ce {CH2=CH2}}$). Общая формула гомологического ряда алкенов — ${\ce {CnH2n}}$.

Первые три члена гомологического ряда алкенов — этилен, пропилен и бутилен — представляют собой газообразные вещества. Начиная с амилена, или пентена-1, они переходят в жидкое состояние, а с увеличением молекулярной массы становятся твёрдыми веществами. С ростом молекулярной массы повышаются температуры плавления и кипения. Алкены, имеющие нормальное строение, кипят при более высоких температурах, чем их изомеры. Температуры кипения цис-изомеров выше, чем транс-изомеров, а температуры плавления — наоборот. Алкены плохо растворимы в воде, но лучше, чем соответствующие алканы. Однако они хорошо растворимы в органических растворителях.

Алкены химически активны, их химические свойства во многом определяются наличием двойной связи. Для алкенов наиболее характерны реакции электрофильного присоединения и реакции радикального присоединения.

Алкены представляют собой ключевые исходные соединения в химической промышленности, служащие основой для синтеза разнообразных продуктов. Этилен и пропилен, являющиеся алкенами, находят применение в производстве полимеров, эластомеров, эпоксисоединений, дихлорэтана, винилхлорида, этанола, изопропанола, пропанола и других веществ. Изобутилен, также относящийся к алкенам, служит исходным материалом для получения бутилкаучука, изопрена и трет-бутанола. Сополимеры изобутилена с бутенами находят применение в качестве присадок к маслам и герметиков. Алкены с числом атомов углерода от 10 до 16 используются в синтезе поверхностно-активных веществ, а также для создания высших спиртов.

История открытия этилена

История открытия этилена связана с немецким алхимиком, врачом и изобретателем Иоганном Иоахимом Бехером. В 1666 году Бехер проводил опыты с серной кислотой (H₂SO₄). В одном из этих опытов он случайно добавил этанол (${\ce {C2H5OH}}$) вместо дополнительной порции серной кислоты. В результате этого ошибочного действия произошло сильное вспенивание раствора с выделением неизвестного газа.

Этот новый газ обладал рядом характерных свойств: горел коптящим пламенем, имел слабый чесночный запах и был более химически активен, чем метан. В то время его называли «воздух Бехера», так как его химическая структура оставалась неизвестной. В конце XVIII века этилен стал известен как «маслородный газ». Это название произошло от того, что при взаимодействии с хлором этилен образовывал маслянистую жидкость, сейчас известную как дихлорэтан. В течение XIX века этилен исследовался многими выдающимися химиками, такими как Жозеф Луи Гей-Люссак, Якоб Берцелиус и Юстус фон Либих. Однако ни один из них не смог установить правильную формулу этилена. Точку в этом споре поставил русский химик Александр Михайлович Бутлеров. Он экспериментально подтвердил наличие двойной связи в молекуле этилена, что стало ключевым моментом в понимании его структуры.

Этилен (${\ce {C2H4}}$) является простейшим представителем алкенов — углеводородов с двойной связью между атомами углерода. Его открытие и изучение сыграли важную роль в развитии органической химии.

Строение алкенов

Строение молекулы этена

Пространственное строение

Этилен (этен) является простейшим алкеном с химической формулой ${\ce {C2H4}}$. Его молекулярная структура и свойства связей можно описать следующим образом:

• Два атома углерода (C) связаны двойной связью (${\ce {C=C}}$).
•  Атомы углерода в этилене находятся в состоянии sp²-гибридизации. Это означает, что каждый атом углерода имеет три sp²-гибридные орбитали и одну негибридизованную p-орбиталь.
• Каждый атом углерода образует три σ-связи: одну с соседним атомом углерода и две с атомами водорода. Эти σ-связи лежат в одной плоскости, и угол между их осями составляет 120 °.

• Оставшиеся негибридизованные p-орбитали соседних атомов углерода образуют π-связь. Плоскость π-связи перпендикулярна плоскости, в которой лежат σ-связи. Плоскости перекрывания π-связи лежат над и под плоскостью σ-связи.

π-связь

• Длина двойной связи ${\ce {C=C}}$в этилене составляет около 0,134 нм, что короче, чем длина одинарной связи ${\ce {C-C}}$в алканах (0,154 нм).

• Энергия двойной связи составляет 712 кДж/моль, тогда как энергия одинарной связи составляет 369 кДж/моль.
• Вращение атомов углерода относительно двойной связи невозможно из-за наличия π-связи, что приводит к жёсткости молекулы.

Эти особенности структуры этилена объясняют его химические и физические свойства, такие как реакционная способность и жёсткость молекулы.

Взаимное влияние атомов в молекуле

Молекулярные орбитали пропена

В алкенах наблюдается взаимное влияние атомов в форме отрицательного индукционного эффекта двойной связи. Отрицательный индукционный эффект (-I эффект) проявляется через влияние углеводородных радикалов с sp² гибридизованными атомами углерода: такие группы могут влиять на распределение электронной плотности в алкенах из-за своих различных гибридизационных состояний.

В молекуле пропена (${\ce {C3H6}}$) атомы углерода имеют различные типы гибридизации, что определяет их свойства и реакционную способность. Атом углерода в метильной группе (${\ce {CH3}}$) находится в sp³-гибридном состоянии, что делает его менее электроотрицательным в сравнении с атомами углерода соединённых двойной связью. Атомы углерода, участвующие в двойной связи (C=C), находятся в sp²-гибридном состоянии, что делает их более электроотрицательными. Это связано с тем, что sp²-гибридные орбитали имеют большую s-характерную долю (33 % s-характера) по сравнению с sp³-гибридными орбиталями (25 % s-характера). Различие в электроотрицательности атомов углерода приводит к перераспределению электронной плотности в молекуле: электроны частично смещаются от sp³-гибридного атома углерода к sp²-гибридному атому углерода.

Индуктивный эффект метильной группы передаётся в первую очередь на подвижную π-связь, существующую между атомами углерода, соединёнными двойной связью. Это влияет на реакционную способность и стабильность молекулы.

Номенклатура

Алкены представляют собой класс органических соединений, характеризующихся наличием двойной связи между атомами углерода. Этилен (${\ce {C2H4}}$) является родоначальником этого ряда и простейшим представителем гомологического ряда алкенов. Основные правила номенклатуры алкенов и их применение.

Гомологический ряд алкенов:

Этен (этилен)	${\ce {C2H4}}$
Пропен (пропилен)	${\ce {C3H6}}$
Бутен (бутилен)	${\ce {C4H8}}$
Пентен	${\ce {C5H10}}$
Гексен	${\ce {C6H12}}$
Гептен	${\ce {C7H14}}$
Октен	${\ce {C8H16}}$
Нонет	${\ce {C9H18}}$
Децен	${\ce {C10H20}}$

Систематическая номенклатура IUPAC:

 → Систематическая номенклатура алкенов

1. Выбор основной цепи, которая представляет собой самую длинную углеродную цепь, содержащую двойную связь.
2. Нумерация атомов цепи осуществляется таким образом, чтобы sp²-гибридизованный атом углерода, расположенный ближе к концу цепи, получил наименьший порядковый номер.
3. Название цепи формируется путём замены суффикса «ан» на «ен» в названии соответствующего алкана.
4. Название радикалов (заместителей) обозначаю их суффиксом «ил».
5. Несколько заместителей перечисляются в алфавитном порядке.
6. Указание положения заместителей в цепи указывают с помощью цифр перед основным названием.

Примеры:

1. Этен (этилен): ${\ce {CH2=CH2}}$.
2. Пропен (пропилен): ${\ce {CH2=CH-CH3}}$.
3. Бутен-1 (бутилен): ${\ce {CH2=CH-CH2-CH3}}$.

Тривиальные названия функциональных групп:

1. Винильная группа (винил): ${\ce {CH2=CH-}}$.
2. Аллильная группа (аллил): ${\ce {CH2=CH-CH2-}}$.

Примеры соединений:

1. Бромистый винил (винилбромид): ${\ce {CH2=CH-Br}}$.
2. Аллиловый спирт: ${\ce {CH2=CH-CH2-OH}}$.

Рациональная номенклатура

Алкены рассматриваются как производные этилена, у которого один или несколько атомов водорода замещены алкильными группами.

• ${\ce {CH3-CH=CH2}}$ — метилэтилен
• ${\ce {CH3-CH2-CH=CH2}}$ — этилэтилен
• ${\ce {CH3-CH=CH-CH3}}$ — симметричный диметилэтилен
• ${\ce {CH2=C(CH3)2}}$  — несимметричный диметилэтилен
• ${\ce {CH2=CH-CH(CH3)2}}$ — изопропилэтилен.

Изомерия

 → Изомерия

В органической химии существует несколько видов изомерии, которые могут наблюдаться у алкенов и других органических соединений.

Структурная изомерия

${\ce {CH2=CH-CH2-CH2-CH3}}$ и ${\ce {CH2=C(CH3)-CH2-CH3}}$

Пентен-2 и 2-метилбутен-2.

Эти соединения имеют одинаковый элементный состав ${\ce {C5H10}}$, но различаются длиной углеродной цепи и количеством заместителей. Пентен-2 имеет прямую цепь из пяти углеродных атомов с двойной связью между вторым и третьим атомами углерода, тогда как 2-метилбутен-2 имеет разветвлённую цепь с метильной группой, присоединённой ко второму углеродному атому.

Положение кратной связи

${\ce {CH3-CH=CH-CH2-CH3}}$ и ${\ce {CH2=CH-CH2-CH2-CH3}}$

Пентен-2 и пентен-1.

Оба соединения имеют одинаковый элементный состав ${\ce {C5H10}}$, но двойная связь находится в разных позициях. В пентен-2 двойная связь находится между вторым и третьим углеродными атомами, тогда как в пентен-1 — между первым и вторым углеродными атомами.

Межклассовая изомерия

1-пентен

Циклопентан

Циклопентан и пентен-1.

Эти соединения имеют одинаковый элементный состав C₅H₁₀, но относятся к разным классам углеводородов. Циклопентан — это циклическое соединение, тогда как пентен-2 — это ациклическое соединение с двойной связью.

Геометрическая изомерия (цис-транс изомерия)

Геометрические (цис-транс) изомеры в алкенах

Цис-бутен-2 и транс-бутен-2.

В этих соединениях заместители могут располагаться либо по одну сторону от двойной связи (цис-изомерия), либо по разные стороны (транс-изомерия). В цис-бутене-2 заместители (метильные группы) находятся по одну сторону от двойной связи, тогда как в транс-бутене-2 — по разные стороны.

Геометрическая изомерия имеет место быть только при условии, что все заместители у атомов углерода при двойной связи отличаются друг от друга.

Физические свойства

Физические характеристики алкенов определяются их молекулярной структурой и количеством атомов углерода.

При стандартных условиях первые представители алкенов ${\ce {C2H4 - C4H8}}$существуют в газообразном состоянии. Средние представители ${\ce {C5H10 - C17H34}}$представляют собой жидкости, а алкены с большим количеством атомов углерода являются твёрдыми веществами.

Температуры кипения алкенов с неразветвлённой структурой выше, чем у их изомеров с разветвлённой цепью, что обусловлено более сильными межмолекулярными взаимодействиями в неразветвлённых молекулах.

Температуры плавления транс-изомеров обычно выше, чем у цис-изомеров, из-за более компактной и симметричной структуры транс-изомеров, что способствует более эффективному размещению молекул в кристаллической решётке.

Температуры кипения и плавления алкенов

Название соединения	Брутто-формула	Агрегатное состояние	Температура кипения, °C	Температура плавления, °C
Этен (этилен)	${\ce {C2H4}}$	газ	-169,1	-103,7
Пропен (пропилен)	${\ce {C3H6}}$	газ	-187,6	-47,7
Бутен-1 (бутилен)	${\ce {C4H8}}$	газ	-185,3	-6,3
цис-Бутен-2	${\ce {C4H8}}$	газ	-138,9	3,7
транс-Бутен-2	${\ce {C4H8}}$	газ	-105,5	0,9
Пентен-1	${\ce {C5H10}}$	жидкость	-165,2	30,1
Гексен-1	${\ce {C6H12}}$	жидкость	-139,8	63,5
Гептен-1	${\ce {C7H14}}$	жидкость	-119,1	93,6
Октен-1	${\ce {C8H16}}$	жидкость	-101,7	121,3
Нонен-1	${\ce {C9H18}}$	жидкость	-81,4	146,8
Децен-1	${\ce {C10H20}}$	жидкость	-66,3	170,6

Все алкены являются бесцветными, а жидкие алкены обладают неприятным запахом. Алкены практически не растворяются в воде из-за их гидрофобной природы, но хорошо растворяются в органических растворителях, таких как бензол, толуол и другие углеводороды.

Химические свойства

Гидрирование

В процессе присоединения водорода к алкенам происходит образование алканов. Данная реакция протекает при нагревании в присутствии катализаторов, таких как платина (Pt), палладий (Pd) или никель (Ni). Гидрирование алкенов представляет собой процесс обратимые. В соответствии с принципом Ле Шателье, для успешного протекания реакции гидрирования необходимо создать условия, способствующие повышению давления, поскольку данная реакция сопровождается уменьшением объёма системы. Присоединение водорода к атомам углерода в алкенах приводит к снижению степени окисления этих атомов, что позволяет отнести гидрирование алкенов к реакциям восстановления.

• ${\ce {CH2=CH2 + H2 <=>>[Ni, p] CH3-CH3}}$

Этилен (ethene) - 3D-модель с p-орбиталями.

Реакции электрофильного присоединения

Алкены, обладая двойной связью, проявляют высокую реакционную способность, вступая в реакции электрофильного присоединения с галогеноводородами, галогенами, кислотами и другими соединениями. Эти реакции протекают преимущественно через стадию образования мостикового иона. Характеран для алкенов π-связь вступает во взаимодействие с соединениями, обеднёнными электронами, то есть с электрофилами. Реакции присоединения, типичные для алкенов, характеризуются разрывом π-связи и образованием прочных σ-связей. π-электроны, расположенные в более обширной области околоядерного пространства по сравнению с σ-электронами, менее прочно удерживаются ядрами и обладают большей подвижностью. Именно поэтому во многих реакциях двойная связь выступает в роли донора электронов.

Галогенирование

Галогенирование алкенов представляет собой химическую реакцию, в ходе которой происходит присоединение галогенов, таких как хлор, бром или йод, к алкенам. Этот процесс является примером электрофильного присоединения и широко используется в органическом синтезе для введения галогенов в молекулы. Реакция проходит через образование циклического бромониевого иона, который затем раскрывается с образованием дибромированного продукта. Фтор редко применяется из-за его высокой реакционной способности и сложности в обращении. Реакция проводится в неполярных растворителях, таких как тетрахлорметан или хлороформ, чтобы избежать побочных реакций.

• ${\ce {CH2=CH2 + Br2 -> CH3-CH2Br}}$

Получение галогенгидринов

Обесцвечивание бромной воды алкеном служит качественной реакцией на наличие кратной связи.

• ${\ce {CH2=CH2 + Br2{}_{(aq)}+ H2O -> CH2OH-CH2Br + HBr}}$

Гидрогалогенирование

Алкен и галогенид водорода Механизм, описывающий реакцию электрофильного присоединения этена и бромистого водорода с образованием 1-бромэтана и водорода (не показан).

Гидрогалогенирование алкенов представляет собой процесс присоединения галогеноводорода (HX, где X — галоген) к двойной связи углерод-углерод в молекуле алкена. Эта реакция является характерным примером электрофильного присоединения и подчиняется правилу Марковникова. В ходе гидрогалогенирования происходит образование карбокатионного промежуточного продукта, который затем подвергается атаке галогенид-ионом (Br^-), в результате чего образуется конечный продукт реакции.

Схема реакции Марковникова

Правило Марковникова: при присоединении галогеноводорода к алкену, водород (H) присоединяется к углероду, который уже имеет большее количество водородов, а галоген — к углероду, который имеет меньшее количество водородов. Это правило обусловлено стабильностью карбокатионного промежуточного продукта: более стабильный карбокатион образуется на более замещённом углероде.

• ${\ce {CH2=CH2 + HBr -> CH3-CH2Br}}$
• ${\ce {CH2=CH-CH3 + HBr -> CH3-CHBr-CH3}}$

Реакция обычно проводится в присутствии растворителей, таких как пентан, бензол, дихлорметан, хлороформ или уксусная кислота. Добавление силикагеля (SiO₂) или оксида алюминия (Al₂O₃) к смеси алкена и галогеноводорода может значительно ускорить реакцию гидрогалогенирования. Эти катализаторы способствуют стабилизации карбокатионного промежуточного продукта, что ускоряет реакцию.

Гидратация

Гидратация алкенов — это реакция присоединения воды к двойной связи углерод-углерод в алкене, в результате чего образуется спирт. Эта реакция протекает по типу электрофильного присоединения и может быть осуществлена двумя основными методами. Гидратация алкенов происходит через образование карбокатионного промежуточного продукта. Присоединении воды к этилену.

• ${\ce {CH2=CH2 + H2O ->[H3PO4] CH3-CH2OH}}$

Реакция проходит через образование карбокатиона, который затем атакуется водой с образованием спирта. В соответствии с правилом Марковникова, водород (H) присоединяется к углероду, который уже имеет большее количество водородов, а гидроксильная группа (OH) — к углероду, который имеет меньшее количество водородов.

Присоединение концентрированной серной кислоты (60–65%) к алкену с последующим гидролизом при нагревании образующегося этилсульфата.

• ${\ce {CH2=CH2 + H2SO4 -> CH3-CH2OSO3H}}$
• ${\ce {CH3-CH2OSO3H + H2O -> CH3-CH2OH + H2SO4}}$

Реакция гидратации пропилена

В этом методе концентрированная серная кислота реагирует с неразветвленными алкенами. Чаще всего таким способом получают этиловый и изопропиловый спирты. В качестве катализатора можно использовать фосфорную кислоту на силикагеле (H₃PO₄/SiO₂) при высоких температурах и давлении (например, 300 °C и 70 атм).

В случае, если двойная связь не является симметричной, реакция протекает в соответствии с правилом Марковникова, водород присоединяется к углероду с большим количеством водородов (CH₂), а гидроксильная группа — к углероду с меньшим количеством водородов (CH).

• ${\ce {CH3-CH=CH2 + H2O -> CH3-CHOH-CH3}}$

Присоединение спиртов

Алкены могут вступать в реакцию со спиртами в присутствии минеральных кислот, таких как серная кислота (${\ce {H2SO4}}$) или соляная кислота (${\ce {HCl}}$). Этот процесс протекает по механизму электрофильного присоединения и приводит к образованию простых эфиров. Реакция алкенов со спиртами происходит по механизму электрофильного присоединения. В присутствии кислоты протон (H⁺) присоединяется к двойной связи алкена, образуя карбокатион. Затем молекула спирта атакует карбокатион, что приводит к образованию простого эфира.

• ${\ce {CH3-CH=CH2 + CH3-OH ->[H2SO4] CH3-CH(OCH3)-CH3}}$

Гидроборирование

Гидроборирование, метод, разработанный Гербертом Брауном в 1950-х годах, представляет собой процесс, позволяющий преобразовывать алкены в алканы с использованием гидридов бора, таких как боран (BH₃) и диборан (B₂H₆). В результате взаимодействия диборана с несимметричными алкенами происходит присоединение бора к наиболее гидрогенизированному атому углерода.

• ${\ce {CH3-CH=CH2 + BH3 -> CH3-CH2-CH2BH2}}$
• ${\ce {6CH3-CH=CH2 + B2H6 -> 2(CH3-CH2-CH2)3B}}$

Радикальное присоединение

В условиях, которые способствуют гомолитическому разрыву химических связей, таких как газовая фаза, освещение, повышенная температура (до 200 ⁰С) и присутствие пероксидов, присоединение галогенов к алкенам происходит по радикальному механизму, что противоречит правилу Марковникова.

Антимарковниковский пероксидный механизм - механизм радикальной реакции с образованием антимарковниковского продукта.

Гидрогалогенирование против правила Марковникова

Гидробромирование алкенов по механизму электрофильного присоединения следует правилу Марковникова. Однако, если в исходных реагентах присутствуют кислород или пероксиды, реакция может идти против правила Марковникова (эффект Караша). В частности, гомологи этилена присоединяют HBr в присутствии пероксидов (или других инициаторов свободнорадикального процесса) против правила Марковникова.

• ${\ce {CH3-CH=CH2 + HBr ->[H2O2] CH3-CH2-CH2Br}}$

Пероксид способствует гомолитическому разрыву связи H–Br, реакция протекает по радикальному механизму.

Радикальное замещение

Реакция радикального присоединения галогенов, таких как хлор и бром, к алкенам протекает быстро и обратимо при относительно низких температурах. Однако при повышении температуры выше 200°С обратная реакция становится настолько интенсивной, что начинает преобладать тенденция к отщеплению атома водорода. Взаимодействие гомологов этилена с галогенами, такими как хлор и бром, при высоких температурах, превышающих 400°С, приводит к замещению атома водорода в аллильном положении на галоген. Этот процесс называется аллильным замещением. В результате образуется конечный продукт, в котором сохраняется двойная связь.

• ${\ce {CH2=CH-CH3 + Cl2 ->[400 ^0 C] CH2=CH-CH2Cl + HCl}}$

Окисление

Горение

В общем виде процесс горения алкенов в избытке кислорода можно представить как образование диоксида углерода и воды. Алкены в нормальных условиях, при горении, образуют светящиеся коптящее пламя, что обусловлено неполным окислением атомов углерода.

• ${\ce {C2H4 + 3O2 -> 2CO2 + 2H2O}}$

Каталитическое окисление алкенов

Каталитическое окисление алкенов кислородом воздуха представляет собой сложный процесс, который может приводить к образованию разнообразных продуктов в зависимости от условий реакции. К таким условиям относятся температура, давление, тип катализатора и концентрация реагентов. В результате окисления алкенов могут образовываться различные продукты, такие как спирты, альдегиды, кетоны и карбоновые кислоты.

• ${\ce {2CH2=CH2 + O2->[PdCl2][t] CH3-CH=O}}$

Гидроксилирование. Образование диолов

При взаимодействии алкена с холодным водным раствором перманганата калия (KMnO₄) происходит процесс, известный как реакция Вагнера или проба Байера. В результате этой реакции образуются диолы (гликоли). Гидроксилирование алкенов происходит при комнатной температуре в нейтральной или слабощелочной среде. Этот процесс является ключевым методом получения гликолей. В ходе реакции перманганат калия, выступающий в роли окислителя, воздействует на двойную связь алкена, в результате чего образуются две гидроксильные группы на соседних углеродных атомах.

Проба Байера служит для качественного анализа наличия двойных связей в органических соединениях. Если в растворе алкена присутствует двойная связь, то при добавлении раствора перманганата калия происходит обесцвечивание, что указывает на протекание реакции окисления.

• ${\ce {3CH2=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O ->[0 ^0C] 3CH2OH-CH2OH + 2MnO2 + 2KOH}}$

Жёсткое окисление в кислой среде

Окисление алкенов в присутствии раствора перманганата калия (KMnO₄) или дихромата калия (K₂Cr₂O₇) в кислой среде при нагревании приводит к разрыву цепи по месту двойной связи. Результат реакции зависит от строения исходного алкена.

Пропен (${\ce {CH3CH=CH2}}$) при окислении перманганатом калия в кислой среде при нагревании разрывается по месту двойной связи, образуя уксусную кислоту (${\ce {CH3COOH}}$) и угольную кислоту (${\ce {H2CO3}}$). Угольная кислота распадается до углекислого газа (${\ce {CO2}}$) и воды (${\ce {H2O}}$):

• ${\ce {CH3-CH=CH2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 ->[t ^oC] CH3COOH + CO2 + 2MnSO4 + K2SO4 + 4H2O}}$

Бутен-2 при окислении перманганатом калия в кислой среде при нагревании разрывается по месту двойной связи с образованием двух молекул уксусной кислоты (${\ce {CH3COOH}}$):

• ${\ce {5CH3-CH=CH-CH3 + 8KMnO4 + 12H2SO4 ->[t ^0C] 10CH3-COOH + 8MnSO4 + 4K2SO4 + 12H2O}}$
  Метилпропен ${\ce {(CH3)2C=CH2}}$при окислении перманганатом калия в кислой среде при нагревании разрывается по месту двойной связи, образуя пропанон (ацетон) (${\ce {CH3COCH3}}$) и углекислый газ:

• ${\ce {5(CH3)2C=CH2 + 8KMnO4 + 12H2SO4 ->[t ^0C] 5CH3-CO-CH3 + 5CO2 + 4K2SO4 + 8MnSO4 + 17H2O}}$

Изомеризация

Изомеризация алкенов представляет собой процесс, в ходе которого алкены преобразуются в свои изомеры под воздействием нагревания и катализатора. Этот процесс может осуществляться двумя основными способами:

Перемещение двойной связи

Двойная связь перемещается в более стабильное положение между вторичными атомами углерода.

• ${\ce {CH3-CH2-CH=CH2 ->[AlCl3] CH3-CH=CH-CH3}}$

Изменение углеродного скелета

Конфигурация алкена, имеющая линейное строение, претерпевает трансформацию, в результате которой образуется разветвлённая структура, представляющая собой более устойчивое состояние.

• ${\ce {CH3-CH2-CH=CH2 ->[AlCl3] CH3-C(CH3)=CH2}}$

Полимеризация

Полимеризация представляет собой процесс, в ходе которого происходит соединение множества молекул мономеров в длинную цепь — полимер. Этот процесс имеет огромное значение в области химии и промышленности, поскольку позволяет создавать материалы с уникальными характеристиками.

В результате полимеризации этилена (${\ce {CH2=CH2}}$) образуется полиэтилен.

• ${\ce {nCH2=CH2 -> [-CH2-CH2-]n}}$,

где n — степень полимеризации, определяющая количество звеньев в цепи полимера, которое может достигать десятков и даже сотен тысяч.

Получение

Способы получения алкенов можно разделить на две основные группы: промышленные и лабораторные.

Промышленные способы

Промышленные методы включают в себя крекинг нефти и дегидрирование предельных углеводородов.

Крекинг

Крекинг нефти — это процесс термического разложения нефтепродуктов, в результате которого образуются алкены и алканы с меньшим размером цепи. Этот процесс позволяет получать ценные продукты, такие как бензин, дизельное топливо и сырье для производства пластмасс. Типы крекинга: термический и каталитический. Термический крекинг проводится при высоких температурах (около 450 - 500 °C) и высоком давлении без доступа воздуха. В результате этого процесса длинные углеводородные цепи разрываются, образуя смесь алканов и алкенов с более короткими цепями. Каталитический крекинг проводится в присутствии катализаторов, таких как цеолиты (алюмосиликаты кальция, натрия). Этот процесс сопровождается реакциями изомеризации и дегидрирования, что позволяет получать более высококачественные продукты.

• ${\ce {CH3-CH2-CH2-CH3 -> CH3-CH3 + CH2=CH2}}$

Дегидрирование предельных углеводородов

Дегидрирование предельных углеводородов — это катализируемое оксидом хрома удаление водорода из алканов, приводящее к образованию алкенов.

• ${\ce {CH3-CH3 ->[Cr2O3] CH2=CH2 + H2}}$
• ${\ce {CH3-CH2-CH2-CH3 ->[Cr2O3] CH3-CH=CH-CH3 + H2}}$

Лабораторный методы

Лабораторные методы включают в себя реакции элиминирования (отщепление), восстановление алкинов и реакцию Виттига.

Реакции отщепления (элиминирования)

Реакции элиминирования (отщепления) включают в себя дегидратацию спиртов, дегидрогалогенирование алкилгалогенидов и элиминирование дигалогенидов.

Реакции элиминирования, протекающие в соответствии с принципом Зайцева, характеризуются тем, что отщепление атома водорода в реакциях дегидрогалогенирования и дегидратации происходит преимущественно от наименее гидрированного атома углерода, то есть от атома углерода, содержащего наименьшее количество водорода. В современной интерпретации это означает, что реакции элиминирования приводят к образованию более замещённых алкенов при двойной связи. Такие алкены обладают более низкой энергией.

Дегидратация спиртов

Процесс дегидратации спиртов при повышенных температурах (выше 140°С) в присутствии водоотнимающих реагентов. В качестве водоотнимающего агента может быть использован оксид алюминия Al₂O₃.

• ${\ce {CH3-CH2-OH ->[H2SO4][t] CH2=CH2 + H2O}}$
• ${\ce {CH3-CH2-CHOH-CH3 ->[H2SO4][t] CH3-CH=CH-CH3 + H2O}}$

Дегидрогалогенирование алкилгалогенидов

Действие спиртовых растворов щелочей на моногалогенопроизводные алканов.

• ${\ce {CH3-CH2Cl + NaOH ->[C2H5OH] CH2=CH2 + NaCl + H2O}}$

• ${\ce {CH3-CHCl-CH2-CH3 + NaOH ->[C2H5OH] CH3-CH=CH-CH3 + NaCl + H2O}}$

Отщепление галогенов от дигалогенидов алканов

Действие металлов (Cu, Zn, Hg) на дигалогенопроизводные алканов. Для осуществления этой реакции необходимо использовать дигалогеналкан, в котором атомы галогена располагаются у соседних атомов углерода.

• ${\ce {CH2Cl-CH2Cl + Zn -> CH2=CH2 + ZnCl2}}$

Восстановление алкинов

Частичное восстановление алкинов с использованием специальных катализаторов.

• ${\ce {C2H2 + H2 ->[Pd] CH2=CH2}}$

Реакция Виттига

Реакция Виттига представляет собой процесс замещения кислорода в карбонильной группе альдегидов и кетонов на группу =СН₂, =СНR или =СR₂ с помощью илидов фосфора.

• .${\ce {CH3-CO-CH3 + (C6H5)3P=CH2 -> (CH3)2C=CH2 + (C6H5)3P=O}}$

Дегидрирование метана и увеличение цепи

При температуре около 600 ⁰С и использовании Ni катализатора происходит отщепление водорода и одновременно удвоение атомов углерода.

${\ce {2CH4 ->[Ni, t=600 ^{0}C] CH2=CH2 + 2H2}}$

Применение

Алкены представляют собой обширный класс химических соединений, находящих широкое применение в различных отраслях промышленности. Эти соединения используются в качестве исходных продуктов для производства разнообразных полимерных материалов, таких как пластмассы, каучуки и плёнки, а также других органических веществ.

Одним из наиболее значимых алкенов является этилен (этен), который служит основой для получения полиэтилена, политетрафторэтилена (тефлона), этилового спирта, уксусного альдегида, галогенопроизводных и множества других органических соединений, общее количество которых превышает 200 наименований. Этилен также применяется в качестве средства, ускоряющего созревание фруктов и овощей.

Пропилен (пропен) используется для получения спиртов и полимеров, в частности, полипропилена, который находит широкое применение в упаковке, производстве мебели, товаров широкого потребления, электронике, строительстве, транспорте, трубопроводном строительстве и других областях. Из пропилена при высокотемпературном радикальном хлорировании получают аллилхлорид, который используется для промышленных синтезов глицерина и эпихлоргидрина. Эпихлоргидрин, в свою очередь, является одним из основных компонентов в производстве эпоксидных смол.

Бутилены (бутен-1 и бутен-2) также используются для получения спиртов и полимеров. Изобутилен (2-метилпропен) применяется в производстве синтетического каучука. Димеризацией изобутилена и последующим гидрированием получают изооктан, который является стандартом моторного топлива с октановым числом 100. Добавление изооктана к бензиновой фракции нефти повышает октановое число бензина.

Примечания

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Алкены», расположенная по следующим адресам: — «https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/Алкены» — «https://znanierussia.ru/articles/Алкены» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».