Алкены
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Алкены (иначе олефины или этиленовые углеводороды) — ациклические непредельные углеводороды, содержащие одну двойную связь между атомами углерода, образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n. Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp² гибридизации. Энергия связи C=C примерно 615 кДж/моль.
Простейшим алкеном является этен (C2H4). По номенклатуре IUPAC названия алкенов образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса «-ан» на «-ен»; положение двойной связи указывается арабской цифрой.
Углеводородные радикалы, образованные от алкенов имеют суффикс «-енил». Тривиальные названия: СH2=CH- «винил», CH2=CH-CH2- «аллил».
[править] Гомологический ряд и изомерия
Алкены, число атомов углерода в которых больше трёх, имеют изомеры. Для алкенов характерны изомерия углеродного скелета, положения двойной связи, межклассовая и пространственная.
| этен (этилен) | C2H4 |
| пропен | C3H6 |
| н-бутен | C4H8 |
| н-пентен | C5H10 |
| н-гексен | C6H12 |
| н-гептен | C7H14 |
| н-октен | C8H16 |
| н-нонен | C9H18 |
| н-децен | C10H20 |
Алкены могут существовать в виде пространственных или геометрических изомеров.
Различают:
цис- изомеры: заместители расположены по одну сторону от двойной связи;
транс- изомеры: заместители расположены по разные стороны от двойной связи.
IUPAC рекомендует называть геометрические изомеры по следующей номенклатуре:
Z- изомеры: старшие заместители у углеродных атомов двойной связи находятся по одну сторону относительно двойной связи;
E- изомеры: старшие заместители у углеродных атомов двойной связи находятся по разные стороны относительно двойной связи.
[править] История открытия
Впервые этилен был получен в 1669 году немецким химиком и врачом Бехером действием серной кислоты на этиловый спирт. Правда, идентифицировать полученный газ он не смог и названия ему не присвоил[1].
Вторично и тем же способом «воздух Бехера» был получен и описан голландскими химиками Дейманом, Потс-ван-Трооствиком, Бондом и Лауверенбургом в 1795 году. Они назвали его «маслородным газом» так как при взаимодействии с хлором, он образовывал маслянистую жидкость — дихлорэтан (об этом стало известно позднее). По-французски «маслородный» — oléfiant. Французский химик Антуан Фуркруа ввёл этот термин в практику, а когда были обнаружены другие углеводороды такого же типа, это название стало общим для всего класса олефинов (или, по современной номенклатуре, алкенов)[2].
В 1862 году немецкий химик-органик Э.Эрленмейер предположил наличие в молекуле этилена наличие двойной связи, а в 1870 году известный российский ученый А. М. Бутлеров признал эту точку зрения правильной, подтвердив её природу экспериментально[3].
[править] Нахождение в природе и физиологическая роль алкенов
В природе алкены практически не встречаются. Простейший представитель этого класса органических соединений — Этилен (C2H4) — является гормоном для растений и в незначительном количестве в них синтезируется.
Один из немногих природных алкенов — мускалур (цис- трикозен-9) является половым аттрактантом самки домашней мухи (Musca domestica).
Низшие алкены в высоких концентрациях обладают наркотическим эффектом. Высшие члены ряда также вызывают судороги и раздражение слизистых оболочек дыхательных путей[4].
[править] Физические свойства
- Температуры плавления и кипения увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи.
- При нормальных условиях алкены с C2H4 до C4H8 — газы; с C5H10 до C17H34 — жидкости, после C18H36 — твёрдые тела. Алкены не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях.
| Физические свойства алкенов[5] | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| № | Название | Формула | Т плавления,°С | Т кипения,°С | Плотность, d204 |
| 1 | Этилен | С2H4 | −169,1 | −103,7 | 0,5700* |
| 2 | Пропилен | C3H6 | −187,6 | −47,7 | 0,5193* |
| 3 | Бутен-1 | C4H8 | −185,3 | −6,3 | 0,5951* |
| 4 | цис-Бутен-2 | CH3-CH=CH-CH3 | −138,9 | 3,7 | 0,6213 |
| 5 | транс-Бутен-2 | CH3-CH=CH-CH3 | −105,5 | 0,9 | 0,6042 |
| 6 | 2-Метилпропен-1 | CH3-C(CH3)=CH2 | −140,4 | −7,0 | 0,5942* |
| 7 | Пентен-1 | С5H10 | −165,2 | 30,1 | 0,6405 |
| 8 | Гексен-1 | С6H12 | −139,8 | 63,5 | 0,6730 |
| 9 | Гептен-1 | С7H14 | −119,0 | 93,6 | 0,6970 |
| 10 | Октен-1 | С8H16 | −101,7 | 121,3 | 0,7140 |
* — Значения измерены при температуре кипения.
[править] Методы получения алкенов
Основным промышленным методом получения алкенов является каталитический и высокотемпературный крекинг углеводородов нефти и природного газа. Для производства низших алкенов используют также реакцию дегидратации соответствующих спиртов.
В лабораторной практике обычно применяют метод дегидратации спиртов над Al2O3, дегидрогалогенирование и дегалогенирование соответствующих галогенпроизводных; синтезы Гофмана, Чугаева и Виттига.
Подробнее — смотри соответвующие разделы ниже.
[править] Дегидрирование алканов
Это один из промышленных способов получения алкенов[6][7]. Температура: 350—450°С, катализатор — Cr2O3. Также используются алюмомолибденовые и алюмоплатиновые катализаторы[8].


[править] Дегидрогалогенирование и дегалогенирование алканов
Отщепление галогенов у дигалогеналканов происходит в присутствии цинка:

Дегидрогалогенирование проводят при нагревании действием спиртовыми растворами щелочей[9]:

При отщеплении галогенводорода образуется смесь изомеров, преобладающий из которых определяется правилом Зайцева: отщепление протона происходит от менее гидрогенизированного атома углерода.
[править] Дегидратация спиртов
Дегидратацию спиртов ведут при повышенной температуре в присутствии сильных минеральных кислот:


[править] Гидрирование алкинов
Частичное гидрирование алкинов требует специальных условий и наличие катализатора:
(цис-изомер)
(транс-изомер) 
[править] Прочие методы синтеза
- Реакция Виттига — синтез стереоселективных алкенов из карбонильных соединений:
![\mathsf{(C_6H_5)_3P+CH_3Br}\rightarrow\mathsf{[(C_6H_5)_3P\!\!-\!\!CH_3]Br }](http://upload.wikimedia.org/math/5/c/e/5ce944f0b38cb4e218e7bc78e4800f1e.png)
![\mathsf{[(C_6H_5)_3P\!\!-\!\!CH_3]Br+C_6H_5Li}\rightarrow\mathsf{(C_6H_5)_3P\!\!-\!\!CH_2\!\!:+}\mathsf{C_6H_6+LiBr}](http://upload.wikimedia.org/math/1/9/2/192000b9975df23b60af6589555940fc.png)

- Реакция Кневенагеля — конденсация альдегидов или кетонов с соединениями, содержащими активную CH2-группу:
- Реакция Чугаева — взаимодействие спиртов с CS2 и NaOH с последующим пиролизом ксантата:


- Исчерпывающее метилирование по Гофману — разложение четвертичных аммониевых оснований на алкен, третичный амин и воду[10]:

[править] Химические свойства
Алкены химически активны. Их химические свойства во многом определяются наличием двойной связи.
[править] Реакции электрофильного присоединения
В данных реакциях атакующей частицей является электрофил.
[править] Галогенирование
Галогенирование алкенов, проходящее в отсутствии инициаторов радикальных реакций — типичная реакция электрофильного присоединения. Она проводится в среде неполярных инертных растворителей (например: CCl4):

Реакция галогенирования стереоспецифична —- присоединение происходит с противоположных сторон относительно плоскости молекулы алкена[11]
Механизм реакции:
[править] Гидрогалогенирование
Присоединение галогенводородов к алкенам происходит по правилу Марковникова:
Однако в присутствии перекисей присоединение происходит против этого правила (эффект Хараша)[11]:
Это объясняется тем, что реакция в данном случае будет протекать по радикальному механизму.
[править] Гидратация
Реакция присоединения воды к алкенам протекает в присутствии серной кислоты:

Реакция протекает по правилу Марковникова.
[править] Прочие реакции электрофильного присоединения
- Присоединение спирта с образованием простого эфира:

- Получение спиртов по реакции оксимеркурирования-димеркурирования:


- Присоединение хлорноватистой кислоты с образованием хлоргидринов:

- Присоединение хлорангидридов с дальнейшим получением ненасыщенных кетонов (реакция Кондакова, катализатор ZnCl2[12]):

[править] Реакции радикального присоединения
В условиях, способствующих гомолитическому разрыву связи, (высокая температура, облучение, наличие свободных радикалов и пр.) присоединение к алкенам происходит по радикальному механизму.



и т. п.
Механизм реакции:
[править] Реакции присоединения карбенов
Карбен CR2: — высокореакционная короткоживущая частица, которая легко присоединяется по двойной связи алкена.
1. Первый этап — образование карбена:
(фотолиз кетена)
или
(пиролиз диазометана)
или

2. Второй этап — присоединение карбена с образованием производных циклопропана:
[править] Гидрирование

Гидрирование алкенов непосредственно водородом происходит только в присутствии катализатора. Гетерогенными катализаторами гидрирования служат платина, палладий, никель [13].
Гидрирование можно проводить и в жидкой фазе с гомогенными катализаторами (например: катализатор Уилкинсона ((C6H5)3P)3RhCl)[13].
В качестве реагентов гидрирования могут выступать диимид (NH=NH), диборан (B2H6) и др[14].
[править] Реакции радикального замещения
При высоких температурах (более 400 °C) реакции радикального присоединения, носящие обратимый характер, подавляются. В этом случае становится возможным провести замещения атома водорода, находящегося в аллильном положении при сохранении двойной связи:

Реакция носит радикальный характер и протекает аналогично хлорированию алканов.
Аллильное бромирование обычно проводят N-бромсукцинимидом (реакция Воля-Циглера)[15] в присутствии перекиси бензоила в среде тетрахлорметана или в бинарной смеси диметилсульфоксида и воды[13]:
[править] Окисление
Окисление алкенов может происходить в зависимости от условий и видов окислительных реагентов как с разрывом двойной связи, так и с сохранением углеродного скелета.
[править] Окисление неорганическими окислителями
- В мягких условиях возможно окисление посредством присоединения по двойной связи двух гидроксильных групп:

На первом этапе происходит присоединение оксида осмия к алкену, затем под действием воосстановителя (Zn или NaHSO3) образовавшийся комплекс переходит к диолу (Реакция Криге).
Аналогично реакция идет в нейтральной или слабощелочной среде под действием KMnO4 (Реакция Вагнера):

- При действии на алкены сильных окислителей (KMnO4 или K2Cr2O7 в среде Н2SO4) при нагревании происходит разрыв двойной связи:
![\mathsf{R\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH\!\!-\!\!R+[O]}\rightarrow\mathsf{2R\!\!-\!\!COOH}](http://upload.wikimedia.org/math/a/2/8/a28bc13e840345a4d3a224b246d245c4.png)
(кетон)
- Некоторые окислители, например нитрат (III) таллия, окисляют алкены с перегруппировкой по следующей схеме[16]:
![\mathsf{R\!\!-\!\!C(R)\!\!=\!\!CH\!\!-\!\!R +[O]}\rightarrow\mathsf{R\!\!-\!\!C(O)\!\!-\!\!CH(R)R}](http://upload.wikimedia.org/math/5/b/2/5b2d338c43f7651b09c583f9b9fe9c28.png)
[править] Окисление в присутствии солей палладия
В присутствии солей палладия этилен окисляется до ацетальдегида[11]:

Реакция идет в кислой среде и является промышленным способом получения ацетальдегида.
Аналогично образуется ацетон из пропена.
[править] Эпоксидирование
При действии на алкены пероксикарбоновых кислот образуются эпоксиды (реакция Прилежаева)[17]:
Реакция эпоксидирования используется для промышленного получения этиленоксида. Окислителем выступает кислород воздуха; процесс идет на серебряном катализаторе при 200—250°С под давлением.
[править] Озонолиз
Озонолиз алкенов обычно проводят при низких температурах (от −80 до −30 °C) в инертном растворителе (гексан, тетрахлорметан, хлороформ, этилацетат и пр.). Непосредственные продукты озонолиза не выделяют, а подвергают дальнейшему гидролизу, окислению или восстановлению[16].
- Озонолиз в мягких условиях: алкен окисляется до альдегидов (в случае монозамещенных вицинальных углеродов), кетонов (в случае дизамещенных вицинальных углеродов) или смеси альдегида и кетона (в случае три-замещенного у двойной связи алкена).
На первой стадии происходит присоединение озона с образованием озонида:
Далее под действием восстановителя (например: Zn + CH3COOH) озонид разлагается:
Если взять более сильный восстановитель, скажем — алюмогидрид лития, продуктом реакции будут спирты.

В данном случае разложение озонида происходит под действием окислителей (пероксид водорода, оксид серебра, пероксикиcлоты и пр.[16]).
[править] Реакция карбонилирования[18]
Алкены в присутствии катализатора, высокой температуры и давления присоединяют CO и H2 с образованием альдегидов:

Аналогично протекает реакция CO и H2O с образованием карбоновых кислот:

Если вместо воды использовать спирт, конечным продуктом реакции будет сложный эфир:

[править] Реакции полимеризации
Полимеризация алкенов может протекать как по свободнорадикальному, так и катионно-анионному механизму.
По первому методу получают полиэтилен высокого давления:
![\mathsf{n\ CH_2\!\!=\!\!CH_2}\rightarrow\mathsf{-[-\!CH_2\!\!-\!\!CH_2\!-]_n-}](http://upload.wikimedia.org/math/3/5/0/35009a59cc123eaf93db29e3ec54f356.png)
Катализатором реакции выступают пероксиды.
Второй метод предполагает использование в качестве катализаторов кислот (катионная полимеризация), металлорганических соединений (катализаторы Циглера-Натта, анионная полимеризация). Преимуществом метода является возможность получения стереоселективных полимеров.
См. также статью полимеризация.
[править] Метатезис алкенов
Впервые данный тип реакций был обнаружен в середине прошлого века при изучении полимеризации этилена, а в затем был использован в 1966 году для промышленного синтеза бутена-2.
В 1967 году Н. Кальдерон, Х. Ю Чен и К. В. Скотт описали метатезис алкенов (в российской литературе часто употребляется термин реакция дисмутации алкенов, иначе говоря — реакцию обмена атомами при сохранении общей структуры алкена и его двойной связи) в условиях катализа хлоридом вольфрама (VI):

Реакция оказалась настолько важной в области практической препаративной химии, что исследовательская группа Роберта Груббса, разработавшая новый класс катализаторов (алкилиденовые комплексы рутения) метатезиса олефинов, получила в 2005 году Нобелевскую премию в области химии[19]. Справедливости ради, стоит отметить, что эту премию также получили француз Ив Шовен в 1971 году, предложивший карбеновую теорию механизма реакции метатезиса[20], и американец Ричард Шрок, создавший в 1990 году первый металлорганический катализатор метатезиса алкенов[21].
В 2008 году польские химики продемонстрировали реакцию метатезиса в водном растворе с использованием коммерчески доступного рутениевого катализатора[22].
[править] Идентификация алкенов
Часто для идентификации алкенов используют реакцию Вагнера: обесцвечивание раствора перманганата калия в слабощелочной среде (окисление алкенов до гликолей). Другой вариант — обесцвечивание раствора брома в четыреххлористом углероде при отсутствии выделения бромоводорода (реакция присоединения)[23].
Эти химические методы является очень общими, не селективными и не могут гарантированно определить алкены.
Для подтверждения наличия двойной связи в соединении используют методы спектроскопии. ИК спектры алкенов имеют характеристические полосы при 1650 см-1 (валентные колебания связи С=С) и 3100, 1420, 915—1000 см-1 (колебания винильных С-Н связей)[24].
[править] Применение алкенов
Алкены являются важнейших химическим сырьем. Из этилена и пропилена получают полимеры и эластомеры, эпоксисоединения, дихлорэтан, винилхлорид, этанол, изопропанол, стирол и т. д. Изобутилен — сырье для получения бутилкаучука, изопрена, трет-бутанола; используется для алкилирования фенолов при синтезе ПАВ. Его сополимеры с бутенами применяют как присадки к маслам и герметики. Высшие алкены С10-С18 применяют при синтезе ПАВ, а также для получения высших спиртов [25].
[править] См. также
[править] Примечания
- ↑ http://home.uic.tula.ru/~zanchem/ufackt/sluch/sl2.htm
- ↑ http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/53bd0cec-afd6-4062-9f91-f8c44f770dc7/006.pdf
- ↑ Соловьев Ю. И. История химии: Развитие химии с древнейших времен до конца XIX в. Пособие для учителей. — 2-е изд., перераб. -М.: Просвещение, 1983.
- ↑ http://chemanalytica.com/book/novyy_spravochnik_khimika_i_tekhnologa/11_radioaktivnye_veshchestva_vrednye_veshchestva_gigienicheskie_normativy/5171
- ↑ http://chemistry.narod.ru/razdeli/Organic/alkens.htm
- ↑ http://www.chemistry.ssu.samara.ru/chem2/u253.htm
- ↑ http://chemistry.narod.ru/razdeli/neftechemistry/21.htm
- ↑ http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_1591.html
- ↑ Матьё Ж., Панико Р., Вейль-Рейналь Ж. Изменение и введение функций в органическом синтезе, пер. с франц., М. — Мир, 1980
- ↑ http://www.vstu.net.ru/publ/35-1-0-483
- ↑ 1 2 3 Травень В. Ф. Органическая химия, М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. — ISBN 5-94628-068-6.
- ↑ http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_1745.html
- ↑ 1 2 3 http://www.chem.msu.su/rus/teaching/alken1/alken1(4-4.3a).html
- ↑ Макквиллин Ф. Дж. Гомогенное гидрирование в органической химии. Пер. с англ. — М., Химия, 1980
- ↑ http://e-science.ru/index/?id=817
- ↑ 1 2 3 Хейнс А. Методы окисления органических соединений: Алканы, алкены, алкины и арены: Перевод с англ. — М.: Мир, 1988. — ISBN 5-03-000149-2
- ↑ http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3677.html
- ↑ Фальбе Ю. Синтез на основе окиси углерода, пер. с нем., Л., 1971
- ↑ http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2005/
- ↑ http://nauka.relis.ru/26/0512/nobel-ca.jpg#
- ↑ http://www.lenta.ru/news/2005/10/05/nobel/
- ↑ http://www.chemport.ru/datenews.php?news=855
- ↑ http://www.ximicat.com/ebook.php?file=shrainer_ana.djvu&page=70
- ↑ http://www.cementi.ru/jtextvvyvv53vvat.html
- ↑ Робертc Д. Д., Касерио М. К. Общая органическая химия, пер. с англ., т. 1, М., 1981
|
|
|
|---|---|
| Алканы | Метан · Этан · Пропан · Бутан · Пентан · Гексан · Гептан · Октан · Нонан · Декан · Ундекан · Додекан · Гексадекан |
| Алкены | Этилен · Пропилен · Бутилен · Изобутилен |
| Алкины | Ацетилен · Пропин · Бутин · Диацетилен |
| Диены | Бутадиен · Изопрен |
| Другие ненасыщеные | Винилацетилен |
| Циклоалканы | Циклопропан · Циклобутан · Циклопентан · Циклогексан · Декалин · Индан |
| Ароматические | Бензол · Толуол · Ксилол · Этилбензол · Кумол · Стирол · Фенилацетилен · Индан · Циклобутадиен · Крезол |
| Полиароматические | Дифенил · Терфенил · Дифенилметан · Трифенилметан |
| Конденсированные | Нафталин · Антрацен · Фенантрен · Бензпирен · Азулен |
| Эта статья выставлена на рецензию. Пожалуйста, выскажите своё мнение о ней на странице Википедия:Статьи для рецензирования. |








