Гомологический ряд алкенов Слово «полиэтилен» давно перестало быть научным термином. Каждому из вас знакомы прочные, прозрачные, не пропускающие газы и жидкости полиэтиленовые…

Гомологический ряд алкенов Слово «полиэтилен» давно перестало быть научным термином. Каждому из вас знакомы прочные, прозрачные, не пропускающие газы и жидкости полиэтиленовые плёнки. Стеклянная упаковка косметических и гигиенических средств бытовой химии давно уступила пальму первенства небьющимся контейнерам из полиэтилена. Нередко металлические водопроводные трубы в квартирах заменяют на нержавеющие, лёгкие и гибкие полиэтиленовые. Многие бытовые предметы (ручки зубных щёток и корпуса шариковых ручек, ящики для овощей, посуда, игрушки) тоже изготовлены из полиэтилена (рис. 9). Полиэтилен получают из углеводорода этилена С2Н4 (рис. 10). В молекуле этилена два атома углерода связаны не одинарной, а двойной связью, что отражает структурная формула СН2=СН2. Этилен первый представитель гомологического ряда этиленовых углеводородов, или алкенов. Углеводороды, содержащие в молекулах одну двойную связь и имеющие общую формулу CnH2n, называют алкенами. Наличие в молекуле одной двойной связи С=С показывает, что валентности углеродных атомов не полностью насыщены атомами водорода, поэтому такие углеводороды называют непредельными углеводородами. Рис. 10. Модель молекулы этилена Этиленовые углеводороды образуют свой гомологический ряд. Как и в случае алканов, состав двух гомологов отличается на одну или несколько групп СН2. Приведём молекулярные и структурные формулы ближайших гомологов этилена (табл. 2). Таблица 2 Этиленовые углеводороды Молекулярная формула C2H4 C3H6 C4H8 Структурная формула CH2=CH2 CH2=CH-CH3 CH2=CH-CH2-CH3 CH2=C-CH3 | CH3 Название Этилен, или этен Пропилен, или пропен Бутилен, или бутен-1 Изобутилен, или 2-метил- пропен Номенклатура и изомерия алкенов Два последних углеводорода в таблице 2 имеют одинаковый состав, но различное химическое строение, т. е. это изомеры. Однако у бутена изомерия проявляется не только в строении углеродной цепи (линейная или разветвлённая), но и в положении двойной связи в молекуле. В конце названия алкена арабской цифрой указывают атом углерода, за которым следует двойная связь: CH2=CH-CH2-CH3 бутен-1 CH3-CH=CH-CH3 бутен-2 Изомерия положения двойной связи — тоже один из видов структурной изомерии. Особенности пространственного строения этиленовых углеводородов приводят к появлению в гомологическом ряду алкенов ещё одного вида изомерии — пространственной изомерии. Для бутена-2 возможно написание двух различных структурных формул. В первом случае углеродная цепь алкена расположена по одну сторону от ли нии двойной связи, а во втором по разные стороны: H3C CH3 \ / C=C / \ H H цис-бутен-2 H CH3 \ / C=C / \ H3C H транс-бутен-2 Эти два углеводорода имеют разные физические свойства (температуры ки пения, плавления и др.). Каждое вещество имеет состав C4H8, неразветвлённую цепь углеродных атомов, одинаковое положение кратной связи в цепи, но различаются они взаимным расположением атомов в пространстве. Следовательно, эти углеводороды являются изомерами. Первый называют цис-бутен-2, второй транс-бутен-2. Такой вид пространственной изомерии носит название геометрической или цис-транс-изомерии (от лат. cis на одной стороне и trans напротив). Способы получения алкенов Как химически взаимосвязаны предельные и непредельные углеводороды? В отличие от предельных углеводородов, алкены встречаются в природе нечасто. Промышленные способы их получения основаны на превращении алканов в алкены. В качестве природных источников алкенов используют главным образом нефть и природный газ. Один из способов получения алкенов уже знакомая вам реакция дегидрирования соответствующих предельных углеводородов. (Вспомните уравнение реакции дегидрирования этана и запишите аналогичное уравнение для пропана.) Главным промышленным способом получения алкенов является крекинг (от англ. crack расщеплять) предельных углеводородов нефти и попутного нефтяного газа. Сущность процесса заключается в нагревании алканов без доступа воздуха в присутствии катализатора (каталитический крекинг) или при высокой температуре (термический крекинг). Цепь углеродных атомов разрывается примерно пополам, при этом образуются молекулы предельного и непредельного углеводородов: C8H18 — C4H8 + C4H10 октан бутен бутан К лабораторным способам получения алкенов относят реакции отщепления. Для образования в молекуле двойной связи от соседних атомов углерода нуж но отнять по одному связанному с ними атому или группе. Тогда освободившиеся валентности превращаются во вторую углерод-углеродную связь. В лаборатории этилен получают из этилового спирта с помощью концентрированной серной кислоты (водоотнимающего средства) при нагревании: H H | | H2SO4 H—C—C—H——CH2=CH2+H2O | | H OH CH3-CH2-OH H₂SO₄ (конц.),t CH2=CH2+ H₂O Реакции отщепления воды от молекул органических веществ называют реакциями дегидратации. Химические свойства алкенов Химические свойства этилена и его гомологов обусловлены особенностями их строения, а именно наличием в их молекулах двойной углерод-углеродной связи. Для непредельных соединений характерны реакции присоединения. Одна из наиболее важных реакций присоединения для этилена —его взаимодействие с водой в присутствии катализатора (кислоты): CH₂=CH₂+H-OH——CH2-CH2-OH | H Обычно эту реакцию записывают так: CH2=CH2 + H2O — CH3-CH2-OH этилен этиловый спирт Реакции присоединения воды по кратным связям молекул органических веществ называют реакциями гидратации. В результате реакции гидратации этилена получают технический этиловый спирт. Его используют только в качестве растворителя, горючего, сырья для химических производств словом, везде, кроме пищевой промышленности. Присоединение воды к гомологу этилена пропилену происходит по правилу, сформулированному выдающимся русским химиком, учеником Бутлерова В. В. Марковниковым. Правило Марковникова Атом водорода присоединяется к тому из двух углеродных атомов двойной связи, у которого больше атомов водорода. CH2=CH-CH₃+H₂O—CH3-CH-CH3 | OH пропилен пропанол-2 Этиленовые углеводороды вступают в реакции присоединения галогеноводородов реакции гидрогалогенирования: CH2=CH2 + HBr— CH3-CH2Br бромэтан И в этих реакциях, как и в реакциях гидратации, соблюдается правило Марковникова: CH2=CH-CH2-CH3 + HBr— CH3-CHBr-CH2-CH3 2-бромбутан К реакциям присоединения относят также взаимодействие этиленовых углеводородов с галогенами реакции галогенирования. В отличие от алканов, которые с галогенами вступают в реакцию замещения, алкены присоединяют молекулу галогена за счёт разрыва связи С=С: CH₂=CH₂+Br-Br—CH2-CH2 | | Br Br или CH2=CH2 + Br2 этилен бромная вода CH2Br-CH2Br 1,2-дибромэтан В качестве реагента для реакции бромирования этилена можно использовать раствор брома в воде так называемую бромную воду. При этом жёлтая окра ска бромной воды исчезает. Поскольку реакция сопровождается характерными видимыми изменениями, обесцвечивание бромной воды можно использовать как качественную реакцию на этилен и другие непредельные соединения. Вещества, содержащие двойную углерод-углеродную связь, можно обнаружить с помощью ещё одной качественной реакции. При пропускании этилена через водный раствор перманганата калия происходит обесцвечивание этого раствора. В упрощённом виде, обозначив окислитель (КМnО₄) как [O], уравнение реакции записывают так: CH₂=CH₂+[O] + H₂O этилен —CH2-CH2 | | OH OH этиленгликоль В качестве продукта этой реакции образуется органическое вещество эти ленгликоль, с которым вы более подробно познакомитесь при изучении темы «Спирты». Разновидностью реакции присоединения можно считать процесс полимеризации. Реакции, в которых множество молекул исходного вещества соединяются в огромную макромолекулу, называют реакциями полимеризации. Под действием высокой температуры и давления двойные углерод-углеродные связи в этилене разрываются, и за счёт освободившихся валентностей атомы углерода соединяются друг с другом: ...+ CH2=CH2 + CH2=CH2+CH2=CH2+...— ...-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-... Исходное вещество (в данном случае этилен) называют мономером, а продукт реакции (в нашем примере полиэтилен) полимером. В результате реакции полимеризации образуются длинные цепи, состоящие из фрагментов этилена -СН2-СН2-. Многократно повторяющуюся в полимерной цепи группу атомов называют структурным звеном полимера. Число структурных звеньев в макромолекуле обозначают буквой п и называют степенью полимеризации. Относительная молекулярная масса таких гигантских молекул может составлять от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Поскольку эта величина не является постоянной, говорят о средней молекулярной массе полимера. Уравнение реакции полимеризации этилена записывают так: nCH2=CH2—(-CH2-CH2-)n этилен полиэтилен Этилен важное химическое сырьё для производства полиэтилена, галогенпроизводных (используются, например, в качестве растворителей), этилового спирта, этиленгликоля и других продуктов химической промышленности (рис. 11). Алкены не единственные представители углеводородов, содержащих в молекуле двойную связь. О других углеводородах с двойными связями вы узнаете из материала следующего параграфа. подробный конспект с формулами