«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 Сn
Н2n
. 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 С4
Н8
, 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 600С 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 ––300C,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
+ H2
O
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.
H2
C=CH2
+ Br2
BrCH2
–CH2
Br(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.
H2
C=CH2
+ HBr CH3
–CH2
Br(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.
H2
C=CH2
+ 3O2
2CO2
+ 2H2
O
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
|
