Nejjednoduššími organickými sloučeninami jsou nasycené a nenasycené uhlovodíky. Patří sem látky třídy alkanů, alkynů, alkenů.
Jejich vzorce zahrnují atomy vodíku a uhlíku v určitém pořadí a množství. Často se vyskytují v přírodě.
Stanovení alkenů
Dalším názvem pro ně jsou olefiny nebo ethylenové uhlovodíky. Přesně tak byla tato třída sloučenin nazývána v 18. století, kdy byla objevena olejovitá kapalina, ethylenchlorid.
Alkeny zahrnují látky skládající se z vodíkových a uhlíkových prvků. Patří mezi acyklické uhlovodíky. Jejich molekula obsahuje jednoduchou dvojnou (nenasycenou) vazbu spojující dva atomy uhlíku k sobě.
Alkenové vzorce
Každá třída sloučenin má své vlastní chemické označení. V nich symboly živlů periodická tabulka je uvedeno složení a vazebná struktura každé látky.
Obecný vzorec alkenů označujeme takto: C n H 2n, kde číslo n je větší nebo rovno 2. Při jeho dešifrování je zřejmé, že na každý atom uhlíku připadají dva atomy vodíku.
Molekulární vzorce alkenů z homologní řady jsou reprezentovány následujícími strukturami: C 2 H 4, C 3 H 6, C 4 H 8, C 5 H 10, C 6 H 12, C 7 H 14, C 8 H 16 , C9H18, C10H20. Je vidět, že každý následující uhlovodík obsahuje o jeden uhlík více a o dva vodíky více.
Nechybí grafické označení místa a pořadí chemické sloučeniny mezi atomy v molekule, což je znázorněno strukturním vzorcem alkenů Pomocí valenčních pomlček je vyznačena vazba uhlíků s vodíky.
Strukturní vzorec alkenů může být zobrazen v rozšířené formě, když všechny chemické prvky a spojení. Výstižnější vyjádření olefinů neukazuje kombinaci uhlíku a vodíku pomocí valenčních tyčí.
Kosterní vzorec označuje nejjednodušší strukturu. Přerušovaná čára představuje základ molekuly, ve kterém jsou atomy uhlíku reprezentovány jejími konci a konci, a vazby označují vodík.
Jak se tvoří názvy olefinů?
CH3-HC=CH2 + H20 -> CH3-OHCH-CH3.
Když jsou alkeny vystaveny kyselině sírové, dochází k procesu sulfonace:
CH 3 -HC=CH 2 + HO−OSO−OH → CH 3 -CH 3 CH-O−SO 2 −OH.
Reakce probíhá za vzniku esterů kyselin, například kyseliny isopropylsírové.
Alkeny podléhají oxidaci, když se spalují pod vlivem kyslíku za vzniku vody a oxidu uhličitého:
2CH3-HC=CH2 + 902 -> 6C02 + 6H20.
Interakce olefinických sloučenin a zředěného manganistanu draselného ve formě roztoku vede ke vzniku glykolů nebo alkoholů dvouatomové struktury. Tato reakce je také oxidační s tvorbou ethylenglykolu a odbarvením roztoku:
3H2C=CH2 + 4H20+ 2KMn04 -> 3OHCH-CHOH+ 2Mn02+2KOH.
Molekuly alkenů se mohou zapojit do procesu polymerace mechanismem volných radikálů nebo kationtů. V prvním případě se pod vlivem peroxidů získá polymer typu polyethylenu.
Podle druhého mechanismu působí kyseliny jako kationtové katalyzátory a organokovové látky působí jako aniontové katalyzátory, které uvolňují stereoselektivní polymer.
Co jsou alkany
Říká se jim také parafiny nebo nasycené acyklické uhlovodíky. Mají lineární nebo rozvětvenou strukturu, která obsahuje pouze nasycené jednoduché vazby. Všichni zástupci této třídy mají obecný vzorec C n H 2n+2.
Obsahují pouze atomy uhlíku a vodíku. Obecný vzorec alkenů je vytvořen z označení nasycených uhlovodíků.
Názvy alkanů a jejich vlastnosti
Nejjednodušším zástupcem této třídy je metan. Následují látky jako etan, propan a butan. Jejich název je založen na kořenu číslovky řecký, ke kterému se přidává koncovka -an. Názvy alkanů jsou uvedeny v nomenklatuře IUPAC.
Obecný vzorec alkenů, alkynů, alkanů zahrnuje pouze dva typy atomů. Patří mezi ně prvky uhlík a vodík. Počet atomů uhlíku ve všech třech třídách je stejný, rozdíl je pouze v počtu vodíku, který lze odstranit nebo přidat. Získávají se z něj nenasycené sloučeniny. Zástupci parafinů obsahují ve své molekule o 2 atomy vodíku více než olefiny, což potvrzuje obecný vzorec alkanů a alkenů. Alkenová struktura je považována za nenasycenou kvůli přítomnosti dvojné vazby.
Pokud porovnáme počet atomů vody a uhlíku v al-canech, pak bude hodnota maximální ve srovnání s ostatními třídami uhlíku -ro-dov.
Počínaje metanem a konče butanem (od C 1 do C 4), látky existují v plynné formě.
Uhlovodíky homologního rozsahu od C5 do C16 jsou přítomny v kapalné formě. Počínaje alkanem, který má 17 atomů uhlíku v hlavním řetězci, dochází k přechodu fyzický stav do pevné formy.
Vyznačují se izomerií v uhlíkovém skeletu a optickými modifikacemi molekuly.
V parafinech jsou uhlíkové valence považovány za zcela obsazené sousedními uhlíky nebo vodami s tvorbou vazby typu σ. Z chemického hlediska to určuje jejich slabé vlastnosti, proto se alkany nazývají limitní nebo nasycené uhlí postrádající afinitu.
Procházejí substitučními reakcemi spojenými s radikálovou halogenací, sulfochlorací nebo nitrací molekuly.
Parafíny podléhají procesu oxidace, spalování nebo rozkladu, když vysoké teploty. Vlivem urychlovačů reakce se odstraňují atomy vodíku nebo dehydrogenují alkany.
Co jsou alkyny
Říká se jim také acetylenové uhlovodíky, které mají v uhlíkovém řetězci trojnou vazbu. Struktura alkynů je popsána obecným vzorcem CnH2n-2. Ukazuje, že na rozdíl od alkanů nemají acetylenové uhlovodíky čtyři atomy vodíku. Jsou nahrazeny trojnou vazbou tvořenou dvěma π sloučeninami.
Tato struktura určuje chemické vlastnosti této třídy. Strukturní vzorec alkenů a alkynů jasně ukazuje nenasycenost jejich molekul a také přítomnost dvojné (H 2 C꞊CH 2) a trojné (HC≡CH) vazby.
Názvy alkynů a jejich vlastnosti
Nejjednodušším zástupcem je acetylen nebo HC≡CH. Říká se mu také ethin. Pochází z názvu nasyceného uhlovodíku, ve kterém se odstraňuje přípona -an a přidává se -in. V názvech dlouhých alkynů číslo označuje umístění trojné vazby.
Znáte-li strukturu nasycených a nenasycených uhlovodíků, můžete určit, které písmeno označuje obecný vzorec alkynů: a) CnH2n; c) CnH2n+2; c) CnH2n-2; d) CnH2n-6. Správná odpověď je třetí možnost.
Počínaje acetylenem a konče butanem (od C 2 do C 4) jsou látky plynné povahy.
V kapalné formě jsou uhlovodíky homologního rozsahu od C5 do C17. Počínaje alkynem, který má v hlavním řetězci 18 atomů uhlíku, dochází k přechodu z fyzikálního stavu na pevnou formu.
Vyznačují se izomerií v uhlíkovém skeletu, v poloze trojné vazby a také mezitřídními modifikacemi molekuly.
Podle chemické vlastnosti acetylenové uhlovodíky jsou podobné alkenům.
Mají-li alkyny koncovou trojnou vazbu, pak plní funkci kyseliny s tvorbou alkinidových solí, například NaC≡CNa. Přítomnost dvou π vazeb dělá z molekuly acetylidenu sodného silný nukleofil, který podléhá substitučním reakcím.
Acetylen podléhá chloraci v přítomnosti chloridu měďnatého za vzniku dichloracetylenu, kondenzaci působením haloalkynů za uvolnění molekul diacetylenu.
Alkyny se účastní reakcí, jejichž principy jsou základem halogenace, hydrohalogenace, hydratace a karbonylace. Takové procesy jsou však slabší než u alkenů s dvojnou vazbou.
Pro acetylenové uhlovodíky jsou možné nukleofilní adiční reakce molekul alkoholu, primárního aminu nebo sirovodíku.
Mezi nenasycené patří uhlovodíky obsahující ve svých molekulách vícenásobné vazby mezi atomy uhlíku. Neomezené jsou alkeny, alkyny, alkadieny (polyeny). Cyklické uhlovodíky obsahující dvojnou vazbu v kruhu ( cykloalkeny), stejně jako cykloalkany s malým počtem atomů uhlíku v kruhu (tři nebo čtyři atomy). Vlastnost „nenasycenosti“ je spojena se schopností těchto látek vstupovat do adičních reakcí, především vodíku, za vzniku nasycených nebo nasycených uhlovodíků - alkanů.
Struktura alkenů
Acyklické uhlovodíky obsahující v molekule kromě jednoduchých vazeb jednu dvojnou vazbu mezi atomy uhlíku a odpovídající obecnému vzorci CnH2n. Jeho druhé jméno je olefiny- alkeny byly získány analogicky s nenasycenými mastnými kyselinami (olejová, linolová), jejichž zbytky jsou součástí tekutých tuků - olejů.
Atomy uhlíku, mezi kterými je dvojná vazba, jsou ve stavu sp 2 hybridizace. To znamená, že jeden s a dva p orbitaly se účastní hybridizace a jeden p orbital zůstává nehybridizovaný. Překrytí hybridních orbitalů vede ke vzniku vazby σ a díky nehybridizovaným p orbitalům
sousedních atomů uhlíku vzniká druhá, π-vazba. Dvojná vazba se tedy skládá z jedné σ- a jedné π-vazby. Hybridní orbitaly atomů tvořících dvojnou vazbu jsou ve stejné rovině a orbitaly tvořící π vazbu jsou umístěny kolmo k rovině molekuly. Dvojná vazba (0,132 im) je kratší než jednoduchá vazba a její energie je větší, protože je silnější. Přítomnost pohyblivé, snadno polarizovatelné π-vazby však vede k tomu, že alkeny jsou chemicky aktivnější než alkany a jsou schopny vstupovat do adičních reakcí.
Struktura ethylenu
Tvorba dvojné vazby v alkenech
Homologní řada ethenu
Přímé alkeny tvoří homologní řadu ethenu ( ethylen): C2H4 - ethen, C3H6 - propen, C4H8 - buten, C5H10 - penten, C6H12 - hexen, C7H14 - hepten atd.
Izomerie alkenů
Alkeny se vyznačují strukturní izomerií. Strukturní izomery se od sebe liší strukturou uhlíkového skeletu. Nejjednodušší alken, charakterizovaný strukturními izomery, je buten:
Zvláštním typem strukturní izomerie je izomerie polohy dvojné vazby:
Alkeny jsou izomerní k cykloalkanům (mezitřídní izomerie), například:
Kolem jediné vazby uhlík-uhlík je možná téměř volná rotace atomů uhlíku, takže molekuly alkanů mohou nabývat nejrůznějších tvarů. Rotace kolem dvojné vazby je nemožná, což vede ke vzniku jiného typu izomerie v alkenech – geometrické, popř. cis a transizomerie.
Cis izomery odlišný od trans izomery prostorové uspořádání molekulárních fragmentů (v tomto případě methylových skupin) vzhledem k rovině π-vazby a následně vlastnosti.
Alkenová nomenklatura
1. Výběr hlavního okruhu. Tvorba názvu uhlovodíku začíná definicí hlavního řetězce - nejdelšího řetězce atomů uhlíku v molekule. V případě alkenů musí hlavní řetězec obsahovat dvojnou vazbu.
2. Číslování atomů hlavního řetězce.Číslování atomů hlavního řetězce začíná od konce, ke kterému je dvojná vazba nejblíže.
Správný název připojení je například:
Pokud poloha dvojné vazby nemůže určit začátek číslování atomů v řetězci, pak je určena polohou substituentů stejně jako u nasycených uhlovodíků.
3. Tvoření jména. Na konci názvu uveďte číslo atomu uhlíku, na kterém dvojná vazba začíná, a příponu -en, což naznačuje, že sloučenina patří do třídy alkenů. Například:
Fyzikální vlastnosti alkenů
První tři zástupci homologní řady alkenů jsou plyny; látky o složení C5H10 - C16H32 - kapaliny; Vyšší alkeny jsou pevné látky.
Teploty varu a tání přirozeně rostou se zvyšující se molekulovou hmotností sloučenin.
Chemické vlastnosti alkenů
Adiční reakce. Připomeňme vám to charakteristický rys zástupci nenasycených uhlovodíků – alkenů je schopnost vstupovat do adičních reakcí. Většina těchto reakcí probíhá podle mechanismu elektrofilní adice.
1. Hydrogenace alkenů. Alkeny jsou schopny přidávat vodík v přítomnosti hydrogenačních katalyzátorů, kovy - platina, palladium, nikl:
K této reakci dochází při atmosférickém a vysoký krevní tlak a nevyžaduje vysokou teplotu, protože je exotermická. Při zvýšení teploty mohou stejné katalyzátory způsobit obrácenou reakci - dehydrogenaci.
2. Halogenace (přídavek halogenů). Interakce alkenu s bromovou vodou nebo roztokem bromu v organickém rozpouštědle (CC14) vede k rychlému odbarvení těchto roztoků v důsledku přidání molekuly halogenu k alkenu a vzniku dihalogenalkanů.
3. Hydrohalogenace (přídavek halogenovodíku).
Tato reakce se podřizuje
Když se halogenovodík váže na alken, vodík se váže na více hydrogenovaný atom uhlíku, tj. atom, na kterém je více atomů vodíku, a halogen na méně hydrogenovaný.
4. Hydratace (přídavek vody). Hydratace alkenů vede k tvorbě alkoholů. Například přidání vody do ethenu je základem jedné z průmyslových metod výroby ethylalkoholu.
Všimněte si, že primární alkohol (s hydroxoskupinou na primárním uhlíku) se tvoří pouze tehdy, když je ethen hydratován. Když jsou propen nebo jiné alkeny hydratovány, tvoří se sekundární alkoholy.
I tato reakce probíhá v souladu s Markovnikovovým pravidlem - vodíkový kation se váže na více hydrogenovaný atom uhlíku a hydroxoskupina na méně hydrogenovaný.
5. Polymerizace. Zvláštní případ adice je polymerační reakce alkenů:
Tato adiční reakce probíhá mechanismem volných radikálů.
Oxidační reakce.
1. Spalování. Jako všechny organické sloučeniny, alkeny spalují v kyslíku za vzniku CO2 a H2O:
2. Oxidace v roztocích. Na rozdíl od alkanů se alkeny snadno oxidují roztoky manganistanu draselného. V neutrálních nebo alkalických roztocích se alkeny oxidují na dioly (dvojsytné alkoholy) a hydroxylové skupiny se přidávají k těm atomům, mezi nimiž před oxidací existovala dvojná vazba:
Alkenové uhlovodíky (olefiny) jsou jednou z tříd organických látek, které mají své vlastní vlastnosti. Typy izomerie alkenů u zástupců této třídy se neopakují s izomerií jiných organických látek.
Charakteristika třídy
Ethylenolefiny se nazývají jedna z tříd nenasycených uhlovodíků obsahujících jednu dvojnou vazbu.
Podle fyzikální vlastnosti Zástupci této kategorie nenasycených sloučenin jsou:
- plyny,
- tekutiny,
- pevné sloučeniny.
Molekuly obsahují nejen vazbu „sigma“, ale také vazbu „pí“. Důvodem je přítomnost v strukturní vzorec hybridizace" sp2“, který se vyznačuje uspořádáním atomů sloučeniny ve stejné rovině.
V tomto případě je mezi nimi vytvořen úhel nejméně sto dvacet stupňů. Nehybridizované orbitaly" r» je charakterizována svou polohou jak nad molekulární rovinou, tak pod ní.
Tato strukturální vlastnost vede k vytvoření dalších vazeb - „pi“ nebo „ π ».
Popsaná vazba je méně pevná ve srovnání s vazbami „sigma“, protože boční překrývání má slabou adhezi.
Celková distribuce elektronových hustot vytvořených vazeb je charakterizována heterogenitou. Při rotaci v blízkosti vazby uhlík-uhlík je překrytí „p“ orbitalů narušeno. Pro každý alken (olefin) je tento vzor charakteristickým rysem.
Téměř všechny sloučeniny ethylenu mají vysoké teploty varu a tání, které nejsou charakteristické pro všechny organické látky. Zástupci této třídy nenasycených sacharidů se rychle rozpouštějí v jiných organických rozpouštědlech. Pozor!
Acyklické nenasycené sloučeniny, ethylenové uhlovodíky, mají obecný vzorec - C n H 2n.
Homologie Na základě skutečnosti, že obecný vzorec alkenů je C n H 2n, mají určitou homologii. Homologní řada alkenů začíná prvním zástupcem, ethylenem nebo ethenem. Tato látka je in normální podmínkyje plyn a obsahuje dva atomy uhlíku a čtyři atomy vodíku –. C2H4
Po ethenu pokračuje homologní řada alkenů s propenem a butenem. Jejich vzorce jsou následující: „C3H6“ a „C4H8“. Za normálních podmínek jsou to také plyny, které jsou těžší, což znamená, že se musí odebírat zkumavkou obrácenou dnem vzhůru.
Podle Obecný vzorec alkenů nám umožňuje vypočítat dalšího zástupce této třídy, který má ve strukturním řetězci alespoň pět atomů uhlíku. Jedná se o penten se vzorcem "C 5 H 10". fyzikální vlastnosti
uvedená látka patří mezi kapaliny, stejně jako dvanáct následujících sloučenin homologní řady.
Popsaný obecný vzorec alkenů znamená nahrazení dříve používané přípony „an“ za „en“. To je zakotveno v pravidlech IUPAC. Ať už vezmeme kteréhokoli zástupce této kategorie sloučenin, všechny mají popsanou příponu.
Názvy ethylenových sloučenin obsahují vždy určité číslo, které označuje umístění dvojné vazby ve vzorci. Příklady jsou: „buten-1“ nebo „penten-2“. Atomové číslování začíná od okraje, ke kterému je dvojitá konfigurace nejblíže. Toto pravidlo je ve všech případech „železné“.
izomerismus
V závislosti na typu hybridizace alkenů se vyznačují určitými typy izomerie, z nichž každá má své vlastní charakteristiky a strukturu. Podívejme se na hlavní typy izomerie alkenů.
Strukturální typ
Strukturní izomerie se dělí na izomery podle:
- uhlíková kostra;
- umístění dvojné vazby.
Strukturní izomery uhlíkového skeletu vznikají, když se objeví radikály (větve z hlavního řetězce).
Izomery alkenů uvedené izomerie budou:
CH2=CH — CH 2 — CH 3.
2-methylpropen-1:
CH2=C — CH 3
│
Za prezentovaná spojení celkové množství atomy uhlíku a vodíku (C 4 H 8), ale odlišná struktura uhlovodíkové kostry. Jedná se o strukturní izomery, i když jejich vlastnosti nejsou stejné. Buten-1 (butylen) má charakteristický zápach a narkotické vlastnosti, které dráždí dýchací cesty. 2-methylpropen-1 tyto vlastnosti nemá.
V tomto případě ethylen (C2H4) nemá žádné izomery, protože se skládá pouze ze dvou atomů uhlíku, kde radikály nemohou být substituovány.
Poraďte! Radikál je dovoleno umístit na prostřední a předposlední atom uhlíku, ale není dovoleno je umístit do blízkosti krajních substituentů. Toto pravidlo platí pro všechny nenasycené uhlovodíky.
Na základě umístění dvojné vazby se rozlišují izomery:
CH2=CH — CH 2 — CH2-CH3.
CH3-CH = CH — CH2-CH3.
Obecný vzorec alkenů v uvedených příkladech je:C 5 H 10,, ale umístění jedné dvojné vazby je jiné. Vlastnosti těchto sloučenin se budou lišit. Toto je strukturální izomerie.
izomerismus
Prostorový typ
Prostorová izomerie alkenů je spojena s povahou uspořádání uhlovodíkových substituentů.
Na základě toho se rozlišují izomery:
- "Cis";
- "Trans".
Obecný vzorec alkenů umožňuje vytvoření „trans izomerů“ a „cis izomerů“ stejné sloučeniny. Vezměte si například butylen (buten). Pro něj je možné vytvořit izomery s prostorovou strukturou různým umístěním substituentů vzhledem k dvojné vazbě.
"cis izomer" "trans izomer"
Buten-2 Buten-2
Z tohoto příkladu je zřejmé, že „cis-izomery“ mají dva identické radikály na jedné straně roviny dvojné vazby. Pro „trans-izomery“ toto pravidlo nefunguje, protože mají dva odlišné substituenty umístěné vzhledem k uhlíkovému řetězci „C=C“. Vezmeme-li v úvahu tento vzorec, můžete sami sestavit „cis“ a „trans“ izomery pro různé acyklické ethylenové uhlovodíky.
Prezentovaný „cis izomer“ a „trans izomer“ pro buten-2 nelze přeměnit jeden na druhý, protože to vyžaduje rotaci kolem stávajícího uhlíkového dvojitého řetězce (C=C). K provedení této rotace je nutné určitou částku
energie k rozbití stávající p-vazby.
Na základě všeho výše uvedeného můžeme dojít k závěru, že „trans“ a „cis“ izomery jsou jednotlivé sloučeniny se specifickou sadou chemických a fyzikálních vlastností.
Který alken nemá žádné izomery? Ethylen nemá žádné prostorové izomery kvůli identickému uspořádání vodíkových substituentů vzhledem k dvojitému řetězci.
Mezitřídní Mezitřídní izomerie v alkenových uhlovodících je rozšířená. Důvodem je podobnost obecný vzorec
zástupci této třídy se vzorcem cykloparafiny (cykloalkany).
CH2=CH — CH 3.
Tyto kategorie látek mají stejný počet atomů uhlíku a vodíku, násobek složení (C n H 2n).
Mezitřídní izomery budou vypadat takto:cyklopropan:Ukazuje se, že vzorec C3H6 Odpovídají dvě sloučeniny: propen-1 a cyklopropan. Z strukturální struktura rozdílné vzájemné uspořádání uhlíku je viditelné. Vlastnosti těchto sloučenin jsou také odlišné. Propen-1 (propylen) je plynná sloučenina s nízkým bodem varu. Cyklopropan se vyznačuje plynným skupenstvím se štiplavým zápachem a štiplavou chutí.
Chemické vlastnosti
Tyto látky se také liší, ale jejich složení je totožné. V organickém se tento typ izomerů nazývá mezitřídní.
alkeny. Isomerie alkenů. Jednotná státní zkouška. Organická chemie.
Alkeny: Struktura, nomenklatura, izomerie
Závěr Jejich důležitou vlastností je alkenová izomerie, díky které se v přírodě objevují nové sloučeniny s různými vlastnostmi, které se používají v průmyslu i každodenním životě.
Téma lekce:
- alkeny. Příprava, chemické vlastnosti a aplikace alkenů. Cíle a cíle lekce: zvážit specifické chemické vlastnosti ethylenu a
- obecné vlastnosti chemické reakce;
- poskytnout počáteční představy o polymeračních reakcích a struktuře polymerů;
- analyzovat laboratorní a obecné průmyslové metody výroby alkenů;
- nadále rozvíjet schopnost práce s učebnicí.
Zařízení: zařízení na výrobu plynů, roztok KMnO 4, etylalkohol, koncentr kyselina sírová, zápalky, lihová lampa, písek, tabulky „Struktura molekuly etylenu“, „Základní chemické vlastnosti alkenů“, demonstrační vzorky „Polymery“.
PRŮBĚH LEKCE
I. Organizační moment
Pokračujeme ve studiu homologní řady alkenů. Dnes se musíme podívat na způsoby přípravy, chemické vlastnosti a aplikace alkenů. Musíme charakterizovat chemické vlastnosti způsobené dvojnou vazbou, získat počáteční znalosti o polymeračních reakcích a zvážit laboratorní a průmyslové metody výroby alkenů.
II. Aktivizace znalostí žáků
- Jaké uhlovodíky se nazývají alkeny?
- Jaké jsou vlastnosti jejich struktury?
- V jakém hybridním stavu jsou atomy uhlíku, které tvoří dvojnou vazbu v molekule alkenu?
Sečteno a podtrženo: alkeny se od alkanů liší přítomností jedné dvojné vazby ve svých molekulách, což určuje zvláštnosti chemických vlastností alkenů, způsoby jejich přípravy a použití.
III. Učení nového materiálu
1. Způsoby výroby alkenů
Sestavte reakční rovnice potvrzující metody výroby alkenů
– krakování alkanů C 8 H 18 ––> C 4 H 8 + C4H10; (tepelné praskání při 400-700 o C)
oktan buten butan
– dehydrogenace alkanů C 4 H 10 ––> C 4 H 8 + H 2; (t,Ni)
butan buten vodík
– dehydrohalogenace halogenalkanů C 4 H 9 Cl + KOH ––> C 4 H 8 + KCl + H 2 O;
chlorbutanhydroxid butenchlorid voda
draslík draslík
– dehydrohalogenace dihalogenalkanů
– dehydratace alkoholů C 2 H 5 OH ––> C 2 H 4 + H 2 O (při zahřívání v přítomnosti koncentrované kyseliny sírové)
Pamatujte!
Při reakcích dehydrogenace, dehydratace, dehydrohalogenace a dehalogenace je třeba mít na paměti, že vodík je přednostně abstrahován z méně hydrogenovaných atomů uhlíku (Zaitsevovo pravidlo, 1875)
2. Chemické vlastnosti alkenů
Charakter vazby uhlík-uhlík určuje typ chemických reakcí, do kterých organické látky vstupují. Přítomnost dvojné vazby uhlík-uhlík v molekulách ethylenových uhlovodíků určuje následující vlastnosti těchto sloučenin:
– přítomnost dvojné vazby umožňuje, aby byly alkeny klasifikovány jako nenasycené sloučeniny. Jejich přeměna na nasycené je možná pouze v důsledku adičních reakcí, což je hlavní rys chemického chování olefinů;
– dvojná vazba představuje významnou koncentraci elektronové hustoty, takže adiční reakce jsou elektrofilní povahy;
– dvojná vazba se skládá z jedné - a jedné - vazby, která je poměrně snadno polarizovaná.
Reakční rovnice charakterizující chemické vlastnosti alkenů
a) Adiční reakce
Pamatujte! Substituční reakce jsou charakteristické pro alkany a vyšší cykloalkany, které mají pouze jednoduché vazby, jsou charakteristické pro alkeny, dieny a alkyny, které mají dvojné a trojné vazby.
Pamatujte! Jsou možné následující mechanismy pro porušení vazby:
a) pokud jsou alkeny a činidlo nepolární sloučeniny, pak se vazba - rozbije za vzniku volného radikálu:
H2C = CH2 + H: H ––> + +
b) pokud jsou alken a činidlo polární sloučeniny, pak štěpení -vazby vede ke vzniku iontů:
c) když se činidla obsahující atomy vodíku v molekule spojí v místě přerušené vazby, vodík se vždy naváže na více hydrogenovaný atom uhlíku (Morkovnikovovo pravidlo, 1869).
– polymerační reakce nCH 2 = CH 2 ––> n – CH 2 – CH 2 –– > (– CH 2 – CH 2 –)n
ethen polyethylen
b) oxidační reakce
Laboratorní zkušenosti. Získejte etylen a studujte jeho vlastnosti (návod na studentských lavicích)
Návod na získání ethylenu a pokusy s ním
1. Do zkumavky dejte 2 ml koncentrované kyseliny sírové, 1 ml alkoholu a malé množství písku.
2. Zkumavku uzavřete zátkou s hadičkou pro výstup plynu a zahřejte ji v plameni lihové lampy.
3. Uvolněný plyn projít roztokem s manganistanem draselným. Všimněte si změny barvy roztoku.
4. Zapalte plyn na konci výstupní trubky plynu. Dávejte pozor na barvu plamene.
– alkeny hoří světelným plamenem. (Proč?)
C 2 H 4 + 3O 2 ––> 2CO 2 + 2H 2 O (při úplné oxidaci jsou produkty reakce oxid uhličitý a voda)
Kvalitativní reakce: „mírná oxidace (ve vodném roztoku)“
– alkeny odbarvují roztok manganistanu draselného (Wagnerova reakce)
Za těžších podmínek v kyselém prostředí mohou být reakčními produkty karboxylové kyseliny, například (v přítomnosti kyselin):
CH 3 – CH = CH 2 + 4 [O] ––> CH 3 COOH + HCOOH
- katalytická oxidace
Pamatujte na to hlavní!
1. Nenasycené uhlovodíky aktivně se podílet na doplňkových reakcích.
2. Reaktivita alkenů je způsobena tím, že vazba se pod vlivem činidel snadno rozbije.
3. V důsledku adice dochází k přechodu atomů uhlíku z sp 2 na sp 3 - nastává hybridní stav. Reakční produkt má omezující charakter.
4. Při zahřívání etylenu, propylenu a dalších alkenů pod tlakem nebo za přítomnosti katalyzátoru se jejich jednotlivé molekuly spojují do dlouhých řetězců - polymerů. Velký praktický význam mají polymery (polyethylen, polypropylen).
3. Aplikace alkenů(studentské sdělení dle následujícího plánu).
1 – výroba paliva s vysokým oktanovým číslem;
2 – plasty;
3 – výbušniny;
4 – nemrznoucí směs;
5 – rozpouštědla;
6 – k urychlení zrání ovoce;
7 – výroba acetaldehydu;
8 – syntetická pryž.
III. Posílení naučeného materiálu
Domácí úkol:§§ 15, 16, ex. 1, 2, 3 str. 90, ex. 4, 5 s. 95.
Alkeny jsou chemicky aktivní. Jejich chemické vlastnosti jsou do značné míry určeny přítomností dvojné vazby. Nejběžnější reakce pro alkeny jsou elektrofilní adiční reakce a radikálové adiční reakce. Nukleofilní adiční reakce obvykle vyžadují přítomnost silného nukleofilu a nejsou typické pro alkeny. Alkeny snadno podléhají oxidačním a adičním reakcím a jsou také schopné substituce alkylových radikálů.
Adiční reakce
Hydrogenace Přidávání vodíku (hydrogenační reakce) k alkenům se provádí v přítomnosti katalyzátorů. Nejčastěji se používají drcené kovy - platina, nikl, palladium atd. V důsledku toho vznikají odpovídající alkany (nasycené uhlovodíky).
$CH_2=CH_2 + H2 → CH_3–CH_3$
Přídavek halogenů. Alkeny snadno za běžných podmínek reagují s chlorem a bromem za vzniku odpovídajících dihalogenalkanů, ve kterých jsou atomy halogenu umístěny na sousedních atomech uhlíku.
Poznámka 1
Když alkeny interagují s bromem, brom se zbarví na žlutohnědou barvu. Toto je jedno z nejstarších a nejjednodušších kvalitativní reakce na nenasycené uhlovodíky, protože podobně reagují také alkyny a alkadieny.
$CH_2=CH_2 + Br_2 → CH_2Br–CH_2Br$
Přídavek halogenovodíků. Při interakci ethylenových uhlovodíků s halogenovodíky ($HCl$, $HBr$) vznikají halogenalkany, směr reakce závisí na struktuře alkenů.
V případě ethylenu nebo symetrických alkenů probíhá adiční reakce jednoznačně a vede k vytvoření pouze jednoho produktu:
$CH_2=CH_2 + HBr → CH_3–CH_2Br$
V případě nesymetrických alkenů je možná tvorba dvou různých adičních reakčních produktů:
Poznámka 2
Ve skutečnosti vzniká převážně pouze jeden reakční produkt. Vzor ve směru takových reakcí stanovil ruský chemik V.V. Markovnikov v roce 1869 Říká se tomu Markovnikovovo pravidlo. Když halogenovodíky reagují s nesymetrickými alkeny, přidá se atom vodíku v místě štěpení dvojné vazby na nejvíce hydrogenovaném atomu uhlíku, tedy dříve, než se spojí s velkým počtem atomů vodíku.
Markovnikov toto pravidlo formuloval na základě experimentálních dat a teprve mnohem později získalo teoretické zdůvodnění. Uvažujme reakci propylenu s chlorovodíkem.
Jedním z rysů dluhopisu $p$ je jeho schopnost snadné polarizace. Vlivem methylové skupiny (pozitivní indukční efekt + $I$) v molekule propenu se elektronová hustota vazby $p$ posune k jednomu z atomů uhlíku (= $CH_2$). V důsledku toho se na něm objeví částečný záporný náboj ($\delta -$). Na druhém atomu uhlíku dvojné vazby se objeví částečný kladný náboj ($\delta +$).
Toto rozložení elektronové hustoty v molekule propylenu určuje místo budoucího protonového útoku. Toto je atom uhlíku methylenové skupiny (= $CH_2$), který nese částečný záporný $\delta-$ náboj. A chlor podle toho napadá atom uhlíku s částečným kladným nábojem $\delta+$.
V důsledku toho je hlavním produktem reakce propylenu s chlorovodíkem 2-chlorpropan.
Hydratace
Hydratace alkenů probíhá za přítomnosti minerálních kyselin a řídí se Markovnikovovým pravidlem. Produkty reakce jsou alkoholy
$CH_2=CH_2 + H_2O → CH_3–CH_2–OH$
Alkylace
Přidání alkanů k alkenům v přítomnosti kyselého katalyzátoru ($HF$ nebo $H_2SO_4$) při nízké teploty vede ke vzniku uhlovodíků s vyšší molekulovou hmotností a často se používá v průmyslu k výrobě motorových paliv
$R–CH_2=CH_2 + R’–H → R–CH_2–CH_2–R’$
Oxidační reakce
K oxidaci alkenů může docházet v závislosti na podmínkách a typech oxidačních činidel jak při štěpení dvojné vazby, tak při zachování uhlíkového skeletu:
Polymerační reakce
Molekuly alkenů jsou schopny se za určitých podmínek vzájemně adovat s otevřením $\pi$ vazeb a vznikem dimerů, trimerů nebo vysokomolekulárních sloučenin - polymerů. Polymerace alkenů může probíhat buď volným radikálem, nebo kationtově-aniontovým mechanismem. Jako iniciátory polymerace se používají kyseliny, peroxidy, kovy atd. Polymerační reakce probíhá také pod vlivem teploty, ozáření a tlaku. Typický příklad je polymerace ethylenu za vzniku polyethylenu
$nCH_2=CH_2 → (–CH_2–CH_(2^–))_n$
Substituční reakce
Substituční reakce nejsou pro alkeny typické. Při vysokých teplotách (nad 400 °C) jsou však radikálové adiční reakce, které jsou reverzibilní, potlačeny. V tomto případě je možné nahradit atom vodíku umístěný v allylové poloze při zachování dvojné vazby
$CH_2=CH–CH_3 + Cl_2 – CH_2=CH–CH_2Cl + HCl$