2.2.Непредельные (ненасыщенные) углеводороды

Непредельные углеводороды содержат кратные (двойные или тройные) связи между атомами углерода. К их молекулам можно присоединить дополнительное количество атомов водорода или других атомов, отсюда название ненасыщенные.

Непредельными углеводородами являются алкены, алкины, алкадиены.

2.2.1. Алкены

Алкены – это непредельные углеводороды, содержащие одну двойную связь между атомами углерода. Общая формула C_nH_2n.

Номенклатура. Суффикс названия алкенов – ен.

Атомы углерода главной цепи нумеруют так, чтобы двойная связь получила меньший номер. Цифрой в конце названия показывают положение двойной связи.

Примеры составления названий.

Пример 1.

H₃C─CH₂─CH═CH₂

Четыре атома углерода – корень названия бут, двойная связь между атомами углерода – суффикс –ен, атомы углерода нумеруем справа налево, двойная связь находится у первого атома углерода. Название: бутен -1.

Пример 2.

H₃C─CH═CH─CH₃

Четыре атома углерода – корень названия бут, двойная связь между атомами углерода – суффикс –ен, двойная связь находится у второго атома углерода. Название: бутен-2.

Пример 3.

H2C1 ═	C2H ─	C3H ─	C4H3
		│
		CH3

Четыре атома углерода в главной цепи– корень названия бут, двойная связь между атомами углерода – суффикс –ен, атомы углерода главной цепи нумеруем справа налево (верхние индексы), тогда двойная связь получает меньший номер. Третий атом углерода главной цепи имеет заместитель метил.

Название: 3-метилбутен-1.

Изомерия. Для алкенов характерны три вида изомерии: 1) изомерия углеродного скелета, 2) изомерия положения двойной связи, 3) цис- и транс- изомерия (геометрическая).

Рассмотрим изомерию алкенов на примере веществ состава C₄H₈.

Изомерами, отличающимися расположением атомов углерода являются:

H₂C═CH─CH₂─CH₃ – бутен-1

H2C ═	C ─	CH3
	│		метилпропен
	CH3

Изомерами, отличающимися положением двойной связи, являются бутен-1 и бутен-2. Их структурные формулы приведены в разделе номенклатура алкенов.

Цис- и транс- изомерами (отличаются разным расположением атомов относительно двойной связи) являются:

H	H
│	│
C ═	C	цис-бутен-2
│	│
CH3	CH3

H	CH3
│	│
C ═	C	тран-бутен-2
│	│
CH3	H

Атомы углерода, соединенные двойной связью, лежат в одной плоскости. У цис-изомеров атомы водорода находятся по одну сторону от плоскости связи, у транс-изомеров атомы водорода находятся по разные стороны от плоскости связи.

Физические свойства. При стандартных условиях:

C₂H₄ … C₄H₈ – газы,

C₅H₁₀ … C₁₇H₃₄ – жидкости,

C₁₈H₃₆ и далее – твердые вещества.

Плотность алкенов меньше плотности воды , но она больше плотности алканов с тем же числом атомов углерода.

Растворимость алкенов в воде небольшая. В органических растворителях алкены хорошо растворяются.

Химические свойства.

1. Для алкенов характерны реакции присоединения по двойной связи.

1.1. Гидрирование – присоединение водорода. Происходит в присутствии катализаторов (Pt,Pd,Ni). Чем меньше заместителей у атомов углерода, соединенных двойной связью, тем легче гидрируется алкен, поскольку заместители мешают адсорбции алкена катализатором. Водород присоединяется к атомам углерода, соединенным двойной связью:

RCH═CH₂ + H₂ → RCH₂─CH₃

R─	C ═	CH ─	CH3 +H2 →	R─	CH ─	CH2 ─	CH3
	│				│
	CH3				CH3

Первая реакция протекает легче второй. Символом R обозначает любой предельный радикал (частица, которая получается, если из молекулы алкана удален один атом водорода), например, CH₃─, C₂H₅─ и т.д.

1.2. Присоединение галогенов.

Легко происходит при взаимодействии алкенов с хлором и бромом.

Атомы галогена присоединяются к атомам углерода, соединенным двойной связью.

R─	CH ═	CH─	R1 +Br2 →	R─	CH ─	CH─	R1
					│	│
					Br	Br

Эта реакция используется для качественного и количественного определения алкенов (по массе присоединенного брома).

Реакция со фтором сопровождается воспламенением, взаимодействие с йодом идет очень медленно на солнечном свету.

1.3.Гидрогалогенирование – взаимодействие с галогеноводородами (HCl, HB,HI).

H₂C═CH₂ + HX → H₃C─CH₂X,

где X – атом галогена.

С одной стороны от двойной связи к атому углерода присоединяется водород, к другому – галоген.

Наиболее легко присоединяются HI и HBr, реакция происходит при комнатной температуре, реакция с HCl идет только при нагревании.

Присоединение несимметричных полярных молекул HX к алкенам подчиняется правилу Марковникова: водород присоединяется к более гидрированному (с большим числом атомов водорода) атому углерода у двойной связи, а галоген – к менее гидрированному:

R ─	CH ═	CH2 + HX →	R ─	CH ─	CH3
				│
				X

1.4. Гидратация –взаимодействие с водой. Реакция протекает при высоких температурах и давлении в присутствии катализатора (H₃PO₄ на селикагеле), образуются спирты:

H₂C═CH₂ + H₂O → H₃C─CH₂OH

Присоединение к несимметричным алкенам происходит по правилу Марковникова, получаются вторичные спирты:

R ─	CH═	CH2 + H2O →	R ─	CH─	CH3
				│
				OH

2. Окисление.

а) Алкены окисляются обычными окислителями. Разбавленный раствор перманганата калия (KMnO₄) в нейтральной среде окисляет алкены до гликолей (двухатомных спиртов):

			KMnO4
R ─	CH ═	CHR1	→	R ─	CH─	CHR1
					│	│
					OH	OH

б) Концентрированные растворы (KMnO₄, K₂Cr₂O₇, HNO₃) и озон разрушают молекулу по месту двойной связи с образованием кетонов и кислот. Эту реакцию используют для определения положения двойной связи в алкене:

R ─	CH ═	CH ─ R1 →	R ─	C═O +	R1 ─	C═O
				│		│
				H		H

3. Горение. В избытке кислорода продуктами горения являются углекислый газ и вода:

C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O.

4. Алкилирование – присоединение алканов при высоких температурах и давлении в присутствии катализатора:

CH3	CH3		CH3	CH3
│	│		│	│
C═CH2 +	C H ─	CH3 →	CH─CH2 ─	C─	CH3
│	│		│	│
CH3	CH3		CH3	CH3

Реакция является способом получения разветвленных алканов, повышающих качество топлива.

5. Полимеризация - соединение большого количества молекул исходного низкомолекулярного вещества (мономер) с образованием одной длинной молекулы (с большой молекулярной массой) полимера:

n CH2═CH2 →	(─CH2─CH2─)n
мономер	полимер

n – степень полимеризации (несколько тысяч). В зависимости от ее величины получаются жидкие или твердые вещества.