Umettede inkluderer hydrokarboner som inneholder flere bindinger mellom karbonatomer i molekylene deres. Ubegrenset er alkener, alkyner, alkadiener (polyener). Sykliske hydrokarboner som inneholder en dobbeltbinding i ringen (cykloalkener), samt sykloalkaner med et lite antall karbonatomer i ringen (tre eller fire atomer) har også en umettet karakter. Egenskapen til "umettethet" er assosiert med disse stoffenes evne til å inngå addisjonsreaksjoner, primært hydrogen, med dannelse av mettede, eller mettede, hydrokarboner - alkaner.
Struktur av alkener
Asykliske hydrokarboner som inneholder i molekylet, i tillegg til enkeltbindinger, en dobbeltbinding mellom karbonatomer og som tilsvarer den generelle formelen CnH2n.
Det andre navnet er olefiner- alkener ble oppnådd i analogi med umettede fettsyrer (oljesyre, linolsyre), hvis rester er en del av flytende fett - oljer (fra engelsk olje - olje).
Karbonatomer som har en dobbeltbinding mellom seg er i en tilstand sp 2 -hybridisering. Dette betyr at en s og to p orbitaler er involvert i hybridisering, og en p orbitaler forblir uhybridisert.
Overlappingen av hybridorbitaler fører til dannelsen av en σ-binding, og på grunn av de uhybridiserte p-orbitalene til nabokarbonatomer, dannes en andre π-binding. Dermed består en dobbeltbinding av en σ- og en π-binding.
Hybridorbitalene til atomene som danner en dobbeltbinding er i samme plan, og orbitalene som danner en π-binding er vinkelrett på molekylets plan.
Dobbeltbindingen (0,132 nm) er kortere enn enkeltbindingen, og energien er høyere fordi den er sterkere. Imidlertid fører tilstedeværelsen av en mobil, lett polariserbar π-binding til det faktum at alkener er kjemisk mer aktive enn alkaner og er i stand til å gjennomgå addisjonsreaksjoner.
Homolog serie av alkener
De tre første medlemmene av den homologe serien av alkener er gasser, fra C 5 H 10 til C 17 H 34 er væsker, og fra C 18 H 36 er faste stoffer. Flytende og faste alkener er praktisk talt uløselige i vann, men er svært løselige i organiske løsemidler.
I samsvar med IUPAC-reglene brukes suffikset -ene i navnene på homologer til en rekke alkener. Plasseringen av dobbeltbindingen er indikert med et tall som indikerer plasseringen av bindingen. Nummeret er plassert etter navnet på hovedkjeden atskilt med en bindestrek. Nummereringen av atomer i et alkenmolekyl begynner fra den enden som bindingen er nærmest, for eksempel bør en alken som tilsvarer formelen CH 3 −CH 2 −CH=CH−CH 3 kalles penten-2, siden bindingen begynner ved det andre karbonatomet, med start fra endekjedene.
Uforgrenede alkener utgjør den homologe serien av eten (etylen): C 2 H 4 - eten, C 3 H 6 - propen, C 4 H 8 - buten, C 5 H 10 - penten, C 6 H 12 - heksen, etc.
Isomerisme og nomenklatur av alkener
For alkener, så vel som for alkaner, er det karakteristisk strukturell isomerisme. Strukturelle isomerer skiller seg fra hverandre i strukturen til karbonskjelettet. Det enkleste alkenet, preget av strukturelle isomerer, er buten.
En spesiell type strukturell isomerisme er isomerisme av posisjonen til dobbeltbindingen:
Nesten fri rotasjon av karbonatomer er mulig rundt en enkelt karbon-karbonbinding, så alkanmolekyler kan anta en lang rekke former. Rotasjon rundt dobbeltbindingen er umulig, noe som fører til utseendet til en annen type isomerisme i alkener - geometrisk, eller cis-trans isomeri.
Cis-isomerer skiller seg fra trans-isomerer i det romlige arrangementet av molekylære fragmenter (i dette tilfellet metylgrupper) i forhold til π-bindingsplanet, og følgelig i deres egenskaper.
Alkener er isomere for sykloalkaner (interklasse-isomerisme), for eksempel:
IUPAC-nomenklaturen for alkener er lik den for alkaner.
1. Hovedkretsvalg. Dannelsen av navnet på et hydrokarbon begynner med definisjonen av hovedkjeden - den lengste kjeden av karbonatomer i molekylet. Når det gjelder alkener, må hovedkjeden inneholde en dobbeltbinding.
2. Nummerering av hovedkjedeatomer. Nummereringen av atomene i hovedkjeden begynner fra den enden som dobbeltbindingen er nærmest. For eksempel er det riktige tilkoblingsnavnet:
5-metylheksen-2, ikke 2-metylheksen-4, som man kunne forvente.
Hvis posisjonen til dobbeltbindingen ikke kan bestemme begynnelsen av nummereringen av atomer i kjeden, bestemmes den av posisjonen til substituentene på samme måte som for mettede hydrokarboner.
3. Dannelse av navnet. Navnene på alkener er dannet på samme måte som navnene på alkaner. På slutten av navnet, angi nummeret på karbonatomet der dobbeltbindingen begynner, og suffikset -en, som indikerer at forbindelsen tilhører klassen alkener. For eksempel:
Fysiske egenskaper til alkener
Først tre representanter for den homologe serien av alkener- gasser; stoffer av sammensetningen C 5 H 10 - C 16 H 32 - væsker; Høyere alkener er faste stoffer.
Koke- og smeltepunkter øker naturlig med økende molekylvekt av forbindelser.
Kjemiske egenskaper til alkener
Tilleggsreaksjoner. La oss huske at et særtrekk ved representanter for umettede hydrokarboner - alkener er evnen til å inngå addisjonsreaksjoner. De fleste av disse reaksjonene foregår i henhold til mekanismen elektrofil tilsetning.
1. Hydrogenering av alkener. Alkener er i stand til å tilsette hydrogen i nærvær av hydrogeneringskatalysatorer, metaller - platina, palladium, nikkel:
Denne reaksjonen skjer ved atmosfærisk og forhøyet trykk og krever ikke høy temperatur, fordi den er eksoterm. Når temperaturen øker, kan de samme katalysatorene forårsake en omvendt reaksjon - dehydrogenering.
2. Halogenering(tilsetning av halogener). Samspillet mellom et alken og bromvann eller en løsning av brom i et organisk løsningsmiddel (CCl 4) fører til rask misfarging av disse løsningene som følge av tilsetningen av et halogenmolekyl til alkenet og dannelsen av dihaloalkaner:
3. Hydrohalogenering(tilsetning av hydrogenhalogenid).
Denne reaksjonen adlyder Markovnikovs styre:
Når et hydrogenhalogenid fester seg til et alken, fester hydrogenet seg til det mer hydrogenerte karbonatomet, dvs. atomet der det er flere hydrogenatomer, og halogenet til det mindre hydrogenerte.
4. Hydrering(vanntilkobling). Hydrering av alkener fører til dannelse av alkoholer. For eksempel ligger tilsetning av vann til eten til grunn for en av de industrielle metodene for å produsere etylalkohol:
Merk at en primær alkohol (med en hydroxogruppe på det primære karbonet) bare dannes når eten er hydrert. Når propen eller andre alkener hydratiseres, dannes sekundære alkoholer.
Denne reaksjonen fortsetter også iht Markovnikovs styre- et hydrogenkation festes til et mer hydrogenert karbonatom, og en hydroksogruppe tilsettes til et mindre hydrogenert.
5. Polymerisasjon. Et spesielt tilfelle av tilsetning er polymerisasjonsreaksjonen av alkener:
Denne addisjonsreaksjonen skjer via en friradikalmekanisme.
Oksidasjonsreaksjoner.
1. Forbrenning. Som alle organiske forbindelser brenner alkener i oksygen for å danne CO 2 og H 2 O:
2. Oksidasjon i løsninger. I motsetning til alkaner oksideres alkener lett av kaliumpermanganatløsninger. I nøytrale eller alkaliske løsninger oksideres alkener til dioler (toverdige alkoholer), og hydroksylgrupper tilsettes de atomene som det eksisterte en dobbeltbinding mellom før oksidasjon:
Alkenhydrokarboner (olefiner) er en av klassene av organiske stoffer som har sine egne egenskaper. Typene av isomerisme av alkener i representanter for denne klassen gjentas ikke med isomerisme av andre organiske stoffer.
I kontakt med
Kjennetegn ved klassen
Etylenolefiner kalles en av klassene av umettede hydrokarboner som inneholder én dobbeltbinding.
I henhold til fysiske egenskaper er representanter for denne kategorien av umettede forbindelser:
- gasser,
- væsker,
- faste forbindelser.
Molekylene inneholder ikke bare en "sigma"-binding, men også en "pi"-binding. Årsaken til dette er tilstedeværelsen i strukturformelen for hybridisering " sp2", som er preget av arrangementet av atomene til forbindelsen i samme plan.
I dette tilfellet dannes en vinkel på minst hundre og tjue grader mellom dem. Uhybridiserte orbitaler " R» er preget av sin plassering både på toppen av molekylplanet og under det.
Denne strukturelle funksjonen fører til dannelsen av ytterligere bindinger - "pi" eller " π ».
Den beskrevne bindingen er mindre sterk sammenlignet med "sigma"-bindinger, siden overlapping sidelengs har svak adhesjon. Den totale fordelingen av elektrontettheter av dannede bindinger er preget av heterogenitet. Når du roterer nær en karbon-karbonbinding, blir overlappingen av "p"-orbitalene forstyrret. For hver alken (olefin) er dette mønsteret et særtrekk.
Nesten alle etylenforbindelser har høye koke- og smeltepunkter, som ikke er karakteristiske for alle organiske stoffer. Representanter for denne klassen av umettede karbohydrater løses raskt opp i andre organiske løsningsmidler.
Merk følgende! Asykliske umettede forbindelser, etylenhydrokarboner, har den generelle formelen - C n H 2n.
Homologi
Basert på det faktum at den generelle formelen til alkener er C n H 2n, har de en viss homologi. Den homologe rekken av alkener begynner med den første representanten, etylen eller eten. Dette stoffet er under normale forhold en gass og inneholder to karbonatomer og fire hydrogenatomer -C2H4. Etter eten fortsetter den homologe serien av alkener med propen og buten. Formlene deres er som følger: "C 3 H 6" og "C 4 H 8". Under normale forhold er det også gasser som er tyngre, noe som betyr at de må samles opp med et reagensrør snudd på hodet.
Den generelle formelen for alkener lar oss beregne den neste representanten for denne klassen, som har minst fem karbonatomer i strukturkjeden. Dette er en penten med formelen "C 5 H 10".
I henhold til fysiske egenskaper tilhører det angitte stoffet væsker, så vel som følgende tolv forbindelser av den homologe linjen.
Blant alkener med disse egenskapene er det også faste stoffer som begynner med formelen C 18 H 36. Flytende og faste etylenhydrokarboner løses ikke opp i vann, men når de kommer inn i organiske løsemidler reagerer de med dem.
Den beskrevne generelle formelen for alkener innebærer erstatning av det tidligere brukte suffikset "an" med "en". Dette er nedfelt i IUPAC-reglene. Uansett hvilken representant for denne kategorien forbindelser vi tar, har de alle det beskrevne suffikset.
Navnene på etylenforbindelser inneholder alltid et visst tall, som indikerer plasseringen av dobbeltbindingen i formelen. Eksempler på dette er: "buten-1" eller "penten-2". Atomnummerering begynner fra kanten som den doble konfigurasjonen er nærmest. Denne regelen er "jern" i alle tilfeller.
Isomerisme
Avhengig av typen hybridisering av alkener, er de preget av visse typer isomerisme, som hver har sine egne egenskaper og struktur. La oss vurdere hovedtypene av isomerisme av alkener.
Strukturell type
Strukturell isomerisme er delt inn i isomerer i henhold til:
- karbon skjelett;
- plassering av dobbeltbindingen.
Strukturelle isomerer av karbonskjelettet oppstår når radikaler (grener fra hovedkjeden) oppstår.
Isomerer av alkener av den angitte isomerismen vil være:
CH2=CH — CH 2 — CH 3.
2-metylpropen-1:
CH2=C — CH 3
│
De presenterte forbindelsene har et felles antall karbon- og hydrogenatomer (C 4 H 8), men en annen struktur på hydrokarbonskjelettet. Dette er strukturelle isomerer, selv om egenskapene deres ikke er de samme. Buten-1 (butylen) har en karakteristisk lukt og narkotiske egenskaper som irriterer luftveiene. 2-metylpropen-1 har ikke disse egenskapene.
I dette tilfellet har etylen (C 2 H 4) ingen isomerer, siden den består av kun to karbonatomer, hvor radikaler ikke kan substitueres.
Råd! Radikalet tillates plassert på de midterste og nest siste karbonatomene, men det er ikke tillatt å plassere dem i nærheten av de ekstreme substituentene. Denne regelen gjelder for alle umettede hydrokarboner.
Basert på plasseringen av dobbeltbindingen skilles isomerer ut:
CH2=CH — CH 2 — CH2-CH3.
CH3-CH = CH — CH2-CH3.
Den generelle formelen for alkener i eksemplene som presenteres er:C 5 H 10,, men plasseringen av en dobbeltbinding er forskjellig. Egenskapene til disse forbindelsene vil variere. Dette er strukturell isomeri.
Isomerisme
Romlig type
Den romlige isomerismen til alkener er assosiert med arten av arrangementet av hydrokarbonsubstituenter.
Basert på dette skilles isomerer ut:
- "Cis";
- "Transe".
Den generelle formelen for alkener gjør det mulig å lage "trans-isomerer" og "cis-isomerer" av samme forbindelse. Ta butylen (buten), for eksempel. For det er det mulig å lage isomerer med en romlig struktur ved forskjellig posisjonering av substituentene i forhold til dobbeltbindingen. Med eksempler vil isomerisme av alkener se slik ut:
"cis-isomer" "trans-isomer"
Buten-2 Buten-2
Fra dette eksemplet er det klart at "cis-isomerer" har to identiske radikaler på den ene siden av dobbeltbindingsplanet. For "trans-isomerer" fungerer ikke denne regelen, siden de har to forskjellige substituenter lokalisert i forhold til "C=C" karbonkjeden. Med tanke på dette mønsteret kan du konstruere "cis" og "trans" isomerer selv for forskjellige asykliske etylenhydrokarboner.
Den presenterte "cis-isomeren" og "trans-isomeren" for buten-2 kan ikke konverteres til hverandre, siden dette krever rotasjon rundt den eksisterende karbondobbelkjeden (C=C). For å utføre denne rotasjonen kreves det en viss mengde energi for å bryte den eksisterende "p-bindingen".
Basert på alt det ovennevnte kan vi konkludere med at "trans" og "cis" isomerer er individuelle forbindelser med et spesifikt sett av kjemiske og fysiske egenskaper.
Hvilken alken har ingen isomerer? Etylen har ingen romlige isomerer på grunn av det identiske arrangementet av hydrogensubstituenter i forhold til dobbeltkjeden.
Interklasse
Interklasse-isomerisme i alkenhydrokarboner er utbredt. Årsaken til dette er likheten mellom den generelle formelen for representanter for denne klassen med formelen for cyklopafiner (cykloalkaner). Disse kategoriene av stoffer har samme antall karbon- og hydrogenatomer, et multiplum av sammensetningen (C n H 2n).
Interklasse-isomerer vil se slik ut:
CH2=CH — CH 3.
Syklopropan:
Det viser seg at formelenC3H6To forbindelser svarer: propen-1 og cyklopropan. Den strukturelle strukturen viser det forskjellige arrangementet av karbon i forhold til hverandre. Egenskapene til disse forbindelsene er også forskjellige. Propen-1 (propylen) er en gassformig forbindelse med lavt kokepunkt. Syklopropan er preget av en gassformig tilstand med en skarp lukt og skarp smak. De kjemiske egenskapene til disse stoffene er også forskjellige, men sammensetningen deres er identisk. I organiske kalles denne typen isomerer interklasse.
Alkenes. Isomerisme av alkener. Unified State-eksamen. Organisk kjemi.
Alkener: Struktur, nomenklatur, isomerisme
Konklusjon
Alkenisomerisme er deres viktige egenskap, takket være hvilke nye forbindelser med forskjellige egenskaper dukker opp i naturen, som brukes i industri og hverdagsliv.
Karakteristiske kjemiske egenskaper for hydrokarboner: alkaner, alkener, diener, alkyner, aromatiske hydrokarboner
Alkaner
Alkaner er hydrokarboner i hvis molekyler atomene er forbundet med enkeltbindinger og som tilsvarer den generelle formelen $C_(n)H_(2n+2)$.
Homolog serie av metan
Som du allerede vet, homologer- dette er stoffer som er like i struktur og egenskaper og er forskjellige med en eller flere $CH_2$-grupper.
Mettede hydrokarboner utgjør den homologe serien av metan.
Isomerisme og nomenklatur
Alkaner er preget av såkalt strukturell isomeri. Strukturelle isomerer skiller seg fra hverandre i strukturen til karbonskjelettet. Som du allerede vet, er den enkleste alkanen, som er preget av strukturelle isomerer, butan:
La oss se nærmere på det grunnleggende om IUPAC-nomenklaturen for alkaner:
1. Velge hovedkretsen.
Dannelsen av navnet på et hydrokarbon begynner med definisjonen av hovedkjeden - den lengste kjeden av karbonatomer i molekylet, som så å si er grunnlaget.
2.
Atomene i hovedkjeden er tildelt tall. Nummereringen av atomene i hovedkjeden begynner fra den enden som substituenten er nærmest (strukturene A, B). Hvis substituentene er plassert i lik avstand fra enden av kjeden, starter nummereringen fra den enden der det er flere av dem (struktur B). Hvis forskjellige substituenter er plassert i lik avstand fra endene av kjeden, begynner nummereringen fra den enden som den øverste er nærmest (struktur D). Ansienniteten til hydrokarbonsubstituenter bestemmes av rekkefølgen som bokstaven navnet deres begynner med vises i alfabetet: metyl (—$CH_3$), deretter propyl ($—CH_2—CH_2—CH_3$), etyl ($—CH_2). —CH_3$) osv.
Vær oppmerksom på at navnet på substituenten dannes ved å erstatte suffikset -enå suffikse -il i navnet til den tilsvarende alkanen.
3. Dannelse av navnet.
I begynnelsen av navnet er tall indikert - tallene på karbonatomene der substituentene er lokalisert. Hvis det er flere substituenter ved et gitt atom, gjentas det tilsvarende tallet i navnet to ganger atskilt med komma ($2,2-$). Etter tallet er antallet substituenter angitt med en bindestrek ( di- to, tre- tre, tetra- fire, penta- fem) og navnet på stedfortrederen ( metyl, etyl, propyl). Deretter, uten mellomrom eller bindestrek, navnet på hovedkjeden. Hovedkjeden kalles et hydrokarbon - et medlem av den homologe serien av metan ( metan, etan, propan, etc.).
Navnene på stoffene hvis strukturformler er gitt ovenfor er som følger:
— struktur A: $2$ -metylpropan;
— struktur B: $3$ -etylheksan;
— struktur B: $2,2,4$ -trimetylpentan;
— struktur G: $2$ -metyl$4$-etylheksan.
Fysiske og kjemiske egenskaper til alkaner
Fysiske egenskaper. De fire første representantene for den homologe serien av metan er gasser. Den enkleste av dem er metan, en fargeløs, smakløs og luktfri gass (lukten av gass, når du føler den, må du ringe $104$, bestemmes av lukten av merkaptaner - svovelholdige forbindelser spesielt tilsatt metan som brukes i husholdnings- og industrigassapparater slik at personer som befinner seg ved siden av dem, kan oppdage lekkasjen ved lukt).
Hydrokarboner med sammensetning fra $С_5Н_(12)$ til $С_(15)Н_(32)$ er væsker; tyngre hydrokarboner er faste stoffer.
Koke- og smeltepunktene til alkaner øker gradvis med økende karbonkjedelengde. Alle hydrokarboner er dårlig løselige i vann, flytende hydrokarboner er vanlige organiske løsningsmidler.
Kjemiske egenskaper.
1. Substitusjonsreaksjoner. De mest karakteristiske reaksjonene for alkaner er substitusjonsreaksjoner med frie radikaler, der et hydrogenatom erstattes med et halogenatom eller en gruppe.
La oss presentere ligningene for de mest karakteristiske reaksjonene.
Halogenering:
$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$.
Ved overflødig halogen kan kloreringen gå videre, opp til fullstendig erstatning av alle hydrogenatomer med klor:
$CH_3Cl+Cl_2→HCl+(CH_2Cl_2)↙(\text"diklormetan (metylenklorid)")$,
$CH_2Cl_2+Cl_2→HCl+(CHСl_3)↙(\text"triklormetan(kloroform)")$,
$CHCl_3+Cl_2→HCl+(CCl_4)↙(\text"karbontetraklorid(karbontetraklorid)")$.
De resulterende stoffene er mye brukt som løsningsmidler og utgangsmaterialer i organiske synteser.
2. Dehydrogenering (eliminering av hydrogen). Når alkaner føres over en katalysator ($Pt, Ni, Al_2O_3, Cr_2O_3$) ved høye temperaturer ($400-600°C$), elimineres et hydrogenmolekyl og en alken dannes:
$CH_3—CH_3→CH_2=CH_2+H_2$
3. Reaksjoner ledsaget av ødeleggelse av karbonkjeden. Alle mettede hydrokarboner brenner med dannelse av karbondioksid og vann. Gassformige hydrokarboner blandet med luft i visse proporsjoner kan eksplodere. Forbrenning av mettede hydrokarboner er en eksoterm reaksjon fra frie radikaler, som er svært viktig når man bruker alkaner som drivstoff:
$СН_4+2О_2→СО_2+2Н_2O+880 kJ.$
Generelt kan forbrenningsreaksjonen til alkaner skrives som følger:
$C_(n)H_(2n+2)+((3n+1)/(2))O_2→nCO_2+(n+1)H_2O$
Termisk spaltning av hydrokarboner:
$C_(n)H_(2n+2)(→)↖(400-500°C)C_(n-k)H_(2(n-k)+2)+C_(k)H_(2k)$
Prosessen skjer via en frie radikalmekanisme. En økning i temperaturen fører til homolytisk spaltning av karbon-karbonbindingen og dannelsen av frie radikaler:
$R—CH_2CH_2:CH_2—R→R—CH_2CH_2·+·CH_2—R$.
Disse radikalene samhandler med hverandre, utveksler et hydrogenatom, for å danne et alkanmolekyl og et alkenmolekyl:
$R—CH_2CH_2·+·CH_2—R→R—CH=CH_2+CH_3—R$.
Termiske dekomponeringsreaksjoner ligger til grunn for den industrielle prosessen med hydrokarbonkrakking. Denne prosessen er det viktigste stadiet i oljeraffinering.
Når metan varmes opp til en temperatur på $1000°C$, begynner metanpyrolyse - dekomponering til enkle stoffer:
$CH_4(→)↖(1000°C)C+2H_2$
Når det varmes opp til en temperatur på $1500°C$, er dannelsen av acetylen mulig:
$2CH_4(→)↖(1500°C)CH=CH+3H_2$
4. Isomerisering. Når lineære hydrokarboner varmes opp med en isomeriseringskatalysator (aluminiumklorid), dannes stoffer med et forgrenet karbonskjelett:
5. Aromatisering. Alkaner med seks eller flere karbonatomer i kjeden ringslutter i nærvær av en katalysator for å danne benzen og dets derivater:
Hva er grunnen til at alkaner gjennomgår frie radikaler? Alle karbonatomer i alkanmolekyler er i en tilstand av $sp^3$ hybridisering. Molekylene til disse stoffene er bygget ved hjelp av kovalente ikke-polare $C-C$ (karbon-karbon)-bindinger og svakt polare $C-H$ (karbon-hydrogen)-bindinger. De inneholder ikke områder med økt eller redusert elektrontetthet, eller lett polariserbare bindinger, dvs. slike bindinger, elektrontettheten som kan skifte under påvirkning av eksterne faktorer (elektrostatiske felt av ioner). Følgelig vil ikke alkaner reagere med ladede partikler, pga bindinger i alkanmolekyler brytes ikke av den heterolytiske mekanismen.
Alkenes
Umettede inkluderer hydrokarboner som inneholder flere bindinger mellom karbonatomer i molekylene deres. Ubegrenset er alkener, alkadiener (polyener), alkyner. Sykliske hydrokarboner som inneholder en dobbeltbinding i ringen (cykloalkener), samt sykloalkaner med et lite antall karbonatomer i ringen (tre eller fire atomer) har også en umettet karakter. Egenskapen til umettethet er assosiert med disse stoffenes evne til å inngå tilleggsreaksjoner, primært hydrogen, med dannelse av mettede eller mettede hydrokarboner - alkaner.
Alkener er asykliske hydrokarboner som i molekylet, i tillegg til enkeltbindinger, inneholder én dobbeltbinding mellom karbonatomer og tilsvarer den generelle formelen $C_(n)H_(2n)$.
Det andre navnet er olefiner- alkener ble oppnådd i analogi med umettede fettsyrer (oljesyre, linolsyre), hvis rester er en del av flytende fett - oljer (fra lat. oleum- olje).
Homolog serie av eten
Uforgrenede alkener danner den homologe serien av eten (etylen):
$С_2Н_4$ - eten, $С_3Н_6$ - propen, $С_4Н_8$ - buten, $С_5Н_(10)$ - penten, $С_6Н_(12)$ - heksen, etc.
Isomerisme og nomenklatur
Alkener, som alkaner, er preget av strukturell isomerisme. Strukturelle isomerer skiller seg fra hverandre i strukturen til karbonskjelettet. Det enkleste alkenet, preget av strukturelle isomerer, er buten:
En spesiell type strukturell isomerisme er isomerisme av posisjonen til dobbeltbindingen:
$CH_3—(CH_2)↙(buten-1)—CH=CH_2$ $CH_3—(CH=CH)↙(buten-2)—CH_3$
Nesten fri rotasjon av karbonatomer er mulig rundt en enkelt karbon-karbonbinding, så alkanmolekyler kan anta en lang rekke former. Rotasjon rundt dobbeltbindingen er umulig, noe som fører til utseendet til en annen type isomerisme i alkener - geometrisk eller cis-trans-isomerisme.
Cis- isomerer skiller seg fra transe- isomerer ved det romlige arrangementet av molekylære fragmenter (i dette tilfellet metylgrupper) i forhold til planet til $π$-bindingen, og følgelig ved deres egenskaper.
Alkener er isomere for sykloalkaner (interklasse-isomerisme), for eksempel:
IUPAC-nomenklaturen for alkener er lik den for alkaner.
1. Velge hovedkretsen.
Å navngi et hydrokarbon begynner med å identifisere hovedkjeden - den lengste kjeden av karbonatomer i molekylet. Når det gjelder alkener, må hovedkjeden inneholde en dobbeltbinding.
2. Nummerering av hovedkjedeatomer.
Nummereringen av atomene i hovedkjeden begynner fra den enden som dobbeltbindingen er nærmest. For eksempel er det riktige tilkoblingsnavnet:
$5$-metylheksen-$2$, ikke $2$-metylheksen-$4$, som man kunne forvente.
Hvis posisjonen til dobbeltbindingen ikke kan bestemme begynnelsen av nummereringen av atomer i kjeden, bestemmes den av posisjonen til substituentene, akkurat som for mettede hydrokarboner.
3. Dannelse av navnet.
Navnene på alkener er dannet på samme måte som navnene på alkaner. På slutten av navnet, angi nummeret på karbonatomet der dobbeltbindingen begynner, og et suffiks som indikerer at forbindelsen tilhører klassen alkener - -no.
For eksempel:
Fysiske og kjemiske egenskaper til alkener
Fysiske egenskaper. De tre første representantene for den homologe serien av alkener er gasser; stoffer i sammensetningen $С_5Н_(10)$ - $С_(16)Н_(32)$ - væsker; Høyere alkener er faste stoffer.
Koke- og smeltepunkter øker naturlig med økende molekylvekt av forbindelser.
Kjemiske egenskaper.
Tilleggsreaksjoner. La oss huske at et særtrekk ved representanter for umettede hydrokarboner - alkener er evnen til å inngå addisjonsreaksjoner. De fleste av disse reaksjonene foregår i henhold til mekanismen
1. Hydrogenering av alkener. Alkener er i stand til å tilsette hydrogen i nærvær av hydrogeneringskatalysatorer, metaller - platina, palladium, nikkel:
$CH_3—CH_2—CH=CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3—CH_2—CH_2—CH_3$.
Denne reaksjonen skjer ved atmosfærisk og forhøyet trykk og krever ikke høy temperatur, fordi er eksoterm. Når temperaturen stiger, kan de samme katalysatorene forårsake en omvendt reaksjon - dehydrogenering.
2. Halogenering (tilsetning av halogener). Samspillet mellom et alken og bromvann eller en løsning av brom i et organisk løsningsmiddel ($CCl_4$) fører til rask misfarging av disse løsningene som følge av tilsetningen av et halogenmolekyl til alkenet og dannelsen av dihalogenalkaner:
$CH_2=CH_2+Br_2→CH_2Br—CH_2Br$.
3.
$CH_3-(CH)↙(propen)=CH_2+HBr→CH_3-(CHBr)↙(2-brompropen)-CH_3$
Denne reaksjonen adlyder Markovnikovs regel:
Når et hydrogenhalogenid tilsettes til en alken, tilsettes hydrogenet til det mer hydrogenerte karbonatomet, dvs. atomet der det er flere hydrogenatomer, og halogenet til det mindre hydrogenerte.
Hydrering av alkener fører til dannelse av alkoholer. For eksempel ligger tilsetning av vann til eten til grunn for en av de industrielle metodene for å produsere etylalkohol:
$(CH_2)↙(eten)=CH_2+H_2O(→)↖(t,H_3PO_4)CH_3-(CH_2OH)↙(etanol)$
Merk at en primær alkohol (med en hydroxogruppe på det primære karbonet) bare dannes når eten er hydrert. Når propen eller andre alkener hydratiseres, dannes sekundære alkoholer.
Denne reaksjonen fortsetter også i samsvar med Markovnikovs regel - et hydrogenkation festes til et mer hydrogenert karbonatom, og en hydroksogruppe til et mindre hydrogenert.
5. Polymerisasjon. Et spesielt tilfelle av tilsetning er polymerisasjonsreaksjonen av alkener:
$nCH_2(=)↙(eten)CH_2(→)↖(UV-lys, R)(...(-CH_2-CH_2-)↙(polyetylen)...)_n$
Denne addisjonsreaksjonen skjer via en friradikalmekanisme.
6. Oksidasjonsreaksjon.
Som alle organiske forbindelser, brenner alkener i oksygen for å danne $СО_2$ og $Н_2О$:
$СН_2=СН_2+3О_2→2СО_2+2Н_2О$.
Generelt:
$C_(n)H_(2n)+(3n)/(2)O_2→nCO_2+nH_2O$
I motsetning til alkaner, som er motstandsdyktige mot oksidasjon i løsninger, oksideres alkener lett av kaliumpermanganatløsninger. I nøytrale eller alkaliske løsninger oksideres alkener til dioler (toverdige alkoholer), og hydroksylgrupper tilsettes de atomene som det eksisterte en dobbeltbinding mellom før oksidasjon:
Alkadiener (dienhydrokarboner)
Alkadiener er asykliske hydrokarboner som inneholder i molekylet, i tillegg til enkeltbindinger, to dobbeltbindinger mellom karbonatomer og som tilsvarer den generelle formelen $C_(n)H_(2n-2)$.
Avhengig av det relative arrangementet av dobbeltbindinger, skilles tre typer diener:
- alkadiener med kumulert arrangement av dobbeltbindinger:
- alkadiener med konjugert dobbeltbindinger;
$CH_2=CH—CH=CH_2$;
- alkadiener med isolert dobbeltbindinger
$CH_2=CH—CH_2—CH=CH_2$.
Disse tre typene alkadiener skiller seg betydelig fra hverandre i struktur og egenskaper. Det sentrale karbonatomet (atomet som danner to dobbeltbindinger) i alkadiener med kumulerte bindinger er i en tilstand av $sp$-hybridisering. Den danner to $σ$-bindinger som ligger på samme linje og rettet i motsatte retninger, og to $π$-bindinger som ligger i vinkelrette plan. $π$-Bindinger dannes på grunn av de uhybridiserte p-orbitalene til hvert karbonatom. Egenskapene til alkadiener med isolerte dobbeltbindinger er veldig spesifikke, fordi konjugerte $π$-bindinger påvirker hverandre betydelig.
p-orbitaler som danner konjugerte $π$-bindinger utgjør praktisk talt et enkelt system (det kalles et $π$-system), fordi p-orbitaler av nærliggende $π$-bindinger overlapper delvis.
Isomerisme og nomenklatur
Alkadiener er preget av både strukturell isomerisme og cis-, trans-isomerisme.
Strukturell isomeri.
— karbonskjelett-isomerisme:
— isomerisme av posisjonen til flere bindinger:
$(CH_2=CH—CH=CH_2)↙(butadien-1,3)$ $(CH_2=C=CH—CH_3)↙(butadien-1,2)$
Cis-, trans- isomerisme (romlig og geometrisk)
For eksempel:
Alkadiener er isomere forbindelser av klassene alkyner og cykloalkener.
Når du danner navnet på en alkadien, er antallet dobbeltbindinger angitt. Hovedkjeden må nødvendigvis inneholde to multippelbindinger.
For eksempel:
Fysiske og kjemiske egenskaper til alkadiener
Fysiske egenskaper.
Under normale forhold er propandien-1,2, butadien-1,3 gasser, 2-metylbutadien-1,3 er en flyktig væske. Alkadiener med isolerte dobbeltbindinger (den enkleste av dem er pentadien-1,4) er væsker. Høyere diener er faste stoffer.
Kjemiske egenskaper.
De kjemiske egenskapene til alkadiener med isolerte dobbeltbindinger skiller seg lite fra egenskapene til alkener. Alkadiener med konjugerte bindinger har noen spesielle egenskaper.
1. Tilleggsreaksjoner. Alkadiener er i stand til å tilsette hydrogen, halogener og hydrogenhalogenider.
Et spesielt trekk ved tilsetningen til alkadiener med konjugerte bindinger er evnen til å legge til molekyler både i posisjon 1 og 2, og i posisjon 1 og 4.
Forholdet mellom produkter avhenger av betingelsene og metoden for å utføre de tilsvarende reaksjonene.
2.Polymerisasjonsreaksjon. Den viktigste egenskapen til diener er evnen til å polymerisere under påvirkning av kationer eller frie radikaler. Polymerisasjonen av disse forbindelsene er grunnlaget for syntetiske gummier:
$nCH_2=(CH—CH=CH_2)↙(butadien-1,3)→((... —CH_2—CH=CH—CH_2— ...)_n)↙(\text"syntetisk butadiengummi")$ .
Polymerisering av konjugerte diener fortsetter som 1,4-addisjon.
I dette tilfellet viser dobbeltbindingen seg å være sentral i enheten, og den elementære enheten kan på sin side ta på seg begge cis-, så transe- konfigurasjon
Alkyner
Alkyner er asykliske hydrokarboner som i molekylet, i tillegg til enkeltbindinger, inneholder en trippelbinding mellom karbonatomer og tilsvarer den generelle formelen $C_(n)H_(2n-2)$.
Homolog serie av etyn
Rettkjedede alkyner danner den homologe serien av etyn (acetylen):
$С_2Н_2$ - etin, $С_3Н_4$ - propin, $С_4Н_6$ - butin, $С_5Н_8$ - pentin, $С_6Н_(10)$ - heksin, etc.
Isomerisme og nomenklatur
Alkyner, som alkener, er preget av strukturell isomerisme: isomerisme av karbonskjelettet og isomerisme av posisjonen til multippelbindingen. Den enkleste alkynen, som er preget av strukturelle isomerer av multippelbindingsposisjonen til alkynklassen, er butin:
$СН_3—(СН_2)↙(butine-1)—С≡СН$ $СН_3—(С≡С)↙(butine-2)—СН_3$
Isomerisme av karbonskjelettet i alkyner er mulig, starter med pentin:
Siden en trippelbinding antar en lineær struktur av karbonkjeden, er geometriske ( cis-, trans-) isomerisme er umulig for alkyner.
Tilstedeværelsen av en trippelbinding i hydrokarbonmolekyler av denne klassen reflekteres av suffikset -i, og dens posisjon i kjeden er nummeret på karbonatomet.
For eksempel:
Forbindelser av noen andre klasser er isomere for alkyner. Dermed har den kjemiske formelen $C_6H_(10)$ heksin (alkyn), heksadien (alkadien) og cykloheksen (cykloalken):
Fysiske og kjemiske egenskaper til alkyner
Fysiske egenskaper. Koke- og smeltepunktene til alkyner, så vel som alkener, øker naturlig med økende molekylvekt til forbindelsene.
Alkyner har en spesifikk lukt. De er mer løselige i vann enn alkaner og alkener.
Kjemiske egenskaper.
Tilleggsreaksjoner. Alkyner er umettede forbindelser og gjennomgår addisjonsreaksjoner. Mest reaksjoner elektrofil tilsetning.
1. Halogenering (tilsetning av et halogenmolekyl). En alkyn er i stand til å feste to halogenmolekyler (klor, brom):
$CH≡CH+Br_2→(CHBr=CHBr)↙(1,2-dibrometan),$
$CHBr=CHBr+Br_2→(CHBr_2-CHBr_2)↙(1,1,2,2-tetrabrometan)$
2. Hydrohalogenering (tilsetning av hydrogenhalogenid). Addisjonsreaksjonen av et hydrogenhalogenid, som skjer via en elektrofil mekanisme, skjer også i to trinn, og i begge stadier er Markovnikov-regelen oppfylt:
$CH_3-C≡CH+Br→(CH_3-CBr=CH_2)↙(2-brompropen),$
$CH_3-CBr=CH_2+HBr→(CH_3-CHBr_2-CH_3)↙(2,2-dibrompropan)$
3. Hydrering (tilsetning av vann). Av stor betydning for den industrielle syntesen av ketoner og aldehyder er reaksjonen ved tilsetning av vann (hydrering), som kalles Kucherovs reaksjon:
4. Hydrogenering av alkyner. Alkyner tilsetter hydrogen i nærvær av metallkatalysatorer ($Pt, Pd, Ni$):
$R-C≡C-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH=CH-R,$
$R-CH=CH-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH_2-CH_2-R$
Siden trippelbindingen inneholder to reaktive $π$-bindinger, tilsetter alkaner hydrogen på en trinnvis måte:
1) trimerisering.
Når etyn føres over aktivert karbon, dannes det en blanding av produkter, hvorav en er benzen:
2) dimerisering.
I tillegg til trimerisering av acetylen er dimeriseringen mulig. Under påvirkning av monovalente kobbersalter dannes vinylacetylen:
$2HC≡CH→(HC≡C-CH=CH_2)↙(\text"buten-1-i-3(vinylacetylen)")$
Dette stoffet brukes til å produsere kloropren:
$HC≡C-CH=CH_2+HCl(→)↖(CaCl)H_2C=(CCl-CH)↙(kloropren)=CH_2$
ved polymerisering hvorav kloroprengummi oppnås:
$nH_2C=CCl-CH=CH_2→(...-H_2C-CCl=CH-CH_2-...)_n$
Oksidasjon av alkyner.
Etin (acetylen) brenner i oksygen, og frigjør en veldig stor mengde varme:
$2C_2H_2+5O_2→4CO_2+2H_2O+2600kJ$ Virkningen til en oksygen-acetylenbrenner er basert på denne reaksjonen, hvis flamme har en veldig høy temperatur (over $3000°C$), som gjør at den kan brukes til skjæring og sveising av metaller.
I luft brenner acetylen med en røykfylt flamme, fordi karboninnholdet i molekylet er høyere enn i molekylene etan og eten.
Alkyner, som alkener, misfarger forsurede løsninger av kaliumpermanganat; I dette tilfellet blir multippelbindingen ødelagt.
Ioniske (V.V. Markovnikovs regel) og radikale reaksjonsmekanismer i organisk kjemi
Typer kjemiske reaksjoner i organisk kjemi
Reaksjoner av organiske stoffer kan formelt deles inn i fire hovedtyper: substitusjon, addisjon, eliminering (eliminering) og omorganisering (isomerisering). Det er åpenbart at hele utvalget av reaksjoner av organiske forbindelser ikke kan reduseres til den foreslåtte klassifiseringen (for eksempel forbrenningsreaksjoner). Imidlertid vil en slik klassifisering bidra til å etablere analogier med reaksjonene som oppstår mellom uorganiske stoffer, allerede kjent for deg fra løpet av uorganisk kjemi.
Vanligvis kalles den viktigste organiske forbindelsen som er involvert i en reaksjon substratet, og den andre komponenten i reaksjonen regnes konvensjonelt som reaktanten.
Substitusjonsreaksjoner
Reaksjoner som resulterer i at ett atom eller en gruppe atomer i det opprinnelige molekylet (substratet) erstattes med andre atomer eller grupper av atomer, kalles substitusjonsreaksjoner.
Substitusjonsreaksjoner involverer mettede og aromatiske forbindelser som alkaner, cykloalkaner eller arener.
La oss gi eksempler på slike reaksjoner.
Under påvirkning av lys kan hydrogenatomer i et metanmolekyl erstattes av halogenatomer, for eksempel av kloratomer:
$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$
Et annet eksempel på å erstatte hydrogen med halogen er omdannelsen av benzen til brombenzen:
Ligningen for denne reaksjonen kan skrives annerledes:
I denne formen for notasjon er reagensene, katalysatoren og reaksjonsbetingelsene skrevet over pilen, og de uorganiske reaksjonsproduktene er skrevet under den.
Tilleggsreaksjoner
Reaksjoner der to eller flere molekyler av reagerende stoffer kombineres til ett kalles addisjonsreaksjoner.
Umettede forbindelser som alkener eller alkyner gjennomgår addisjonsreaksjoner.
Avhengig av hvilket molekyl som fungerer som et reagens, skilles hydrogenering (eller reduksjon), halogenering, hydrohalogenering, hydratisering og andre addisjonsreaksjoner. Hver av dem krever visse betingelser.
1. Hydrogenering- reaksjon ved tilsetning av et hydrogenmolekyl gjennom en multippelbinding:
$CH_3(-CH=)↙(\text"propen")CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3(-CH_2-)↙(\text"propan")-CH_3$
2.Hydrohalogenering— hy(hydroklorering):
$(CH_2=)↙(\text"eten")CH_2+HCl→CH_3(-CH_2-)↙(\text"kloretan")-Cl$
3.Halogenering- halogen addisjonsreaksjon:
$(CH_2=)↙(\text"eten")CH_2+Cl_2→(CH_2Cl-CH_2Cl)↙(\text"1.2-dikloretan")$
4. Polymerisasjon- en spesiell type addisjonsreaksjon der molekyler av et stoff med liten molekylvekt kombineres med hverandre for å danne molekyler av et stoff med veldig høy molekylvekt - makromolekyler.
Polymeriseringsreaksjoner er prosesser for å kombinere mange molekyler av et lavmolekylært stoff (monomer) til store molekyler (makromolekyler) av en polymer.
Et eksempel på en polymerisasjonsreaksjon er produksjon av polyetylen fra etylen (eten) under påvirkning av ultrafiolett stråling og en radikal polymerisasjonsinitiator $R:$
$(nCH_2=)↙(\text"ethene")CH_2(→)↖(\text"UV-lys, R")((...-CH_2-CH_2-...)_n)↙(\text" polyetylen ")$
Den kovalente bindingen som er mest karakteristisk for organiske forbindelser dannes når atomorbitaler overlapper hverandre og dannelsen av delte elektronpar. Som et resultat av dette dannes en orbital som er felles for de to atomene, der et felles elektronpar er lokalisert. Når en binding brytes, kan skjebnen til disse delte elektronene være annerledes.
Typer reaktive partikler i organisk kjemi
En orbital med et uparet elektron som tilhører ett atom kan overlappe med en orbital til et annet atom som også inneholder et uparet elektron. I dette tilfellet dannes en kovalent binding langs utvekslingsmekanisme:
$H + H→H:H,$ eller $H-H$
Byttemekanisme Dannelsen av en kovalent binding realiseres hvis et felles elektronpar dannes fra uparrede elektroner som tilhører forskjellige atomer.
Prosessen motsatt til dannelsen av en kovalent binding ved utvekslingsmekanismen er spaltningen av bindingen, der ett elektron går tapt til hvert atom. Som et resultat av dette dannes to uladede partikler som har uparrede elektroner:
Slike partikler kalles frie radikaler.
Frie radikaler- atomer eller grupper av atomer som har uparrede elektroner.
Reaksjoner som oppstår under påvirkning og med deltakelse av frie radikaler kalles frie radikalreaksjoner.
I løpet av uorganisk kjemi er dette reaksjonene av hydrogen med oksygen, halogener og forbrenningsreaksjoner. Vær oppmerksom på at reaksjoner av denne typen er preget av høy hastighet og frigjøring av store mengder varme.
En kovalent binding kan også dannes av en donor-akseptormekanisme. En av orbitalene til et atom (eller anion) som inneholder et ensomt elektronpar overlapper med en ubesatt orbital til et annet atom (eller kation) som har en ledig orbital, og en kovalent binding dannes, for eksempel:
$H^(+)+(:O-H^(-))↙(\tekst"akseptor")→(H-O-H)↙(\tekst"donor")$
Å bryte en kovalent binding resulterer i dannelsen av positivt og negativt ladede arter; siden i dette tilfellet begge elektronene fra et felles elektronpar forblir med ett av atomene, har det andre atomet en ufylt orbital:
$R:|R=R:^(-)+R^(+)$
La oss vurdere den elektrolytiske dissosiasjonen av syrer:
$H:|Cl=H^(+)+Cl^(-)$
Man kan lett gjette at en partikkel som har et ensomt elektronpar $R:^(-)$, det vil si et negativt ladet ion, vil bli tiltrukket av positivt ladede atomer eller til atomer hvor det i det minste er en delvis eller effektiv positiv ladning. Partikler med ensomme elektronpar kalles nukleofile midler (cellekjernen- kjerne, positivt ladet del av atomet), dvs. "venner" av kjernen, positiv ladning.
Nukleofiler ($Nu$)- anioner eller molekyler som har et ensomt elektronpar som samhandler med deler av molekylene som har en effektiv positiv ladning.
Eksempler på nukleofiler: $Cl^(-)$ (kloridion), $OH^(-)$ (hydroksidanion), $CH_3O^(-)$ (metoksidanion), $CH_3COO^(-)$ (acetatanion ).
Partikler som har en ufylt orbital, tvert imot, vil ha en tendens til å fylle den og vil derfor bli tiltrukket av deler av molekylene som har økt elektrontetthet, negativ ladning og et ensomt elektronpar. De er elektrofiler, "venner" av elektronet, negativ ladning eller partikler med økt elektrontetthet.
Elektrofiler- kationer eller molekyler som har en ufylt elektronorbital, som har en tendens til å fylle den med elektroner, da dette fører til en mer gunstig elektronisk konfigurasjon av atomet.
Eksempler på elektrofiler: $NO_2$ (nitrogruppe), -$COOH$ (karboksyl), -$CN$ (nitrilgruppe), -$SON$ (aldehydgruppe).
Ikke hver partikkel med en ufylt orbital er en elektrofil. For eksempel har alkalimetallkationer konfigurasjonen av inerte gasser og har ikke en tendens til å tilegne seg elektroner, siden de har lav elektronaffinitet. Fra dette kan vi konkludere med at til tross for tilstedeværelsen av en ufylt orbital, vil slike partikler ikke være elektrofiler.
Grunnleggende reaksjonsmekanismer
Vi har identifisert tre hovedtyper av reagerende arter - frie radikaler, elektrofiler, nukleofiler - og tre tilsvarende typer reaksjonsmekanismer:
- frie radikaler;
- elektrofil;
- nukleofil.
I tillegg til å klassifisere reaksjoner etter typen reagerende partikler, er det i organisk kjemi fire typer reaksjoner basert på prinsippet om å endre sammensetningen av molekyler: addisjon, substitusjon, løsrivelse eller eliminering (fra lat. eliminaue- fjerne, splitte av) og omorganiseringer. Siden addisjon og substitusjon kan skje under påvirkning av alle tre typer reaktive arter, kan flere grunnleggende reaksjonsmekanismer skilles.
1.Fri radikal substitusjon:
$(CH_4)↙(\tekst"metan")+Br_2(→)↖(\text"UV-lys")(CH_3Br)↙(\tekst"brommetan")+HBr$
2. Tilsetning av frie radikaler:
$nCH_2=CH_2(→)↖(\text"UV-lys,R")(...-CH_2-CH_2-...)_n$
3. Elektrofil substitusjon:
4. Elektrofil forbindelse:
$CH_3-(CH=)↙(\text"propen")CH_2+HBr(→)↖(\text"løsning")(CH_3-CHBr-CH_3)↙(\text"2-brompropan")$
$CH_3(-C≡)↙(\text"propyn")CH+Cl_2(→)↖(\text"løsning")(CH_3-CCl=CHCl)↙(\text"1,2-diklorpropen")$
5. Nukleofil tillegg:
I tillegg vil vi vurdere eliminasjonsreaksjoner som oppstår under påvirkning av nukleofile partikler - baser.
6. Eliminering:
$СH_3-CHBr-CH_3+NaOH(→)↖(\text"alkoholløsning")CH_3-CH=CH_2+NaBr+H_2O$
V.V. Markovnikovs styre
Et særtrekk ved alkener (umettede hydrokarboner) er deres evne til å gjennomgå addisjonsreaksjoner. De fleste av disse reaksjonene foregår i henhold til mekanismen elektrofil tilsetning.
Hydrohalogenering (tilsetning av hydrogenhalogen):
$СH_3(-CH-)↙(\text"propen")CH_2+HBr→CH_3(-CHBr-CH_3)↙(\text"2-brompropan")$
Denne reaksjonen adlyder V.V. Markovnikovs regel: Når et hydrogenhalogenid tilsettes til en alken, tilsettes hydrogen til det mer hydrogenerte karbonatomet, dvs. atomet der det er flere hydrogenatomer, og halogenet til det mindre hydrogenerte.
De brenner.
1. Forbrenning i luft
2. Oksidasjon med en vandig løsning av permanganat (Wagner-reaksjon)
I et nøytralt miljø oppnås brunt mangan (IV) oksid, og to OH-grupper legges til dobbeltbindingen til det organiske stoffet:
Til venstre er en alken med kaliumpermanganat, til høyre er en alkan. Det organiske laget (øverst) blandes ikke med det vandige laget (nederst). Til høyre er fargen på permanganatet ikke endret. Ris. 1.
Ris. 1. Wagner-reaksjon
3. Oksidasjon med surgjort permanganatløsning
I et surt miljø blir løsningen misfarget: Mn +7 reduseres til Mn +2. Misfarging av en surgjort løsning av kaliumpermanganat er en kvalitativ reaksjon på umettede forbindelser.
5CH 2 =CH 2 + 12 KMnO 4 + 18H 2 SO 4 = 12 MnSO 4 + 10CO 2 + 6K 2 SO 4 + 28 H 2 O.
Avhengighet av oksidasjonsprodukter på strukturen til alkenet:
Radikal substitusjon i alkener
Propen og klor ved høye temperaturer: 400-500 o C (forhold gunstige for radikale reaksjoner) gir et produkt ikke av tilsetning, men av substitusjon.
I industrien Alkener produseres ved cracking eller dehydrogenering av petroleumsalkaner.
Laboratoriemetoder fremstillingen av alkener er basert på eliminasjonsreaksjoner.
1. Dehalogenering
Reaksjonen av dihaloalkaner, i molekylene hvis halogenatomer er lokalisert ved nabokarbonatomer, med magnesium eller sink fører til dannelsen av en dobbeltbinding:
CH 2 Cl-CH 2 Cl + Zn → CH 2 = CH 2 + ZnCl 2
2. Dehydrohalogenering
Når haloalkaner reagerer med en varm alkoholisk alkaliløsning, spaltes et hydrogenhalogenidmolekyl og det dannes et alken:
CH3-CH2-CHCl-CH3 + KOH alkohol. CH3-CH=CH-CH3 + KCl + H2O
3. Dehydrering
Oppvarming av alkoholer med konsentrert svovelsyre eller fosforsyre fører til eliminering av vann og dannelse av en alken.
Eliminasjonsreaksjoner av usymmetriske haloalkaner og alkoholer går ofte iht Zaitsevs styre: Hydrogenatomet spaltes fortrinnsvis fra C-atomet som er bundet til det minste antallet H-atomer.
Zaitsevs regel, i likhet med Markovnikovs regel, kan forklares ved å sammenligne stabiliteten til mellompartikler som dannes i reaksjonen.
Etylen, propen og butener er utgangsmaterialene for petrokjemisk syntese, først og fremst for produksjon av plast.
Når klor tilsettes alkener, oppnås klorderivater.
CH2=CH-CH3+Cl 2 → CH 2 Cl- CHCl- CH 3 (1,2-diklorpropan)
Men tilbake i 1884, den russiske vitenskapsmannen M.D. Lvov. (Fig. 2) utførte kloreringsreaksjonen av propen under mer strenge forhold, ved t = 400 0 C. Resultatet var et produkt ikke av tilsetning av klor, men av substitusjon.
CH2=CH-CH3+Cl 2 CH2=CH-CH2Cl + HCl
Ris. 2. Russisk vitenskapsmann M.D. Lviv
Samspillet mellom de samme stoffene under forskjellige forhold fører til forskjellige resultater. Denne reaksjonen er mye brukt for å produsere glyserol. Noen ganger brukes etylen i grønnsaksbutikker for å fremskynde modningen av frukt.
Oppsummering av leksjonen
I denne leksjonen dekket du temaet «Alkenes. Kjemiske egenskaper - 2. Fremstilling og bruk av alkener.» I løpet av timen fikk du utdype kunnskapen din om alkener, lært om de kjemiske egenskapene til alkener, samt egenskapene ved fremstilling og bruk av alkener.
Bibliografi
1. Rudzitis G.E. Kjemi. Grunnleggende om generell kjemi. 10. klasse: lærebok for allmenne utdanningsinstitusjoner: grunnnivå / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. utgave. - M.: Utdanning, 2012.
2. Kjemi. Karakter 10. Profilnivå: akademisk. for allmennutdanning institusjoner/ V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin et al. - M.: Bustard, 2008. - 463 s.
3. Kjemi. 11. klasse. Profilnivå: akademisk. for allmennutdanning institusjoner/ V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin et al. - M.: Bustard, 2010. - 462 s.
4. Khomchenko G.P., Khomchenko I.G. Samling av problemer i kjemi for de som går inn på universiteter. - 4. utg. - M.: RIA "New Wave": Utgiver Umerenkov, 2012. - 278 s.
Hjemmelekser
1. nr. 12, 13 (s. 39) Rudzitis G.E., Feldman F.G. Kjemi: Organisk kjemi. 10. klasse: lærebok for allmenne utdanningsinstitusjoner: grunnnivå / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. utgave. - M.: Utdanning, 2012.
2. Hvilken reaksjon er kvalitativ til etylen og dets homologer?
3. Kan substitusjon i stedet for tilsetning skje under kloreringen av propen? Hva henger dette sammen med?
Omettede hydrokarboner inneholder en pi-binding. De er derivater av alkaner, i molekylene som to hydrogenatomer har blitt eliminert. De resulterende frie valensene danner en ny type binding, som er plassert vinkelrett på molekylets plan. Slik oppstår en ny gruppe forbindelser - alkener. Vi vil vurdere de fysiske egenskapene, produksjonen og bruken av stoffer i denne klassen i hverdagen og industrien i denne artikkelen.
Homolog serie av etylen
Den generelle formelen for alle forbindelser kalt alkener, som gjenspeiler deres kvalitative og kvantitative sammensetning, er C n H 2 n. Navnene på hydrokarboner i henhold til den systematiske nomenklaturen har følgende form: i termen til den tilsvarende alkanen endres suffikset fra -an til -en, for eksempel: etan - eten, propan - propen osv. I noen kilder kan du finne et annet navn for forbindelser av denne klassen - olefiner. Deretter vil vi studere prosessen med dobbeltbindingsdannelse og de fysiske egenskapene til alkener, og også bestemme deres avhengighet av strukturen til molekylet.
Hvordan dannes en dobbeltbinding?
Ved å bruke eksemplet med etylen, kan den elektroniske naturen til pi-bindingen representeres som følger: karbonatomene i molekylet er i form av sp 2-hybridisering. I dette tilfellet dannes en sigma-binding. Ytterligere to hybridorbitaler, én fra karbonatomer, danner enkle sigmabindinger med hydrogenatomer. De to gjenværende frie hybridskyene av karbonatomer overlapper hverandre over og under molekylets plan - en pi-binding dannes. Det er dette som bestemmer de fysiske og kjemiske egenskapene til alkener, som vil bli diskutert videre.
Romlig isomeri
Forbindelser som har samme kvantitative og kvalitative sammensetning av molekyler, men forskjellige romlige strukturer, kalles isomerer. Isomerisme forekommer i en gruppe stoffer som kalles organiske stoffer. Egenskapene til olefiner er sterkt påvirket av fenomenet optisk isomeri. Det kommer til uttrykk i det faktum at homologer av etylen, som inneholder forskjellige radikaler eller substituenter ved hvert av de to karbonatomene ved dobbeltbindingen, kan forekomme i form av to optiske isomerer. De skiller seg fra hverandre i posisjonen til substituentene i rommet i forhold til dobbeltbindingsplanet. De fysiske egenskapene til alkener i dette tilfellet vil også være forskjellige. Dette gjelder for eksempel stoffers koke- og smeltepunkt. Således har olefiner med rett karbonskjelett høyere kokepunkter enn isomerforbindelser. Dessuten er kokepunktene til cis-isomerer av alkener høyere enn trans-isomerer. Når det gjelder smeltetemperaturer, er bildet det motsatte.
Sammenlignende egenskaper av de fysiske egenskapene til etylen og dets homologer
De tre første representantene for olefiner er gassformige forbindelser, deretter starter med penten C 5 H 10 og opp til alkenen med formelen C 17 H 34, de er væsker, og så er det faste stoffer. Følgende trend kan observeres blant etenhomologer: Kokepunktene til forbindelsene synker. For etylen er denne indikatoren for eksempel -169,1 °C, og for propylen -187,6 °C. Men koketemperaturen øker med økende molekylvekt. Så for etylen er det -103,7 °C, og for propen -47,7 °C. For å oppsummere det som er sagt, kan vi trekke en kort konklusjon: de fysiske egenskapene til alkener avhenger av deres molekylvekt. Med økningen endres aggregeringstilstanden av forbindelser i retningen: gass - væske - fast stoff, og smeltepunktet synker, og kokepunktet øker.
Kjennetegn på eten
Den første representanten for den homologe serien av alkener er etylen. Det er en gass, lett løselig i vann, men svært løselig i organiske løsemidler og har ingen farge. Molekylvekt - 28, eten er litt lettere enn luft, har en subtil søtlig lukt. Den reagerer lett med halogener, hydrogen og hydrogenhalogenider. De fysiske egenskapene til alkener og parafiner er likevel ganske like. For eksempel aggregeringstilstanden, metan og etylens evne til å gjennomgå kraftig oksidasjon osv. Hvordan kan alkener skilles? Hvordan identifisere den umettede naturen til et olefin? For dette formålet er det kvalitative reaksjoner, som vi vil dvele mer på. La oss huske hvilken særegenhet alkener har i strukturen til molekylet. De fysiske og kjemiske egenskapene til disse stoffene bestemmes av tilstedeværelsen av en dobbeltbinding i deres sammensetning. For å bevise dets tilstedeværelse, før hydrokarbongassen gjennom en fiolett løsning av kaliumpermanganat eller bromvann. Hvis de blir misfarget, betyr det at forbindelsen inneholder pi-bindinger i molekylene. Etylen går inn i en oksidasjonsreaksjon og misfarger løsninger av KMnO 4 og Br 2.
Mekanisme for addisjonsreaksjoner
Spaltningen av dobbeltbindingen ender med tilsetning av atomer av andre kjemiske elementer til de frie valensene til karbon. For eksempel, når etylen reagerer med hydrogen, kalt hydrogenering, produserer det etan. En katalysator som pulverisert nikkel, palladium eller platina er nødvendig. Reaksjonen med HCl ender med dannelse av kloretan. Alkener som inneholder mer enn to karbonatomer i molekylene deres gjennomgår tilsetning av hydrogenhalogenider under hensyntagen til V. Markovnikovs regel.
Hvordan etenhomologer interagerer med hydrogenhalogenider
Hvis vi står overfor oppgaven "Karakterisere de fysiske egenskapene til alkener og deres fremstilling," må vi vurdere V. Markovnikovs regel mer detaljert. Det er i praksis fastslått at homologer av etylen reagerer med hydrogenklorid og andre forbindelser på stedet for dobbeltbindingsspaltingen, og følger et visst mønster. Den består i at et hydrogenatom er festet til det mest hydrogenerte karbonatomet, og et klor-, brom- eller jodion er festet til det karbonatomet som inneholder minst antall hydrogenatomer. Denne funksjonen ved forekomsten av addisjonsreaksjoner kalles V. Markovnikovs regel.
Hydrering og polymerisering
La oss fortsette å vurdere de fysiske egenskapene og anvendelsene til alkener ved å bruke eksemplet på den første representanten for den homologe serien - eten. Dens reaksjon med vann brukes i den organiske synteseindustrien og er av stor praktisk betydning. Prosessen ble først utført på 1800-tallet av A.M. Butlerov. Reaksjonen krever oppfyllelse av en rekke betingelser. Dette er først og fremst bruken av konsentrert svovelsyre eller oleum som katalysator og etenløsningsmiddel, et trykk på ca. 10 atm og en temperatur innenfor 70°. Hydratiseringsprosessen skjer i to faser. Først, på stedet der pi-bindingen brytes, slutter sulfatsyremolekyler seg til eten, noe som resulterer i dannelsen av etylsvovelsyre. Deretter reagerer det resulterende stoffet med vann for å produsere etylalkohol. Etanol er et viktig produkt som brukes i næringsmiddelindustrien for å produsere plast, syntetisk gummi, lakk og andre organiske kjemiske produkter.
Olefinbaserte polymerer
For å fortsette å studere spørsmålet om bruk av stoffer som tilhører klassen alkener, vil vi studere prosessen med deres polymerisering, der forbindelser som inneholder umettede kjemiske bindinger i sammensetningen av molekylene deres kan delta. Det finnes flere typer polymerisasjonsreaksjoner som produserer høymolekylære produkter - polymerer, for eksempel polyetylen, polypropylen, polystyren osv. Friradikalmekanismen fører til produksjon av polyetylen med høy tetthet. Det er en av de mest brukte forbindelsene i industrien. Kation-ion-typen sikrer produksjon av en polymer med stereoregulær struktur, for eksempel polystyren. Det regnes som en av de sikreste og mest praktiske polymerene å bruke. Polystyrenprodukter er motstandsdyktige mot aggressive stoffer: syrer og alkalier, ikke brennbare og enkle å male. En annen type polymerisasjonsmekanisme er dimerisering, som fører til produksjon av isobuten, som brukes som et anti-banketilsetningsstoff for bensin.
Metoder for å skaffe
Alkener, de fysiske egenskapene vi studerer, oppnås i laboratoriet og i industrien ved forskjellige metoder. I eksperimenter i skolekurset i organisk kjemi brukes prosessen med dehydrering av etylalkohol ved hjelp av vannfjernende midler, for eksempel, som fosforpentoksid eller sulfatsyre. Reaksjonen utføres ved oppvarming og er det motsatte av prosessen for fremstilling av etanol. En annen vanlig metode for å produsere alkener har funnet sin anvendelse i industrien, nemlig: oppvarming av halogenderivater av mettede hydrokarboner, for eksempel klorpropan, med konsentrerte alkoholiske løsninger av alkalier - natrium- eller kaliumhydroksid. I reaksjonen elimineres et hydrogenkloridmolekyl, og det dannes en dobbeltbinding på stedet der de frie valensene til karbonatomene vises. Sluttproduktet av den kjemiske prosessen vil være et olefin - propen. Fortsetter å vurdere de fysiske egenskapene til alkener, la oss dvele ved hovedprosessen for å produsere olefiner - pyrolyse.
Industriell produksjon av umettede hydrokarboner av etylenserien
Billige råvarer - gasser dannet under krakking av olje, tjener som en kilde for produksjon av olefiner i den kjemiske industrien. For dette formål brukes et teknologisk pyrolyseskjema - spaltning av en gassblanding, som skjer med brudd på karbonbindinger og dannelse av etylen, propen og andre alkener. Pyrolyse utføres i spesielle ovner som består av individuelle pyrolysespoler. De skaper en temperatur på ca. 750-1150°C og inneholder vanndamp som fortynningsmiddel. Reaksjoner skjer via en kjedemekanisme med dannelse av mellomradikaler. Sluttproduktet er etylen eller propen, de produseres i store volumer.
Vi har studert i detalj de fysiske egenskapene, samt bruksområdene og metodene for å produsere alkener.