Гомологический ряд алкенов: строение, свойства и применение

Алкены представляют собой один из важнейших классов органических соединений. В данной статье речь пойдет об их строении, многообразных химических свойствах и широком использовании в промышленности.

Строение и изомерия алкенов

Алкены - это ациклические непредельные углеводороды с одной двойной связью между атомами углерода. Они образуют гомологический ряд алкенов с общей формулой CnH2n.

Гомологический ряд алкенов включает множество представителей с разным числом атомов углерода в молекуле. Уже начиная с бутена появляются изомеры, отличающиеся положением кратной связи и строением углеродной цепи.

Согласно теории гибридизации, двойная связь в алкенах образуется за счет перекрывания sp²-гибридизованных атомных орбиталей углерода. Так, в молекуле этилена происходит перекрытие двух σ-связей и π-связи между p-орбиталями:

Все атомы этилена лежат в одной плоскости, угол связи C-H близок к 120°, а длина двойной связи С=С меньше, чем в обычной одинарной связи.

Химические свойства алкенов

Алкены проявляют большое разнообразие химических свойств, вступая в реакции присоединения, окисления, полимеризации.

Реакции электрофильного присоединения

Наиболее характерны для алкенов реакции присоединения по кратной связи с участием электрофильных частиц. Пример - галогенирование хлором или бромом в неполярных растворителях:

При этом наблюдается правило Марковникова - присоединение идет по наименее гидрогенизированному атому углерода.

Аналогично протекают реакции гидрогалогенирования и гидратации алкенов в присутствии кислотных катализаторов. Образуются галогеналканы и спирты:

Открытая Г. Брауном реакция гидроборирования является примером стереоселективного син-присоединения с образованием цис-аддуктов:

За изучение этой реакции Браун был удостоен Нобелевской премии по химии.

Радикальные реакции

Алкены могут вступать в реакции по радикальному механизму. Так происходит их хлорирование или бромирование без инициаторов, а также присоединение алканов при высокой температуре:

В этих условиях присоединение идет к наименее замещенному атому углерода двойной связи.

Реакции окисления

При окислении алкенов могут разрываться связи в молекуле. Так, гомологический ряд алкенов под действием KMnO 4 или осмия переходит в диолы, а этен окисляется до ацетальдегида на солях палладия.

Полимеризация

Гомологический ряд алкенов способен к полимеризации с образованием полиэтилена, полипропилена, синтетических каучуков. Этот процесс может идти как по радикальному, так и ионному механизму с использованием катализаторов.

Циклоприсоединение и метатезис

Характерные реакции алкенов - циклоприсоединение с образованием производных циклопропана и метатезис или обмен фрагментами между молекулами:

Это одна из важнейших современных реакций в органическом синтезе, за открытие которой была присуждена Нобелевская премия.

Методы синтеза алкенов

В промышленном масштабе алкены получают путем крекинга или дегидратации спиртов. В лаборатории используют реакции элиминирования из галоген- или аминопроизводных.

Дегидрогалогенирование

Один из распространенных методов лабораторного синтеза алкенов - дегидрогалогенирование галогеналканов. Оно заключается в отщеплении галогеноводорода под действием щелочей с образованием алкенов:

При этом наблюдается правило Зайцева - отщепление идет от наименее замещенного атома углерода.

Синтез по Виттигу

Еще один популярный метод синтеза алкенов - реакция Виттига, заключающаяся во взаимодействии карбонильных соединений с фосфорорганическими реагентами:

Эта реакция обладает высокой стереоселективностью и позволяет получать как цис-, так и транс-изомеры алкенов.

Реакция Чугаева

По методу Чугаева алкены синтезируют дегидросульфуризацией соответствующих ксантогенатов действием щелочей:

Этот подход также широко используется в лабораторной практике.

Применение алкенов

Алкены и продукты их переработки играют огромную роль в химической промышленности.

Этилен и полиэтилен

Основное количество производимого в мире этилена расходуется на синтез его полимера - полиэтилена. Также этилен является сырьем для получения винилхлорида, этиленгликоля и других соединений в огромных масштабах.

Пропилен и полипропилен

Бо́льшая часть пропилена используется в производстве полипропилена. Кроме того, из него получают акрилонитрил, кумол, изопропиловый спирт и другие важные продукты.

Бутилены

Бутилен-1 широко применяют для синтеза бутадиена, а также пластмасс и синтетических каучуков. Изобутилен используют в производстве изопрена и бутилкаучука.

Высшие алкены

Алкены с длинной углеродной цепью С10-С18 находят широкое применение при синтезе поверхностно-активных веществ, пластификаторов, масел.