Алкены: определение, свойства, окисление

Алкены - удивительный класс органических соединений с уникальными химическими свойствами. Давайте разберемся, что это такое и почему реакции окисления алкенов так важны.

Что такое алкены и какова их структура

Алкены - это органические соединения, относящиеся к классу ненасыщенных углеводородов. Их отличительной особенностью является наличие в молекуле двойной связи между атомами углерода (С=С).

В отличие от одинарной связи С-С, имеющей только сигма-составляющую (σ-связь), двойная связь состоит из σ- и π-связей. При этом π-связь является менее прочной.

Именно более слабая π-связь в значительной степени определяет характерные химические свойства алкенов, в частности их высокую реакционную способность.

Типичным представителем алкенов является этилен (этен) СН₂=СН₂. В его молекуле только два атома углерода и четыре атома водорода.

Основные химические свойства алкенов

Химические свойства алкенов определяются наличием в их молекуле ненасыщенной двойной связи между атомами углерода.

Наиболее характерные реакции алкенов - это реакции присоединения по двойной углерод-углеродной связи. К ним относятся:

• присоединение водорода (гидрирование);
• присоединение галогенов (галогенирование);
• гидратация (присоединение молекул воды);
• полимеризация с образованием полимеров.

В результате этих реакций происходит разрыв π-связи двойной связи С=С и образование двух одинарных σ-связей С-С. То есть алкен преобразуется в насыщенное соединение.

Для несимметричных алкенов характерно протекание реакций присоединения с соблюдением правила Марковникова. Это означает, что присоединяющаяся частица (Н, Hal, Н2О) встраивается в связь С=С таким образом, чтобы была связана с наиболее гидрированным атомом углерода.

Напротив, реакции замещения для алкенов практически не характерны.

Таким образом, к основным свойствам алкенов относят:

1. высокую химическую активность за счет ненасыщенности;
2. способность к реакциям присоединения по кратным связям с разрывом π-связи;
3. реакционную способность, определяемую электронным строением молекул.

Жесткое окисление алкенов перманганатом калия

Одним из наиболее распространенных методов окисления алкенов является их обработка раствором перманганата калия KMnO₄. Это окислитель способен жестко окислять двойные связи в молекулах органических соединений.

При таком окислении происходит разрыв углеродной цепи в молекуле алкена. Конкретные продукты реакции зависят от того, где в молекуле находится двойная связь.

Окисление алкенов перманганатом калия в кислой среде

Если проводить реакцию окисления в кислой среде (добавляя серную кислоту), то продуктами чаще всего являются карбоновые кислоты или двуокись углерода (СО₂).

Например, при окислении симметричного алкена бутена-2 образуется уксусная кислота:

Для несимметричных алкенов в продуктах окисления появляются две разные кислоты.

Если двойная связь находится на конце цепи, то концевой атом углерода окисляется до СО₂.

Окисление в щелочной и нейтральной средах

При проведении окисления алкенов перманганатом калия в щелочной или нейтральной среде образуются соли органических кислот и карбонаты.

Это связано с тем, что исходные кислоты или СО₂ вступают в реакцию с гидроксид-ионами с образованием солей.

Кроме того, в нейтральной и щелочной средах ион марганца восстанавливается не до Mn²⁺, а до более высоких степеней окисления.

Мягкое окисление алкенов

Помимо жесткого, существует и мягкое окисление алкенов, при котором не происходит разрыва углеродной цепи.

Это достигается проведением реакции при низких температурах в присутствии перманганата калия. Происходит присоединение гидроксильных групп к атомам углерода при двойной связи.

Такая реакция носит название реакции Вагнера.

Механизм мягкого окисления алкенов

Механизм мягкого окисления алкенов заключается в том, что при низких температурах активность перманганата калия как окислителя снижается.

Он оказывается способен окислять лишь π-связи в молекулах алкенов, но не затрагивает σ-связи в углеродной цепочке.

Таким образом, в результате мягкого окисления происходит присоединение групп ОН к атомам углерода по обе стороны от двойной связи, но цепь не разрывается.

Продукты мягкого окисления алкенов

В случае симметричных алкенов, таких как этилен, продуктом мягкого окисления является этиленгликоль – представитель класса двухатомных спиртов.

Для несимметричных алкенов продуктами реакции будут являться разные спирты, число которых определяется структурой исходного вещества.

Преимущества мягкого окисления

Главным преимуществом мягкого окисления алкенов является возможность направленного синтеза целевых соединений без разрыва углеродной цепи.

Это позволяет получать сложные органические вещества, востребованные в различных отраслях промышленности и научных исследованиях.

Окисление циклических алкенов

Отдельного рассмотрения заслуживает окисление циклоалкенов – алкенов с замкнутой в цикл углеродной цепью.

Характерной реакцией является окисление циклогексена до дикарбоновой адипиновой кислоты.

При этом происходит разрыв цикла и образование двух карбоксильных групп.

Каталитическое окисление алкенов

Перспективным направлением является каталитическое окисление с использованием комплексов переходных металлов.

Оно позволяет проводить реакции в мягких условиях с высокой селективностью.

В результате могут быть получены карбонильные соединения, эпоксиды, диолы и другие ценные органические продукты.

Металлоорганические катализаторы для окисления алкенов

В качестве катализаторов для окисления алкенов часто используются металлоорганические соединения на основе переходных металлов, таких как марганец, железо, кобальт, медь и другие.

Комплексообразование металла с органическими лигандами приводит к существенному изменению его каталитических свойств.

Преимущества металлокомплексных катализаторов

Использование таких каталитических систем дает ряд преимуществ:

• возможность проведения реакции в мягких условиях;
• высокая селективность процесса;
• широкий спектр продуктов окисления.

Механизм действия металлокомплексных катализаторов

Действие комплексов металлов основано на их способности к окислительно-восстановительным превращениям с переходом иона металла из одной степени окисления в другую.

На разных стадиях цикла к иону металла присоединяются молекулы окисляемого вещества и окислителя.

Окисление природных и синтетических каучуков

Реакции окисления широко используются для модификации природных и синтетических каучуков, содержащих двойные связи.

Это позволяет улучшить эксплуатационные свойства материалов на основе каучуков.

Защита от термоокислительной деструкции

Также окисление применяют для введения в полимеры ингибиторов - веществ, защищающих от разрушения под действием кислорода и тепла.

Это актуально при производстве резин, применяемых при высоких температурах.