Алкены: формула, номенклатура, свойства и получение

Строение двойной связи

Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp²-гибридизации. Три гибридные орбитали лежат в одной плоскости под углом 120° и образуют σ-связи. Негибридные p-орбитали соседних атомов перекрываются над и под этой плоскостью — так возникает π-связь. Двойная связь C=C короче одинарной (0,134 нм против 0,154 нм) и прочнее её в целом, но сама π-связь слабее σ-связи и рвётся первой. Поэтому алкены гораздо активнее алканов.

Два атома углерода при двойной связи и четыре связанных с ними атома лежат в одной плоскости. Вращение вокруг двойной связи невозможно без разрыва π-связи — отсюда особый вид изомерии, цис-транс-изомерия.

Гомологический ряд алкенов

Название ИЮПАК	Тривиальное	Формула	Строение	Состояние при н. у.
этен	этилен	C₂H₄	CH₂=CH₂	газ
пропен	пропилен	C₃H₆	CH₂=CH–CH₃	газ
бутен-1	—	C₄H₈	CH₂=CH–CH₂–CH₃	газ
пентен-1	—	C₅H₁₀	CH₂=CH–(CH₂)₂–CH₃	жидкость
гексен-1	—	C₆H₁₂	CH₂=CH–(CH₂)₃–CH₃	жидкость
гептен-1	—	C₇H₁₄	CH₂=CH–(CH₂)₄–CH₃	жидкость
октен-1	—	C₈H₁₆	CH₂=CH–(CH₂)₅–CH₃	жидкость

Гомологическая разность та же, что у алканов, — CH₂. Алкены C₂–C₄ — газы, от C₅ до C₁₇ — жидкости, высшие — твёрдые вещества. Как и алканы, они не растворяются в воде и легче её. Этилен — бесцветный газ со слабым сладковатым запахом, чуть легче воздуха: его молярная масса 28 г/моль, а средняя молярная масса воздуха — 29 г/моль. Общую формулу CₙH₂ₙ имеют и циклоалканы — это межклассовые изомеры алкенов.

Номенклатура и изомерия алкенов

По номенклатуре ИЮПАК название алкена получают из названия алкана с тем же числом атомов углерода, заменяя суффикс -ан на -ен. Главная цепь обязательно включает двойную связь и нумеруется с того конца, к которому связь ближе. Номер первого атома при двойной связи ставят после названия (бутен-2) или перед суффиксом (бут-2-ен). Заместители называют так же, как у алканов: CH₂=C(CH₃)–CH₃ — 2-метилпропен.

Виды изомерии алкенов:

углеродного скелета: бутен-1 CH₂=CH–CH₂–CH₃ и 2-метилпропен CH₂=C(CH₃)–CH₃;
положения двойной связи: бутен-1 и бутен-2 CH₃–CH=CH–CH₃;
межклассовая: бутены и циклобутан, метилциклопропан — все они C₄H₈;
пространственная (цис-транс, геометрическая): у бутена-2 метильные группы могут располагаться по одну сторону двойной связи (цис-бутен-2) или по разные стороны (транс-бутен-2).

Цис-транс-изомерия возможна, только если у каждого из двух атомов углерода при двойной связи — два разных заместителя. Поэтому у этилена, пропена, бутена-1 и 2-метилпропена цис- и транс-изомеров нет. Цис- и транс-изомеры — разные вещества с разными температурами плавления и кипения.

Химические свойства алкенов

Главный тип реакций алкенов — присоединение по двойной связи: π-связь разрывается, и к освободившимся валентностям атомов углерода присоединяются атомы или группы атомов.

Гидрирование

Водород присоединяется при нагревании на никелевом или платиновом катализаторе, продукт — алкан: C₂H₄ + H₂ → C₂H₆ t°, кат. Ni.

Галогенирование

Хлор и бром присоединяются уже при комнатной температуре, образуя дигалогеналканы: C₂H₄ + Br₂ → C₂H₄Br₂ — получается 1,2-дибромэтан C₂H₄Br₂. Если пропустить алкен через бромную воду, её жёлто-бурая окраска исчезнет — это качественная реакция на двойную связь. С пропеном образуется 1,2-дибромпропан: C₃H₆ + Br₂ → C₃H₆Br₂.

Гидрогалогенирование и правило Марковникова

Этилен присоединяет хлороводород с образованием хлорэтана: C₂H₄ + HCl → C₂H₅Cl. У несимметричных алкенов продукт определяет правило Марковникова: водород присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода при двойной связи (у которого больше атомов водорода), а галоген — к менее гидрогенизированному:

CH₂=CH–CH₃ + HBr → CH₃–CHBr–CH₃ — основной продукт 2-бромпропан, а не 1-бромпропан. В молекулярном виде: C₃H₆ + HBr → C₃H₇Br.

Гидратация

Воду алкены присоединяют при нагревании и давлении в присутствии кислотного катализатора; так в промышленности получают этанол: C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH t°, p, кат. H₃PO₄. По правилу Марковникова из пропена образуется пропанол-2 CH₃–CH(OH)–CH₃.

Окисление раствором KMnO₄

Водный раствор перманганата калия KMnO₄ окисляет алкены на холоду (реакция Вагнера): фиолетовая окраска исчезает, выпадает бурый осадок оксида марганца(IV), а из этилена получается двухатомный спирт этиленгликоль C₂H₄(OH)₂:

3C₂H₄ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3C₂H₄(OH)₂ + 2MnO₂↓ + 2KOH

Это вторая качественная реакция на кратную связь: алканы с перманганатом не реагируют. При нагревании в кислой среде окисление идёт глубже, с разрывом углеродной цепи по месту двойной связи.

Горение

Алкены горят светящимся, слегка коптящим пламенем: массовая доля углерода в них больше, чем в алканах. C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O, 2C₃H₆ + 9O₂ → 6CO₂ + 6H₂O.

Полимеризация

При раскрытии двойных связей молекулы алкена соединяются друг с другом в длинную цепь — полимер. Из этилена получают полиэтилен, из пропилена — полипропилен:

nCH₂=CH₂ → (-CH₂-CH₂-)ₙ t°, p, кат.
nCH₂=CH–CH₃ → (-CH₂-CH(CH₃)-)ₙ кат.

Реакции этилена и пропилена

Получение алкенов

В лаборатории

Дегидратация спиртов — нагревание спирта с концентрированной серной кислотой выше 140 °C: C₂H₅OH → C₂H₄↑ + H₂O H₂SO₄ (конц.), t° > 140 °C. При более мягком нагревании из двух молекул спирта образуется простой эфир, поэтому условия важно не путать. Из несимметричных спиртов водород отщепляется преимущественно от соседнего, менее гидрогенизированного атома углерода (правило Зайцева): бутанол-2 даёт главным образом бутен-2.
Дегидрогалогенирование — действие спиртового раствора щёлочи на галогеналкан: C₂H₅Cl + KOH → C₂H₄↑ + KCl + H₂O t°, спиртовой р-р.
Дегалогенирование дигалогеналканов цинком: C₂H₄Br₂ + Zn → C₂H₄ + ZnBr₂ t°.
Частичное гидрирование алкинов: C₂H₂ + H₂ → C₂H₄ t°, кат..

В промышленности

Этилен и пропилен получают крекингом и пиролизом нефтепродуктов, а также дегидрированием алканов на катализаторе:

C₃H₈ → C₃H₆ + H₂ t°, кат. Cr₂O₃
C₄H₁₀ → C₄H₈ + H₂ t°, кат.

Как алканы превращаются в алкены при крекинге, показано на странице алканы.

Применение алкенов

Полиэтилен и полипропилен — плёнки, трубы, тара, детали машин и бытовые изделия.
Из этилена получают этанол (гидратацией) и этиленгликоль — основу антифризов (через оксид этилена).
Этилен — растительный гормон: он ускоряет созревание плодов, поэтому его применяют в камерах для дозревания фруктов.
Галогенпроизводные алкенов — растворители и сырьё для синтеза других веществ и полимеров.

Место алкенов в системе классов и их связь со спиртами, альдегидами и кислотами показаны в разделе органическая химия.

Типичные ошибки по теме «Алкены»

Путать общие формулы: CₙH₂ₙ — алкены и циклоалканы, CₙH₂ₙ₊₂ — алканы, CₙH₂ₙ₋₂ — алкины и алкадиены.
Забывать правило Марковникова: при присоединении HBr к пропену основной продукт — 2-бромпропан.
Искать цис-транс-изомеры у бутена-1. Их нет: у крайнего атома при двойной связи два одинаковых заместителя — атомы водорода.
Писать, что этилен с бромной водой даёт осадок. Признак реакции — обесцвечивание раствора, осадка нет; осадок MnO₂ появляется в реакции с перманганатом.
Путать условия реакции галогеналкана со щёлочью: спиртовой раствор даёт алкен, а водный — спирт, C₂H₅Cl + NaOH → C₂H₅OH + NaCl t°, водный р-р.

Частые вопросы

Какая общая формула алкенов?

CₙH₂ₙ, где n ≥ 2. Такую же общую формулу имеют циклоалканы — это межклассовые изомеры алкенов.

Как получить алкены в лаборатории?

Чаще всего — дегидратацией спиртов: нагреванием спирта с концентрированной серной кислотой выше 140 °C. Также используют действие спиртового раствора щёлочи на галогеналканы.

Что такое правило Марковникова?

При присоединении галогеноводорода или воды к несимметричному алкену водород присоединяется к атому углерода при двойной связи, у которого больше атомов водорода. Поэтому пропен с HBr даёт 2-бромпропан.

Какая качественная реакция на алкены?

Обесцвечивание бромной воды, а также обесцвечивание раствора перманганата калия с выпадением бурого осадка MnO₂.

У каких алкенов есть цис-транс-изомеры?

У тех, где каждый из двух атомов углерода при двойной связи связан с двумя разными заместителями, например у бутена-2. У этилена, пропена и бутена-1 цис-транс-изомеров нет.