О чём этот урок

В алканах, которые мы разобрали в прошлом уроке, все связи одинарные, и молекула вела себя довольно вяло. Стоит убрать из цепи два атома водорода и «стянуть» освободившиеся валентности в двойную связь между соседними атомами углерода — и поведение вещества меняется кардинально: оно становится намного реакционноспособнее. Это и есть алкены — первый класс, на котором мы увидим, как кратная связь превращается в удобную «точку атаки» для реагентов.

Прежде чем начать

Пригодится материал из предыдущих уроков курса:

• гибридизация sp² и понятие π-связи как более слабой и доступной, чем σ-связь (урок 3);
• общая формула ряда и явление межклассовой изомерии (урок 6);
• химическое поведение алканов как образец «низкой активности», с которым мы теперь будем сравнивать алкены (урок 7);
• условие возникновения цис-транс-изомерии, о котором мы говорили на уровне идеи в уроке 6.

Разбираемся с нуля

Что такое алкены

Алкены — непредельные углеводороды, в молекуле которых ровно одна двойная связь $C=C$ между соседними атомами углерода. Общая формула ряда — $C_nH_{2n}$: по сравнению с алканом того же числа атомов углерода не хватает двух атомов водорода — их место и заняла вторая связь.

Важно: формула $C_nH_{2n}$ уже встречалась вам в уроке 7 — это формула циклоалканов. Совпадение общих формул означает, что алкен и циклоалкан с одинаковым числом атомов углерода — изомеры разных классов (межклассовая изомерия, урок 6). Например, состав $C_4H_8$ описывает и бутен, и метилциклопропан.

Строение двойной связи: sp² и π-связь

Каждый из двух атомов углерода при двойной связи находится в состоянии sp²-гибридизации (урок 3): три гибридные орбитали образуют три σ-связи, лежащие в одной плоскости под углом около 120° друг к другу, а негибридизованная p-орбиталь каждого атома перекрывается с такой же орбиталью соседнего атома, образуя π-связь.

Получается, что двойная связь — это не «удвоенная одинарная», а сочетание σ- и π-связи разной природы: σ-связь прочная и осевая, а π-связь заметно слабее и образована электронным облаком над и под плоскостью молекулы. Из-за π-связи свободное вращение вокруг оси $C=C$ невозможно — атомы жёстко зафиксированы в одной плоскости. Именно эта жёсткость и открывает дорогу к цис-транс-изомерии, о которой пойдёт речь ниже.

Номенклатура алкенов

Название алкена образуется от соответствующего корня (урок 5) с суффиксом -ен, а положение двойной связи указывается номером атома, с которого она начинается: главную цепь нумеруют так, чтобы двойная связь получила наименьший возможный номер. Например, $CH_2=CH-CH_2-CH_3$ — бутен-1 (связь начинается у первого атома), а $CH_3-CH=CH-CH_3$ — бутен-2.

Цис-транс-изомерия у алкенов: применяем условие из урока 6

Напомним условие из урока 6: цис-транс-изомерия возможна, если у каждого из двух атомов при двойной связи — два разных заместителя.

Проверим на конкретном примере — бутен-2, $CH_3-CH=CH-CH_3$. У левого атома двойной связи заместители — метильная группа и водород (разные), у правого — тоже метильная группа и водород (разные). Условие выполнено дважды, значит, возможны два пространственных изомера:

• цис-бутен-2 — обе метильные группы расположены по одну сторону от двойной связи;
• транс-бутен-2 — метильные группы находятся по разные стороны.

А для бутена-1, $CH_2=CH-CH_2-CH_3$, у одного из атомов двойной связи оба заместителя — атомы водорода (одинаковые), поэтому цис-транс-изомерия для него невозможна.

Химические свойства: реакции присоединения

Раз π-связь слабее σ-связи и её электронная плотность «размазана» над плоскостью молекулы, она — самое уязвимое место алкена. Большинство реагентов атакуют именно π-связь, разрывая её и присоединяясь по месту разрыва к обоим атомам углерода. Такой тип реакций называют присоединением, и это прямая противоположность характерной реакции алканов — замещению (урок 7): у алкенов атомы не заменяются, а добавляются.

Гидрирование

Присоединение водорода в присутствии катализатора превращает алкен обратно в алкан:

$$CH_2=CH_2 + H_2 \xrightarrow{\;\text{кат.}\;} CH_3-CH_3$$

Галогенирование

Присоединение галогена (например, брома) идёт уже без катализатора, при обычных условиях:

$$CH_2=CH_2 + Br_2 \to CH_2Br-CH_2Br$$

Гидрогалогенирование и правило Марковникова

При присоединении галогеноводорода ($HBr$, $HCl$) к несимметричному алкену возникает вопрос: к какому из двух атомов углерода пойдёт водород, а к какому — галоген? Ответ даёт правило Марковникова: атом водорода присоединяется к тому атому углерода двойной связи, у которого уже больше атомов водорода, а галоген — к более «бедному» водородом атому.

Можно запомнить это на пальцах как принцип «богатый становится богаче»: атом углерода, у которого и так больше водорода, получает ещё один атом водорода. Например, для пропена $CH_2=CH-CH_3$ крайний атом углерода двойной связи ($=CH_2$) богаче водородом, чем средний, поэтому именно он получает дополнительный водород, а бром идёт на средний атом:

$$CH_2=CH-CH_3 + HBr \to CH_3-CHBr-CH_3$$

Гидратация

Присоединение воды (в кислой среде, как катализатора) идёт по тому же правилу Марковникова и даёт спирт — с этим классом мы подробно познакомимся в уроке 13:

$$CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow{\;H^+\;} CH_3-CH_2-OH$$

Качественные реакции на двойную связь

Как отличить алкен от алкана на практике, не проводя структурный анализ? Есть два наглядных теста, основанных на реакциях присоединения:

• Обесцвечивание бромной воды — жёлто-оранжевый раствор брома в воде мгновенно обесцвечивается при взаимодействии с алкеном (бром присоединяется по двойной связи), тогда как с алканом при обычных условиях реакция не идёт.
• Обесцвечивание раствора перманганата калия — фиолетовый раствор $KMnO_4$ также обесцвечивается в присутствии алкена (двойная связь окисляется), алканы на такой раствор не действуют.

Важно: оба теста работают именно потому, что у алкена есть уязвимая π-связь, а у алкана — нет. Это самый простой лабораторный способ различить два класса, который мы уже разобрали.

Полимеризация

Есть ещё одна реакция присоединения, но особенная: молекулы алкена могут присоединяться друг к другу тысячами, раскрывая свои π-связи и выстраиваясь в длинную цепь:

$$nCH_2=CH_2 \to (-CH_2-CH_2-)_n$$

Такой процесс называют полимеризацией, исходную молекулу ($CH_2=CH_2$) — мономером, а продукт — полимером (в данном случае это полиэтилен). Мы подробно вернёмся к полимеризации и полимерам в уроке 22, когда будем говорить о пластмассах и волокнах, — а пока важно запомнить сам принцип: там, где есть кратная связь, способная раскрыться, возможна полимеризация.

Практическое значение этилена

Этилен $CH_2=CH_2$ — самый простой алкен и одновременно одно из самых массово производимых органических веществ в мире. Помимо превращения в полиэтилен, этилен используют как сырьё для получения этанола (гидратацией), уксусной кислоты и множества других продуктов, а в природе он выступает растительным гормоном, ускоряющим созревание плодов.

Примеры и разбор

Пример 1. Возможна ли цис-транс-изомерия?

Задача: Проверьте, возможна ли цис-транс-изомерия для пропена $CH_2=CH-CH_3$ и для пентена-2 $CH_3-CH=CH-CH_2-CH_3$.

Разбор: У пропена один из атомов двойной связи (крайний, $=CH_2$) несёт сразу два атома водорода — заместители одинаковые, условие не выполнено, изомерии нет. У пентена-2 у левого атома двойной связи заместители — метильная группа и водород (разные), у правого — этильная группа и водород (тоже разные). Условие выполнено для обоих атомов, значит, изомерия возможна.

Вывод: для пропена цис-транс-изомеров не существует, а для пентена-2 существуют цис- и транс-формы.

Пример 2. Применяем правило Марковникова

Задача: Определите основной продукт присоединения $HCl$ к бутену-1 $CH_2=CH-CH_2-CH_3$.

Разбор: У крайнего атома двойной связи ($=CH_2$) — два атома водорода, у соседнего — только один. Крайний атом «богаче» водородом, значит, по правилу Марковникова именно он получает дополнительный атом водорода, а хлор присоединяется ко второму атому:

$$CH_2=CH-CH_2-CH_3 + HCl \to CH_3-CHCl-CH_2-CH_3$$

Вывод: хлор оказывается у второго атома углерода цепи, а не у первого — это прямое следствие правила Марковникова.

Пример 3. Как различить пропан и пропен

Задача: Есть два газа без цвета и запаха — пропан и пропен. Как различить их одной пробиркой с реактивом?

Разбор: Достаточно пропустить оба газа через бромную воду. Пропен обесцветит раствор брома за счёт присоединения по двойной связи, а пропан (у него нет кратной связи и, соответственно, нет реакции присоединения при обычных условиях) не изменит цвет раствора.

Вывод: обесцвечивание бромной воды — простой и надёжный качественный тест на присутствие двойной связи.

Проверьте себя

1. Почему общая формула алкенов $C_nH_{2n}$ совпадает с формулой циклоалканов — что это означает с точки зрения изомерии?
2. Опишите, как устроена двойная связь на уровне гибридизации и типов связей.
3. Сформулируйте правило Марковникова своими словами и примените его к присоединению $HBr$ к бутену-1.
4. Какие две качественные реакции позволяют отличить алкен от алкана? Что общего у механизма этих реакций?
5. Зачем нужно понятие «мономер» и «полимер»? Приведите пример мономера и продукта его полимеризации.
6. Почему у бутена-2 возможна цис-транс-изомерия, а у бутена-1 — нет?
7. Какие практические применения этилена вы можете назвать?

Коротко о главном

• Алкены — непредельные углеводороды с одной двойной связью, общая формула $C_nH_{2n}$ (совпадает с циклоалканами — межклассовая изомерия).
• Атомы при двойной связи — sp²-гибридизованы, связь состоит из прочной σ-связи и более слабой π-связи; вращение вокруг $C=C$ невозможно.
• Название образуется суффиксом -ен с указанием номера атома, от которого начинается двойная связь.
• Цис-транс-изомерия возможна, если у каждого атома двойной связи — два разных заместителя.
• Характерная реакция — присоединение: гидрирование, галогенирование, гидрогалогенирование (по правилу Марковникова), гидратация.
• Обесцвечивание бромной воды и раствора $KMnO_4$ — качественные реакции, отличающие алкены от алканов.
• Полимеризация превращает множество молекул алкена в длинную полимерную цепь — основа будущего урока о пластмассах (урок 22).
• Этилен — важнейшее сырьё химической промышленности и природный растительный гормон.

Куда дальше

Мы разобрали углеводород с одной двойной связью. А что, если двойных связей в молекуле не одна, а две? Оказывается, их взаимное расположение сильно влияет на свойства — с этого мы и начнём следующий урок, который приведёт нас к химии каучука.

➡ Урок 9: Алкадиены: сопряжённые связи и природа каучука