Алкены и алкадиены: реакции присоединения

Алкены и алкадиены называют непредельными углеводородами, потому что в их молекулах есть кратные связи между атомами углерода. Именно эти связи определяют главную особенность класса: вещества легко присоединяют другие атомы или группы атомов. По тому, как реагирует двойная связь, объясняют обесцвечивание бромной воды, получение спиртов из алкенов, синтез полимеров и многие превращения в задачах школьной органической химии. Важно не только запомнить набор уравнений, но и понимать, что происходит с формулой исходного вещества.

Непредельные углеводороды

Алкены содержат одну двойную связь C=C. Их первые представители: этен, или этилен, CH₂=CH₂; пропен CH₃-CH=CH₂; бутен C₄H₈. В двойной связи одна связь прочнее, её называют σ-связью, а вторая, π-связь, легче разрывается при химическом воздействии. Поэтому алкены заметно активнее алканов, у которых между атомами углерода есть только одинарные связи.

Алкадиены содержат две двойные связи. Например, бута-1,3-диен имеет строение CH₂=CH-CH=CH₂, а изопрен, 2-метилбута-1,3-диен, CH₂=C(CH₃)-CH=CH₂. По взаимному расположению двойных связей различают кумулированные, сопряжённые и изолированные диены. В молекуле CH₂=C=CH₂ связи кумулированные, в бута-1,3-диене они разделены одной одинарной связью и сопряжены, а в пента-1,4-диене разделены двумя одинарными связями. Для школьных заданий особенно важны сопряжённые диены.

Кратные связи влияют и на состав. У этана C₂H₆, у этена C₂H₄: появление одной двойной связи уменьшило число атомов водорода на два. В бутадиене C₄H₆ две двойные связи, поэтому водорода на четыре атома меньше, чем в соответствующем алкане бутане C₄H₁₀. Эта проверка помогает быстро составлять формулы продуктов.

Почему идёт присоединение

В реакции присоединения π-связь разрывается, а σ-связь между атомами углерода сохраняется. Каждый из двух атомов углерода получает по одной свободной валентности. К ним и присоединяются новые частицы. Если к этену присоединяется молекула водорода H₂, один атом водорода связывается с первым атомом углерода, другой со вторым. Двойная связь превращается в одинарную, а этен становится этаном:

CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃.

Уравнение легко проверить по числу атомов: слева два углерода и шесть водородов, справа столько же. В отличие от реакции замещения, здесь ни один атом исходного углеводорода не уходит из молекулы. Состав продукта становится «более насыщенным», поскольку кратная связь исчезает или их становится меньше.

Основные реакции алкенов

Гидрирование представляет собой присоединение водорода. Обычно оно идёт при нагревании и в присутствии катализатора, например никеля. Пропен превращается в пропан: CH₃-CH=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₂-CH₃. В промышленности гидрирование используют, когда нужно уменьшить число двойных связей в органическом веществе.

Галогенирование означает присоединение молекулы галогена. Этен быстро реагирует с бромом: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br-CH₂Br. Окраска бромной воды исчезает, так как бурый бром расходуется в реакции. Это качественная реакция на двойную связь, хотя обесцвечивать бромную воду способны и некоторые другие восстановители. В формулировке задачи обычно уточняют, что исследуют именно непредельный углеводород.

Гидрогалогенирование идёт при присоединении галогеноводорода, например HCl или HBr. Для этена направление не вызывает вопросов: CH₂=CH₂ + HCl → CH₃-CH₂Cl. У несимметричного алкена образуются разные варианты продукта, и тогда используют правило Марковникова. В обычных условиях атом водорода присоединяется к тому атому углерода при двойной связи, у которого уже больше атомов водорода, а галоген оказывается у более замещённого атома углерода.

Так, при взаимодействии пропена с HBr главным продуктом будет 2-бромпропан: CH₃-CH=CH₂ + HBr → CH₃-CHBr-CH₃. У крайнего атома углерода в пропене два атома водорода, поэтому к нему присоединяется H, а Br связывается со средним атомом. Правило Марковникова не стоит применять механически: при радикальном присоединении HBr в присутствии пероксидов направление меняется. В стандартных школьных уравнениях это исключение указывают отдельно.

Гидратация это присоединение воды. В присутствии кислоты этен образует этанол: CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃-CH₂OH. Для пропена по правилу Марковникова получается преимущественно пропан-2-ол: CH₃-CH=CH₂ + H₂O → CH₃-CH(OH)-CH₃. Вода не всегда реагирует с алкеном сама по себе: для процесса нужны подходящие условия и кислотный катализатор.

Алкадиены и их особенности

Каждая двойная связь алкадиена способна вступать в реакцию присоединения. Поэтому к одной молекуле бутадиена теоретически могут присоединиться две молекулы брома или две молекулы водорода. При избытке брома уравнение имеет вид: CH₂=CH-CH=CH₂ + 2Br₂ → CH₂Br-CHBr-CHBr-CH₂Br. Полное гидрирование даёт бутан: CH₂=CH-CH=CH₂ + 2H₂ → CH₃-CH₂-CH₂-CH₃.

Сопряжённые диены реагируют сложнее изолированных, поскольку π-электроны двух двойных связей влияют друг на друга. При присоединении одного моля Br₂ к бута-1,3-диену могут образоваться два продукта. В продукте 1,2-присоединения бром связывается с первым и вторым атомами углерода: CH₂Br-CHBr-CH=CH₂. При 1,4-присоединении бром оказывается у первого и четвёртого атомов, а двойная связь перемещается в середину цепи: CH₂Br-CH=CH-CH₂Br. Какой вариант преобладает, зависит от условий реакции.

Самое важное свойство диенов связано с полимеризацией. Множество молекул с двойными связями соединяются в длинную цепь. Из бутадиена получают бутадиеновый каучук, из изопрена можно получить синтетический аналог природного каучука. Упрощённо образование полибутадиена записывают так: nCH₂=CH-CH=CH₂ → (-CH₂-CH=CH-CH₂-)_n. В цепи остаётся одна двойная связь на звено, поэтому каучук сохраняет способность к дальнейшим химическим превращениям, например к вулканизации серой.

Как решать задания на присоединение

Сначала найдите в структурной формуле все двойные связи. Для каждой из них определите, сколько молекул реагента может присоединиться. Одна связь C=C присоединяет один моль H₂, Br₂, HCl или H₂O. Если двойных связей две и реагент дан в избытке, расход обычно удваивается. Например, 1 моль C₄H₆ полностью присоединяет 2 моль Br₂.

Затем нарисуйте продукт так, чтобы двойная связь превратилась в одинарную. При присоединении симметричной молекулы H₂ или Br₂ вопроса о направлении нет. Когда присоединяются HCl, HBr или H₂O к несимметричному алкену, отметьте число атомов водорода у каждого атома углерода двойной связи и примените правило Марковникова, если в условии не указаны пероксиды или иной механизм.

Наконец, проверьте ответ по молекулярной формуле. Если к алкену C₅H₁₀ присоединилась HCl, продукт должен иметь формулу C₅H₁₁Cl. Если записанное вещество содержит другое число атомов, ошибка обычно находится в месте разрыва двойной связи или в распределении H и Cl. Такая проверка занимает несколько секунд и избавляет от большинства неточностей.

• Алкены и алкадиены вступают в присоединение по π-связям.
• Алкены присоединяют водород, галогены, галогеноводороды и воду.
• Для несимметричных алкенов в обычных условиях применяют правило Марковникова.
• Алкадиены могут присоединять две молекулы реагента и вступают в полимеризацию.