Алкены — углеводороды с двойной связью

Задачи на присоединение к несимметричным алкенам встречаются и в цепочках превращений, и в расчётах. Сначала нужно понять, какой атом углерода получит водород, а какой — галоген, и только потом считать.

Задача 1. Вычисли массу основного продукта, который образуется при взаимодействии 8,4 г пропена с избытком хлороводорода. Назови продукт.

1. По правилу Марковникова водород присоединяется к крайнему атому CH₂, где водорода больше, а хлор — к среднему: CH₂=CH–CH₃ + HCl → CH₃–CHCl–CH₃.

2. M(C₃H₆) = 3 · 12 + 6 · 1 = 42 г/моль, n = 8,4 / 42 = 0,2 моль.

3. M(C₃H₇Cl) = 3 · 12 + 7 · 1 + 35,5 = 78,5 г/моль.

4. m = 0,2 · 78,5 = 15,7 г.

Ответ: 15,7 г 2-хлорпропана.

Правило, которым решена задача, Владимир Васильевич Марковников сформулировал в 1869 году: при присоединении галогеноводорода к несимметричному алкену водород идёт к более гидрогенизированному атому углерода. Школьное объяснение короткое. Первым к двойной связи подходит ион H⁺, положительный заряд остаётся на среднем атоме, где он устойчивее, и туда же потом присоединяется Cl⁻.

Двойная связь состоит из σ-связи и π-связи

Общая формула алкенов C_nH_2n, простейший представитель — этилен CH₂=CH₂ с молярной массой 28 г/моль. Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp²-гибридизации: три σ-связи лежат в одной плоскости под углом 120°, а негибридная p-орбиталь образует π-связь над и под этой плоскостью.

Из двух связей π-связь слабее, и в реакциях рвётся именно она. Отсюда типичные для алкенов реакции присоединения. Отсюда же цис-транс-изомерия бутена-2: вокруг двойной связи молекула не вращается.

Алкены вступают в реакции присоединения по двойной связи

• гидрирование: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃ (t, Ni);

• бромирование: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br;

• гидрогалогенирование: CH₂=CH₂ + HCl → CH₃–CH₂Cl;

• гидратация: CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃–CH₂–OH (t, p, H₃PO₄);

• полимеризация: nCH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)_n (t, p, катализатор).

Бромная вода с алкенами обесцвечивается сразу, без нагревания и без света. Полиэтилен высокого давления впервые получили в 1933 году в лаборатории британской компании ICI, и сегодня это самый привычный пластик вокруг: пакеты, плёнка, канистры.

Перманганат калия окисляет алкены до двухатомных спиртов

Вторая качественная реакция на двойную связь — обесцвечивание раствора KMnO₄. В нейтральной среде этилен превращается в этиленгликоль, а фиолетовый раствор теряет окраску и мутнеет от бурого осадка MnO₂: 3CH₂=CH₂ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3HO–CH₂–CH₂–OH + 2MnO₂ + 2KOH.

Горят алкены светящимся пламенем, ярче метана: C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O.

Этилен получают отщеплением воды от спирта или галогеноводорода от галогеналкана

В лаборатории этилен получают из этанола. При нагревании с концентрированной серной кислотой выше 140 °C спирт теряет воду: C₂H₅OH → CH₂=CH₂ + H₂O (H₂SO₄ конц., t > 140 °C). Ниже этой температуры образуется диэтиловый эфир, и на контрольной это частая ловушка.

Галогеналкан превращают в алкен спиртовым раствором щёлочи: CH₃–CH₂Cl + KOH → CH₂=CH₂ + KCl + H₂O (спирт, t). Если отщепление может пойти в две стороны, водород уходит от того соседнего атома углерода, где водорода меньше. Это правило Зайцева, сформулированное в 1875 году, и по нему из бутанола-2 получается в основном бутен-2.

Чаще всего ошибаются в продукте присоединения к пропену

Классическая ошибка — присоединить бромоводород к пропену «против» правила 1869 года. Остальные три тоже стоят баллов, хотя ошибка в них выглядит мелкой.

• ❌ CH₂=CH–CH₃ + HBr → CH₂Br–CH₂–CH₃ → ✅ основной продукт CH₃–CHBr–CH₃, 2-бромпропан.

• ❌ у бутена-1 есть цис-транс-изомеры → ✅ они есть только у бутена-2, а у первого атома бутена-1 два одинаковых атома водорода.

• ❌ этилен от этана отличают по продуктам горения → ✅ продукты у обоих одни и те же, CO₂ и H₂O; различают по бромной воде или раствору KMnO₄, которые обесцвечивает только этилен.

• ❌ в этилене атомы углерода в состоянии sp³ → ✅ sp², угол между связями 120°.

Формулу алкена находят по объёму присоединённого водорода

Задача 2. Алкен массой 7 г присоединяет 2,24 л водорода (н. у.). Выведи его формулу и составь структурную формулу неразветвлённого алкена этого состава, гидратация которого по правилу Марковникова даёт преимущественно пентанол-2.

1. n(H₂) = 2,24 / 22,4 = 0,1 моль, алкен реагирует с водородом один к одному, его тоже 0,1 моль.

2. M = 7 / 0,1 = 70 г/моль.

3. Для C_nH_2n молярная масса 14n = 70, отсюда n = 5, формула C₅H₁₀.

4. Двойная связь должна стоять у первого атома: CH₂=CH–CH₂–CH₂–CH₃ + H₂O → CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₂–CH₃ (H⁺, t). По Марковникову водород уходит к CH₂, группа –OH — ко второму атому.

5. Пентен-2 не подходит: при гидратации он дал бы смесь пентанола-2 и пентанола-3.

Ответ: C₅H₁₀, пентен-1 CH₂=CH–CH₂–CH₂–CH₃.

Задача 3. Составь уравнения реакций по схеме хлорэтан → этилен → этанол → этилен → полиэтилен. Укажи условия и тип каждой реакции.

1. CH₃–CH₂Cl + KOH → CH₂=CH₂ + KCl + H₂O (спирт, t).

2. CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃–CH₂–OH (t, p, H₃PO₄).

3. CH₃–CH₂–OH → CH₂=CH₂ + H₂O (H₂SO₄ конц., t > 140 °C).

4. nCH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)_n (t, p, катализатор).

Ответ: первая и третья реакции — отщепление, вторая — присоединение, четвёртая — полимеризация.