Alkeny.pdf

(365 KB) Pobierz
A L K E N Y
A L K E N Y
Węglowodory o wzorze sumarycznym C n H 2n mogą być alkenami , jeŜeli zawierają jedno
podwójne wiązanie C=C lub cykloalkanami . Alkeny zaliczane są do węglowodorów
nienasyconych, zaś cykloalkany do nasyconych. Węglowodory cykliczne teŜ mogą być
nienasycone, jeŜeli zawierają wiązania wielokrotne, np. te z jednym wiązaniem podwójnym mają
wzór sumaryczny C n H 2n-2 . Znane są równieŜ węglowodory i inne związki, w których jest więcej
niŜ jedno nienasycone podwójne wiązanie C=C ; noszą one nazwę polienów . Alkeny i polieny
występują często w naturze. Eten CH 2 =CH 2 jest hormonem roślinnym przyspieszającym
dojrzewanie owoców. Znane barwniki roślinne, np. rodzina karotenów , a pośród nich, np.
b
H
H
C C
H
H
eten izopren mircen limonen (+)-
-pinen
b
-karoten
likopen (g,g-karoten)
Rys.4.1. Przykłady naturalnych alkenów i polienów
W ropie naftowej alkeny i polieny występują w małych ilościach. DuŜo ich znajduje się w
produktach przeróbki ropy naftowej, pochodzących szczególnie z procesów
wysokotemperaturowych. Wiele z nich wytwarza się specjalnie w reakcjach krakingu .
Nomenklatura
Najpopularniejsze alkeny posiadają nazwy zwyczajowe, które moŜna uznać za nazwy
półsystematyczne, poniewaŜ są powszechnie stosowane, np. etylen ( CH 2 =CH 2 ), propylen
( CH 3 CH=CH 2 ), butylen , izobutylen czy izopren . Nazwy alkenów wg zasad IUPAC tworzy się
zamieniając końcówkę „ an ” w nazwie alkanu o takiej samie liczbie atomów węgla na końcówkę
en ”. W ten sposób otrzymujemy nazwy eten , propen , buten , itd. Najpopularniejsze nazwy
zwyczajowe, wymienione powyŜej jako od dawna zakorzenione są akceptowane przez UIPAC.
Jako lokant podwójnego wiązania przyjmuje się niŜszy numer atomu węgla w łańcuchu:
-
karoten – czerwonobrązowy – występujący, np. w marchwi czy likopen – czerwony – nadający
barwę pomidorom. Karoteny są prowitaminami witaminy A , a likopen ma silne działanie
przeciwnowotworowe. Terpeny (np. mircen, limonen , pineny ) jako oligomery izoprenu teŜ
naleŜą do nienasyconych związków, zaś kauczuk stanowiący typowy przykład naturalnego
polienu jest równieŜ polimerem izoprenu . Dawniej alkeny nazywano równieŜ olefinami .
a
48398098.011.png 48398098.012.png 48398098.013.png 48398098.014.png 48398098.001.png
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
5 4 3 2 1
CH 2 =CHCH 2 CH 2 CH 3 CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH=CH 2
pent-1-en pent-2-en teŜ pent-1-en
Dla węglowodorów zawierających 2 lub wi ę cej podwójnych wi ą za ń zamiast końcówki „ en
wprowadza się odpowiednio końcówkę „ adien ” (dla dwóch C=C ), „ atrien ”, itd., przy czym
lokanty wskazujące miejsce podwójnych wiązań w łańcuchu umieszcza się pomiędzy literę „ a ” i
resztą tej końcówki:
1 2 3 4 5 6 7
7 6 5 4 3 2 1
CH 2 =CHCH 2 CH=CHCH 2 CH 3 CH 3 CH=CHCH=CHCH=CH
hepta-1,4-dien hepta-1,3,5-trien
Zasada najni Ŝ szego zestawu lokantów
Atomy węgla w łańcuchu numeruje się w ten sposób, Ŝeby uzyskać najniŜszy zestaw lokantów,
tzn. taki, Ŝeby warto ś ci kolejnych lokantów w wzrastaj ą cym szeregu były najni Ŝ sze , np.
zestaw lokantów 2,3,6,8, jest niŜszy niŜ 3,4,6,8 lub 2,4,5,7.
W w ę glowodorach rozgał ę zionych lokalizuje się jako główny najdłuŜszy łańcuch węglowy
zawierający podwójne wiązanie:
11 10 9 8 7 6 5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C
C-C=C-C
C-C=C-C
4 3 2 1
5-( n -but-2-enylo)undek-2-en ła ń cuch główny
(lokanty dobrane prawidłowo) nieprawidłowo wybrany
W w ę glowodorach pier ś cieniowych numeracje atomów węgla zaczyna się od podwójnego
wiązania:
Et
3-etylocykloheksen 3,5-dimetylocykloheksen 3,5-dimetylocyklo-
hepta-1,3-dien
Reszta CH 2 =CH - nazywana jest winylen , a CH 2 =CH - CH 2 - allilem .
CH 2 =CH-CH-CH 2 -CH=CH-CH-CH 2 -CH=CH-CH 3
CH=CH 2
CH 2 -CH=CH 2
7-allilo-3-winyloundeka-1,5,9-trien
W alkenach jest moŜliwość występowania izomerii cis / trans ( Z / E ). W izomerze cis podstawniki
starsze usytuowane są po tej samej płaszczyźnie pierścienia, a w izomerze trans po przeciwnych
stronach:
48398098.002.png
H 3
C
CH 2 CH 3
H 3
C
H
C C
C C
H
H
H
CH 2 CH 3
cis -pent-2-en trans -pent-2-en
[ ( Z )-pent-2-en) ( E )-pent-2-en ]
Starszeństwo podstawników wyznacza się na takich samych zasadach jak przy ustalaniu
starszeństwa przy określeniu konfiguracji absolutnej.
2
2
1
1
Cl
H 3
C
CH 2 CH 2 CH 3
Br
C C
C C
CH 2 CH 2
Br
H
F
1
1
2
2
Et>Me
Br>Pr
Br>H
Cl>F
( Z )-4-bromohept-3-en ( Z )-2-bromo-1-chloro-1-fluoroeten
Wła ś ciwo ś ci fizyczne, fizykochemiczne i fizjologiczne alkenów
Temperatura wrzenia i topnienia
NiŜsze alkeny podobnie jak alkany o zbliŜonej masie cząsteczkowej są gazami, wyŜsze cieczami,
a te o wysokiej masie cząsteczkowej nie topnieją w temperaturze pokojowej. Wartości temperatur
wrzenia i topnienia monoenów i alkanów są zbliŜone, np.
Porównanie tw. i tt. alkenów z alkami i pomiędzy izomerami Tabela 4.1.
tw. o C
tt. o C
etan
-89
-183
eten
-104
-165
propan
-42
-188
propen
-48
-185
butan -0,5 -138
but-1-en -6,5 <-190
( Z )-but-2-en 3,7 139
( E )-but-2-en 1 -106
Pomiędzy izomerami róŜnice są wyraźnie, często znaczne.
b
-Karoten jest ciałem stałym, krystalicznym o tt. 183 o C.
Rozpuszczalno ść
Podobnie jak alkany, alkeny są hydrofobowe, nierozpuszczalne w wodzie, dobrze rozpuszczalne
w niepolarnych rozpuszczalnikach organicznych.
48398098.003.png
Palno ść
Są łatwopalne. Lotne alkeny tworzą mieszanki wybuchowe z powietrzem.
Zapach
Zapach alkenów jest znacznie bardziej intensywny niŜ alkanów, ostry, raczej nieprzyjemny.
Elektronowa struktura wi ą zania C=C
Wiązanie podwójne C=C powstaje w wyniku nałoŜenia się orbitali atomów węgla, których
elektrony walencyjne uległy hybrydyzacji sp 2 , co oznacza Ŝe hybrydyzacji uległ elektron s i dwa
elektrony p .
wzbudzenie
hybrydyzacja
&)+)(
2 s 2 2 p x 2 p y
2 p z
2 s 2 p x 2 p y 2 p z
sp 2
2 p z
+
+
hybrydyzacja
2 s
2 p x
2 p y
sp 2
Rys.4.2. Hybrydyzacja sp 2 atomu C
LeŜące na jednej płaszczyźnie osie trzech orbitali sp 2 przecinają się pod kątem 120 o , a
prostopadle do tej płaszczyzny znajduje się orbital 2 p z obsadzony przez 1 elektron.
Atom węgla, zhybrydyzowany sp 2 moŜe z drugim takim samym atomem utworzyć wiązanie
podwójne C=C . Składa się ono z wiązania s powstałego w wyniku osiowego nałoŜenia się 2
orbitali sp 2 i wiązania
p
2 p z
2 p z
2 elektrony na
orbitalach 2 p z
+
C
C
C
C
sp 2
sp 2
wiązanie s
orbital
p
Rys. 4.3. Wiązanie podwójne C=C składa się z wiązania s i wiązania p
jest swobodny, w przypadku C=C wymaga dostarczenia duŜej energii i prowadzi do
zerwania wiązania p. Brak swobodnego obrotu wokół wiązania podwójnego C=C jest przyczyną
występowania izomerii cis / trans .
Otrzymywanie alkenów
Głównym źródłem alkenów są procesy petrochemiczne, wykorzystujące ropopochodne surowce.
Najczęściej w wysokiej temperaturze długie łańcuchy węglowodorowe pękają tworząc mniejsze
w wyniku nałoŜenia się 2 orbitali p , których osie są prostopadle do
płaszczyzny tworzonej przez osie orbitali sp 2 .
Wiązanie p powstaje w wyniku nałoŜenia się dwóch orbitali p , które są osiowo równoległe do
siebie. Tylko w tym układzie jest moŜliwe utworzenie takiego wiązania. Obrót atomów C wokół
wiązania
s
48398098.004.png 48398098.005.png 48398098.006.png 48398098.007.png 48398098.008.png 48398098.009.png
fragmenty, pośród których znajdują się alkeny . Tego typu reakcje nazywają się krakingiem .
(ang. crack – pękać). W temperaturze 800-900 o C wiązania C-C pękaja 8-9 razy szybciej niŜ C-
H . Piroliza czyli rozkład węglowodorów wyłącznie pod wpływem wysokiej temperatury nazywa
się krakingiem termicznym . Są jeszcze innego rodzaju krakingi, np. katalityczne (z uŜyciem
katalizatorów) czy hydrokraking , z udziałem wodoru w obecności katalizatorów. Podczas
hydrokrakingu nie powstają alkeny , poniewaŜ ulegają one uwodornieniu.
W uproszczeniu reakcje krakingu moŜna zapisać jako rozkład długiego łańcuchu alkanu na dwa,
jeden alkanu i drugi alkenu:
C n H 2n+1 C m H 2m+1 D C n H 2n+2 + C m H 2m
alkan alkan alken
W rzeczywistości jest to reakcja bardzo skomplikowana, poniewaŜ produkty ulegają dalszym
przemianom i powstaje złoŜona mieszanina, zawierająca zwykle 10-20% metanu (wagowo),
alkany i alkeny gazowe i ciekłe oraz stałe, a takŜe koks (węgiel pierwiastkowy). Alkeny tworzą
się podczas kaŜdej pirolizy węglowodorów, a proces moŜna tak prowadzić, Ŝeby wybrany z nich,
np. eten , propen , buteny , butadien czy izopren stanowił główny produkt.
Pośród wszystkich surowców organicznych eten jest produkowany na największą skalę –
kilkadziesiąt mln ton rocznie. Kraking moŜna tak prowadzić, Ŝeby zawartość etenu w produktach
gazowych przekraczała 30%.
Laboratoryjne syntezy alkenów
Alkeny otrzymuje się w reakcjach eliminacji małych cząstek, np. halogenowodorów, wody,
amoniaku czy wodoru.
KOH
CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 Cl
CH 3 CH 2 CH=CH 2 + KCl
1-chlorobutan but-1-en
KOH
CH 3 CH=CHCH 2
but-2-en
80%
CH 3 CH 2 CHCH 3
+
Cl
CH 3 CH 2 CH=CH 2
but-1-en
20%
Wła ś ciwo ś ci chemiczne alkenów
Charakterystyczna reakcją alkenów jest addycja elektrofilowa (przyłączenie elektrofilowe). Do
podwójnego wiązania przyłączyć się mogą reagenty symetryczne, np. wodór ( H 2 ) czy halogeny
( X 2 ) lub niesymetryczne, np. halogenowodory ( HX ), woda, tiole ( RSH ) i inne reagenty
elektrofilowe.
48398098.010.png
Zgłoś jeśli naruszono regulamin