Алкены или олефины (C n H 2n) - класс органических веществ, активно вступающих в реакции с другими соединениями. Поэтому в природе алкены в чистом виде встречаются редко. Получением алкенов занимается промышленная химия. Существует несколько способов выделения олефинов из природного сырья.
Получение
В современной химии алкены получают промышленными и лабораторными методами. Сырьём для выделения олефинов являются нефть, газ, алканы и их производные. Основные способы получения алкенов приведены в таблице.
|
Вид получения |
Способ |
Пример |
|
Промышленный |
Крекинг и пиролиз нефтепродуктов, коксование угля - высокотемпературная (400-700°С) переработка полезных ископаемых. С помощью крекинга и пиролиза нефтепродуктов получают четыре первых алкена в гомологическом ряду - этилен, пропилен, бутилен, пентен. Коксование угля выделяет этилен и пропилен |
C n H 2n+2 (алканы) → C n H 2n (алкены) + C n H 2n+2: C 8 H 18 → CH 2 =CH 2 -CH 2 -CH 2 + C 4 H 10 ; C 7 H 16 → CH 3 -CH=CH 2 + C 4 H 10 |
|
Дегидрирование алканов - отщепление атомов водорода за счёт разрыва связи С-Н. Происходит при высокой температуре под действием катализатора |
C n H 2n+2 → C n H 2n + H 2: CH 3 -CH 3 → CH 2 =CH 2 + H 2 ; CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 -CH=CH-CH 3 + H 2 |
|
|
Гидрирование алкинов - присоединение водорода в присутствии малоактивного катализатора (Pb(CH 3 COO) 2). Длительность реакции превращает алкины в алканы |
C n H 2n-2 + H 2 → C n H 2n: 2HC ≡CH + 2H 2 → CH 3 -C(CH 3)=CH 2 (изобутилен) |
|
|
Лабораторный |
Дегидратация спиртов - отщепление молекулы воды под действием температуры выше 150°C и в присутствии реагентов, способных отнимать воду. Например, в присутствии концентрированной серной кислоты |
R-CH 2 -CH 2 -OH → R-CH=CH 2 + H 2 O: CH 3 -CH-H-CH 2 -OH → CH 3 -CH=CH 2 + H 2 O |
|
Дегидрогенирование моногалогеналканов - отщепление атомов галогенов и водорода под действием спиртового раствора щёлочи |
CH 3 -CH 2 -CH 2 -Br + NaOH (спирт. р -р) → CH 3 -CH=CH 2 + NaBr + H 2 O |
|
|
Дегалогенирование дигалогеналканов - отщепление атомов галогенов под действием металлов |
CH 2 -Br-CH-Br-CH 3 + Mg → CH 2 =CH-CH 3 + MgBr 2 |
Рис. 1. Крекинг.
Также существуют другие способы синтеза алкенов из карбонильных соединений, альдегидов, кетонов, спиртов, аммониевых оснований и других соединений.
Реакции дегидратации и дегидрогенирования при получении алкенов протекают по правилу Александра Зайцева. В 1875 году химик Зайцев определил опытным путём, что водород отщепляется от менее гидрогенизированного атома углерода.
Рис. 2. Александр Зайцев.
Применение
Алкены используются в качестве промышленного сырья. Из них производят:
- тефлон;
- пластмассы;
- каучук;
- полиэтилен;
- этиловый спирт;
- уксусную кислоту;
- масла;
- растворители.
Рис. 3. Материалы, которые изготавливают из алкенов.
Широкое применение имеет этилен, поэтому в мире производят более 100 млн. тонн этилена в год.
Что мы узнали?
Алкены синтезируют для химических нужд промышленными и лабораторными методами. В промышленности для производства алкенов используются нефтепродукты и каменный уголь. При нагревании, дегидрировании, гидрировании алканов выделяются алкены. В лабораториях алкены получают с помощью дегидратации спиртов, дегидрогенирования моногалогеналканов, дегалогенирования дигалогеналканов. Существуют и другие способы синтеза олефинов. Алкены применяются для изготовления прочных материалов, растворителей, масел.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 222.
В природе алкены встречаются редко. Методы получения алкенов можно разделить на промышленные и лабораторные.
A. Промышленные методы получения:
Обычно газообразные алкены (этилен, пропилен, бутен) выделяют из газов деструктивной переработки нефти (это термический, каталитический крекинг), реакции пиролиза, из газов коксования угля. В зависимости от видов сырья и условий, содержание алкенов может варьироваться от 15 до 55%.
1. Реакция дегидрирования алканов..
B. Лабораторные методы:
2.Частичное гидрирование ацетиленовых углеводородов
2. Отщепление галогеноводородов от галогеналкилов при действии на них спиртового раствора щелочи:
Правило Зайцева: при отщеплениигалогена атом водорода легче всего отщепляется от соседнего наименее гидрогенизированного атома углерода.
3. Дегидратация спиртов (отнятие воды).
Различают два вида дегидратации:
a)Сернокислотный способ H 2 SO 4 концент.
б) Каталитический способ, в присутствии Al 2 O 3 (при 350-400 0 С)
Легче в реакцию вступают третичные спирты, далее вторичные, и усложняется проведение реакции с первичными.
В отличии от алканов алкены обладают значительной реакционной активностью, что определяются наличием двойной связи.
1. Галогенирование (присоединение галогенов). Галогены легко присоединяются по месту разрыва двойной связи с образованием дигалогенпроизводных:
3. Гидрогалогенирование (присоединение галогенводородов)
Правило Марковникова :
В реакции присоединения галогенводорода к несимметричным алкенам в обычных условиях, водород присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода по месту двойной связи.
Правило объясняется с точки зрения электронной теории, либо теории устойчивости промежуточного карбкатиона
Отклонение в реакции гидрогалогенирования происходит в присутствии перекиси водорода Н 2 О 2 или кислорода. Порядок реакции меняется с ионного на радикальный и присоединение идет против реакции Марковникова, т.е. имеет обратный порядок. Такая реакция имеет свое название:
Гидрогалогенирование. Перекисный эффект Караша.
4. Гидратация – присоединение воды, протекает в присутствии серной кислоты, с образованием спиртов.
Окисление
а) окисление в мягких условиях – реакция Вагнера (разбавленный раствор КМnО 4 при н.у.)
б) жесткое окисление, протекает с разрывом σ- и π –связей, с образованием карбоновых кислот или кетонов.
Полимеризация
n - степень полимеризации, n = 100 – 10 000
ДИЕНЫ
Алкадиены – ациклические непредельные углеводороды, в молекулах которых помимо одинарных связей имеется две двойные связи между атомами углерода.
Общая формула алкадиенов С n H 2 n-2 .
Строение . В зависимости от взаимного расположения двойных связей различают три вида диенов:
· Алкадиены с куммулированным расположением двойных связей
· Алкадиены с сопряженными двойными связями
СH 2 =CH-CH=CH 2
· Алкадиены с изолированными двойными связями
CH 2 =CH-CH 2 -CH 2 -CH=CH 2
Методы получения .
1. Дегидрирование н-бутана (двухстадийный каталитический процесс).
Аналогичным способом получают изопрен (2-метилбутадиен-1,3).
2. Метод Лебедева. Получение бутадиена из этилового спирта, в данном методе протекают две реакции одновременно дегидратации и дегидрирования.
3. Дегидрогалогенирование.
При действии на дибромалканы спиртового раствора щелочи происходит отщепление двух молекул галогеноводорода и образование двух двойных связей.
Химические свойства.
Свойства алкадиенов с изолированными двойными связями мало отличаются от обычных алкенов. Мы остановимся на диенах с сопряженными связями, которые обладают некоторыми особенностями.
А. Реакции присоединения . Диены способны присоединять водород, галогены, галогеноводороды. Особенностью присоединения к диенам является способность присоединять молекулы как в положение 1,2- так и в положение 1,4-.
1. Гидрирование.
2. Галогенирование.
3. Гидрогалогенирование.
Б.Реакции полимеризации .
Важнейшим свойством диенов является способность полимеризоваться под воздействием катионов или свободных радикалов. Реакция эта является основой для получения синтетических каучуков.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Алкенами называются ненасыщенные углеводороды, молекулы которых содержат одну двойную связь. Строение молекулы алкенов на примере этилена приведено на рис. 1.
Рис. 1. Строение молекулы этилена.
По физическим свойствам алкены мало отличаются от алканов с тем же числом атомов углерода в молекуле. Низшие гомологи С 2 - С 4 при нормальных условиях - газы; С 5 - С 17 - жидкости; высшие гомологи - твердые вещества. Алкены нерастворимы в воде. Хорошо растворимы в органических растворителях.
Получение алкенов
В промышленности алкены получают при переработке нефти: крекингом и дегидрированием алканов. Лабораторные способы получения алкенов мы разделили на две группы:
- Реакции элиминирования (отщепления)
— дегидратация спиртов
CH 3 -CH 2 -OH → CH 2 =CH 2 + H 2 O (H 2 SO 4 (conc) , t 0 = 170).
— дегидрогалогенированиемоногалогеналканов
CH 3 -CH(Br)-CH 2 -CH 3 + NaOH alcohol → CH 3 -CH=CH-CH 3 + NaBr + H 2 O (t 0).
— дегалогенированиедигалогеналканов
CH 3 -CH(Cl)-CH(Cl)-CH 2 -CH 3 + Zn(Mg) → CH 3 -CH=CH-CH 2 -CH 3 + ZnCl 2 (MgCl 2).
- Неполное гидрирование алкинов
CH≡CH + H 2 →CH 2 =CH 2 (Pd, t 0).
Химические свойства алкенов
Алкены - весьма реакционноспособоные органические соединения. Это объясняется их строением. Химия алкенов - это химия двойной связи. Типичные реакции для алкенов - реакции электрофильного присоединения.
Химические превращения алкенов протекают с расщеплением:
1) π-связи С-С (присоединение, полимеризация и окисление)
— гидрирование
CH 3 -CH=CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 2 (kat = Pt).
— галогенирование
CH 3 -CH 2 -CH=CH 2 + Br 2 → CH 3 -CH 2 -CH(Br)-CH 2 Br.
— гидрогалогенирование (протекает по правилу Марковникова: атом водорода присоединяется преимущественно к более гидрированному атому углерода)
CH 3 -CH=CH 2 + H-Cl → CH 3 -CH(Cl)-CH 3 .
— гидратация
CH 2 =CH 2 + H-OH → CH 3 -CH 2 -OH (H + , t 0).
— полимеризация
nCH 2 =CH 2 → -[-CH 2 -CH 2 -]- n (kat, t 0).
— окисление
CH 2 =CH 2 + 2KMnO 4 + 2KOH → HO-CH 2 -CH 2 -OH + 2K 2 MnO 4 ;
2CH 2 =CH 2 + O 2 → 2C 2 OH 4 (эпоксид) (kat = Ag,t 0);
2CH 2 =CH 2 + O 2 → 2CH 3 -C(O)H (kat = PdCl 2 , CuCl).
2) σ- и π-связей С-С
CH 3 -CH=CH-CH 2 -CH 3 + 4[O] → CH 3 COOH + CH 3 CH 2 COOH (KMnO 4 , H +, t 0).
3) связей С sp 3 -Н (в аллильном положении)
CH 2 =CH 2 + Cl 2 → CH 2 =CH-Cl + HCl (t 0 =400).
4) Разрыв всех связей
C 2 H 4 + 2O 2 → 2CO 2 + 2H 2 O;
C n H 2n + 3n/2 O 2 → nCO 2 + nH 2 O.
Применение алкенов
Алкены нашли применение в различных отраслях народного хозяйства. Рассмотрим на примере отдельных представителей.
Этилен широко используется в промышленном органическом синтезе для получения разнообразных органических соединений, таких как галогенопроизводные, спирты (этанол, этиленгликоль), уксусный альдегид, уксусная кислота и др. В большом количестве этилен расходуется для производства полимеров.
Пропилен используется как сырье для получения некоторых спиртов (например, пропанола-2, глицерина), ацетона и др. Полимеризацией пропилена получают полипропилен.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | При гидролизе водным раствором гидроксида натрия NaOH дихлорида, полученного присоединением 6,72 л хлора к этиленовому углеводороду, образовалось 22,8 г двухатомного спирта. Какова формула алкена, если известно, что реакции протекают с количественными выходами (без потерь)? |
| Решение | Запишем уравнение хлорирования алкена в общем виде, а также реакцию получения двухатомного спирта:
C n H 2 n + Cl 2 = C n H 2 n Cl 2 (1); C n H 2 n Cl 2 + 2NaOH = C n H 2 n (OH) 2 + 2HCl (2). Рассчитаем количество вещества хлора: n(Cl 2) = V(Cl 2) / V m ; n(Cl 2) = 6,72 / 22,4 = 0,3 моль, следовательно, дихлорида этилена тоже будет 0,3 моль (уравнение 1), двухатомного спирта также должно получиться 0,3 моль, а по условию задачи это 22,8 г. Значит молярная масса его будет равна: M(C n H 2 n (OH) 2) = m(C n H 2 n (OH) 2) / n(C n H 2 n (OH) 2); M(C n H 2 n (OH) 2) = 22,8 / 0,3 = 76 г/моль. Найдем молярную массу алкена: M(C n H 2 n) = 76 - (2×17) = 42 г/моль, что соответствует формуле C 3 H 6 . |
| Ответ | Формула алкенаC 3 H 6 |
ПРИМЕР 2
| Задание | Сколько граммов потребуется для бромирования 16,8 г алкена, если известно, что при каталитическом гидрировании такого же количества алкена присоединилось 6,72 л водорода? Каков состав и возможное строение исходного углеводорода? |
| Решение | Запишем в общем виде уравнения бромирования и гидрирования алкена:
C n H 2 n + Br 2 = C n H 2 n Br 2 (1); C n H 2 n + H 2 = C n H 2 n +2 (2). Рассчитаем количество вещества водорода: n(H 2) = V(H 2) / V m ; n(H 2) = 6,72 / 22,4 = 0,3 моль, следовательно, алкена тоже будет 0,3 моль (уравнение 2), а по условию задачи это 16,8 г. Значит молярная масса его будет равна: M(C n H 2n) = m(C n H 2n) / n(C n H 2n); M(C n H 2 n) = 16,8 / 0,3 = 56 г/моль, что соответствует формуле C 4 H 8 . Согласно уравнению (1) n(C n H 2 n) :n(Br 2) = 1:1, т.е. n(Br 2) = n(C n H 2 n) = 0,3 моль. Найдем массу брома: m(Br 2) = n(Br 2) × M(Br 2); M(Br 2) = 2×Ar(Br) = 2×80 = 160 г/моль; m(MnO 2) = 0,3 × 160 = 48 г. Составим структурные формулы изомеров: бутен-1 (1), бутен-2 (2), 2-метилпропен (3), циклобутан (4). CH 2 =CH-CH 2 -CH 3 (1); CH 3 -CH=CH-CH 3 (2); CH 2 =C(CH 3)-CH 3 (3); |
| Ответ | Масса брома равна 48 г |
Алкины, галогенопроизводные, спирты, полимеры и другие. Главная проблема ненасыщенных углеводородов - почти полное отсутствие их в природе, по большей части вещества конкретно этого ряда добывают в лаборатории путем химического синтеза. Для того чтобы понять особенности реакций получения алкенов, нужно разобраться в их строении.
Что такое алкены?
Алкены - органические вещества, которые состоят из атомов углерода и водорода. Особенностью этого ряда являются двойные ковалентные связи: сигма и пи. Они обуславливают химические и физические свойства веществ. Температура плавления у них ниже, чем у соответствующих алканов. Также от этого "базового" ряда углеводородов алкены отличаются наличием реакции присоединения, которая происходит путем разрыва пи-связи. Для них характерны четыре вида изомерии:
- по положению двойной связи;
- по изменениям углеродного скелета;
- межклассовая (с циклоалканами);
- геометрическая (цис- и транс-).
Другое название этого ряда веществ - олефины. Это обусловлено их схожестью с многоатомными карбоновыми кислотами, которые в своем составе имеют двойную связь. Номенклатура алкенов отличается тем, что определение первого атома в карбоновой цепи ведется по размещению кратной связи, положение которой также указывается в названии вещества.
Крекинг - основной способ добывания алкенов
Крекинг - вид переработки нефти при высоких температурных режимах. Главная цель этого процесса - добывание веществ с меньшей молекулярной массой. Крекинг для получения алкенов происходит во время расщепления алканов, которые входят в состав нефтепродуктов. Это происходит при температурах от 400 до 700 °С. В ходе этой реакции получения алкенов, помимо вещества, которое было целью ее проведения, образуется алкан. Общее количество атомов углерода до и после реакции - одинаковое.
Другие промышленные способы получения алкенов
Нельзя продолжать разговор об алкенах без упоминания о реакции дегидрирования. Для ее проведения берется алкан, в котором может образоваться двойная связь после отщепления двух атомов водорода. То есть метан в эту реакцию вступать не будет. Поэтому ряд алкенов начитается с этилена. Особенными условиями к проведению реакции являются повышенная температура и катализатор. В роли последнего может выступать никель или оксид хрома (III). Результатом реакции будет получение алкена с соответствующим количеством атомов углерода и бесцветного газа (водорода).
Другим промышленным способом добывания веществ этого ряда является гидрирование алкинов. Эта реакция получения алкенов проходит при повышенных температурах и при участии катализатора (никеля или платины). Механизм гидрирования строится на разрывании одной из двух пи связей предоставленного алкина, после чего по местам разрушения присоединяются атомы водорода.
Лабораторный способ с использованием спирта
Одним из самых простых и не затратных способов является внутримолекулярная дегидратация, то есть отщепление воды. При написании уравнения реакции стоит помнить, что она будет осуществляться по правилу Зайцева: водород отщепится от наименее гидрированного атома углерода. Температура при этом должна быть выше 150 °С. В качестве катализатора нужно использовать вещества с гигроскопическими свойствами (способными натягивать влагу), например, серную кислоту. По месту отрыва гидроксильной группы и водорода будет образовываться двойная связь. Результатом реакции будут соответствующий алкен и одна молекула воды.
Добывание в лаборатории на основе галогенопроизводных
Существует еще два лабораторных способа. Первый - действие раствором щелочи на производные алканов, которые в свое составе имеют один атом галогена. Такой способ называют дегидрогалогенированием, то есть отщеплением соединений водорода с неметаллическими элементами седьмой группы (фтор, бром, хлор, йод). Осуществление механизма реакции, так же как и в предыдущем случае, проходит по правилу Зайцева. Катализирующим условиями являются спиртовой раствор и повышенная температура. После проведения реакции образуются алкен, соль металлического элемента щелочи и галогена, вода.
Второй способ очень напоминает предшествующий. Он осуществляется с помощью алкана, который имеет в составе два галогена. На такое вещество действуют активным металлом (цинком или магнием) в присутствии раствора спирта и повышенной температуры. Реакция будет проходить только в том случае, если водород замещен на галоген у двух соседних атомов углерода, если условие не соблюдено, то двойная связь не образуется.
Почему нужно брать именно цинк и магний? В ходе реакции происходит окисление металла, который может отдать два электрона, и отщепление двух галогенов. Если взять щелочные элементы, они будут реагировать с водой, которая есть в составе раствора спирта. Что же касается металлов, которые в ряду Бекетова стоят после магния и цинка, то они будут слишком слабыми.
