Алкены, также известные как олеины или этиленовые углеводороды, являются одной из важных тем в химии. Эти нециклические соединения состоят из углерода и водорода, и в их молекулах содержится одна двойная связь между атомами углерода С=С. Данное свойство делает алкены непредельными или ненасыщенными углеводородами. Общая формула алкенов позволяет определить количество углеродов в молекуле и их соотношение с водородом – CnH2n. Важно отметить, что к непредельным углеводородам относятся соединения, в которых в углеродной цепи присутствует одна или несколько кратных углерод-углеродных связей – двойных или тройных.
Гомологический ряд алкенов
| Название | Формула | Структурная формула |
| Этен (этилен) | C2H4 |  |
| Пропен (пропилен) | C3H6 |  |
| Бутен (бутилен) | C4H8 |  |
| Пентен | C5H10 |  |
| Гексен | C6H12 |  |
| Гептен | C7H14 |  |
| Октен | C8H16 |  |
| Нонен | C9H18 |  |
Алкены: особенности строения и связи
Рассмотрим строение алкенов на примере этилена. Молекула этилена содержит химические связи C–H и С=С. Связь C–H является слабополярной одинарной σ-связью, а связь С=С – двойной, неполярной, с одной σ- и одной π-связью. При двойной связи атомы углерода образуют три σ-связи и одну π-связь, что приводит к гибридизации sp2 атомов углерода в молекулах алкенов.
Формирование σ-связи между атомами углерода происходит за счет перекрывания sp2-гибридных орбиталей атомов углерода. Аналогично, при образовании π-связи происходит перекрывание негибридных орбиталей.
В результате три sp2-гибридные орбитали атома углерода взаимно отталкиваются и располагаются в пространстве таким образом, чтобы угол между орбиталями был максимально возможным. Поэтому три гибридные орбитали атомов углерода при двойной связи в алкенах направлены под углом 120° друг к другу.
Длина двойной связи в алкенах составляет около 0,133 нм, в то время как в алканах она равна 0,154 нм. Энергия двойной связи составляет 712 кДж/моль, в то время как энергия одинарной связи – 369 кДж/моль. Вращение атомов углерода относительно двойной связи в алкенах невозможно.
Изомерия
У алкенов имеется структурная и пространственная изомерия.
Структурная изомерия
Для алкенов характерна структурная изомерия – изомерия углеродного скелета, изомерия положения кратной связи и межклассовая изомерия.
Структурные изомеры – это соединения с одинаковым составом, но отличающиеся порядком связывания атомов в молекуле, то есть структурой молекулы.
Изомеры углеродного скелета отличаются строением углеродного скелета.
| Бутен-1 | Метилпропен |
| СН2=СН–СН2–СН3 | СН2=С(СН3)–СН3 |
Межклассовые изомеры — это вещества разных классов с различным строением, но одинаковым составом. Алкены являются межклассовыми изомерами с циклоалканами. Общая формула и алкенов, и циклоалканов — CnH2n.
| Циклопропан | Пропилен |
 | СН2=СН–СН3 |
Изомеры с различным положением двойной связи отличаются положением двойной связи в углеродном скелете.
Например, изомеры положения двойной связи, которые соответствуют формуле С4Н8 — бутен-1 и бутен-2:
| Бутен-1 | Бутен-2 |
| СН2=СН–СН2–СН3 | СН3–СН=СН–СН3 |
Пространственная изомерия
Пространственная изомерия также присутствует у алкенов и включает цис-транс-изомерию и оптическую изомерию.
Алкены, имеющие достаточно большой углеродный скелет, могут существовать в виде оптических изомеров. Для этого в молекуле алкена должен присутствовать асимметричный атом углерода (атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями
Цис-транс-изомерия обусловлена отсутствием вращения по двойной связи у алкенов.
Алкены, имеющие у каждого из двух атомов углерода при двойной связи различные заместители, могут существовать в виде двух изомеров, отличающихся расположением заместителей относительно плоскости π-связи.
Алкены, в которых одинаковые заместители располагаются по одну сторону от плоскости двойной связи, это цис-изомеры. Алкены, в которых одинаковые заместители располагаются по разные стороны от плоскости двойной связи, это транс-изомеры.
Например, для бутена-2 характерна цис- и транс-изомерия. В цис-изомере метильные радикалы CH3 располагаются по одну сторону от плоскости двойной связи, в транс-изомере — по разные стороны.
цис-Бутен-2 транс-Бутен-2
Цис-транс-изомерия не характерна для тех алкенов, у которых хотя бы один из атомов углерода при двойной связи имеет два одинаковых соседних атома.
Например, для пентена-1 цис-транс-изомерия не характерна, так как у одного из атомов углерода при двойной связи есть два одинаковых заместителя (два атома водорода): СН2=СН–СН2–СН2–СН3.
По систематической (международной) номенклатуре названия алкенов производят от названий соответствующих алканов (с тем же числом атомов углерода) путем замены суффикса –ан на –ен. Подробнее о номенклатуре алкенов можно прочитать в статье.
Физические свойства
При рассмотрении физических свойств алкенов можно отметить, что они подобны алканам в отношении температур плавления и кипения, которые возрастают по мере продвижения по гомологическому ряду.
Низшие алкены (до С4) представляют собой безцветные, не имеющие запаха газы. Средние алкены (до С17) являются бесцветными жидкостями. Алкены с более высокими молекулярными массами обычно находятся в твердом состоянии.
Как и алканы, алкены обладают неполярными свойствами, поэтому они не растворяются в воде и легче воды.
Химические свойства
Природа химической связи, особенно двойной связи между атомами углерода, представляет собой сложное явление, требующее разбирательства в азах квантовой механики. Однако, для наших целей, мы ограничимся формальным описанием.
Двойная связь состоит из σ-связи (прямой) и π-связи (боковой) (в отличие от одинарной связи, которая состоит только из σ-связи). При этом π-связь менее прочная, чем σ-связь и может легко разрушаться. Именно это свойство двойной связи определяет химические свойства алкенов: большинство характерных реакций алкенов включает разрыв двойной связи и последующее присоединение атомов.
Реакции присоединения
1. Гидрирование
Реакция гидрирования происходит в присутствии катализатора, такого как никель или палладий. Водород присоединяется к месту разрыва двойной связи, образуя алканы:
2. Присоединительное галогенирование
В отличие от алканов, которые обычно претерпевают заместительное галогенирование, алкены галогенируются путем присоединения атомов галогена к месту разрыва двойной связи, образуя дигалогеналканы:
Бромная вода обесцвечивается при контакте с алкенами — это качественная реакция на наличие непредельных углеводородов. Эта реакция не требует облучения или нагревания.
3. Гидрогалогенирование
Реакция гидрогалогенирования происходит в соответствии с правилом Марковникова, и алкены присоединяют галогены к месту разрыва двойной связи, образуя галогеналканы.
Правило Марковникова: “Водород присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода при двойной связи, то есть к атому углерода с наибольшим числом водородных атомов”.
Имеется особый случай гидробромирования в присутствии пероксидов, который происходит против правила Марковникова:
4. Гидратация
Реакцию гидратации проводят в присутствии серной кислоты, результатом которой являются спирты. Образование продуктов также подчиняется правилу Марковникова:
5. Полимеризация
Полимеризация — это процесс слияния большого количества исходных молекул в длинную цепь, при котором образуется полимер. Например, полимеризация этилена приводит к образованию важного упаковочного материала — полиэтилена:
Степень полимеризации (n) указывает на количество звеньев в полимерной цепи, которое может достигать десятков или даже сотен тысяч. Реакция полимеризации происходит с использованием сложной технологии и катализатора.
Реакции окисления
6. Реакция Вагнера (мягкое окисление)
Реакцию мягкого окисления проводят с помощью раствора перманганата калия при низкой температуре (на холоду). Места двойных связей замещаются гидроксильными группами, образуя двухатомные спирты:
Обесцвечивание марганцовки – еще одна качественная реакция на кратные связи.
7. Жесткое окисление в кислой среде
Окисление проводится с помощью раствора перманганата калия или дихромата калия в кислой среде при нагревании. Цепь разрывается в месте двойной связи, и конечный продукт зависит от структуры исходного алкена:
Вторичные атомы углерода окисляются до карбоксильных групп:
Первичный атом углерода окисляется до угольной кислоты, но она распадается:
8. Жесткое окисление в нейтральной среде
Окисление проводят с помощью раствора перманганата калия или дихромата калия при нагревании в нейтральной среде. Цепь разрывается в месте двойной связи, и результат реакции зависит от структуры исходного алкена:
Вторичные атомы углерода окисляются до карбоксилатов, образуя соли:
Первичный атом углерода окисляется до карбоната калия:
9. Горение
Как и алканы, алкены горят на воздухе, происходит полное окисление до углекислого газа и воды:
10. Заместительное галогенирование
В некоторых особых условиях (t = 450-500 градусов Цельсия) возможно заместительное галогенирование алкенов, при котором двойная связь не разрушается, а галоген занимает позицию углерода, соседнего с двойной связью, образуя галогеналкены:
11. Изомеризация
Изомеризация алкенов может происходить при нагревании в присутствии катализатора. Варианты изомеризации включают перемещение двойной связи в более стабильное положение:
Либо линейная структура меняется на разветвленную (что тоже является более стабильным состоянием):
На практике образуется смесь этих продуктов.
Способы получения алкенов
Основной промышленный путь получения алкенов: крекинг фракций нефти.
Лабораторные способы:
Дегидрирование алканов:
Дегидрогалогенирование галогеналканов:
Дегалогенирование дигалогеналканов:
Внутримолекулярная дегидратация спиртов:
Применение алкенов
Алкены имеют широкое применение в различных областях:
1. Химическая промышленность: алкены используются в производстве пластмасс, синтетических волокон, резин, пестицидов и других химических соединений.
2. Фармацевтическая промышленность: алкены используются в производстве различных лекарственных препаратов и химических соединений, таких как анестетики, антибиотики, антидепрессанты и др.
3. Пищевая промышленность: алкены используются в производстве пищевых добавок, ароматизаторов и консервантов.
4. Нефтепереработка и газовая промышленность: алкены являются основными компонентами бензина, дизельного топлива и других нефтепродуктов.
5. Катализаторы и растворители: алкены используются в качестве катализаторов при производстве различных химических соединений. Они также могут служить растворителями для органических реакций.
6. Синтез органических соединений: алкены используются в органическом синтезе для получения более сложных молекул. Они могут быть использованы для создания каркасов и фрагментов больших химических соединений.
7. Электроника и полупроводниковая промышленность: алкены используются в производстве пластиковых материалов, которые находят применение в изготовлении электронных компонентов, таких как микросхемы и транзисторы.
