12736 (Ненасыщенные углеводороды (алкадиены, алкины))

Ненасыщенные углеводороды (алкадиены, алкины).

С.Ю. Елисеев

Понятие алкадиенов, алкинов, их использование. Гомологические ряды, общие формулы, номенклатура. Основные химические реакции:

присоединения (водорода, галогенов, галогеноводородов, воды,

окисления (неполное окисление, горение, склонность к самовозгоранию в атмосфере галогенов);

полимеризации.

Диеновые углеводороды (алкадиены)

Диеновыми углеводородами или алкадиенами, называются ненасыщенные углеводороды с открытой цепью углеродных атомов, в молекулах которых имеются две двойные связи. Состав этих углеводородов может быть выражен формулой СnH2n-2.

Номенклатура и классификация

Индивидуальные углеводороды с двумя двойными связями называют, пользуясь принципами международной заместительной номенклатуры для алкенов, с той лишь разницей, что в наименовании перед окончанием – ен, обозначающим двойную связь, ставят греческое числительное –ди, так образуется родовое для этих углеводородов окончание – диен (отсюда и название диеновые). Перед названием основы (т.е. главной цепи, включающей обе двойные связи) ставят цифры, обозначающие номера углеродных атомов, за которыми следуют двойные связи. Отдельные представители имеют также и тривиальные названия.

Диеновые углеводороды, в которых две двойные связи находятся рядом и не разделены простыми связями, называют углеводородами с кумулированными двойными связями. Например:

1 2 3

СН2=С=СН2 1,2-пропадиен (аллен)

При нагревании в присутствии щелочи диеновые углеводороды с кумулированными двойными связями (аллены) могут перегруппировываться в алкины, например:

t, ОН-

СН3—СН=С=СН—СН3 СН3—СН2—СС—СН3

2,3-пентадиен 2-пентин

Диеновые углеводороды, в молекулах которых две двойные связи разделены двумя или более простыми связями, называются углеводородами с изолированными двойными связями. Например:

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6

СН2=СН—СН2—СН=СН2 СН2=СН—СН2—СН2—СН=СН2

1,4-пентадиен 1,5-гексадиен (диаллил)

(аллил СН2=СН—СН2— )

Особое значение имеют этиленовые углеводороды, в молекулах которых двойные связи разделены одной простой связью. Такие углеводороды называют углеводородами с сопряженными двойными связями. Простейшим представителем является 1,3-бутадиен:

1 2 3 4

СН2=СН—СН=СН2

Этот углеводород образован двумя винильными радикалами (винил СН2=СН— ) и поэтому его иначе называют дивинилом.

Химические свойства диенов с кумулированными и с изолированными двойными связями

По свойствам эти углеводороды близки к этиленовым углеводородам и вступают в обычные реакции присоединения. Отличие их состоит в том, что каждой молекуле этих диенов может последовательно присоединиться две молекулы реагента (например, Н2, Br2, HCl и т.п.). При этом обе двойные связи реагируют независимо одна от другой: вначале одна, потом вторая. Например:

1 2 3 4 5 +Br2 +Br2

СН2=СН—СН2—СН=СН2 СН2=СН—СН2—СН—СН2

1.4-пентадиен 1.2-дибром-4-пентан

Br Br

СН2—СН—СН2—СН—СН2

1,2,4,5-тетрабромпентан

Br Br Br Br

Химические свойства диенов с сопряженными двойными связями

Непредельные углеводороды с сопряженными двойными связями также характеризуются реакциями присоединения. Однако, две этиленовые группировки, разделенные одной простой связью и образующие систему сопряженных двойных связей, не независимы одна от другой, оказывают определенное взаимное влияние и связи в них находятся в особом состоянии. Вследствие этого, при действии реагентов на диеновые углеводороды с сопряженными двойными связями в реакции присоединения обычно участвует не одна, а две двойные связи одновременно. В результате два одновалентных атома реагента могут присоединяться к углеродным атомам на концах системы сопряженных двойных связей (в положении 1,4) а между атомами 2 и 3 возникает двойная связь. Вторая молекула реагента присоединяется по месту этой двойной связи уже обычным путем.

Присоединение галогенов

1,3-бутадиен, присоединяя одну молекулу брома, образует дибромпроизводное с одной двойной связью, в котором атомы брома расположены при 1-м и 4-м углеродных атомах, а двойная связь – между 2-м и 3-м углеродами. Однако некоторое число молекул 1,3-бутадиена присоединяет молекулу брома и просто по месту одной из двойных связей, т.е. в положение 1,2 или, что то же, в положение 3,4.

Br Br

1-4

Br2 CH2—CH=CH—CH2

CH2=CH—CH=CH2 1.4-дибром-2-бутен

1,3-бутадиен Br Br

1-2

СН2=СН—СН—СН2

3,4-дибром-1-бутен

Аналогично идет реакция с хлором. Обычно получается смесь дигалогенидов, причем выход изомерных продуктов присоединения в положение 1,4 или 1,2 зависит от полярности или неполярности растворителя, в котором происходит реакция, от температуры и строения исходного углеводорода. Реакции диеновых соединений с сопряженными двойными связями, когда реагент присоединяется к атомам углерода в положение 1,4 (с перемещением остающейся двойной связи) называют 1,4-присоединеним, а когда реагент присоединяется как обычно – к атомам углерода одной двойной связи, - называют 1,2- присоединением.

Присоединение водорода

Водород в момент выделения присоединяется преимущественно в положение 1,4:

1 2 3 4 +2Н

СН2=СН—СН=СН2 СН3—СН=СН—СН3

1,3-бутадиен 2-бутен

Присоединение же газообразного водорода в присутствии катализатора может идти и в положение 1,2.

Присоединение галогеноводоров

К диеновым углеводородам с сопряженными двойными связями также возможно в положение 1,4:

1 2 3 4 +НBr

СН2=СН—СН=СН2 СН2—СН=СН—СН3

1,3-бутадиен Br 1-бром-2-бутадиен

Отдельные представители диеновых углеводородов

1,3-бутадиен (дивинил) СН2=СН—СН=СН2.

В обычных условиях это газ, легко конденсирующийся в жидкость, кипящую при –4,50С. Имеет большое хозяйственное значение , так как является исходным веществом для получения синтетического каучука. В России 1,3-бутадиен получают в огромных количествах по методу С.В. Лебедева (1874-1934) исходя из этилового спирта СН3—СН2—ОН. При пропускании последнего над специальным катализатором при нагревании (400-5000С) происходят сложные процессы дегидратации и дегидрирования, которые можно представить следующей суммарной схемой:

СН3—СН2 + СН3—СН2 СН2=СН—СН=СН2 + Н2 + 2Н2О

этанол дивинил

ОН ОН

Очень важным в экономическом отношении явилось разрешение проблемы получения исходного в этом процессе вещества – этанола – из не пищевого сырья.

1,3-бутадиен может быть получен также из бутан-бутиленовой фракции газов крекинга путем каталитического дегидрирования содержащихся в ней бутана и бутиленов: -2Н2

СН3—СН2—СН2—СН3

бутан -Н2 СН2=СН—СН=СН2

СН3—СН=СН—СН3 1,3-бутадиен

бутилен-2

Этот процесс имеет важное значение для использования газов крекинга. Кроме того, ценным сырьем для получения 1,3-бутадиена является попутный нефтяной газ, также содержащий значительное количество бутана. Последний подвергают дегидрированию при 590-600 оС, пропуская через слой катализатора (Cr2O3-Al2O3); при этом образуется бутилен. Его очищают и также подвергают дегидрированию, пропуская в смеси с водяным паром при 625-675 оС над оксидами магния, цинка и другими - получается бутадиен:

СН3—СН2—СН2—СН3 СН2=СН—СН2—СН3 СН2=СН—СН=СН2

бутан бутилен-1 1,3-бутадиен

Получение 1,3-бутадиена из бутана может проводиться в одну стадию, но с меньшим выходом.

2-Метил-1,3-бутадиен (изопрен). Этот углеводород является гомологом 1,3-бутадиена и имеет строение 1СН2=2С—3СН=4СН2

СН3

Изопрен – бесцветная жидкость, температура кипения которой +34 оС. Его полимером является натуральный каучук. Сухой перегонкой каучука изопрен был получен впервые в чистом виде. Разработаны различные методы синтетического получения изопрена. Наиболее экономически выгодна реакция дегидрирования изопентана (2-метилбутана), которую ведут при 600 оС под небольшим давлением в присутствии катализатора (Cr2O3-Al2O3) по схеме:

СН3 СН3

-2Н

СН3—СН—СН2—СН3 СН2=С—СН=СН2

изопентан кат-р изопрен

Сам изопентан может быть получен из некоторых бензиновых фракций при перегонке нефти.

Путем полимеризации из изопрена получается продукт, весьма близкий к натуральному каучуку. Реакция протекает подобно полимеризации 1,3-бутадиена.

Ненасыщенные углеводороды ряда ацетилена (алкины)

Углеводородами ряда ацетилена или ацетиленовыми углеводородами называют ненасыщенные углеводороды, в молекулах которых имеется тройная связь, т.е. группировка —СС—.

Гомология, изомерия и номенклатура

Состав каждого члена гомологического ряда ацетиленовых углеводородов может быть выражен общей эмпирической формулой СnH2n-2. Простейшим членом этого ряда является углеводород ацетилен состава С2Н2, строение которого выражают структурная и упрощенная структурная формулы:

Н—СС—Н и СНСН

Гомологи ацетилена можно рассматривать как его производные, образовавшиеся в результате замещения одного или обоих атомов водорода в молекуле ацетилена на углеводородные радикалы.

Изомерия. Возможны два типа ацетиленовых соединений R—C C—Н и R—CC—R'. (Линейная геометрия тройной связи делает невозможной цис- и транс-изомерию алкинов.)

В соединениях первого типа при углероде с тройной связью имеется водород, в соединения второго типа при атомах углерода с тройной связью водорода нет. Изомерия ацетиленовых углеводородов, так же как и этиленовых, обусловлена изомерией углеродного скелета и изомерией положения кратной связи. Интересно отметить, что общая формула состава ацетиленовых углеводородов СnH2n-2 аналогична общей формуле состава диеновых углеводородов. Иначе говоря, непредельные углеводороды с двумя двойными связями изомерны непредельным углеводородам с одной тройной связью. Например, 1,3-бутадиен

СН2=СН—СН=СН2

изомерен двум ацетиленовым углеводородам:

СН3—СН2—ССН (1) и СН3—СС—СН3 (2).

Все эти углеводороды имеют состав С4Н6.

Номенклатура

Международная заместительная номенклатура. Ацетиленовые углеводороды называют по заместительной номенклатуре так же, как предельные, с той лишь разницей, что наличие тройной связи обозначают путем замены в заместительном названии предельного углеводорода окончания –ан на –ин. Поэтому углеводороды с тройной связью по международной номенклатуре объединяют общим названием – алкины. Перед основой названия ставят цифру, соответствующую номеру углеродного атома главной цепи молекулы, за которым следует тройная связь. Принцип выбора главной цепи и нумерации атомов такой же, как в случае этиленовых углеводородов. Таким образом, ацетиленовые углеводороды, формулы которых написаны выше, называют так: (1)- 1-бутин и (2) – 2-бутин. Углеводород строения

СН3

5 4 3 2 1

СН3—СН – СС—СН3 (3)

может быть назван: 4-метил-2-пентин.

Рациональная номенклатура. По рациональной номенклатуре углеводороды с тройной связью рассматривают как производные ацетилена, в названии указывают наименования радикалов, связанных с группировкой —СС—, а в конце названия ставят слово ацетилен. Поэтому приведенные выше углеводороды называют следующим образом: (1) – этилацетилен; (2) – диметилацетилен; (3) – метилизопропилацетилен.

Свойства ацетиленовых углеводородов (алкинов)

Физические свойства.

Зависимости изменения физических свойств в гомологических рядах ацетиленовых углеводородов по мере возрастания числа атомов углерода в их молекулах аналогичны тем зависимостям, которые наблюдаются в рядах предельных и этиленовых углеводородов. Простейшие гомологи нормального строения до С5Н8 – газы, от С5Н8 до С16Н30 – жидкости, высшие ацетиленовые углеводороды – твердые тела. Все эти соединения бесцветны.

Химические свойства.

Ацетиленовым углеводородам, так же как этиленовым, свойственны реакции присоединения по месту кратной связи, в данном случае тройной.

Тройная связь, так же как и двойная, по характеру отличается от простой связи. Она осуществляется тремя парами обобщенных электронов. Из них, как и в случае двойной связи, одна пара осуществляет простую связь (-связь), а две другие электронные пары находятся в особом состоянии (-связи); осуществляемые ими связи проявляют повышенную склонность к поляризации. Этим обуславливаются реакции присоединения по месту тройной связи. Последние идут ступенчато: вначале тройная связь разрывается в двойную, и образуются производные этиленовых углеводородов. Затем разрывается и двойная связь, превращаясь в простую с образованием производных предельных углеводородов. При энергичном химическом воздействии возможен распад молекул с разрывом углеродной цепи по месту тройной связи.

Присоединение водорода (реакция гидрирования)

В присутствии катализаторов (например, Pt или Pd) водород присоединяется по месту тройной связи. При этом вначале образуется этиленовый, а затем предельный углеводород:

СН + H2 СН2 + H2 СН3

III II I

CH CH2 CH3

ацетилен этилен этан

Присоединение галогенов

При взаимодействии ацетиленовых углеводородов с галогенами последние присоединяются по месту тройной связи; вначале присоединяется одна молекула, а затем может присоединиться и вторая. Наиболее удобна реакция с бромом; как и в случае этиленовых углеводородов, она может быть использована как качественная реакция на тройную связь; в результате реакции бурая окраска брома или его растворов исчезает:

СН + Br2 СН—Br + Br2 CHBr2

III II I

CH CH—Br CHBr2