Алкены

Этилен

Алке́ны — ациклические непредельные углеводороды, молекулы которых включают одну двойную связь между атомами углерода^[1]. Двойная связь образована одной «сигма-связью» (σ-связь) и «одной пи-связью» (π-связь)^[2]. Алкены, также известные как этиленовые углеводороды, получили своё название по первому представителю гомологического ряда — этилену ( ${\ce {CH2=CH2}}$ )^[2]. Общая формула гомологического ряда алкенов — ${\ce {CnH2n}}$ ^[1].

Первые три члена гомологического ряда алкенов — этилен, пропилен и бутилен — представляют собой газообразные вещества. Начиная с амилена, или пентена-1, они переходят в жидкое состояние, а с увеличением молекулярной массы становятся твёрдыми веществами. С ростом молекулярной массы повышаются температуры плавления и кипения. Алкены, имеющие нормальное строение, кипят при более высоких температурах, чем их изомеры. Температуры кипения цис-изомеров выше, чем транс-изомеров, а температуры плавления — наоборот. Алкены плохо растворимы в воде, но лучше, чем соответствующие алканы. Однако они хорошо растворимы в органических растворителях^[3].

Алкены химически активны, их химические свойства во многом определяются наличием двойной связи. Для алкенов наиболее характерны реакции электрофильного присоединения и реакции радикального присоединения^[4].

Алкены представляют собой ключевые исходные соединения в химической промышленности, служащие основой для синтеза разнообразных продуктов. Этилен и пропилен, являющиеся алкенами, находят применение в производстве полимеров, эластомеров, эпоксисоединений, дихлорэтана, винилхлорида, этанола, изопропанола, пропанола и других веществ. Изобутилен, также относящийся к алкенам, служит исходным материалом для получения бутилкаучука, изопрена и трет-бутанола. Сополимеры изобутилена с бутенами находят применение в качестве присадок к маслам и герметиков. Алкены с числом атомов углерода от 10 до 16 используются в синтезе поверхностно-активных веществ, а также для создания высших спиртов^[5].

История открытия этилена

История открытия этилена связана с немецким алхимиком, врачом и изобретателем Иоганном Иоахимом Бехером. В 1666 году Бехер проводил опыты с серной кислотой (H₂SO₄). В одном из этих опытов он случайно добавил этанол ( ${\ce {C2H5OH}}$ ) вместо дополнительной порции серной кислоты. В результате этого ошибочного действия произошло сильное вспенивание раствора с выделением неизвестного газа^[6].

Этот новый газ обладал рядом характерных свойств: горел коптящим пламенем, имел слабый чесночный запах и был более химически активен, чем метан. В то время его называли «воздух Бехера», так как его химическая структура оставалась неизвестной. В конце XVIII века этилен стал известен как «маслородный газ». Это название произошло от того, что при взаимодействии с хлором этилен образовывал маслянистую жидкость, сейчас известную как дихлорэтан. В течение XIX века этилен исследовался многими выдающимися химиками, такими как Жозеф Луи Гей-Люссак, Якоб Берцелиус и Юстус фон Либих. Однако ни один из них не смог установить правильную формулу этилена. Точку в этом споре поставил русский химик Александр Михайлович Бутлеров. Он экспериментально подтвердил наличие двойной связи в молекуле этилена, что стало ключевым моментом в понимании его структуры^[7].

Этилен ( ${\ce {C2H4}}$ ) является простейшим представителем алкенов — углеводородов с двойной связью между атомами углерода. Его открытие и изучение сыграли важную роль в развитии органической химии^[6].

Строение алкенов

Строение молекулы этена

Пространственное строение

Этилен (этен) является простейшим алкеном с химической формулой ${\ce {C2H4}}$ . Его молекулярная структура и свойства связей можно описать следующим образом^[8]:

Два атома углерода (C) связаны двойной связью ( ${\ce {C=C}}$ ).
Атомы углерода в этилене находятся в состоянии sp²-гибридизации. Это означает, что каждый атом углерода имеет три sp²-гибридные орбитали и одну негибридизованную p-орбиталь.
Каждый атом углерода образует три σ-связи: одну с соседним атомом углерода и две с атомами водорода. Эти σ-связи лежат в одной плоскости, и угол между их осями составляет 120 °.

Оставшиеся негибридизованные p-орбитали соседних атомов углерода образуют π-связь. Плоскость π-связи перпендикулярна плоскости, в которой лежат σ-связи. Плоскости перекрывания π-связи лежат над и под плоскостью σ-связи.

π-связь

Длина двойной связи ${\ce {C=C}}$ в этилене составляет около 0,134 нм, что короче, чем длина одинарной связи ${\ce {C-C}}$ в алканах (0,154 нм).

Энергия двойной связи составляет 712 кДж/моль, тогда как энергия одинарной связи составляет 369 кДж/моль.
Вращение атомов углерода относительно двойной связи невозможно из-за наличия π-связи, что приводит к жёсткости молекулы^[8].

Эти особенности структуры этилена объясняют его химические и физические свойства, такие как реакционная способность и жёсткость молекулы^[8].

Взаимное влияние атомов в молекуле

Молекулярные орбитали пропена

В алкенах наблюдается взаимное влияние атомов в форме отрицательного индукционного эффекта двойной связи. Отрицательный индукционный эффект (-I эффект) проявляется через влияние углеводородных радикалов с sp² гибридизованными атомами углерода: такие группы могут влиять на распределение электронной плотности в алкенах из-за своих различных гибридизационных состояний^[9].

В молекуле пропена ( ${\ce {C3H6}}$ ) атомы углерода имеют различные типы гибридизации, что определяет их свойства и реакционную способность. Атом углерода в метильной группе ( ${\ce {CH3}}$ ) находится в sp³-гибридном состоянии, что делает его менее электроотрицательным в сравнении с атомами углерода соединённых двойной связью. Атомы углерода, участвующие в двойной связи (C=C), находятся в sp²-гибридном состоянии, что делает их более электроотрицательными. Это связано с тем, что sp²-гибридные орбитали имеют большую s-характерную долю (33 % s-характера) по сравнению с sp³-гибридными орбиталями (25 % s-характера). Различие в электроотрицательности атомов углерода приводит к перераспределению электронной плотности в молекуле: электроны частично смещаются от sp³-гибридного атома углерода к sp²-гибридному атому углерода^[10].

Индуктивный эффект метильной группы передаётся в первую очередь на подвижную π-связь, существующую между атомами углерода, соединёнными двойной связью. Это влияет на реакционную способность и стабильность молекулы^[10].

Номенклатура

Алкены представляют собой класс органических соединений, характеризующихся наличием двойной связи между атомами углерода. Этилен ( ${\ce {C2H4}}$ ) является родоначальником этого ряда и простейшим представителем гомологического ряда алкенов. Основные правила номенклатуры алкенов и их применение^[1].

Гомологический ряд алкенов^[1]:

Этен (этилен)	${\ce {C2H4}}$
Пропен (пропилен)	${\ce {C3H6}}$
Бутен (бутилен)	${\ce {C4H8}}$
Пентен	${\ce {C5H10}}$
Гексен	${\ce {C6H12}}$
Гептен	${\ce {C7H14}}$
Октен	${\ce {C8H16}}$
Нонет	${\ce {C9H18}}$
Децен	${\ce {C10H20}}$

Систематическая номенклатура IUPAC:

Выбор основной цепи, которая представляет собой самую длинную углеродную цепь, содержащую двойную связь.
Нумерация атомов цепи осуществляется таким образом, чтобы sp²-гибридизованный атом углерода, расположенный ближе к концу цепи, получил наименьший порядковый номер.
Название цепи формируется путём замены суффикса «ан» на «ен» в названии соответствующего алкана.
Название радикалов (заместителей) обозначаю их суффиксом «ил».
Несколько заместителей перечисляются в алфавитном порядке.
Указание положения заместителей в цепи указывают с помощью цифр перед основным названием.

Примеры:

Этен (этилен): ${\ce {CH2=CH2}}$ .
Пропен (пропилен): ${\ce {CH2=CH-CH3}}$ .
Бутен-1 (бутилен): ${\ce {CH2=CH-CH2-CH3}}$ ^[1].

Тривиальные названия функциональных групп:

Винильная группа (винил): ${\ce {CH2=CH-}}$ .
Аллильная группа (аллил): ${\ce {CH2=CH-CH2-}}$ ^[1].

Примеры соединений^[1]:

Бромистый винил (винилбромид): ${\ce {CH2=CH-Br}}$ .
Аллиловый спирт: ${\ce {CH2=CH-CH2-OH}}$ ^[1].

Рациональная номенклатура

Алкены рассматриваются как производные этилена, у которого один или несколько атомов водорода замещены алкильными группами^[1].

${\ce {CH3-CH=CH2}}$ — метилэтилен
${\ce {CH3-CH2-CH=CH2}}$ — этилэтилен
${\ce {CH3-CH=CH-CH3}}$ — симметричный диметилэтилен
${\ce {CH2=C(CH3)2}}$ — несимметричный диметилэтилен
${\ce {CH2=CH-CH(CH3)2}}$ — изопропилэтилен^[1].

Изомерия

В органической химии существует несколько видов изомерии, которые могут наблюдаться у алкенов и других органических соединений^[11].

Структурная изомерия

${\ce {CH2=CH-CH2-CH2-CH3}}$ и ${\ce {CH2=C(CH3)-CH2-CH3}}$

Пентен-2 и 2-метилбутен-2.

Эти соединения имеют одинаковый элементный состав ${\ce {C5H10}}$ , но различаются длиной углеродной цепи и количеством заместителей. Пентен-2 имеет прямую цепь из пяти углеродных атомов с двойной связью между вторым и третьим атомами углерода, тогда как 2-метилбутен-2 имеет разветвлённую цепь с метильной группой, присоединённой ко второму углеродному атому^[11].

Положение кратной связи

${\ce {CH3-CH=CH-CH2-CH3}}$ и ${\ce {CH2=CH-CH2-CH2-CH3}}$

Пентен-2 и пентен-1.

Оба соединения имеют одинаковый элементный состав ${\ce {C5H10}}$ , но двойная связь находится в разных позициях. В пентен-2 двойная связь находится между вторым и третьим углеродными атомами, тогда как в пентен-1 — между первым и вторым углеродными атомами^[11].

Межклассовая изомерия

1-пентен

Циклопентан

Циклопентан и пентен-1.

Эти соединения имеют одинаковый элементный состав C₅H₁₀, но относятся к разным классам углеводородов. Циклопентан — это циклическое соединение, тогда как пентен-2 — это ациклическое соединение с двойной связью^[11].

Геометрическая изомерия (цис-транс изомерия)

Геометрические (цис-транс) изомеры в алкенах

Цис-бутен-2 и транс-бутен-2.

В этих соединениях заместители могут располагаться либо по одну сторону от двойной связи (цис-изомерия), либо по разные стороны (транс-изомерия). В цис-бутене-2 заместители (метильные группы) находятся по одну сторону от двойной связи, тогда как в транс-бутене-2 — по разные стороны^[11].

Геометрическая изомерия имеет место быть только при условии, что все заместители у атомов углерода при двойной связи отличаются друг от друга^[11].

Физические свойства

Физические характеристики алкенов определяются их молекулярной структурой и количеством атомов углерода^[12].

При стандартных условиях первые представители алкенов ${\ce {C2H4 - C4H8}}$ существуют в газообразном состоянии. Средние представители ${\ce {C5H10 - C17H34}}$ представляют собой жидкости, а алкены с большим количеством атомов углерода являются твёрдыми веществами^[12].

Температуры кипения алкенов с неразветвлённой структурой выше, чем у их изомеров с разветвлённой цепью, что обусловлено более сильными межмолекулярными взаимодействиями в неразветвлённых молекулах^[12].

Температуры плавления транс-изомеров обычно выше, чем у цис-изомеров, из-за более компактной и симметричной структуры транс-изомеров, что способствует более эффективному размещению молекул в кристаллической решётке^[12].

Температуры кипения и плавления алкенов^[13]
Название соединения	Брутто-формула	Агрегатное состояние	Температура кипения, °C	Температура плавления, °C
Этен (этилен)	${\ce {C2H4}}$	газ	-169,1	-103,7
Пропен (пропилен)	${\ce {C3H6}}$	газ	-187,6	-47,7
Бутен-1 (бутилен)	${\ce {C4H8}}$	газ	-185,3	-6,3
цис-Бутен-2	${\ce {C4H8}}$	газ	-138,9	3,7
транс-Бутен-2	${\ce {C4H8}}$	газ	-105,5	0,9
Пентен-1	${\ce {C5H10}}$	жидкость	-165,2	30,1
Гексен-1	${\ce {C6H12}}$	жидкость	-139,8	63,5
Гептен-1	${\ce {C7H14}}$	жидкость	-119,1	93,6
Октен-1	${\ce {C8H16}}$	жидкость	-101,7	121,3
Нонен-1	${\ce {C9H18}}$	жидкость	-81,4	146,8
Децен-1	${\ce {C10H20}}$	жидкость	-66,3	170,6

Все алкены являются бесцветными, а жидкие алкены обладают неприятным запахом. Алкены практически не растворяются в воде из-за их гидрофобной природы, но хорошо растворяются в органических растворителях, таких как бензол, толуол и другие углеводороды^[12].

Химические свойства

Гидрирование

В процессе присоединения водорода к алкенам происходит образование алканов. Данная реакция протекает при нагревании в присутствии катализаторов, таких как платина (Pt), палладий (Pd) или никель (Ni). Гидрирование алкенов представляет собой процесс обратимые. В соответствии с принципом Ле Шателье, для успешного протекания реакции гидрирования необходимо создать условия, способствующие повышению давления, поскольку данная реакция сопровождается уменьшением объёма системы. Присоединение водорода к атомам углерода в алкенах приводит к снижению степени окисления этих атомов, что позволяет отнести гидрирование алкенов к реакциям восстановления^[14].

${\ce {CH2=CH2 + H2 <=>>[Ni, p] CH3-CH3}}$

Этилен (ethene) - 3D-модель с p-орбиталями.

Реакции электрофильного присоединения

Алкены, обладая двойной связью, проявляют высокую реакционную способность, вступая в реакции электрофильного присоединения с галогеноводородами, галогенами, кислотами и другими соединениями. Эти реакции протекают преимущественно через стадию образования мостикового иона. Характеран для алкенов π-связь вступает во взаимодействие с соединениями, обеднёнными электронами, то есть с электрофилами. Реакции присоединения, типичные для алкенов, характеризуются разрывом π-связи и образованием прочных σ-связей. π-электроны, расположенные в более обширной области околоядерного пространства по сравнению с σ-электронами, менее прочно удерживаются ядрами и обладают большей подвижностью. Именно поэтому во многих реакциях двойная связь выступает в роли донора электронов^[8]^[5].

Галогенирование

Галогенирование алкенов представляет собой химическую реакцию, в ходе которой происходит присоединение галогенов, таких как хлор, бром или йод, к алкенам. Этот процесс является примером электрофильного присоединения и широко используется в органическом синтезе для введения галогенов в молекулы. Реакция проходит через образование циклического бромониевого иона, который затем раскрывается с образованием дибромированного продукта. Фтор редко применяется из-за его высокой реакционной способности и сложности в обращении. Реакция проводится в неполярных растворителях, таких как тетрахлорметан или хлороформ, чтобы избежать побочных реакций^[15].

${\ce {CH2=CH2 + Br2 -> CH3-CH2Br}}$

Получение галогенгидринов

Обесцвечивание бромной воды алкеном служит качественной реакцией на наличие кратной связи^[16].

${\ce {CH2=CH2 + Br2{}_{(aq)}+ H2O -> CH2OH-CH2Br + HBr}}$

Гидрогалогенирование

Алкен и галогенид водорода Механизм, описывающий реакцию электрофильного присоединения этена и бромистого водорода с образованием 1-бромэтана и водорода (не показан).

Гидрогалогенирование алкенов представляет собой процесс присоединения галогеноводорода (HX, где X — галоген) к двойной связи углерод-углерод в молекуле алкена. Эта реакция является характерным примером электрофильного присоединения и подчиняется правилу Марковникова. В ходе гидрогалогенирования происходит образование карбокатионного промежуточного продукта, который затем подвергается атаке галогенид-ионом (Br^-), в результате чего образуется конечный продукт реакции^[17].

Схема реакции Марковникова

Правило Марковникова: при присоединении галогеноводорода к алкену, водород (H) присоединяется к углероду, который уже имеет большее количество водородов, а галоген — к углероду, который имеет меньшее количество водородов. Это правило обусловлено стабильностью карбокатионного промежуточного продукта: более стабильный карбокатион образуется на более замещённом углероде^[17].

${\ce {CH2=CH2 + HBr -> CH3-CH2Br}}$
${\ce {CH2=CH-CH3 + HBr -> CH3-CHBr-CH3}}$

Реакция обычно проводится в присутствии растворителей, таких как пентан, бензол, дихлорметан, хлороформ или уксусная кислота. Добавление силикагеля (SiO₂) или оксида алюминия (Al₂O₃) к смеси алкена и галогеноводорода может значительно ускорить реакцию гидрогалогенирования. Эти катализаторы способствуют стабилизации карбокатионного промежуточного продукта, что ускоряет реакцию^[17].

Гидратация

Гидратация алкенов — это реакция присоединения воды к двойной связи углерод-углерод в алкене, в результате чего образуется спирт. Эта реакция протекает по типу электрофильного присоединения и может быть осуществлена двумя основными методами. Гидратация алкенов происходит через образование карбокатионного промежуточного продукта. Присоединении воды к этилену^[18].

${\ce {CH2=CH2 + H2O ->[H3PO4] CH3-CH2OH}}$

Реакция проходит через образование карбокатиона, который затем атакуется водой с образованием спирта. В соответствии с правилом Марковникова, водород (H) присоединяется к углероду, который уже имеет большее количество водородов, а гидроксильная группа (OH) — к углероду, который имеет меньшее количество водородов^[18].

Присоединение концентрированной серной кислоты (60–65%) к алкену с последующим гидролизом при нагревании образующегося этилсульфата^[18].

${\ce {CH2=CH2 + H2SO4 -> CH3-CH2OSO3H}}$
${\ce {CH3-CH2OSO3H + H2O -> CH3-CH2OH + H2SO4}}$

Реакция гидратации пропилена

В этом методе концентрированная серная кислота реагирует с неразветвленными алкенами. Чаще всего таким способом получают этиловый и изопропиловый спирты. В качестве катализатора можно использовать фосфорную кислоту на силикагеле (H₃PO₄/SiO₂) при высоких температурах и давлении (например, 300 °C и 70 атм)^[18].

В случае, если двойная связь не является симметричной, реакция протекает в соответствии с правилом Марковникова, водород присоединяется к углероду с большим количеством водородов (CH₂), а гидроксильная группа — к углероду с меньшим количеством водородов (CH)^[18].

${\ce {CH3-CH=CH2 + H2O -> CH3-CHOH-CH3}}$

Присоединение спиртов

Алкены могут вступать в реакцию со спиртами в присутствии минеральных кислот, таких как серная кислота ( ${\ce {H2SO4}}$ ) или соляная кислота ( ${\ce {HCl}}$ ). Этот процесс протекает по механизму электрофильного присоединения и приводит к образованию простых эфиров. Реакция алкенов со спиртами происходит по механизму электрофильного присоединения. В присутствии кислоты протон (H⁺) присоединяется к двойной связи алкена, образуя карбокатион. Затем молекула спирта атакует карбокатион, что приводит к образованию простого эфира^[19].

${\ce {CH3-CH=CH2 + CH3-OH ->[H2SO4] CH3-CH(OCH3)-CH3}}$

Гидроборирование

Гидроборирование, метод, разработанный Гербертом Брауном в 1950-х годах, представляет собой процесс, позволяющий преобразовывать алкены в алканы с использованием гидридов бора, таких как боран (BH₃) и диборан (B₂H₆). В результате взаимодействия диборана с несимметричными алкенами происходит присоединение бора к наиболее гидрогенизированному атому углерода^[19].

${\ce {CH3-CH=CH2 + BH3 -> CH3-CH2-CH2BH2}}$
${\ce {6CH3-CH=CH2 + B2H6 -> 2(CH3-CH2-CH2)3B}}$

Радикальное присоединение

В условиях, которые способствуют гомолитическому разрыву химических связей, таких как газовая фаза, освещение, повышенная температура (до 200 ⁰С) и присутствие пероксидов, присоединение галогенов к алкенам происходит по радикальному механизму, что противоречит правилу Марковникова^[19].

Антимарковниковский пероксидный механизм - механизм радикальной реакции с образованием антимарковниковского продукта.

Гидрогалогенирование против правила Марковникова

Гидробромирование алкенов по механизму электрофильного присоединения следует правилу Марковникова. Однако, если в исходных реагентах присутствуют кислород или пероксиды, реакция может идти против правила Марковникова (эффект Караша). В частности, гомологи этилена присоединяют HBr в присутствии пероксидов (или других инициаторов свободнорадикального процесса) против правила Марковникова^[19].

${\ce {CH3-CH=CH2 + HBr ->[H2O2] CH3-CH2-CH2Br}}$

Пероксид способствует гомолитическому разрыву связи H–Br, реакция протекает по радикальному механизму^[19].

Радикальное замещение

Реакция радикального присоединения галогенов, таких как хлор и бром, к алкенам протекает быстро и обратимо при относительно низких температурах. Однако при повышении температуры выше 200°С обратная реакция становится настолько интенсивной, что начинает преобладать тенденция к отщеплению атома водорода. Взаимодействие гомологов этилена с галогенами, такими как хлор и бром, при высоких температурах, превышающих 400°С, приводит к замещению атома водорода в аллильном положении на галоген. Этот процесс называется аллильным замещением. В результате образуется конечный продукт, в котором сохраняется двойная связь^[19].

${\ce {CH2=CH-CH3 + Cl2 ->[400 ^0 C] CH2=CH-CH2Cl + HCl}}$

Окисление

Горение

В общем виде процесс горения алкенов в избытке кислорода можно представить как образование диоксида углерода и воды. Алкены в нормальных условиях, при горении, образуют светящиеся коптящее пламя, что обусловлено неполным окислением атомов углерода^[20].

${\ce {C2H4 + 3O2 -> 2CO2 + 2H2O}}$

Каталитическое окисление алкенов

Каталитическое окисление алкенов кислородом воздуха представляет собой сложный процесс, который может приводить к образованию разнообразных продуктов в зависимости от условий реакции. К таким условиям относятся температура, давление, тип катализатора и концентрация реагентов. В результате окисления алкенов могут образовываться различные продукты, такие как спирты, альдегиды, кетоны и карбоновые кислоты^[21].

${\ce {2CH2=CH2 + O2->[PdCl2][t] CH3-CH=O}}$

Гидроксилирование. Образование диолов

При взаимодействии алкена с холодным водным раствором перманганата калия (KMnO₄) происходит процесс, известный как реакция Вагнера или проба Байера. В результате этой реакции образуются диолы (гликоли). Гидроксилирование алкенов происходит при комнатной температуре в нейтральной или слабощелочной среде. Этот процесс является ключевым методом получения гликолей. В ходе реакции перманганат калия, выступающий в роли окислителя, воздействует на двойную связь алкена, в результате чего образуются две гидроксильные группы на соседних углеродных атомах^[1].

Проба Байера служит для качественного анализа наличия двойных связей в органических соединениях. Если в растворе алкена присутствует двойная связь, то при добавлении раствора перманганата калия происходит обесцвечивание, что указывает на протекание реакции окисления^[1].

${\ce {3CH2=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O ->[0 ^0C] 3CH2OH-CH2OH + 2MnO2 + 2KOH}}$

Жёсткое окисление в кислой среде

Окисление алкенов в присутствии раствора перманганата калия (KMnO₄) или дихромата калия (K₂Cr₂O₇) в кислой среде при нагревании приводит к разрыву цепи по месту двойной связи. Результат реакции зависит от строения исходного алкена.

Пропен ( ${\ce {CH3CH=CH2}}$ ) при окислении перманганатом калия в кислой среде при нагревании разрывается по месту двойной связи, образуя уксусную кислоту ( ${\ce {CH3COOH}}$ ) и угольную кислоту ( ${\ce {H2CO3}}$ ). Угольная кислота распадается до углекислого газа ( ${\ce {CO2}}$ ) и воды ( ${\ce {H2O}}$ )^[20]:

${\ce {CH3-CH=CH2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 ->[t ^oC] CH3COOH + CO2 + 2MnSO4 + K2SO4 + 4H2O}}$

Бутен-2 при окислении перманганатом калия в кислой среде при нагревании разрывается по месту двойной связи с образованием двух молекул уксусной кислоты ( ${\ce {CH3COOH}}$ )^[20]:

${\ce {5CH3-CH=CH-CH3 + 8KMnO4 + 12H2SO4 ->[t ^0C] 10CH3-COOH + 8MnSO4 + 4K2SO4 + 12H2O}}$
Метилпропен ${\ce {(CH3)2C=CH2}}$ при окислении перманганатом калия в кислой среде при нагревании разрывается по месту двойной связи, образуя пропанон (ацетон) ( ${\ce {CH3COCH3}}$ ) и углекислый газ^[20]:

${\ce {5(CH3)2C=CH2 + 8KMnO4 + 12H2SO4 ->[t ^0C] 5CH3-CO-CH3 + 5CO2 + 4K2SO4 + 8MnSO4 + 17H2O}}$

Изомеризация

Изомеризация алкенов представляет собой процесс, в ходе которого алкены преобразуются в свои изомеры под воздействием нагревания и катализатора. Этот процесс может осуществляться двумя основными способами^[20]:

Перемещение двойной связи

Двойная связь перемещается в более стабильное положение между вторичными атомами углерода^[20].

${\ce {CH3-CH2-CH=CH2 ->[AlCl3] CH3-CH=CH-CH3}}$

Изменение углеродного скелета

Конфигурация алкена, имеющая линейное строение, претерпевает трансформацию, в результате которой образуется разветвлённая структура, представляющая собой более устойчивое состояние^[20].

${\ce {CH3-CH2-CH=CH2 ->[AlCl3] CH3-C(CH3)=CH2}}$

Полимеризация

Полимеризация представляет собой процесс, в ходе которого происходит соединение множества молекул мономеров в длинную цепь — полимер. Этот процесс имеет огромное значение в области химии и промышленности, поскольку позволяет создавать материалы с уникальными характеристиками^[20].

В результате полимеризации этилена ( ${\ce {CH2=CH2}}$ ) образуется полиэтилен^[20].

${\ce {nCH2=CH2 -> [-CH2-CH2-]n}}$ ,

где n — степень полимеризации, определяющая количество звеньев в цепи полимера, которое может достигать десятков и даже сотен тысяч^[20].

Получение

Способы получения алкенов можно разделить на две основные группы: промышленные и лабораторные^[22].

Промышленные способы

Промышленные методы включают в себя крекинг нефти и дегидрирование предельных углеводородов^[22].

Крекинг

Крекинг нефти — это процесс термического разложения нефтепродуктов, в результате которого образуются алкены и алканы с меньшим размером цепи^[22]. Этот процесс позволяет получать ценные продукты, такие как бензин, дизельное топливо и сырье для производства пластмасс. Типы крекинга: термический и каталитический. Термический крекинг проводится при высоких температурах (около 450 - 500 °C) и высоком давлении без доступа воздуха. В результате этого процесса длинные углеводородные цепи разрываются, образуя смесь алканов и алкенов с более короткими цепями. Каталитический крекинг проводится в присутствии катализаторов, таких как цеолиты (алюмосиликаты кальция, натрия). Этот процесс сопровождается реакциями изомеризации и дегидрирования, что позволяет получать более высококачественные продукты^[23].

${\ce {CH3-CH2-CH2-CH3 -> CH3-CH3 + CH2=CH2}}$

Дегидрирование предельных углеводородов

Дегидрирование предельных углеводородов — это катализируемое оксидом хрома удаление водорода из алканов, приводящее к образованию алкенов^[22].

${\ce {CH3-CH3 ->[Cr2O3] CH2=CH2 + H2}}$
${\ce {CH3-CH2-CH2-CH3 ->[Cr2O3] CH3-CH=CH-CH3 + H2}}$

Лабораторный методы

Лабораторные методы включают в себя реакции элиминирования (отщепление), восстановление алкинов и реакцию Виттига^[22].

Реакции отщепления (элиминирования)

Реакции элиминирования (отщепления) включают в себя дегидратацию спиртов, дегидрогалогенирование алкилгалогенидов и элиминирование дигалогенидов^[22].

Реакции элиминирования, протекающие в соответствии с принципом Зайцева, характеризуются тем, что отщепление атома водорода в реакциях дегидрогалогенирования и дегидратации происходит преимущественно от наименее гидрированного атома углерода, то есть от атома углерода, содержащего наименьшее количество водорода. В современной интерпретации это означает, что реакции элиминирования приводят к образованию более замещённых алкенов при двойной связи. Такие алкены обладают более низкой энергией^[24].

Дегидратация спиртов

Процесс дегидратации спиртов при повышенных температурах (выше 140°С) в присутствии водоотнимающих реагентов^[25]. В качестве водоотнимающего агента может быть использован оксид алюминия Al₂O₃^[13].

${\ce {CH3-CH2-OH ->[H2SO4][t] CH2=CH2 + H2O}}$
${\ce {CH3-CH2-CHOH-CH3 ->[H2SO4][t] CH3-CH=CH-CH3 + H2O}}$

Дегидрогалогенирование алкилгалогенидов

Действие спиртовых растворов щелочей на моногалогенопроизводные алканов^[26].

${\ce {CH3-CH2Cl + NaOH ->[C2H5OH] CH2=CH2 + NaCl + H2O}}$

${\ce {CH3-CHCl-CH2-CH3 + NaOH ->[C2H5OH] CH3-CH=CH-CH3 + NaCl + H2O}}$

Отщепление галогенов от дигалогенидов алканов

Действие металлов (Cu, Zn, Hg) на дигалогенопроизводные алканов^[26]. Для осуществления этой реакции необходимо использовать дигалогеналкан, в котором атомы галогена располагаются у соседних атомов углерода^[13].

${\ce {CH2Cl-CH2Cl + Zn -> CH2=CH2 + ZnCl2}}$

Восстановление алкинов

Частичное восстановление алкинов с использованием специальных катализаторов^[1].

${\ce {C2H2 + H2 ->[Pd] CH2=CH2}}$

Реакция Виттига

Реакция Виттига представляет собой процесс замещения кислорода в карбонильной группе альдегидов и кетонов на группу =СН₂, =СНR или =СR₂ с помощью илидов фосфора^[1].

. ${\ce {CH3-CO-CH3 + (C6H5)3P=CH2 -> (CH3)2C=CH2 + (C6H5)3P=O}}$

Дегидрирование метана и увеличение цепи

При температуре около 600 ⁰С и использовании Ni катализатора происходит отщепление водорода и одновременно удвоение атомов углерода^[27].

${\ce {2CH4 ->[Ni, t=600 ^{0}C] CH2=CH2 + 2H2}}$

Применение

Алкены представляют собой обширный класс химических соединений, находящих широкое применение в различных отраслях промышленности. Эти соединения используются в качестве исходных продуктов для производства разнообразных полимерных материалов, таких как пластмассы, каучуки и плёнки, а также других органических веществ^[28].

Одним из наиболее значимых алкенов является этилен (этен), который служит основой для получения полиэтилена, политетрафторэтилена (тефлона), этилового спирта, уксусного альдегида, галогенопроизводных и множества других органических соединений, общее количество которых превышает 200 наименований. Этилен также применяется в качестве средства, ускоряющего созревание фруктов и овощей^[28].

Пропилен (пропен) используется для получения спиртов и полимеров, в частности, полипропилена, который находит широкое применение в упаковке, производстве мебели, товаров широкого потребления, электронике, строительстве, транспорте, трубопроводном строительстве и других областях. Из пропилена при высокотемпературном радикальном хлорировании получают аллилхлорид, который используется для промышленных синтезов глицерина и эпихлоргидрина. Эпихлоргидрин, в свою очередь, является одним из основных компонентов в производстве эпоксидных смол^[28].

Бутилены (бутен-1 и бутен-2) также используются для получения спиртов и полимеров. Изобутилен (2-метилпропен) применяется в производстве синтетического каучука. Димеризацией изобутилена и последующим гидрированием получают изооктан, который является стандартом моторного топлива с октановым числом 100. Добавление изооктана к бензиновой фракции нефти повышает октановое число бензина^[28].

Примечания

↑ ^1,00 ^1,01 ^1,02 ^1,03 ^1,04 ^1,05 ^1,06 ^1,07 ^1,08 ^1,09 ^1,10 ^1,11 ^1,12 ^1,13 Куксенок В. Ю. Алкены. Способы получения. (неопр.). Томский политехнический университет. Дата обращения: 16 ноября 2024. Архивировано 16 ноября 2024 года.
↑ ^2,0 ^2,1 Беллевич Ю. С. Алкены, подготовка к ЕГЭ по химии (неопр.). Studarium. Дата обращения: 18 ноября 2024. Архивировано 11 марта 2024 года.
↑ Кардаева Т. А. Алкены: химические и физические свойства (неопр.). Персональный сайт учителя химии Кардаевой Татьяны Александровны. Дата обращения: 12 декабря 2024.
↑ Алкены (неопр.). Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. Павлова. Дата обращения: 12 декабря 2024.
↑ ^5,0 ^5,1 Кошелев В. Н. Алкены (неопр.). Большая российская энциклопедия (30 июня 2023). Дата обращения: 19 ноября 2024. Архивировано 18 июня 2024 года.
↑ ^6,0 ^6,1 Занимательная химия (неопр.). Весь мир химии здесь. Дата обращения: 18 ноября 2024.
↑ Геращенко И., Агеев А., Миколайчук О. Алкены: формула, реакции, свойства, гомологический ряд, строение, номенклатура, изомерия для 10 класса, задачи с ответами по химии для 10 класса (неопр.). Я знаю. Дата обращения: 18 ноября 2024. Архивировано 18 ноября 2024 года.
↑ ^8,0 ^8,1 ^8,2 ^8,3 10. Непредельные_углеводороды.pdf (неопр.). Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова. Дата обращения: 19 ноября 2024.
↑ Куксёнок В. Ю. Лекция 3 (неопр.). Томский политехнический университет. Дата обращения: 19 ноября 2024.
↑ ^10,0 ^10,1 Взаимное влияние атомов в молекулах • Химия, Ароматические углеводороды (неопр.). Фоксфорд Учебник. Дата обращения: 19 ноября 2024.
↑ ^11,0 ^11,1 ^11,2 ^11,3 ^11,4 ^11,5 Алкены (неопр.). Видеоуроки. Дата обращения: 19 ноября 2024.
↑ ^12,0 ^12,1 ^12,2 ^12,3 ^12,4 Алкены. Гомологический ряд, строение, номенклатура, физические свойства • Химия, Непредельные углеводороды. Алкены. Алкадиены. Алкины. (неопр.). Фоксфорд Учебник. Дата обращения: 19 ноября 2024.
↑ ^13,0 ^13,1 ^13,2 Урок 3: Алкены (неопр.). 100urokov.ru. Дата обращения: 19 ноября 2024.
↑ Гидрирование алкенов (неопр.). Orgchem.ru. Дата обращения: 23 ноября 2024. Архивировано 3 марта 2024 года.
↑ Травень В. Ф. Органическая химия: учебное пособие для вузов : в 3 т. Т. I. — М.: БИНОМ, 2015. — С. 233-234. — 401 с. — ISBN 978-5-9963-2939-7.
↑ Травень В. Ф. Органическая химия: учебное пособие для вузов : в 3 т. Т. I. — М.: БИНОМ, 2015. — С. 255-256. — 401 с. — ISBN 978-5-9963-2939-7.
↑ ^17,0 ^17,1 ^17,2 Травень В. Ф. Органическая химия: учебное пособие для вузов : в 3 т. Т. I. — М.: БИНОМ, 2015. — С. 240-243. — 401 с. — ISBN 978-5-9963-2939-7.
↑ ^18,0 ^18,1 ^18,2 ^18,3 ^18,4 Травень В. Ф. Органическая химия: учебное пособие для вузов : в 3 т. Т. I. — М.: БИНОМ, 2015. — С. 247 - 249. — 401 с. — ISBN 978-5-9963-2939-7.
↑ ^19,0 ^19,1 ^19,2 ^19,3 ^19,4 ^19,5 Травень В. Ф. Органическая химия: учебное пособие для вузов : в 3 т. Т. I. — М.: БИНОМ, 2015. — С. 233—282. — 401 с. — ISBN 978-5-9963-2939-7.
↑ ^20,0 ^20,1 ^20,2 ^20,3 ^20,4 ^20,5 ^20,6 ^20,7 ^20,8 ^20,9 Абрамов В. А. Химические свойства алкенов (неопр.). Acetyl. Дата обращения: 23 ноября 2024. Архивировано 23 ноября 2024 года.
↑ Коллектив авторов. Химия: углублённый курс подготовки к ЕГЭ / Ерёмин В. В.. — М.: Экспо, 2020. — С. 453. — 608 с. — ISBN 978-5-04-104070-3.
↑ ^22,0 ^22,1 ^22,2 ^22,3 ^22,4 ^22,5 Петров А. А., Бальян Х. В., Трощенко А. Т. Органическая химия: Учебник для вузов / под ред. Стадничука М. Д,. — СПб.: Иван Фёдоров, 2002. — С. 72—76. — 624 с. — ISBN 5-81940-067-4.
↑ Степанов В. Н. Способы получения алкенов (неопр.). CHEMEGE.RU. Дата обращения: 19 ноября 2024.
↑ Дерябина Г. И., Кантария Г. В., Грошев Д. И. Правило Зайцева (неопр.). Органическая химия: веб-учебник. Дата обращения: 19 ноября 2024. Архивировано 5 ноября 2024 года.
↑ Дерябина Г.И., Кантария Г. В., Грошев Д. И. Получение алкенов (неопр.). Органическая химия: веб-учебник. Дата обращения: 19 ноября 2024. Архивировано 7 декабря 2023 года.
↑ ^26,0 ^26,1 Фролова В. В., Дьяконова О. В. Органическая химия: учебное пособие для бакалавров агрономических факультетов сельскохозяйственных вузов.. — Воронеж: ФГБОУ ВО ВГАУ, 2016. — С. 32. — 235 с.
↑ Коллектив авторов. Химия. Большой справочник для подготовки к ЕГЭ: справочное издание. / под ред. В. Н. Доронькина. — Ростов н/Д.: Легион, 2023. — С. 371. — 560 с.
↑ ^28,0 ^28,1 ^28,2 ^28,3 Дерябина Г. И., Кантария Г. В., Грошев Д. И. Применение алкенов (неопр.). Интерактивный мультимедиа учебник. Дата обращения: 12 декабря 2024.

[:0-1] 1,00 ^1,01 ^1,02 ^1,03 ^1,04 ^1,05 ^1,06 ^1,07 ^1,08 ^1,09 ^1,10 ^1,11 ^1,12 ^1,13 Куксенок В. Ю. Алкены. Способы получения. (неопр.). Томский политехнический университет. Дата обращения: 16 ноября 2024. Архивировано 16 ноября 2024 года.

[:2-2] 2,0 ^2,1 Беллевич Ю. С. Алкены, подготовка к ЕГЭ по химии (неопр.). Studarium. Дата обращения: 18 ноября 2024. Архивировано 11 марта 2024 года.

[3] Кардаева Т. А. Алкены: химические и физические свойства (неопр.). Персональный сайт учителя химии Кардаевой Татьяны Александровны. Дата обращения: 12 декабря 2024.

[4] Алкены (неопр.). Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. Павлова. Дата обращения: 12 декабря 2024.

[:10-5] 5,0 ^5,1 Кошелев В. Н. Алкены (неопр.). Большая российская энциклопедия (30 июня 2023). Дата обращения: 19 ноября 2024. Архивировано 18 июня 2024 года.

[:1-6] 6,0 ^6,1 Занимательная химия (неопр.). Весь мир химии здесь. Дата обращения: 18 ноября 2024.

[7] Геращенко И., Агеев А., Миколайчук О. Алкены: формула, реакции, свойства, гомологический ряд, строение, номенклатура, изомерия для 10 класса, задачи с ответами по химии для 10 класса (неопр.). Я знаю. Дата обращения: 18 ноября 2024. Архивировано 18 ноября 2024 года.

[:4-8] 8,0 ^8,1 ^8,2 ^8,3 10. Непредельные_углеводороды.pdf (неопр.). Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова. Дата обращения: 19 ноября 2024.

[9] Куксёнок В. Ю. Лекция 3 (неопр.). Томский политехнический университет. Дата обращения: 19 ноября 2024.

[:5-10] 10,0 ^10,1 Взаимное влияние атомов в молекулах • Химия, Ароматические углеводороды (неопр.). Фоксфорд Учебник. Дата обращения: 19 ноября 2024.

[:6-11] 11,0 ^11,1 ^11,2 ^11,3 ^11,4 ^11,5 Алкены (неопр.). Видеоуроки. Дата обращения: 19 ноября 2024.

[:3-12] 12,0 ^12,1 ^12,2 ^12,3 ^12,4 Алкены. Гомологический ряд, строение, номенклатура, физические свойства • Химия, Непредельные углеводороды. Алкены. Алкадиены. Алкины. (неопр.). Фоксфорд Учебник. Дата обращения: 19 ноября 2024.

[:9-13] 13,0 ^13,1 ^13,2 Урок 3: Алкены (неопр.). 100urokov.ru. Дата обращения: 19 ноября 2024.

[14] Гидрирование алкенов (неопр.). Orgchem.ru. Дата обращения: 23 ноября 2024. Архивировано 3 марта 2024 года.

[:11-15] Травень В. Ф. Органическая химия: учебное пособие для вузов : в 3 т. Т. I. — М.: БИНОМ, 2015. — С. 233-234. — 401 с. — ISBN 978-5-9963-2939-7.

[16] Травень В. Ф. Органическая химия: учебное пособие для вузов : в 3 т. Т. I. — М.: БИНОМ, 2015. — С. 255-256. — 401 с. — ISBN 978-5-9963-2939-7.

[:12-17] 17,0 ^17,1 ^17,2 Травень В. Ф. Органическая химия: учебное пособие для вузов : в 3 т. Т. I. — М.: БИНОМ, 2015. — С. 240-243. — 401 с. — ISBN 978-5-9963-2939-7.

[:13-18] 18,0 ^18,1 ^18,2 ^18,3 ^18,4 Травень В. Ф. Органическая химия: учебное пособие для вузов : в 3 т. Т. I. — М.: БИНОМ, 2015. — С. 247 - 249. — 401 с. — ISBN 978-5-9963-2939-7.

[:14-19] 19,0 ^19,1 ^19,2 ^19,3 ^19,4 ^19,5 Травень В. Ф. Органическая химия: учебное пособие для вузов : в 3 т. Т. I. — М.: БИНОМ, 2015. — С. 233—282. — 401 с. — ISBN 978-5-9963-2939-7.

[:15-20] 20,0 ^20,1 ^20,2 ^20,3 ^20,4 ^20,5 ^20,6 ^20,7 ^20,8 ^20,9 Абрамов В. А. Химические свойства алкенов (неопр.). Acetyl. Дата обращения: 23 ноября 2024. Архивировано 23 ноября 2024 года.

[21] Коллектив авторов. Химия: углублённый курс подготовки к ЕГЭ / Ерёмин В. В.. — М.: Экспо, 2020. — С. 453. — 608 с. — ISBN 978-5-04-104070-3.

[:7-22] 22,0 ^22,1 ^22,2 ^22,3 ^22,4 ^22,5 Петров А. А., Бальян Х. В., Трощенко А. Т. Органическая химия: Учебник для вузов / под ред. Стадничука М. Д,. — СПб.: Иван Фёдоров, 2002. — С. 72—76. — 624 с. — ISBN 5-81940-067-4.

[23] Степанов В. Н. Способы получения алкенов (неопр.). CHEMEGE.RU. Дата обращения: 19 ноября 2024.

[24] Дерябина Г. И., Кантария Г. В., Грошев Д. И. Правило Зайцева (неопр.). Органическая химия: веб-учебник. Дата обращения: 19 ноября 2024. Архивировано 5 ноября 2024 года.

[25] Дерябина Г.И., Кантария Г. В., Грошев Д. И. Получение алкенов (неопр.). Органическая химия: веб-учебник. Дата обращения: 19 ноября 2024. Архивировано 7 декабря 2023 года.

[:8-26] 26,0 ^26,1 Фролова В. В., Дьяконова О. В. Органическая химия: учебное пособие для бакалавров агрономических факультетов сельскохозяйственных вузов.. — Воронеж: ФГБОУ ВО ВГАУ, 2016. — С. 32. — 235 с.

[27] Коллектив авторов. Химия. Большой справочник для подготовки к ЕГЭ: справочное издание. / под ред. В. Н. Доронькина. — Ростов н/Д.: Легион, 2023. — С. 371. — 560 с.

[:16-28] 28,0 ^28,1 ^28,2 ^28,3 Дерябина Г. И., Кантария Г. В., Грошев Д. И. Применение алкенов (неопр.). Интерактивный мультимедиа учебник. Дата обращения: 12 декабря 2024.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]