Алкены

Структура молекулы и природа двойной связи

В основе химического поведения непредельных углеводородов лежит их уникальная электронная структура. Термин «ненасыщенные» указывает на то, что при аналогичном углеродном скелете эти вещества содержат меньше атомов водорода, чем предельные алканы. Центральным структурным элементом молекулы выступает двойная связь ($C=C$).

Эта связь имеет сложную природу и складывается из двух различных взаимодействий:

• $\sigma$-связь (сигма-связь). Она формируется за счет прямого осевого перекрывания пары гибридизованных sp²-орбиталей. На ее долю приходится большая часть энергии взаимодействия — приблизительно 347 кДж/моль.
• $\pi$-связь (пи-связь). Возникает благодаря боковому перекрыванию пары негибридных p-орбиталей. Эта связь несколько слабее (около 259 кДж/моль), однако именно она определяет специфику всего класса.

Все оставшиеся свободными валентности углеродных атомов насыщаются либо атомами водорода, либо углеводородными заместителями (радикалами). Повышенная суммарная энергия двойной связи стягивает атомы углерода, поэтому расстояние между ними заметно меньше, чем в случае одинарной связи.

Химическая активность и качественные реакции

Несмотря на то, что двойная связь объективно обладает высокой прочностью, именно она выступает главным реакционным центром алкенов. Ключевую роль в этом парадоксе играет архитектура $\pi$-связи.

Электронная пара, образующая $\pi$-связь, распределена в пространстве в виде рассеянного облака, которое заметно удалено от ядер атомов углерода. Такое облако отличается исключительной подвижностью. Оно крайне чувствительно к воздействию внешних факторов: будь то влияние соседних атомов в самой молекуле или приближение атакующих частиц. Под действием этих агентов $\pi$-облако легко смещается к одному из атомов углерода, провоцируя химическое взаимодействие.

Для лабораторного выявления двойной связи применяется надежная качественная реакция:

1. Исследуемое вещество контактирует с бромной водой — раствором брома ($Br_2$), который изначально обладает выраженной желтой окраской.
2. Если в пробе присутствует алкен, раствор стремительно обесцвечивается.
3. Газообразные алканы в аналогичных условиях не вступают в реакцию, и цвет реагента сохраняется неизменным.

Гомологический ряд и номенклатура

Алкены формируют собственный гомологический ряд, который начинается с простейших газообразных представителей. В любых задачах на расчет элементного состава следует опираться на соотношение атомов углерода и водорода $1:2$.

Первые представители ряда:

• Этен (этилен) — $C_2H_4$.
• Пропен (пропилен) — $C_3H_6$.
• Бутен (бутилен) — $C_4H_8$.
• Пентен — $C_5H_{10}$.

При отщеплении атома водорода от молекулы алкена образуются непредельные радикалы, которые часто встречаются в структурах биоорганических молекул. Наиболее важными среди них являются винил ($CH_2=CH-$) и аллил ($CH_2=CH-CH_2-$).

Изомерия алкенов: от структуры к пространству

Появление кратной связи обогащает этот класс соединений новыми видами изомерии, отсутствующими у насыщенных углеводородов. В первую очередь, это изомерия положения двойной связи. Во-вторых, алкенам присуща пространственная или цис-транс-изомерия.

Причиной пространственной изомерии выступает особая геометрия $\pi$-связи, которая фиксирует четыре заместителя при атомах $C=C$ в одной плоскости и препятствует свободному вращению вокруг углерод-углеродной оси. Обязательным условием для существования таких изомеров является наличие двух пар разных заместителей у углеродов при двойной связи.

Различают два основных типа изомеров:

• Транс-изомер: одинаковые (или старшие) заместители располагаются по диагонали друг от друга.
• Цис-изомер: заместители находятся смежно (по одну сторону от плоскости двойной связи).

Этен и пропен изомеров не имеют, а вот бутен ($C_4H_8$) демонстрирует оба вида изомерии, причем структура прямо влияет на температуру кипения ($t_{кип}$):

• Бутен-1 ($CH_2=CH-CH_2-CH_3$): $t_{кип} = -6,26\ ^\circ C$.
• Транс-бутен-2: $t_{кип} = 3,71\ ^\circ C$.
• Цис-бутен-2: $t_{кип} = 0,88\ ^\circ C$.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Применение E/Z-системы номенклатуры при наличии 3 или 4 разных заместителей
• Правила построения структурных формул для изомеров пентена (C5H10)
• Влияние заместителей на смещение пи-электронного облака в молекуле
• Изомерия углеродного скелета непредельных углеводородов

Другие темы раздела «Глава 15. Углеводороды»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.