Полимеризация алкенов
Алкены способны объединяться в гигантские макромолекулы — полимеры. Классическим примером служит получение полиэтилена из этилена. По своей химической структуре готовый полиэтилен является уже предельным (насыщенным) углеводородом. Свойства материала кардинально зависят от условий протекания реакции:
- Радикальная полимеризация (высокое давление). Процесс идет при давлении около 1500 атм. Инициатором служит небольшое количество кислорода. В результате образуется белая гибкая масса, прозрачная в тонком слое. Молекулярная масса макромолекул составляет от 20 000 до 40 000 а.е.м. Из-за механизма обрыва цепи на концах молекул могут находиться атомы кислорода, однако доля концевых групп ничтожно мала из-за огромной длины самой цепи.
- Каталитическая полимеризация (низкое давление). Осуществляется в присутствии специфических катализаторов Циглера—Натта (смесь хлорида титана(IV) и алюминийорганических соединений). Этот полиэтилен обладает лучшими механическими свойствами по сравнению с аналогом высокого давления. Главный недостаток — он быстрее «стареет», то есть разрушается под действием света и окружающей среды. Промышленное производство и массовое внедрение упаковочных пакетов из этого материала началось примерно в 1955 году.
Второй по значимости полимер — полипропилен. При его синтезе может формироваться разная стереорегулярность цепи. Если использовать катализаторы Циглера—Натта, получается изотактическая структура с правильным, упорядоченным расположением метильных групп. Если же полимеризация идет под высоким давлением, формируется атактическая структура со случайным расположением радикалов (такой полипропилен начинает размягчаться уже при 30 °C).
Реакции окисления
Двойная связь делает алкены крайне чувствительными к действию окислителей. Характер продуктов полностью зависит от жесткости условий и среды реакции:
- Мягкое окисление (слабощелочная среда). При обработке водным раствором перманганата калия разрывается только $\pi$-связь. К атомам углерода присоединяются гидроксильные группы, и образуются двухатомные спирты (гликоли).
- Жесткое окисление (кислая среда + нагревание). Происходит полный, деструктивный разрыв молекулы алкена по месту двойной связи. В зависимости от строения исходного углеводорода продуктами могут быть карбоновые кислоты, кетоны или углекислый газ.
- Каталитическое окисление кислородом. Это специфическая промышленная реакция для этилена. При пропускании смеси этилена и кислорода над катализатором (серебро на оксиде алюминия) образуется циклическое соединение — оксиран (окись этилена). Это важнейшее сырье, которое ежегодно производится миллионами тонн и используется для синтеза моющих средств и других полимеров.
Механизм электрофильного присоединения
Алкены активно присоединяют галогены, галогеноводороды и воду по месту двойной связи. Механизм этого процесса можно разобрать на классическом примере бромирования:
- Молекула галогена приближается к атому углерода, образующему ненасыщенный центр.
- Под влиянием атакующей молекулы происходит смещение $\pi$-связи к этому атому углерода, а затем — к брому. Бром в данном случае выступает как типичный электрофильный реагент.
- Начинает формироваться химическая связь между углеродом и бромом, что сопровождается синхронным разрывом связи внутри молекулы галогена.
- На завершающей стадии отщепившийся бромид-ион присоединяется к молекуле. Он передает свою неподеленную электронную пару на свободную орбиталь второго атома углерода, завершая процесс.
Мягкое — спирт, жесткое — осколки. В слабощелочной среде (мягко) связь рвется наполовину (образуются гликоли), в кислой при нагреве (жестко) — молекула разрубается пополам до кислот, кетонов или газа.
Вопросы с занятий и экзамена
В чем принципиальная разница между полиэтиленом высокого и низкого давления?
Полиэтилен высокого давления получают радикальной полимеризацией: он более гибкий, но структура менее упорядочена. Полиэтилен низкого давления синтезируют на катализаторах Циглера—Натта: он прочнее механически, но подвержен более быстрому старению на свету.
Что такое изотактическая и атактическая структура полимера?
Изотактическая структура имеет строго упорядоченное расположение боковых групп (образуется на катализаторах). Атактическая структура отличается хаотичным расположением радикалов (формируется при полимеризации под высоким давлением) и меньшей термической стойкостью.
Как протекает окисление этилена на серебряном катализаторе?
Этилен окисляется газообразным кислородом в присутствии серебра на оксиде алюминия. При этом не происходит полного сгорания — образуется оксиран (окись этилена), ценное циклическое кислородсодержащее соединение.
Как рассчитать степень полимеризации?
Степень полимеризации рассчитывается делением молекулярной массы готового полимера на молекулярную массу мономера. Например, для полиэтилена массой 28 000 а.е.м. и мономера массой 28, степень составит 1000 молекул.
Что ещё разобрать по теме
- Уравнения жесткого окисления пропена и изомеров бутена в кислой среде
- Расчет количества молекул мономера (степени полимеризации) по молекулярной массе
- Подробный состав и принцип действия катализаторов Циглера—Натта
- Термическое разложение алкенов до простых веществ при высоких температурах
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Химические свойства алкенов» и ещё 3 009 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 90 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 15. Углеводороды»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.