Промышленные способы получения алкенов
В промышленных масштабах непредельные соединения синтезируют из алканов. Главная особенность этих процессов — использование высоких температур для разрыва химических связей.
Дегидрирование представляет собой реакцию отнятия молекулы водорода от алкана. Процесс требует не только сильного нагревания, но и присутствия специфического катализатора.
- Классический пример: при нагревании бутана до 450 °C в присутствии оксида хрома(III) ($Cr_2O_3$) происходит отщепление атомов водорода. В результате этой реакции образуется преимущественно бутен-2 и выделяется свободный газообразный водород.
- Уравнение реакции: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 \xrightarrow[450^\circ C]{Cr_2O_3} CH_3-CH=CH-CH_3 + H_2$
Крекинг — это процесс термического разложения крупных молекул алканов на более мелкие фрагменты. Например, при термическом расщеплении молекулы с длинной цепью (такой как $C_{12}H_{26}$) в смеси продуктов неизбежно образуются алкены. Это один из базовых процессов нефтепереработки.
Лабораторные способы: реакции элиминирования
В лабораторной практике синтез алкенов осуществляют в значительно более мягких условиях. Основой служат реакции элиминирования (отщепления), в ходе которых исходными веществами выступают различные галогенпроизводные алканов.
Дегидрогалогенирование — это совместное отщепление атома галогена и атома водорода.
- Реагенты: для проведения реакции используют хлор- или бромалканы, на которые действуют сильными щелочами (гидроксидом натрия $NaOH$ или гидроксидом калия $KOH$).
- Обязательное условие: реакция протекает исключительно в спиртовом растворе. Использование водного раствора приведет к образованию спирта, а не алкена.
- Механизм: атомы галогена и водорода отщепляются от двух строго соседних атомов углерода. Освободившиеся валентности замыкаются, формируя новую двойную связь, при этом выделяется вода и соль.
- Пример: при действии спиртового раствора щелочи на 1-хлорпропан образуется пропен.
$Cl-CH_2-CH_2-CH_3 + NaOH \xrightarrow{спирт} CH_2=CH-CH_3 + NaCl + H_2O$
Региоселективность и правило Зайцева
При работе с асимметричными галогеналканами возникает вопрос: от какого именно из соседних углеродных атомов отойдет водород? В таких случаях химики руководствуются правилом Зайцева.
> Формулировка правила: В реакциях элиминирования атом водорода преимущественно отщепляется от менее гидрогенизированного атома углерода (то есть от того, у которого исходно находится меньшее число атомов водорода).
Рассмотрим этот принцип на примере взаимодействия 2-хлорбутана со спиртовым раствором щелочи. Атом хлора находится у второго атома углерода. Соседние с ним атомы — это $C^1$ (группа $CH_3$, три атома водорода) и $C^3$ (группа $CH_2$, два атома водорода). Поскольку у атома $C^3$ водорода меньше, отщепление происходит именно от него. В результате двойная связь формируется между вторым и третьим атомами углерода, и главным продуктом реакции становится бутен-2 (а не бутен-1). $CH_3-CH_2-CHCl-CH_3 + NaOH \xrightarrow{спирт} CH_3-CH=CH-CH_3 + NaCl + H_2O$
Дегалогенирование дигалогеналканов
Еще один эффективный лабораторный метод — дегалогенирование.
- Реагенты: в качестве исходных веществ берут дигалогеналканы, в которых два атома галогена присоединены к соседним атомам углерода. К ним добавляют активные металлы, чаще всего цинк ($Zn$) или магний ($Mg$).
- Механизм: активный металл отрывает и связывает оба атома галогена, превращаясь в соль (галогенид металла). Оставшиеся у соседних атомов углерода свободные электроны образуют двойную углерод-углеродную связь.
- Пример: при взаимодействии 1,2-дибромбутана с металлическим цинком образуется бутен-1 и бромид цинка.
$CH_2(Br)-CH(Br)-CH_2-CH_3 + Zn \rightarrow CH_2=CH-CH_2-CH_3 + ZnBr_2$
Чтобы легко запомнить правило Зайцева, используйте принцип «бедный становится еще беднее»: в реакциях элиминирования водород забирают у того атома углерода, у которого его и так было меньше.
Вопросы с занятий и экзамена
В какой среде должно происходить дегидрогалогенирование для получения алкена?
Реакция должна протекать строго в спиртовом растворе щелочи (NaOH или KOH).
Какой основной продукт образуется при дегидрировании бутана?
При нагревании в присутствии катализатора образуется преимущественно бутен-2 и выделяется молекула водорода.
Зачем в реакциях дегалогенирования используют цинк или магний?
Эти активные металлы связывают атомы галогенов, находящиеся у соседних углеродов, что приводит к формированию двойной связи и образованию алкена.
Что ещё разобрать по теме
- Механизмы реакций элиминирования в органической химии
- Различия продуктов реакций галогеналканов в водной и спиртовой среде
- Влияние строения катализаторов на процесс дегидрирования
- Применение правила Зайцева для разветвленных углеводородов
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Получение 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.