Алкени: будова, ізомерія і реакції приєднання етену

Алкени — це ациклічні ненасичені вуглеводні, у молекулах яких є один подвійний зв'язок між атомами Карбону. Їхня загальна формула — CₙH₂ₙ, де n ≥ 2. Найпростіший представник — етен C₂H₄ (тривіальна назва — етилен), далі пропен C₃H₆ і бутени C₄H₈. На відміну від насичених алканів, алкени містять кратний зв'язок, що визначає їхню хімічну активність.

Будова молекули етену

Молекула етену має плоску будову: обидва атоми Карбону й чотири атоми Гідрогену лежать в одній площині. Кут між зв'язками H–C–H і H–C–C становить близько 120°. Подвійний зв'язок C=C складається з двох частин: міцнішого σ-зв'язку (утвореного перекриванням гібридних орбіталей) і слабшого π-зв'язку (утвореного перекриванням негібридизованих p-орбіталей). Довжина подвійного зв'язку (0,134 нм) менша за довжину простого зв'язку C–C (0,154 нм).

Важливо: подвійний зв'язок не вдвічі міцніший за простий. Енергія π-зв'язку значно менша, тому він розривається легше. Саме ця особливість зумовлює здатність алкенів вступати в реакції приєднання — подвійний зв'язок перетворюється на простий, а до атомів Карбону приєднуються нові атоми або групи.

Фізичні властивості

Етен — безбарвний газ зі слабким запахом, майже нерозчинний у воді. Пропен і бутени за звичайних умов також є газами. Зі збільшенням молекулярної маси температури кипіння алкенів зростають, що характерно для гомологічного ряду.

Алкени називають за систематичною номенклатурою IUPAC. У назві насиченого вуглеводню з тією самою кількістю атомів Карбону суфікс -ан замінюють на -ен (бутан → бутен). Головний ланцюг обов'язково має містити подвійний зв'язок, а нумерацію починають з того кінця, до якого подвійний зв'язок розташований ближче. Якщо подвійний зв'язок однаково віддалений від обох кінців, ланцюг нумерують так, щоб замісник отримав найменший номер. Номер атома Карбону, від якого починається подвійний зв'язок, ставлять перед суфіксом -ен.

Приклади назв:

• CH₂=CH–CH₂–CH₃ — бут-1-ен (подвійний зв'язок між C1 і C2)

• CH₃–CH=CH–CH₃ — бут-2-ен (подвійний зв'язок між C2 і C3)

• CH₂=C(CH₃)–CH₃ — 2-метилпроп-1-ен (ланцюг із трьох атомів C, подвійний зв'язок біля C1, метильний замісник біля C2)

Ізомерія алкенів

Для алкенів можливі два типи структурної ізомерії:

• Ізомерія карбонового ланцюга — різна будова карбонового скелета за однакової молекулярної формули. Приклад: бут-1-ен (CH₂=CH–CH₂–CH₃) і 2-метилпроп-1-ен (CH₂=C(CH₃)–CH₃) — обидва C₄H₈, але різний ланцюг.

• Ізомерія положення подвійного зв'язку — однаковий карбоновий скелет, але подвійний зв'язок розташований між різними атомами C. Приклад: бут-1-ен і бут-2-ен.

Етен і пропен ізомерних алкенів не мають — для них існує лише один спосіб розташування подвійного зв'язку в нерозгалуженому ланцюзі. Ізомерія з'являється починаючи з C₄H₈.

Кількість структурних ізомерів алкенів:

Алкен розгалуженої будови: 2-метилбут-2-ен

Розгляньмо алкен CH₃–C(CH₃)=CH–CH₃. Його молекулярна формула C₅H₁₀, отже, він ізомерний пент-1-ену. Подвійний зв'язок тут між C2 і C3 за будь-якої нумерації головного ланцюга, тому ланцюг нумерують так, щоб метильний замісник отримав найменший номер: це бут-2-ен із метильним замісником біля C2 — 2-метилбут-2-ен. Під час гідрування (приєднання H₂) подвійний зв'язок насичується, й утворюється 2-метилбутан.

Важливе спостереження: ізомерні алкени з однаковим карбоновим скелетом під час гідрування дають той самий алкан. Наприклад, бут-1-ен і бут-2-ен гідруються до бутану. А 2-метилбут-1-ен, 3-метилбут-1-ен і 2-метилбут-2-ен усі гідруються до 2-метилбутану.

Програма НМТ передбачає лише структурну ізомерію алкенів (ланцюга й положення подвійного зв'язку). Геометрична (цис-транс) ізомерія не входить до вимог.

Подвійний зв'язок алкенів легко розривається, і до атомів Карбону приєднуються різні атоми або групи. Розгляньмо чотири важливі реакції приєднання до етену.

Гідрування (приєднання водню)

Рівняння: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃ (каталізатор Ni або Pt, нагрівання). Продукт — етан. Це оборотна реакція: гідрування алкенів і дегідрування алканів — протилежні процеси. Гідрування застосовують у промисловості для перетворення ненасичених жирів на тверді.

Галогенування (приєднання брому та хлору)

Рівняння з бромом: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br. Продукт — 1,2-дибромоетан. Атоми Брому приєднуються до різних атомів Карбону колишнього подвійного зв'язку. Реакцію проводять в інертному розчиннику (наприклад, тетрахлорометані). З хлором аналогічно утворюється 1,2-дихлороетан: CH₂=CH₂ + Cl₂ → CH₂Cl–CH₂Cl.

Гідрогалогенування (приєднання гідроген галогенідів)

Рівняння з гідроген хлоридом: CH₂=CH₂ + HCl → CH₃–CH₂Cl. Продукт — хлороетан (етилхлорид). З HBr утворюється бромоетан CH₃–CH₂Br. Програма НМТ розглядає гідрогалогенування лише для етену, тому правило Марковникова (для несиметричних алкенів) не входить до вимог.

Гідратація (приєднання води)

Рівняння: CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃–CH₂–OH (каталізатор H₃PO₄ або H₂SO₄, нагрівання, підвищений тиск). Продукт — етанол. Це промисловий спосіб добування етанолу з етену (гідратація етилену).

Загальне правило реакцій приєднання

У всіх цих реакціях подвійний зв'язок розривається, до кожного з двох атомів Карбону приєднується по атому чи групі, і утворюється один насичений продукт. Гомологи етену реагують аналогічно: наприклад, пропен гідрується до пропану: CH₂=CH–CH₃ + H₂ → CH₃–CH₂–CH₃. Приєднання HCl і H₂O програма НМТ розглядає лише для етену.

Для виявлення алкенів використовують дві якісні реакції, засновані на здатності подвійного зв'язку приєднувати або окиснюватись.

Бромна вода

Бромна вода — це водний розчин брому жовто-бурого кольору. Етен швидко знебарвлює її, оскільки бром приєднується за подвійним зв'язком. Для якісної проби оцінюють саме знебарвлення, а рівняння реакції записують для брому в інертному розчиннику: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br. У водному розчині реакція ускладнюється утворенням побічних продуктів, але знебарвлення — надійна ознака наявності кратного зв'язку.

Розчин калій перманганату (KMnO₄)

Холодний розбавлений нейтральний або слабколужний розчин калій перманганату має фіолетове забарвлення. Етен знебарвлює його, при цьому випадає бурий осад манган(IV) оксиду (MnO₂) — алкен окиснюється. Докладне рівняння цього окиснення та назву продукту ви вивчите в наступному уроці («Алкени: окиснення, полімеризація і добування етену»).

Розрізнення алканів та алкенів

Алкани (метан, етан) за звичайних умов не знебарвлюють ні бромну воду, ні розчин KMnO₄. Саме тому ці реагенти дають змогу розрізнити етан і етен або виявити домішку етену в метані.

Обмеження методу

Бромну воду знебарвлюють не лише алкени, а й алкіни (сполуки з потрійним зв'язком), тому вона не розрізняє ці класи. Крім того, фенол також витрачає бром, але в реакції заміщення, а не приєднання. Отже, не можна робити однозначний висновок про будову невідомої сполуки лише за знебарвленням бромної води — це лише одна з ознак.

Зверни увагу: бромна вода й розчин KMnO₄ реагують з алкенами по-різному (бром приєднується, а KMnO₄ окиснює алкен), але обидва дають візуальний ефект знебарвлення. На НМТ треба знати, що обидва реагенти знебарвлюються алкенами й не реагують з алканами, а також уміти записати рівняння часткового окиснення етену — його розглянуто в наступному уроці.

Розгляньмо типові завдання, які можуть трапитися на НМТ, і розберімо їх покроково.

Приклад 1. Логічні пари: реагент — продукт приєднання до етену

Установіть відповідність між реагентом, що приєднується до етену (1–3), і продуктом реакції (А–Д).

1 H₂ (Ni, t)

2 HCl

3 H₂O (H₃PO₄, t, p)

А 1,2-дихлороетан

Б етанол

В етаналь

Г етан

Д хлороетан

Розв'язання:

1. H₂ приєднується до етену з утворенням етану: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃. Отже, 1 → Г.

1. HCl приєднується до етену з утворенням хлороетану: CH₂=CH₂ + HCl → CH₃–CH₂Cl. Отже, 2 → Д.

1. H₂O приєднується до етену з утворенням етанолу: CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃–CH₂–OH. Отже, 3 → Б.

Відповідь: 1Г, 2Д, 3Б.

Чому інші варіанти неправильні: А (1,2-дихлороетан) — продукт приєднання Cl₂, а не HCl; В (етаналь) — продукт окиснення етанолу, а не приєднання до етену.

Приклад 2. Твердження про алкен розгалуженої будови

Дано алкен 2-метилбут-2-ен CH₃–C(CH₃)=CH–CH₃. Які з тверджень I–IV є правильними?

I — він є ізомером пент-1-ену

II — під час гідрування утворює 2-метилбутан

III — його правильна назва 3-метилбут-2-ен

IV — він не знебарвлює бромну воду

Розв'язання:

I — ПРАВИЛЬНО. 2-метилбут-2-ен має формулу C₅H₁₀, пент-1-ен теж C₅H₁₀, отже, вони ізомери.

II — ПРАВИЛЬНО. Гідрування насичує подвійний зв'язок: CH₃–C(CH₃)=CH–CH₃ + H₂ → CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ (2-метилбутан).

III — НЕПРАВИЛЬНО. Подвійний зв'язок між C2 і C3 за будь-якої нумерації, тому ланцюг нумерують так, щоб метильна група отримала найменший номер (2, а не 3). Правильна назва — 2-метилбут-2-ен.

IV — НЕПРАВИЛЬНО. Усі алкени знебарвлюють бромну воду, оскільки мають подвійний зв'язок.

Відповідь: лише I і II.

Приклад 3. Ізомери положення подвійного зв'язку

Укажіть пару речовин, які є ізомерами положення подвійного зв'язку.

А бут-1-ен і 2-метилпроп-1-ен

Б пент-1-ен і пент-2-ен

В етен і пропен

Г бут-2-ен і бутан

Розв'язання: Ізомери положення подвійного зв'язку мають однаковий карбоновий скелет, але подвійний зв'язок розташований між різними атомами C.

А — ізомери карбонового ланцюга (різний скелет). Б — ізомери положення подвійного зв'язку (однаковий скелет C5, подвійний зв'язок біля C1 і C2 відповідно). В — гомологи (різна кількість атомів C). Г — різний склад (C₄H₈ і C₄H₁₀).

Відповідь: Б.

Приклад 4. Розрізнення етану й етену

Яким реактивом можна розрізнити етан і етен?

А розчин натрій гідроксиду

Б бромна вода

В вапняна вода

Г водень

Розв'язання: Етен знебарвлює бромну воду (приєднання брому), а етан — ні. NaOH не реагує з жодним із них. Вапняна вода виявляє CO₂, а не вуглеводні. Водень приєднується до етену лише з каталізатором і без видимої зовнішньої ознаки.

Відповідь: Б.

• Вважати, що алкани теж знебарвлюють бромну воду. Насправді алкани (метан, етан) за звичайних умов не реагують з бромною водою. Знебарвлення бромної води — ознака кратного зв'язку (алкени, алкіни) або фенолу.

• Нумерувати ланцюг алкену від розгалуження, а не від ближчого кінця подвійного зв'язку. Наприклад, помилково називають 2-метилбут-3-ен замість 3-метилбут-1-ен. Правило: нумерацію починають з кінця, ближчого до подвійного зв'язку, а не до замісника.

• Записувати продукт приєднання брому як CH₃–CHBr₂ (1,1-дибромоетан) замість CH₂Br–CH₂Br. Атоми брому приєднуються до різних атомів Карбону колишнього подвійного зв'язку, утворюючи 1,2-дибромоетан, а не 1,1-дибромоетан.

• Плутати гідрування (+H₂ → етан) і гідратацію (+H₂O → етанол). Гідрування — приєднання водню, продукт — алкан. Гідратація — приєднання води, продукт — спирт. Запам'ятай: H₂ → алкан, H₂O → спирт.

• Вважати бут-1-ен і «бут-3-ен» різними речовинами. Нумерацію ланцюга завжди починають з ближчого до подвійного зв'язку кінця. «Бут-3-ен» — це те саме, що бут-1-ен, оскільки нумерація з іншого кінця дає номер 1.

• Залишати в продукті приєднання подвійний зв'язок або записувати два продукти, як у заміщенні. Реакція приєднання дає один насичений продукт. Подвійний зв'язок зникає — утворюється простий зв'язок.

• Вважати, що етен з хлором вступає в заміщення, як метан на світлі. Етен приєднує хлор (галогенування), а не заміщує атоми Гідрогену. Реакція заміщення для алкенів з хлором відбувається лише за високих температур (>300°C).

У демоваріанті НМТ-2026 завдання 14 (вибір однієї відповіді з чотирьох, 1 бал) містить твердження I–IV про алкен розгалуженої будови: ізомерія, номенклатура, полімеризація, гідрування. Треба вибрати варіант з усіма правильними твердженнями.

Тема 3.2.2 програми НМТ передбачає такі вміння:

• визначати й розпізнавати структурні ізомери алкенів (за будовою ланцюга й положенням подвійного зв'язку)

• називати алкени за систематичною номенклатурою

• складати рівняння приєднання до етену водню, галогенів, гідроген галогенідів, води

• обирати спосіб виявлення алкенів (бромна вода, розчин KMnO₄)

Відповідність «реагент — продукт приєднання» може бути подана у формі «логічних пар» (завдання 19–20): 3 пари, по 1 балу, до 3 балів.

Стратегія для завдань з твердженнями:

У чернетці познач кожне твердження «+» чи «−» окремо й лише потім шукай відповідну комбінацію серед варіантів. Не намагайся оцінювати твердження «на око» — записуй результат аналізу для кожного з I–IV, а тоді зіставляй з варіантами відповідей.

• Алкени CₙH₂ₙ мають один подвійний зв'язок C=C; молекула етену плоска, кути ~120°.

• Ізомерія ланцюга й положення подвійного зв'язку: C₄H₈ — 3 алкени, C₅H₁₀ — 5.

• Нумерація — від кінця, ближчого до подвійного зв'язку; номер ставлять перед суфіксом -ен.

• Етен + H₂ → етан (Ni/Pt, t); + Br₂ → 1,2-дибромоетан; + HCl → хлороетан; + H₂O → етанол (H₃PO₄, t, p).

• Бромна вода й розчин KMnO₄ знебарвлюються алкенами, але не алканами — це спосіб їх розрізнити.