§ 5. Алкени. Систематична номенклатура й ізомерія алкенів
• Алкени — ненасичені вуглеводні ациклічної будови з одним подвійним зв’язком атомів Карбону.
• Назви алкенів відповідають назвам алканів з такою ж кількістю атомів Карбону, лише суфікс -ан змінюється на -ен, наприклад, етан — етен.
• Етен С2Н4 є першим представником гомологічного ряду алкенів. Він, а також його гомологи мають на два атоми Гідрогену менше, ніж відповідний їм алкан.
Попрацюйте групами
2. Скориставшись результатами порівняння та знаючи загальну формулу алканів, складіть загальну формулу алкенів.
3. Укладіть гомологічний ряд алкенів з перших дев’яти представників, зазначивши назви та молекулярні формули речовин.
АЛКЕНИ, БУДОВА МОЛЄКУЛИ. Загальна формула алкенів — СnН2n. За зменшення кількісного складу молекул алкенів на два атоми Гідрогену порівняно з відповідними алканами чотиривалентний стан Карбону зберігається завдяки утворенню подвійного зв’язку:
Наведені структурна й електронна формули та масштабна й кулестрижнева моделі етену (мал. 6) ілюструють наявність у молекулі етену шести ковалентних зв’язків. Чотири з них утворились між атомами Карбону й Гідрогену, два — між атомами Карбону. Позначення подвійного зв’язку у структурній формулі двома однаковими рисками чи в електронній формулі двома однаковими парами електронів не означає, що ці зв’язки рівноцінні.
Мал. 6. Моделі молекули етену
У подвійному зв’язку один зв’язок міцніший, другий — слабкіший. Слабкіший зв’язок першим розривається в реакціях, тоді як міцніший зберігається. За місцем розриву відбувається приєднання інших атомів чи груп атомів. Це підтверджують хімічні властивості алкенів (§ 6).
Через утворення подвійного зв’язку зменшується відстань між ядрами атомів Карбону. Довжина подвійного зв’язку С=С становить 0,133 нм, тоді як довжина одинарного зв’язку С—С дорівнює 0,154 нм.
СИСТЕМАТИЧНА НОМЕНКЛАТУРА АЛКЕНІВ. У систематичній номенклатурі алкенів відображають порядок сполучення атомів Карбону в молекулі (аналогічно алканам) і місце подвійного зв’язку в карбоновому лацюзі.
Загальні правила складання назв алкенів за систематичною номенклатурою такі.
1. Обирають головний ланцюг — найдовший карбоновий ланцюг з подвійним зв’язком.
2. Нумерацію головного ланцюга здійснюють за принципом найменшого локанта для атома Карбону, сполученого подвійним зв’язком з іншим атомом Карбону.
3. Назви алкенів утворюють від назв алканів з такою самою кількістю атомів Карбону, замінюючи суфікс -ан на -ен.
4. Перед суфіксом -ен записують локант подвійного зв’язку, виділяючи його з обох боків дефісами.
5. Повну назву складають у такій самій послідовності, що й для алканів, за винятком того, що перед суфіксом -ен додається локант подвійного зв’язку.
У разі необхідності ви можете пригадати послідовність складання назви алканів, звернувшись до тексту § 3.
Розглянемо складання назв алкенів (табл. 6, с. 42) на прикладі речовини, формула якої
Алгоритм складання назви алкену
Пам’ятайте, що між локантами кількох однакових замісників ставлять коми, а всі локанти (зокрема й подвійного зв’язку) відокремлюються від літер рисками.
Попрацюйте групами
Знаючи номенклатуру алкенів, легко за назвами безпомилково складати структурні формули речовин цього класу.
1. Складіть структурні формули:
2. Знайдіть і виправте помилку в назві алкену, головний ланцюг якого складається із шести атомів Карбону: 2-етил-4,5-метилгекс-1-ен.
ІЗОМЕРІЯ АЛКЕНІВ. Неважко зрозуміти, що структурна ізомерія алкенів зумовлена не лише різним порядком зв’язку атомів Карбону (розташуванням замісників), а й положенням подвійного зв’язку в головному ланцюгу. Алкенам властива також просторова ізомерія (про неї можна дізнатися зі сторінки ерудита).
Якщо в алкану з молекулярною формулою С4Н10 існує два структурних ізомери, то в алкену з такою самою кількістю атомів Карбону їх три.
Попрацюйте групами
1. Складіть структурні формули ізомерів пентену.
2. Назвіть речовини, формули яких ви склали.
ВИВЕДЕННЯ МОЛЕКУЛЯРНОЇ ФОРМУЛИ РЕЧОВИНИ ЗА ЗАГАЛЬНОЮ ФОРМУЛОЮ ГОМОЛОГІЧНОГО РЯДУ ТА ГУСТИНОЮ АБО ВІДНОСНОЮ ГУСТИНОЮ. Знання загальної формули гомологічного ряду допомагає встановлювати молекулярну формулу речовини. Розглянемо приклади задач.
Задача 1. Виведіть молекулярну формулу газоподібного алкену, густина якого за нормальних умов дорівнює 1,875 г/л.
Задача 2. Виведіть формулу алкану, відносна густина парів якого за повітрям дорівнює 2.
Сторінка ерудита
Стереоізомерія алкенів. Таку назву отримала ізомерія, зумовлена різним просторовим розташуванням однакових атомів відносно подвійного зв’язку.
Наприклад, групи CH3 в молекулі бут-2-ену СН3—СН=СН—СН3 можуть розташовуватися по один бік подвійного зв’язку в одному ізомері (а) й по різні — в іншому (б). У першому випадку утворюється цис-ізомер, а в другому — транс-ізомер.
Між цис- і транс-ізомерами існують відмінності за фізичними й навіть деякими хімічними властивостями.
Стисло про основне
• Алкени — ненасичені вуглеводні з одним подвійним зв’язком у молекулі.
• Алкенам властива структурна ізомерія.
• Складаючи назви алкенів, ураховують локанти й назви замісників, назву головного карбон-карбонового ланцюга та локант подвійного зв’язку.
Знаємо, розуміємо
- 1. Які органічні речовини називають алкенами? Наведіть приклади представників гомологічного ряду алкенів.
- 2. Чому алкени належать до ненасичених вуглеводнів, а алкани — до насичених?
- 3. Який алгоритм складання назв алкенів за систематичною номенклатурою?
- 4. Алкан чи алкен з однаковим кількісним складом Карбону має більше ізомерів? Поясніть.
Застосовуємо
1. З наведеного списку формул органічних речовин виберіть формули алкенів і назвіть їх:
2. Розташуйте речовини за збільшенням кількості атомів Гідрогену в молекулі: гептен, пентан, гептан, пентен.
3. Назвіть речовини, формули яких наведено:
4. Складіть структурні формули сполук:
5. Складіть структурну і молекулярну формули сполуки 4-етил-3-метилгекс-2-ен.
6. Густина парів алкену за повітрям дорівнює 2,9. Виведіть формулу речовини.
7. Виведіть формулу алкану, відносна густина парів якого за гідроген флуоридом дорівнює 2,9.
8. Алкен і азот мають однакову густину за воднем. Виведіть формулу алкену.
§ 11. Алкени та алкіни. Загальні та молекулярні формули алкенів та алкінів, структурна ізомерія, систематична номенклатура. Хімічні властивості етену та етину
Алкени та алкіни, як ви вже знаєте, належать до ациклічних ненасичених вуглеводнів (поясніть чому). Початкові уявлення щодо хімічного складу, будови молекул, хімічних властивостей алкенів і алкінів ви дістали минулого навчального року на прикладі етену (етилену) та етину (ацетилену). Саме ці вуглеводні є першими членами відповідних гомологічних рядів.
• Складіть молекулярні та повні структурні формули етену та етину, загальні формули алкенів і алкінів. Самотужки проконтролюйте правильність виконання завдання, скориставшись схемою класифікації вуглеводнів, наведеною на рисунку 5.1. Доповніть речення, використавши слова «лінійна» та «площина»: Будова молекули етену – . етину – . .
Структурні ізомери утворюють усі алкени й алкіни, крім етену й етину. Різновиди структурної ізомерії алкенів і алкінів наведено на схемі, зображеній на рисунку 11.1.
Рис. 11.1. Види структурної ізомерії алкенів і алкінів
Розгляньмо кілька структурних ізомерів складу С4Н8 (рис. 11.2).
Рис. 11.2. Структурні ізомери складу С4Н8
Речовини (1) і (2) є ізомерами карбонового скелета. У молекули речовини (1) карбоновий ланцюг нерозгалужений, у молекули речовини (2) – розгалужений. Порівняймо структурні ізомери (1) і (3): у цих речовин карбонові ланцюги нерозгалужені, однак в ізомері (1) подвійний зв’язок розташований після першого атома Карбону, а в ізомері (3) – після другого. Тобто ізомери (1) і (3) є ізомерами положення подвійного (кратного) зв’язку. Зверніть увагу: у молекулі ізомеру (4) немає кратних зв’язків, цей вуглеводень – насичений. Його карбоновий ланцюг замкнутий. Ізомер (4) належить до циклоалканів, іншої групи вуглеводнів, тож ідеться про *міжгрупову ізомерію.
Називати алкени та алкіни за систематичною номенклатурою просто, якщо застосувати знання про номенклатуру алканів і дотримуватись алгоритму, наведеного на рисунку 11.4.
Рис. 11.4. Алгоритм побудови назв алкенів і алкінів за систематичною номенклатурою (порівняйте його з алгоритмом побудови назв алканів, наведеним на рисунку 5.1)
Ви, напевно, звернули увагу на нумерацію атомів Карбону в структурних формулах ізомерів 1-3 речовини складу С4Н8 і дійшли правильного висновку: положення подвійного зв’язку й замісників позначають найменшими числами, але перевагу у виборі початку нумерації віддають подвійному зв’язку. За таким самим принципом вибирають головний ланцюг у молекулах алкінів.
Приклади назв алкенів і алкінів
• На власний розсуд або за порадою вчителя чи вчительки хімії виберіть з-поміж наведених структурних формул формули алкену й алкіну, складіть формули їхніх структурних ізомерів, назвіть їх за систематичною номенклатурою.
Хімічні властивості етену й етину багато в чому подібні. Адже обидві речовини є ненасиченими вуглеводнями. Ви зможете вкотре пересвідчитися в тому, що властивості речовин залежать від їхнього хімічного складу й хімічної будови, проаналізувавши дані, наведені в таблиці 11.1.
• Чи всі хімічні реакції, схеми або рівняння, яких наведено в таблиці 11.1, є новими для вас? Яку важливу хімічну властивість етену, яку ви вивчили в 9 класі, не відображено в таблиці? Відповісти на це запитання вам допоможе застаріла назва етену – етилен. Перетворіть схеми хімічних реакцій, подані в таблиці, на хімічні рівняння. Назвіть за систематичною номенклатурою вуглеводні й спирт, формули яких наведено в таблиці.
Цікаво і пізнавально
У хімії є чимало іменних реакцій і правил, тобто таких, які названо іменами їхніх дослідників і дослідниць. Наприклад, м’яке окиснення алкенів водним розчином калій перманганату розробив у 1886 році професор Казанського університету Є. Є. Вагнер. Цю реакцію, часто використовувану для виявлення кратних зв’язків в органічних речовинах, у хімічній літературі називають реакцією Ватера. Реакція Кучерова – метод гідратації алкінів з утворенням карбонільних сполук. Реакцію відкрив російський хімік М. Г. Кучеров у 1881 році. На честь російського хіміка В. В. Марковникова названо правило, яке він сформулював у 1869 році. Відповідно до цього правила під час реакцій приєднання гідроген галогенідів, водню та води за місцем подвійного зв’язку атом Гідрогену переважно приєднується до найбільш гідрогенізованого атома Карбону, а атом галогену Hal або гідроксильна група – до найбільш заміщеного (того, що має менше атомів Гідрогену). Наприклад:
• Проаналізуйте схему другої стадії реакції гідрогалогенування етину й поясніть, за яким правилом молекули гідроген хлориду приєднуються до молекули 1-хлороетену. Складіть формулу іншого продукту цієї реакції, якого утворюється значно менше, ніж основного. Назвіть цю речовину. Чим є два продукти цієї реакції один відносно одного?
1 Етаналь – представник альдегідів, докладніше про цей клас органічних сполук буде в параграфі 16.
ПРО ГОЛОВНЕ
• Молекулярна формула етину С2Н2, його повна структурна формула Н-С≡С-Н, молекула етину має лінійну будову; загальна формула алкінів СnН2n-2, де n ≥ 2.
• Положення кратного зв’язку і замісників у назвах алкенів і алкінів позначають найменшими числами, але перевагу у виборі початку нумерації віддають кратному зв’язку. Суфіксом -ен і числом попереду нього в назві ненасиченого вуглеводню позначають положення подвійного зв’язку, суфіксом -ин (-ін) і числом попереду нього – потрійного.
• Алкенам і алкінам властива структурна ізомерія, а саме: ізомерія карбонового ланцюга, ізомерія положення кратного зв’язку й міжгрупова ізомерія.
• Етен і етин вступають у реакції повного та часткового окиснення, приєднання водню, галогенів, гідроген галогенідів і води за місцем кратного зв’язку.
• Продуктом гідратації етену є етанол, етину – етаналь.
• Знебарвлення бромної води й фіолетового водного розчину калій перманганату – якісні реакції для виявлення кратних зв’язків.
Перевірте себе
1. Яка загальна кількість ковалентних зв’язків у молекулі етену? Етину? 2. Які види структурної ізомерії характерні для алкенів і алкінів? 3. За яким алгоритмом називають алкени й алкіни відповідно до систематичної номенклатури? 4. Які хімічні реакції характерні для етену та етину? 5. Які продукти реакцій повного окиснення алкенів і алкінів? 6. Які вуглеводні утворяться внаслідок: а) гідрування бут-1-ену та бут-2-ену; б) часткового та повного гідрування проліну? 7. Які речовини є продуктами гідратації етену та етину? 8. Як можна відрізнити етен та етин від етану?
Застосуйте свої знання й уміння
9. Складіть структурні формули ізомерів карбонового скелета й положення кратного зв’язку речовин складу С4Н6 і С5Н8. Назвіть їх за систематичною номенклатурою. 10. Складіть структурні формули алкенів і алкінів за їхніми назвами: а) 5-метилгекс- 2-ен; б) 3,4,4-триметилпент-2-ен; в) 3-етил-6,6-диметилгепт-2-ен; г) 5-метилгекс-2-ин; д) 5-етил-6,6-диметилгепт-3-ин. 11. Складіть молекулярні формули: а) алкену, відносна густина пари якого за воднем становить 42; б) алкіну, відносна густина пари якого за киснем становить 2,125; в) алкену, у молекулі якого 7 атомів Карбону; г) алкену, у молекулі якого 16 атомів Гідрогену.
Творча майстерня
12. Створіть ментальну карту за результатами опрацювання параграфа.
Дізнайтеся більше
- https://www.khanacademy.org/science/organic-chemistry/alkenes-alkynes/naming-alkenes/v/naming-alkenes-examples