Алкены химически активны. Их химические свойства во многом определяются наличием двойной связи. Для алкенов наиболее характерны реакции электрофильного присоединения и реакции радикального присоединения. Реакции нуклеофильного присоединения обычно требуют наличие сильного нуклеофила и для алкенов не типичны. Алкены легко вступают в реакции окисления, присоединения а также способны к алильному радикальному замещению.
Реакции присоединения
-
Гидрирование Присоединение водорода (реакция гидрирования) к алкенам проводят в присутствии катализаторов. Чаще всего используют измельченные металлы - платину, никель, палладий и др. В результате образуются соответствующие алканы (насыщенные углеводороды).
CH2=CH2+H2→CH3–CH3
-
Присоединение галогенов. Алкены легко при обычных условиях вступают в реакции с хлором и бромом с образованием соответствующих дигалогеналканов, в которых атомы галогена находятся у соседних атомов углерода.
Замечание 1При взаимодействии алкенов с бромом наблюдается обесцвечивание желто-бурой окраски брома. Это одна из старейших и самых простых качественных реакций на ненасыщенные углеводороды, поскольку аналогично реагируют также алкины и алкадиены.
CH2=CH2+Br2→CH2Br–CH2Br
-
Присоединение галогеноводородов. При взаимодействии этиленовых углеводородов с галогеноводородами (HCl, HBr) образуются галогеналканы, направление реакции зависит от строения алкенов.
В случае этилена или симметричных алкенов реакция присоединения происходит однозначно и ведет к образованию только одного продукта:
CH2=CH2+HBr→CH3–CH2Br
В случае несимметричных алкенов возможно образование двух разных продукта реакции присоединения:
Замечание 2На самом деле в основном образуется только один продукт реакции. Закономерность направлении прохождения таких реакций установил российский химик В.В. Марковников в 1869 Она носит название правило Марковникова. При взаимодействии галогеноводородов с несимметричными алкенами атом водорода присоединяется по месту разрыва двойной связи в наиболее гидрированного атома углерода, то есть до того, что соединен с большим количеством атомов водорода.
Данное правило Марковников сформулировал на основе экспериментальных данных и только значительно позже оно получило теоретическое обоснование. Рассмотрим реакцию пропилена с хлористым водородом.
Одной из особенностей p-связи является его способность легко поляризоваться. Под влиянием метильной группы (положительный индуктивный эффект + I) в молекуле пропена электронная плотность p-связи смещается к одному из атомов углерода (= CH2). Вследствие этого на нем возникает частичный отрицательный заряд (δ−). На другом атоме углерода двойной связи в соответствии возникает частичный положительный заряд (δ+).
Такое распределение электронной плотности в молекуле пропилена определяет место будущей атаки протоном. Это - атом углерода метиленовой группы (= CH2), который несет частичный отрицательный заряд δ−. А хлор, соответственно, атакует атом углерода с частичным положительным зарядом δ+.
Как следствие, основным продуктом реакции пропилена с хлористым водородом является 2-хлорпропан.
-
Гидратация
Гидратация алкенов происходит в присутствии минеральных кислот и подчиняется правилу Марковникова. Продуктами реакции являются спирты
CH2=CH2+H2O→CH3–CH2–OH
-
Алкилирование
Присоединение алканов к алкенам в присутствии кислотного катализатора (HF или H2SO4) при низких температурах приводит к образованию углеводородов с большей молекулярной массой и часто используется в промышленности для получения моторного топлива
R–CH2=CH2+R′–H→R–CH2–CH2–R′
Реакции окисления
Окисление алкенов может происходить в зависимости от условий и видов окислительных реагентов как с разрывом двойной связи, так и с сохранением углеродного скелета:
-
Окисление перманганатом калия KMnO4 (реакция Е. Вагнера)
При окисления алкенов слабым раствором KMnO4 в слабощелочной среде образуются гликоли
3CH2=CH2+2KMnO4+4H2O→3HO–CH2–CH2–OH+2KOH+2MnO2
Данная реакция имеет стереоселективный характер, так как обусловлена образованием на промежуточных стадиях сложных цикличних эфиров.
-
Окисление пероксидом водорода в присутствии осмий (VIII) оксида
Продуктом данной реакции аналогично реакции Вагнера будет гликоль
CH2=CH2+HO–OH→HO–CH2–CH2–OH
-
Окисление органическими пероксидами (реакция М. Прилежаева)
Определение 1Реакция М. Прилежаева - это синтез окиси этилена окислением олефинов гидропероксидами кислот, или надкислотами такими как надмуравьиная HCOOH, надбензойная C6H5COOH и тому подобные.
Реакцию проводят смешиванием реагентов растворенных в инертном растворителе (гексан, бензол, хлороформ и др.) При температуре от -10 ° C до 60 ° C.
-
Окисление молекулярным кислородом
При окислении алкенов кислородом без катализатора происходит разрыв β-связи C−H с образованием гидропероксидов, которые раскладываются на спирты и альдегиды. Если использовать катализатор Ag, то продуктами реакции будут окись этилена (органические оксиды)
-
Озонолиз
Замечание 3Реакция алкенов с озоном является наиболее важным методом окислительного расщепления алкенов по двойной связи. Ее используют для определения строения алкена. Данная реакция идет селективно по двойной связи с образованием пероксида водорода, альдегидов или кетонов.
В условиях реакции образованные альдегиды способны окисляться до соответствующих карбоновых кислот.
-
Окисление в присутствии солей палладия
Во время окисления алкенов в присутствии солей палладия Pd (II) и воды образуются карбонильные соединения (альдегиды или кетоны). Например, этилен окисляется до этаналя. Данная реакция протекает в кислой среде и является промышленным способом добывания ацетальдегида
2CH2=CH2+O2→2CH3COH
Реакции полимеризации
Молекулы алкенов способны присоединяться при определенных условиях друг к другу с раскрытием π-связей и образования димеров, триммеров или высокомолекулярных соединений - полимеров. Полимеризация алкенов может протекать как по свободнорадикальному, так и катионно-анионому механизму. Как инициаторы полимеризации применяют кислоты, перекиси, металлы и др. Реакцию полимеризации осуществляют также под действием температуры, облучения, давления. Типичным примером является полимеризация этилена с образованием полиэтилена
nCH2=CH2→(–CH2–CH2–)n
Реакции замещения
Реакции замещения для алкенов не являются характерными. Однако при высоких температурах (свыше 400 ° C) реакции радикального присоединения, что носят обратимый характер, и подавляются. В этом случае становится возможным провести замещение атома водорода, находящегося в аллильном положении при сохранении двойной связи
CH2=CH–CH3+Cl2–CH2=CH–CH2Cl+HCl