4.3. Алкадиены (диены): Химические свойства

Алкадиены

Алкадиены – непредельные (ненасыщенные) углеводороды, имеющие в молекуле две двойных связи С=С. Каждая такая связь содержит одну сигма-связь (σ-связь) и одну пи-связь (π-связь).

Алкадиены также называют диеновыми углеводородами. Первый член гомологического ряда – пропадиен – CH2=C=CH2. Общая формула их гомологического ряда – CnH2n-2.

Номенклатура и изомерия алкадиенов

Названия алкенов формируются путем добавления суффикса “диен” к названию алкана с соответствующим числом: пропадиен, бутадиен, пентадиен и т.д.

При составления названия алкадиена важно учесть, что главная цепь атомов углерода должна обязательно содержать двойные связи. Нумерация атомов углерода в ней начинается с того края, к которому ближе двойная связь. В конце названия указывают атомы углерода, у которых начинается двойная связь.

Атомы углерода, прилежащие к двойной связи находятся в sp 2 гибридизации.

Для алкадиенов характерна изомерия углеродного скелета, положения двойных связей, межклассовая изомерия с алкинами и пространственная геометрическая изомерия в виде существования цис- и транс-изомеров.

Также к синтетическим каучукам относится бутадиен-1,3 (дивинил).

Классификация по положению двойных связей

В зависимости от того, как чередуются двойные связи в молекуле алкадиена, они подразделяются на следующие типы:

    Кумулированные двойные связи

В случае, если две двойные связи прилежат к одному и тому же атому углерода.

Пример – пропадиен-1,2 (аллен) – CH2=C=CH2

В молекуле аллена крайние атомы углерода находятся в состоянии sp 2 -гибридизации, а центральный атом – sp-гибридизации.

Сопряженные двойные связи

В случае, если две двойные связи разделены одной одинарной связью. В результате такого взаиморасположения в молекулах возникает сопряжение: формируется единое π-электронное облако.

Помните, что сигма-связи (σ-связи) перекрываются вдоль линии плоскости, а пи-связи (π-связи) над и под линией плоскости (линией, соединяющей центры атомов).

Изолированные двойные связи

В случае, если две двойные связи разделены двумя и более одинарными связями.

Получение алкадиенов

Алкадиены получают несколькими способами:

    Дегидрогалогенирование дигалогеналканов

В результате реакции молекулы алкана, содержащей два атома галогена, со спиртовым (!) раствором щелочи получается алкадиен. В зависимости от положения галогенов возможны разные варианты.

Отщепление идет по правилу Зайцева: атом водорода отщепляется от соседнего, наименее гидрированного атома углерода.

Сергей Васильевич Лебедев в 1927 году разработал первый промышленный способ получения синтетического каучука из этилового спирта.

Каучук занимает важное место в промышленности благодаря своим свойствам: водонепроницаемости, эластичности и способности к электроизоляции. Путем вулканизации из каучука получают резину, используемую повсеместно.

В результате отщепления водорода от молекулы алкана образуются двойные связи. Дегидрирование происходит при повышенной температуре и в присутствии катализатора.

Читайте также:
12.1. Амины: Строение, номенклатура, изомерия

Химические свойства алкадиенов

Алкадиены – ненасыщенные углеводороды, легко вступающие в реакции присоединения. Реакции замещения для них не характерны. Наличие сопряженных двойных связей увеличивает реакционную способность молекулы и обуславливает необычный механизм некоторых реакций.

Водород присоединяется к атомам углерода, образующим двойную связь. Пи-связь (π-связь) рвется, остается единичная сигма-связь (σ-связь).

Реакция с бромной водой является качественной для непредельных соединений, содержащих двойные (и тройные) связи. В ходе такой реакции бромная вода обесцвечивается, что указывает на присоединение брома по кратным связям к органическому веществу.

В случае, если двойные связи находятся в сопряжении, выход продуктов во многом зависит от температуры. Например, в ходе галогенирования бутадиена-1,3 при -80°C преимущественно получается продукт 1,2-присоединения, а при +60°C – продукт 1,4-присоединения.

Алкадиены вступают в реакции гидрогалогенирования, протекающие по типу присоединения.

Гидрогалогенирование протекает по правилу Марковникова, в соответствии с которым атом водорода присоединяется к наиболее гидрированному, а атом галогена – к наименее гидрированному атому углерода.

При горении алкадиены, как и все органические соединения, сгорают с образованием углекислого газа и воды – полное окисление.

Полимеризация – цепная реакция синтеза полимеров, при котором молекула полимера образуется путем последовательного соединения молекул мономеров.

Индекс “n”, степень полимеризации, обозначает число мономерных звеньев, которые входят в состав полимера.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Химические свойства

  • Строение, номенклатура, изомерия
  • Способы получения
  • Химические свойства
  • Каучуки

Теперь мы переходим к рассмотрению химических свойств алкадиенов. В целом, для них возможны те же реакции, что и для алкенов, то есть реакции присоединения.

Первым в списке будет галогенирование, присоединение галогенов.

Здесь необходимо особо отметить, что такие реакции могут идти, во-первых, по двум направлениям, как 1,4-присоединение и как 1,2-присоединение. Обратите внимание, что в случае 1,4-присоединения кратная связь перемещается в центр молекулы, то есть во второе положение. В данном примере получается 1,4-дибромбутен-2.

Направление реакции зависит в первую очередь от температуры, но для нас это не так важно. Если подобное уравнение встретится в цепочках превращений, то по продукту реакции, указанному в цепочке, будет понятно, по какому направлению пошло присоединение.

Читайте также:
8.1. Многоатомные спирты (этиленгликоль, глицерин): Номенклатура, физические свойства

И вторая важная особенность этих реакций то, что они могут протекать по двум ступеням — сначала присоединяется одна молекула реагента, затем вторая.

В таких случаях в цепочках обычно указывают над стрелкой, сколько моль реагента вступит в реакцию. Если один, то очевидно, что реакция пойдет только по одной ступени с сохранением одной двойной связи. Если будет указано два моля, то присоединение произойдет с разрушением обеих двойных связей.

Второе свойство — гидрогалогенирование, присоединение галогеноводородов.

Здесь также возможно 1,4- или 1,2-присоединение. Главное, на что надо обратить внимание — в случае 1,2-присоединения оно идет по правилу Марковникова. Атом водорода присоединяется к наиболее гидрированному атому углерода.

Третье свойство — гидрирование, присоединение водорода.

Здесь все просто — катализатор платина, продукт — предельный углеводород, в данном случае бутан.

Четвертое свойство, пожалуй, самое важное — полимеризация.

Полимеризацией бутадиена и изопрена получают материал каучук, являющийся основой резиновых изделий, например, автомобильных покрышек и камер.

Из бутадиена-1,3 получают полимер — полибутадиен, называемый бутадиеновый каучук.

Из изопрена получают изопреновый каучук, полиизопрен.

Обратите внимание, что в обоих случаях остается одна двойная связь и она перемещается в центр мономерного звена.

Вам нужно запомнить самое главное: бутадиеновый — синтетический каучук, изопреновый — природный, натуральный каучук. Этот вопрос может встретиться на ЕГЭ. Разумеется, в современной химической промышленности найдены способы получения изопренового каучука, не уступающего по качеству натуральному.

Качественный каучук имеет стереорегулярное строение, то есть образует цепи с цис-ориентацией, то есть цис-полиизопрен. Когда заместители расположены по одну сторону от двойных связей. Это обеспечивает характерную упругость резиновым изделиям, то есть способность возвращаться в первоначальную форму после деформации.

Для повышения прочности каучука проводят его вулканизацию, нагревание с серой. Сера создает мостики, между полимерными цепями, сшивая их между собой.

Строение каучука (а) и резины (б).

Вулканизированный каучук называется резиной. Чем больше будет таких дисульфидных мостиков, тем менее эластичным будет материал. В конце концов он станет твердым, такой материал называется эбонит. Помните из физики — эбонитовая палочка, потертая о шерсть, заряжается отрицательно?

Дополнительно напомню про существование еще одного вида каучуков, который желательно помнить. Речь о хлоропреновом каучуке. Этот полимерный материал делается из 2-хлорбутадиена-1,3, имеющего тривиальное название хлоропрен.

Предлагаю вспомнить два уравнения реакции, которые приводят к получению хлоропрена.

Во-первых, это димеризация ацетилена.

Катализаторы — хлорид меди 1 и хлорид аммония. Чтобы вы не сильно боялись, отмечу, что знание этих катализаторов на экзамене у вас проверять не будут. Продукт реакции — винилацетилен, имеющий и двойную, и тройную связь в составе углеродной цепи.

Читайте также:
2.2. Алкены: Способы получения

Вторая реакция — присоединение хлороводорода к венилацетилену.

Здесь важным условием является наличие солей ртути. Напомню, что этот катализатор характерен для реакций гидрогалогенирования и гидратации для алкинов в целом.

В конце разговора о химических свойствах алкадиенов следует упомянуть о пятом свойстве в общем списке — это горение, полное окисление.

Как и все углеводороды, диены сгорают до воды и углекислого газа. Уравнение реакции сгорания в общем виде будет аналогично уравнению сгорания алкинов. Как оно выводится, вы можете посмотреть в видео, посвященном химическим свойствам алкинов.

Мы рассмотрели пять химических свойств алкадиенов, обсудили особенности присоединения по двойным связям, поговорили о бутадиеновом, синтетическом, и изопреновом, натуральном, каучуках.

Химические свойства алкадиенов

Алкадиены – это непредельные (ненасыщенные) нециклические углеводороды, в молекулах которых присутствуют две двойные связи между атомами углерода С=С.

Общая формула алкадиенов CnH2n-2 (как у алкинов, а также циклоалкенов), где n ≥ 3.

Наличие двух двойных связей между атомами углерода очень сильно влияет на свойства углеводородов. В этой статье мы подробно остановимся на свойствах, способах получения и особенностях строения алкадиенов.

Химические свойства сопряженных алкадиенов

Сопряженные алкадиены – непредельные нециклические углеводороды, в молекулах которых две двойные связи образуют сопряженную систему.

Химические свойства алкадиенов похожи на свойства алкенов. Алкадиены также легко вступают в реакции присоединения и окисления.

Химические свойства сопряженных алкадиенов отличаются от алкенов некоторыми особенностями, которые обусловлены делокализацией электронной плотности π-связей.

1. Реакции присоединения

Для алкадиенов характерны реакции присоединения по одной из двойных связей С=С, либо по обоим связям. Реакции с водой, галогенами и галогеноводородами протекают по механизму электрофильного присоединения. При присоединении одной молекулы реагента к алкадиену рвется только одна двойная связь. При присоединении двух молекул реагента к алкадиену разрываются обе двойные связи.

Помимо присоединения по одной из двух двойных связей (1,2-присоединение), для сопряженных диенов характерно так называемое 1,4-присоединение, когда в реакции участвует вся делокализованная система из двух двойных связей, реагент присоединяется к 1 и 4 атому углерода сопряженной системы, а двойная связь образуется между 2 и 3 атомами углерода.

1.1. Гидрирование

Гидрирование алкадиенов протекает в присутствии металлических катализаторов, при нагревании и под давлением.

При присоединении одной молекулы водорода к дивинилу образуется смесь продуктов (бутен-1 и бутен-2):

Читайте также:
9.3. Фенол: Химические свойства

Соотношение продуктов 1,2- и 1,4- присоединения зависит от условий реакции.

При комнатной и повышенной температуре основным продуктом реакции является 1,4-продукт (бутен-2).

При полном гидрировании дивинила образуется бутан:

1.2. Галогенирование алкадиенов

Присоединение галогенов к алкадиенам происходит даже при комнатной температуре в растворе (растворители — вода, CCl4).

При взаимодействии с алкадиенами красно-бурый раствор брома в воде (бромная вода) обесцвечивается. Это качественная реакция на двойную связь.
Например, при взаимодействии бутадиена-1,3 с бромной водой преимущественно протекает 1,4 присоединение и образуется 1,4-дибромбутен-2:

Побочным продуктом бромирования дивинила является 3,4-дибромбутен-1:

При полном бромировании дивинила образуется 1,2,3,4-тетрабромбутан:

1.3. Гидрогалогенирование алкадиенов

Алкадиены взаимодействуют с галогеноводородами. При присоединении хлороводорода к бутадиену-1,3 преимущественно образуется 1-хлорбутен-2:

3-Хлорбутен-1 образуется в небольшом количестве.

При присоединении полярных молекул к алкадиенам образуется смесь изомеров. При этом выполняется правило Марковникова.

Правило Марковникова: при присоединении полярных молекул типа НХ к алкадиенам водород преимущественно присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода при двойной связи.

1.5. Полимеризация

Полимеризация — это процесс многократного соединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) друг с другом с образованием высокомолекулярного вещества (полимера).

nM → Mn (M – это молекула мономера)

Полимеризация алкадиенов протекает преимущественно по 1,4-механизму, при этом образуется полимер с кратными связями, называемый каучуком.

Продукт полимеризации дивинила (бутадиена) называется искусственным каучуком:

При полимеризации изопрена образуется природный (натуральный) каучук:

2. Окисление алкадиенов

Реакции окисления в органической химии сопровождаются увеличением числа атомов кислорода (или числа связей с атомами кислорода) в молекуле и/или уменьшением числа атомов водорода (или числа связей с атомами водорода).

В зависимости от интенсивности и условий окисление можно условно разделить на мягкое и жесткое.

2.1. Мягкое окисление алкадиенов

Мягкое окисление алкадиенов протекает при низкой температуре в присутствии перманганата калия. При этом раствор перманганата обесцвечивается.

В молекуле алкадиена разрываются только π-связи и окисляются атомы углерода при двойных связях. При этом образуются четырехатомные спирты.

Обесцвечивание алкадиенами водного раствора перманганата калия, как и в случае алкенов – качественная реакция на двойную связь.

2.2. Жесткое окисление

При жестком окислении под действием перманганатов или соединений хрома (VI) происходит полный разрыв двойных связей С=С и связей С-Н у атомов углерода при двойных связях. При этом у окисляемых атомов углерода образуются связи с атомами кислорода.

Так, если у атома углерода окисляется одна связь, то образуется группа С-О-Н (спирт). При окислении двух связей образуется двойная связь с атомом углерода: С=О, при окислении трех связей — карбоксильная группа СООН, четырех — углекислый газ СО2.

Читайте также:
12.3. Амины: Химические свойства

Можно составить таблицу соответствия окисляемого фрагмента молекулы и продукта:

Окисляемый фрагмент KMnO4, кислая среда KMnO4, H2O, t
>C= >C=O >C=O
-CH= -COOH -COOK
CH2= CO2 K2CO3

При окислении бутадиена-1,3 перманганатом калия в среде серной кислоты возможно образование щавелевой кислоты и углекислого газа:

2.3. Горение алкадиенов

Алкадиены, как и прочие углеводороды, горят в присутствии кислорода с образованием углекислого газа и воды.

В общем виде уравнение сгорания алкадиенов выглядит так:

Диены — номенклатура, получение, характерные химические свойства

Алкадиены (диены) – непредельные алифатические углеводороды, молекулы которых содержат две двойные связи. Общая формула алкадиенов СnH2n-2.

Свойства алкадиенов в значительной степени зависят от взаимного расположения двойных связей в их молекулах. По этому признаку различают три типа двойных связей в диенах:

1) изолированные двойные связи разделены в цепи двумя или более s-связями:

СН2=СН–СН2–СН=СН2 (разделенные sp 3 -атомами углерода, такие двойные связи не оказывают друг на друга взаимного влияния и вступают в те же реакции, что и двойная связь в алкенах);

2) кумулированные двойные связи расположены у одного атома углерода:

СН2=С=СН2 (подобные диены (аллены) менее стабильны, чем другие диены и при нагревании в щелочной среде перегруппировываются в алкины);

3) сопряженные двойные связи разделены одной s-связью:

Сопряженные диены представляют наибольший интерес. Они отличаются характерными свойствами, обусловленными электронным строением молекул, а именно, непрерывной последовательностью четырех sp 2 -атомов углерода. Все атомы углерода лежат в одной плоскости, образуя s-скелет. Негибридизованные р-орбитали каждого атома углерода перпендикулярны плоскости s-скелета и параллельны друг другу, взаимно перекрываются, образуя единое p-электронное облако. Такой особый вид взаимного влияния атомов называется сопряжением.

Перекрывание р-орбиталей молекулы бутадиена имеет место не только между С1 – С2, С3 – С4, но и между С2 – С3. В связи с этим применяют термин: «сопряженная система». Следствием делокализации электронной плотности является то, что длины связей С1 – С23 – С4) увеличены, по сравнению с длиной двойной связи в этилене (0,132 нм) и составляют 0,137 нм; в свою очередь, длина связи С3 – С4 меньше, чем в этане С – С (0,154 нм) и составляет 0,146 нм. Диены с сопряженной системой двойных связей более энергетически выгодны.

Номенклатура алкадиенов

По правилам IUPAC главная цепь молекулы алкадиена должна включать обе двойные связи. Нумерация атомов углерода в цепи проводится так, чтобы двойные связи получили наименьшие номера. Названия алкадиенов производят от названий соответствующих алканов (с тем же числом атомов углерода) с добавлением окончания –диен.

Читайте также:
8.3. Многоатомные спирты (этиленгликоль, глицерин): Химические свойства

Виды изомерии алкадиенов:

Структурная изомерия:

1) изомерия положения сопряженных двойных связей;

2) изомерия углеродного скелета;

3) межклассовая (изомерны алкинам)

Пространственная изомерия — диены, имеющие различные заместители при углеродных атомах у двойных связей, подобно алкенам, проявляют цис-транс-изомерию.

Способы получения алкадиенов

Химические свойства алкадиенов

Для сопряженных диенов характерны реакции присоединения (реакции 1, 2). Наличие сопряженной системы p-электронов приводит к особенностям реакций присоединения. Сопряженные диены способны присоединять не только по двойным связям (С1 и С2, С3 и С4), но и к концевым (С1 и С4) атомам углерода сообразованием двойной связи между С2 и С3. Соотношение продуктов 1,2- и 1,4-присоединения зависит от температуры, при которой проводился эксперимент и от полярности применяемого растворителя.

Восстановление (реакция 3) с помощью [Na + C2H5OH] называется восстановлением водородом в момент выделения (при взаимодействии натрия и спирта выделяется водород). Алкены в таких условиях не восстанавливаются, это отличительное свойство сопряженных диенов.

Полимеризация (реакция 4) важнейшее свойство сопряженных диенов, которая происходит под действием различных катализаторов (AlCl3, TiCl4+(C2H5)3Al) или света. В случае применения определенных катализаторов можно получить продукт полимеризации с определенной конфигурацией цепей.

Цис-конфигурацию имеет натуральный каучук. Макромолекулы натурального каучука имеют спиралевидную структуру цепи из-за того, что изопреновые звенья изогнуты, что создает пространственные препятствия упорядоченному расположению цепей. В каучуке длинные молекулы скручены в спутаны друг с другом в спирали. При растяжении каучука спирали растягиваются, а при снятии напряжения они снова скручиваются. В природе существует еще другой полимер изопрена гуттаперча (транс-конфигурация). Гуттаперча обладает стержнеобразной структурой цепи из-за выпрямленности изопреновых звеньев (цепи с транс-конфигурацией двойных связей могут располагаться одна вдоль другой), поэтому гуттаперча твердый, но хрупкий полимер. Натуральный каучук имеют немногие страны и поэтому его заменяют синтетическими каучуками из дивинила, а также из изопрена.

Для практического использования каучуки превращают в резину.

Резина – это вулканизованный каучук с наполнителем (сажа). Суть процесса вулканизации заключается в том, что нагревание смеси каучука и серы приводит к образованию трехмерной сетчатой структуры из линейных макромолекул каучука, придавая ему повышенную прочность. Атомы серы присоединяются по двойным связям макромолекул и образуют между ними сшивающие дисульфидные мостики.

Сетчатый полимер более прочен и проявляет повышенную упругость – высокоэластичность (способность к высоким обратимым деформациям).

Читайте также:
5.3. Циклоалканы: Химические свойства

В зависимости от количества сшивающего агента (серы) можно получать сетки с различной частотой сшивки. Предельно сшитый натуральный каучук – эбонит – не обладает эластичностью и представляет собой твердый материал.

4.3. Алкадиены (диены): Химические свойства

Свойства сопряженных алкадиенов

Наибольшее практическое значение имеют дивинил или бутадиен-1,3 (легко сжижающийся газ, т.кип = – 4,5° ) и изопрен или
2-метилбутадиен-1,3 (жидкость с т.кип =34° С).

По химическим свойствам диеновые углеводороды подобны алкенам. Они легко окисляются и вступают в реакции присоединения. Однако сопряженные диены отличаются некоторыми особенностями, которые обусловлены делокализацией (рассредоточением) p -электронов.

Молекула бутадиена-1,3 СН2=СН-СН=СН2 содержит четыре атома углерода в sp 2 -гибридизованном состоянии и имеет плоское строение.

p-Электроны двойных связей образуют единое p -электронное облако (сопряженную систему) и делокализованы между всеми атомами углерода.

Порядок связей (число общих электронных пар) между атомами углерода имеет промежуточное значение между 1 и 2, т.е. нет чисто одинарной и чисто двойных связей. Строение бутадиена более точно отражает формула с делокализованными связями.

Аналогично построены молекулы изопрена:

Образование единого p -электронного облака, охватывающего 4 атома углерода:


приводит к возможности присоединения реагента по концам этой системы, т.е. к атомам С 1 и С 4 . Поэтому дивинил и изопрен наряду с присоединением 1 моля реагента по одной из двойных связей (1,2- или 3,4-) вступают в реакции 1,4-присоединения . Соотношение продуктов 1,2- и 1,4- присоединения зависит от условий реакции (с повышением температуры обычно увеличивается вероятность 1,4-присоединения).

1. Реакции присоединения к сопряженным диенам

При гидрировании бутадиена-1,3 получается бутен-2, т.е. происходит 1,4-присоединение. При этом двойные связи разрываются, к крайним атомам углерода С1 и С4 присоединяются атомы водорода, а свободные валентности образуют двойную связь между атомами С2 и С3:

В присутствии катализатора Ni получается продукт полного гидрирования:

2. Галогенирование

При избытке брома присоединяется еще одна его молекула по месту оставшейся двойной связи с образованием 1,2,3,4-тетрабромбутана.

Присоединение галогенов, галогеноводородов, воды и других полярных реагентов происходит по электрофильному механизму (как в алкенах).

К реакциям присоединения относятся реакции полимеризации, характерные для диенов. Этот процесс имеет важное значение в производстве синтетических каучуков.

3. Взаимодействие с галогеноводородами.

1) по месту разрыва одной двойной связи (1,2-присоединение):

2) с присоединением к концам молекулы и разрывом двух двойных связей (1,4-присоединение):

Преимущественное протекание реакции по тому или иному пути зависит от конкретных условий.

4. Диеновый синтез (реакция Дильса-Альдера)

В органическом синтезе широко применяется реакция присоединения к сопряженным диенам соединений, содержащих кратные связи (так называемых диенофилов). Реакция идет как 1,4-присоединение и приводит к образованию циклических продуктов:

Читайте также:
10.3. Альдегиды и кетоны: Химические свойства

5. Полимеризация сопряженных диенов. Каучуки

Дивинил и изопрен вступают в полимеризацию и сополимеризацию (т.е. совместную полимеризацию) с другими непредельными соединениями, образуя каучуки. Каучуки – это эластичные высокомолекулярные материалы (эластомеры), из которых методом вулканизации (нагреванием с серой) получают резину.

Натуральный каучук – природный высокомолекулярный непредельный углеводород состава (С5Н8)n, где n составляет 1000-3000 единиц. Установлено, что этот полимер состоит из повторяющихся звеньев 1,4-цис-изопрена и имеет стереорегулярное строение:

В природных условиях натуральный каучук образуется не путем полимеризации изопрена, а другим, более сложным способом.

Полимеризация 1,3-диенов может протекать либо по типу 1,4-присоединения, либо по смешанному типу 1,2- и 1,4-присоединения. Направление присоединения зависит от условий проведения реакции.

Первый синтетический каучук, полученный по методу С.В. Лебедева при полимеризации дивинила под действием металлического натрия, представлял собой полимер нерегулярного строения со смешанным типом звеньев 1,2- и 1,4-присоединения:

В присутствии органических пероксидов (радикальная полимеризация) также образуется полимер нерегулярного строения со звеньями 1,2- и 1,4- присоединения. Каучуки нерегулярного строения характеризуются невысоким качеством при эксплуатации. Избирательное 1,4-присоединение происходит при использовании металлорганических катализаторов (например, бутиллития C4H9Li, который не только инициирует полимеризацию, но и определенным образом координирует в пространстве присоединяющиеся молекулы диена):

Таким способом получен стереорегулярный 1,4-цис-полиизопрен – синтетический аналог натурального каучука. Данный процесс идет как ионная полимеризация.

Для практического использования каучуки превращают в резину.

Резина – это вулканизованный каучук с наполнителем (сажа). Суть процесса вулканизации заключается в том, что нагревание смеси каучука и серы приводит к образованию трехмерной сетчатой структуры из линейных макромолекул каучука, придавая ему повышенную прочность. Атомы серы присоединяются по двойным связям макромолекул и образуют между ними сшивающие дисульфидные мостики:

Сетчатый полимер более прочен и проявляет повышенную упругость – высокоэластичность (способность к высоким обратимым деформациям).

В зависимости от количества сшивающего агента (серы) можно получать сетки с различной частотой сшивки. Предельно сшитый натуральный каучук – эбонит – не обладает эластичностью и представляет собой твердый материал.

4.3. Алкадиены (диены): Химические свойства

Наибольшее значение имеют диены с сопряженными связями, так как они являются сырьем для получения каучуков. В химическом поведении этих диенов есть особенности, обусловленные наличием в их молекулах сопряжения. Для них характерны реакции присоединения по концам системы
сопряжённых связей и образование двойной связи между срединными атомами углерода (1,4-присоединение) или к одной из двойных связей (1,2-присоединение).

Читайте также:
5.2. Циклоалканы: Способы получения
Реакции присоединения

1. Гидрирование

При гидрировании бутадиена-1,3 получается бутен-2, т.е. происходит 1,4-присоединение. При этом двойные связи разрываются, к крайним атомам углерода С1 и С4 присоединяются атомы водорода, а свободные валентности образуют двойную связь между атомами С2 и С3:

В присутствии катализатора Ni получается продукт полного гидрирования:

2. Галогенирование

При избытке брома присоединяется еще одна его молекула по месту оставшейся двойной связи с образованием 1,2,3,4-тетрабромбутана.

Обесцвечивание бромной воды является качественной реакцией на кратную связь.

3. Гидрогалогенирование

Присоединение галогенов, галогеноводородов, воды и других полярных реагентов происходит по электрофильному механизму (как в алкенах).

4. Реакции полимеризации

Важнейшее свойство диенов — их способность к полимеризации, которая используется для получения синтетических каучуков.

Полимеризация 1,3-диенов может протекать либо по типу 1,4-присоединения, либо по смешанному типу 1,2- и 1,4-присоединения. Направление присоединения зависит от условий проведения реакции.

При полимеризации бутадиена-1,3, которая протекает как 1,4-присоединение, получают бутадиеновый каучук (полибутадиен).

Избирательное 1,4-присоединение происходит при использовании металлорганических катализаторов (например, бутиллития C4H9Li, который не только инициирует полимеризацию, но и определенным образом координирует в пространстве присоединяющиеся молекулы диена):

В упрощенном виде реакцию полимеризации бутадиена-1,3 по схеме 1,4 присоединения можно представить следующим образом:

Элементная ячейка полибутадиена представляется следующим образом:

Как видно, образующийся полимер характеризуется транс-конфигурацией элементной ячейки полимера. Однако наиболее ценные в практическом отношении продукты получаются при стереорегулярной (иными словами, пространственно упорядоченной) полимеризации диеновых углеводородов по схеме 1,4-присоединения с образованием цис-конфигурации полимерной цепи.

Например, цис-полибутадиен:

5. Горение (полное окисление)

Как и все углеводороды алкадиены сгорают до углекислого газа и воды.

6. Диеновый синтез (реакция Дильса-Альдера)

В органическом синтезе широко применяется реакция присоединения к сопряженным диенам соединений, содержащих кратные связи (так называемых диенофилов). Реакция идет как 1,4-присоединение и приводит к образованию циклических продуктов:

Химические свойства алкадиенов

Химические свойства алкадиенов

Характерные реакции диенов аналогичны взаимодействиям, в которых участвуют алкеновые углеводороды, однако из-за типологических различий, вызванных появлением второй связи С=С, диенам свойственны некоторые особенности.

Реакции алленов

Диены с кумулированными связями сходны по свойствам с алкенами и присоединяют водород, гидроксогруппу или галогены по обеим связям по донорно-акцепторному механизму:

  • ;
  • ;
  • .

Аллены – неустойчивые соединения. В щелочной или кислой среде они претерпевают молекулярные перегруппировки с образованием сопряженных диенов либо алкинов:

Типичные реакции сопряженных алкадиенов

При наличии сопряжения специфика протекания химических взаимодействий, в первую очередь присоединения, обусловлена резонансным, или мезомерным, эффектом. Он состоит в непрерывном смещении электронной плотности по сопряженной системе.

Читайте также:
7.1. Спирты: Номенклатура, классификация, изомерия

Реакции присоединения

Для алкадиенов с сопряжением характерно преимущественное присоединение к 1 и 4 позициям системы с появлением двойной связи между атомами 2 и 3. Реакция идет с промежуточной стадией, на которой возникает карбониевый ион – карбкатион:

Гидрирование

Так как в мезомерном карбониевом катионе существуют два реакционных центра, водород присоединяется и по 4, и по 2 положению:

.

Диены присоединяют водород и как свободный радикал. В этом случае гидрирование алкадиенов протекает главным образом по положению 1,4:

Галогенирование

Результатом процесса является смесь, в которой соотношение продуктов 1,2- и 1,4-присоединения определяют условия реакции (1:4 при -80℃ и 4:1 при +40℃):

.

Гидратация и гидрогалогенирование

Аналогично алкадиены присоединяют водород и галоген, водород и гидроксогруппу:

.

Полимеризация

Сопряженные диены полимеризуются присоединением по обеим связям С=С с образованием каучуков.

Промышленное значение имеет полимеризация алкадиенов в соответствии с первыми двумя типами присоединения.

Натуральный каучук синтезируется как цис-полимер 2-метилбутадиена (изопрена) в соке тропического растения гевея. Продукт транс-полимеризации изопрена – гуттаперча.

Важную роль играют процессы сополимеризации диенов с другими соединениями, позволяющие получать материалы с заданными свойствами:

;

Реакции окисления

Диены охотно окисляются. Состав продуктов окисления зависит от условий.

Мягкое окисление

В нейтральной среде на холоду раствор перманганата калия окисляет диены до четырехатомных спиртов. Процесс обусловлен распадом π-связей и не сопровождается разрушением углеродного скелета.

Жесткое окисление

В присутствии кислоты полностью распадаются связи С=С, а углеродные атомы 1, 2, 3, 4 соединяются с гидроксильными и кислородными радикалами:

Полное окисление

Процессы горения алкадиенов в зависимости от количества реагирующего кислорода происходят с образованием разных продуктов по общей схеме:

;

;

.

Качественные реакции (таблица)

Для установления класса органического соединения используются несколько характерных реакций. Поскольку главный признак алкадиенов – две связи типа С=С, методы ее обнаружения аналогичны качественным реакциям на прочие непредельные углеводороды – алкены и алкины.

Существуют также методы, позволяющие определить, в каких позициях находятся двойные связи в исследуемом соединении. При разрушении связей С=С фрагменты углеродного скелета образуют новые соединения, состав которых дает возможность судить о структуре диена.

Применение качественных реакций – первый этап исследования органического вещества. Точное установление его состава и структуры производится посредством физико-химических и физических методов анализа.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: