Ważne pojęcia:

Reakcja eliminacji to reakcja chemiczna, która polega na odłączeniu od cząsteczki dwóch atomów lub grup atomów połączonych z sąsiadującymi ze sobą atomami węgla. W wyniku reakcji eliminacji tworzy się wiązanie wielokrotne lub powstaje związek cykliczny.

Nukleofil (odczynnik nukleofilowy) to anion lub cząsteczka, która ma wolną parę elektronową i może ją przekazać, by utworzyć wiązanie chemiczne.

Izomeria geometryczna – izomeria konfiguracyjna, która wynika z różnego układu podstawników przy wiązaniu podwójnym w cząsteczce. 

Reakcja substytucji to reakcja chemiczna, która polega na podstawieniu jednego atomu lub grup atomów w cząsteczce związku. 

Alkeny, węglowodory nienasycone  w których występuje wiązanie podwójne w cząsteczce między atomami węgla (C=C), powszechnie występują w przyrodzie, pełniąc wiele biologicznych funkcji. Na przykład etylen (eten), najprostszy alken, pełni funkcję hormonu roślinnego, odpowiadając za dojrzewanie owoców. Importowane do Polski banany są niedojrzałe – przebywają w komorach z etylenem, aby móc ten proces dokończyć. Samo występowanie wiązań podwójnych w cząsteczkach związków chemicznych jest tak powszechne, że życie bez nich nie byłoby możliwe. Na przykład β-karoten, związek zawierający 11 wiązań podwójnych, jest pomarańczowym barwnikiem niezbędnym w naszej diecie, ponieważ jest źródłem witaminy A, która uczestniczy między innymi w syntezie hormonów steroidowych.  

Wiązanie podwójne między atomami węgla składa się z jednego orbitalu molekularnego typu π(hybrydyzacja sp² atomów węgla) i jednego orbitalu molekularnego typu σ . 

Boczne nakładanie się orbitali typu p Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Wzór ogólny alkenów to C_nH_2n.

Chcąc policzyć stopień nienasycenia, czyli ilość pierścieni i/lub wiązań podwójnych nieznanego nam alkenu o określonej masie, musimy określić, z ilu atomów węgla i wodoru się składa, a następnie sprawdzić, ilu atomów wodoru brakuje do utworzenia alkanu, czyli związku o wzorze C_nH_2n+2. Jeśli brakuje na przykład czterech atomów wodoru do wzoru alkanu, to na podstawie tego możemy stwierdzić, że związek posiada dwa wiązania podwójne lub jeden pierścień i wiązanie podwójne lub dwa pierścienie lub jedno wiązanie potrójne. Dla cząsteczek prostych, zawierających atomy węgla, wodoru, tlenu, siarki, azotu i fluorowców będzie to:

Nazewnictwo Alkenów

Aby nazwać alken, należy zastosować się do reguł wymienionych w artykule dotyczącym alkanów. Podstawową różnicą w przypadku alkenów jest występowanie przyrostka –en zamiast –an. Podobnie jak w przypadku alkanów:

1. Szukamy najdłuższego łańcucha węglowego, numerując atomy węgla,
2. Ustalamy lokanty podstawników i uwzględniamy w je nazwie związku alfabetycznie, dostosowując odpowiednie przedrostki w zależności od ilości podstawników (di-, tri- itp.). 

Jednak zgodnie z obowiązującymi zaleceniami, najdłuższy łańcuch główny nie musi zawierać wiązania podwójnego. 

Tabela 1 Najprostsze podstawniki zawierające wiązanie podwójne

W przypadku alkenów, ze względu na brak możliwości swobodnej rotacji węgla wokół wiązania podwójnego (wysoka bariera energetyczna), mamy do czynienia z występowaniem izomerii cis – trans. Pojawia się ona ogólnie zawsze, gdy mamy dwa atomy węgla połączone wiązaniem podwójnym i podstawione są one dwoma różnymi podstawnikami. W izomerach cis podstawniki położone są po tej samej stronie płaszczyzny wiązania podwójnego lub pierścienia, a w izomerach trans – po przeciwnych stronach. Metoda ta nadaje się do opisu dipodstawionych alkenów (przy wiązaniu podwójnym występują dwa różne od atomu wodoru podstawniki).

W przypadku bardziej podstawionych związków, stosuje się bardziej ogólną metodę opisu geometrii – system nomenklatury E, Z. 

Jak nazwać izomer taki związek? Otóż należy się stosować do reguł starszeństwa Cahna-Ingolda-Preloga, które stosuje się w stereoizomerii, co pozwoli stwierdzić, czy mamy do czynienia z izomerem E (entgegen – naprzeciw) lub Z (zusammen – razem). 

1. Analizujemy dwa podstawniki danego węgla połączonego wiązaniem podwójnym. Ważniejszy podstawnik to ten, którego pierwszy atom ma większą liczbę atomową niż konkurent. 
2. Jeśli nie uda nam się ustalić pierwszeństwa na podstawie pierwszych atomów występujących w podstawnikach, przechodzimy do porównania kolejnych. 
3. Atomy połączone wiązaniem wielokrotnym są równoważne odpowiedniej liczbie atomów powiązanej wiązaniem pojedynczym. 

Przejście izomeru cis w izomer trans i odwrotnie nie zajdzie samorzutnie. Natomiast jesteśmy w stanie takie przejście wywołać, stosując silnie kwasowe katalizatory lub wysoką temperaturę. Oleju roślinnego nie należy długotrwale narażać na wysoką temperaturę, ponieważ następuje izomeryzacja formy cis w formę trans i w efekcie powstają rakotwórcze związki. 

Jak otrzymać związek nienasycony? Najczęściej stosuje się do tego celu reakcję eliminacji, która polega na tym, że od cząsteczki związku nasyconego odłączamy odpowiedni fragment połączony z sąsiadującymi ze sobą węglami. Do tego celu potrzebny nam będzie nukleofil, czyli molekuła dysponująca wolną parą elektronową. Nukleofil podczas reakcji eliminacji zbliży się do atomu wodoru, przekaże mu swoją wolną parę elektronową i w efekcie oderwie go od cząsteczki.

Obecność wiązania podwójnego w cząsteczkach alkanów powoduje, że są one zdecydowanie bardziej reaktywne niż alkany. Alkeny będą więc ulegać reakcjom addycji elektrofilowej – elektrony nukleofilowego wiązania zaatakują proton występujący w elektrofilowej cząsteczce. 

Alken można otrzymać w reakcji fluorowcopochodnej alkanu z alkoholowym roztworem mocnej zasady (np. KOH) w podwyższonej temperaturze. Podczas tej reakcji następuje usunięcie atomu fluorowca i atomu wodoru z cząsteczki – eliminacja. 

W przypadku fluorowcopochodnych o liczbie atomów węgla większej od 3 w wyniku eliminacji może powstać mieszanina alkenów, gdzie jednego z produktów będzie procentowo więcej niż pozostałych. Dlaczego tak się dzieje? Ma to bezpośredni związek z regułą Zajcewa, która traktuje o tym, że w większości powstanie ten izomer, który powstał w wyniku odłączenia atomu wodoru od atomu węgla o wyższej rzędowości. Pozostałe produkty to produkty uboczne. 

W środowisku wodnym, lekko zasadowym dojdzie natomiast do substytucji nukleofilowej, czyli podstawienia atomu bądź ich grup nukleofilem: 

Alken będzie reagował z wodorem wobec katalizatora (pallad lub platyna osadzone zwykle na węglu aktywnym), dając odpowiednie nasycone produkty. Reakcję tę nazywa się reakcją redukcji alkenów lub inaczej uwodornieniem. Uwodornienie katalityczne jest procesem heterogenicznym, czyli takim, który nie zachodzi w roztworze, a na powierzchni stałych cząstek użytego katalizatora. 

Reakcje charakterystyczne pozwalające odróżnić alkeny od węglowodorów nasyconych to:

• Addycja bromu – występowanie wiązania nienasyconego w cząsteczce związku spowoduje odbarwienie brunatnego roztworu bromu. 

Jeśli mówimy o addycji, to bardzo istotne w jej przebiegu będzie zastosowanie się do reguły Markownikowa. Traktuje ona o tym, że podczas addycji HX do alkenu, wodór przyłączy się do atomu węgla, który ma mniej podstawników alkilowych (więcej wodorów), natomiast atom halogenu przyłączy się do atomu węgla z większą ilością podstawników (atom węgla z mniejszą ilością wodorów). 

Taka reakcja, w wyniku której powstanie tylko jeden z dwóch możliwych produktów będzie reakcją regiospecyficzną. 

• Reakcja z manganianem(VII) potasu – obserwujemy odbarwienie fioletowego roztworu oraz strącenie się brunatnego osadu. Alken uległ reakcji utlenienia do diolu (etano-1,2-diolu), czyli alkoholu, w którym dwie grupy hydroksylowe położone są przy sąsiednich atomach węgla a osadem który się wytrącił jest tlenek manganu (IV) MnO₂. 

3C₂H₄+2KMnO₄+4H₂O→3C₂H₄(OH)₂+2MnO₂+2KOH

W środowisku kwasowym, w temperaturze pokojowej możemy się spodziewać jedynie odbarwienia roztworu. 

Przydatne artykuły

Węglowodory nasycone – Alkany

Mangan i jego związki + zadania maturalne

Platforma
Naukowców Dwóch

Wszystkie kursy online, maratony i webinary Naukowców Dwóch w jednym miejscu.

Odwiedź naszą platformę i znajdź to, czego potrzebujesz do owocnej nauki przedmiotów ścisłych!

• Webinary
• Kursy wideo
• Kursy na żywo online
• Nocne maratony naukowe
• Autorskie arkusze maturalne

Zobacz dostępne kursy