Најважније из лекције
Реакције алкена - кључни преглед:
- Сагоревање: \(\text{алкен} + \text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}\) (ослобађа се енергија).
- Хидрогенизација (\(+\text{H}_2\), катализатор \(\text{Pt/Pd}\)): \(\text{алкен} \longrightarrow \text{алкан}\) (примена: добијање маргарина).
- Халогеновање (\(+\text{X}_2\)): граде се 1,2-дихалогеналкани; реакција са бромном водом служи као доказ незасићености (обезбојавање).
- Хидрохалогеновање (\(+\text{HX}\)) и Хидратација (\(+\text{H}_2\text{O}/\text{H}^+\)): Теку по Марковниковљевом правилу (водоник се адира на C-атом двоструке везе са више везаних \(\text{H}\)-атома). Добијају се монохалогеналкани, односно алкохоли.
- Хидроксилација (\(+\text{KMnO}_4/\text{H}_2\text{O}\)): граде се диоли (гликоли) уз обезбојавање љубичастог раствора перманганата (Бајерова проба).
Као и сви угљоводоници, алкени у присуству довољне количине кисеоника потпуно сагоревају до угљен-диоксида и воде, уз ослобађање топлоте. При непотпуном сагоревању могу настати угљен-моноксид или чађ.
\[ \text{C}_n\text{H}_{2n} + \frac{3n}{2}\text{O}_2 \longrightarrow n\text{CO}_2 + n\text{H}_2\text{O} \]
Општа једначина потпуног сагоревања алкена
Потпуно сагоревање 1-бутена:
\[ \text{C}_4\text{H}_8(\text{g}) + 6\text{O}_2(\text{g}) \longrightarrow 4\text{CO}_2(\text{g}) + 4\text{H}_2\text{O}(\text{l}) \]
Напиши и изједначи једначину потпуног сагоревања пропена (\(\text{C}_3\text{H}_6\)).
\[ 2\text{C}_3\text{H}_6 + 9\text{O}_2 \longrightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \]
(или: \(\text{C}_3\text{H}_6 + \frac{9}{2}\text{O}_2 \longrightarrow 3\text{CO}_2 + 3\text{H}_2\text{O}\))
Реакције адиције су карактеристичне реакције за незасићене угљоводонике у којима се раскида релативно слаба \(\pi\) (пи) веза двоструке везе и на њене C-атоме везују нови атоми или атомске групе.
Алкени су знатно реактивнији од алкана. Густ електронски облак \(\pi\) везе привлачи позитивно наелектрисане честице (електрофиле), због чега се ове реакције одвијају по механизму електрофилне адиције.
На алкене се могу адирати: водоник (\(\text{H}_2\)), халогени (\(\text{X}_2\)), халогеноводоници (\(\text{HX}\)), вода (\(\text{H}_2\text{O}\)), сумпорна киселина (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)) и други реагенси.
Хидрогенизација је реакција адиције водоника на двоструку везу алкена у присуству катализатора (прелазних метала као што су \(\text{Pt}\), \(\text{Pd}\) или \(\text{Ni}\)), при чему настају одговарајући алкани.
\[ \text{алкен} + \text{H}_2 \xrightarrow{\text{Pt/Pd/Ni}} \text{алкан} \]
Хидрогенизација 2-метил-1-бутена:
\[ \text{CH}_2\text{=C(CH}_3\text{)-CH}_2\text{-CH}_3 + \text{H}_2 \xrightarrow{\text{Pt}} \text{CH}_3\text{-CH(CH}_3\text{)-CH}_2\text{-CH}_3 \]
Производ: 2-метилбутан
Хидрогенизацијом незасићених биљних уља која садрже cis-двоструке везе добијају се чврсте масти (маргарин). У овом процесу као споредни производи могу настати trans-масти, које су штетне за здравље.
Адицијом халогена (\(\text{Cl}_2\), \(\text{Br}_2\)) у неполарним растварачима (нпр. \(\text{CCl}_4\)) на двоструку везу алкена настају засићени дихалогени деривати алкана (вицинални дихалогениди).
\[ \text{>C=C<} + \text{X}_2 \xrightarrow{\text{CCl}_4} \text{>C(X)-C(X)<} \]
Адиција брома на 2,3-диметил-1-бутен:
\[ \text{CH}_2\text{=C(CH}_3\text{)-CH(CH}_3\text{)_2} + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{CCl}_4} \text{CH}_2\text{Br-C(CH}_3\text{)(Br)-CH(CH}_3\text{)_2} \]
Производ: 1,2-дибром-2,3-диметилбутан
Доказна реакција на двоструку везу: Алкени лако реагују са бромном водом (раствор \(\text{Br}_2\) у води) при чему се смеђа/наранџаста боја брома губи (раствор се обезбојава). Алкани не реагују под овим условима, па се ова реакција користи за њихово разликовање.
Адицијом халогеноводоника (\(\text{HX} = \text{HCl}, \text{HBr}, \text{HI}\)) на алкене настају монохалогени деривати (халогеналкани).
Стварање карбокатјона: Електрофилни протон (\(\text{H}^+\)) се споро везује за један C-атом двоструке везе, при чему настаје релативно стабилнији карбокатјон:
\[ \text{>C=C<} + \text{H}^+ \longrightarrow \text{>CH-C}^+\text{<} \]
Напад нуклеофила: Негативни халогенидни јон (:\(\text{X}^-\)) се тренутно везује за позитивно наелектрисани C-атом карбокатјона:
\[ \text{>CH-C}^+\text{<} + :\text{X}^- \longrightarrow \text{>CH-CX<} \]
Марковниковљево правило: При адицији поларних реагенаса (типа \(\text{HX}\) или \(\text{H}_2\text{O}\)) на несиметричне алкене, водоников јон (\(\text{H}^+\)) се увек везује за онај C-атом двоструке везе који за себе има везан већи број атома водоника („богатији водоником постаје још богатији”). Халоген се везује за мање хидрогенизован C-атом.
Адиција \(\text{HCl}\) на пропен:
\[ \text{CH}_2\text{=CH-CH}_3 + \text{HCl} \longrightarrow \text{CH}_3\text{-CHCl-CH}_3 \]
Настаје искључиво 2-хлорпропан, а не 1-хлорпропан.
Хидратација алкена је реакција везивања воде (\(\text{HOH}\)) у присуству киселог катализатора (\(\text{H}^+\), нпр. разблажене \(\text{H}_2\text{SO}_4\)), при чему као главни производ настају алкохоли. Реакција тече у складу са Марковниковљевим правилом.
\[ \text{>C=C<} + \text{HOH} \xrightarrow{\text{H}^+} \text{>CH-C(OH)<} \]
Хидратација 1-бутена:
\[ \text{CH}_2\text{=CH-CH}_2\text{-CH}_3 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{H}^+} \text{CH}_3\text{-CH(OH)-CH}_2\text{-CH}_3 \]
Производ: 2-бутанол (бут-2-ол)
Адиција концентроване \(\text{H}_2\text{SO}_4\): Сумпорна киселина се адира градећи алкил-хидрогенсулфат (неоргански естар), чијом се накнадном хидролизом уз загревање такође добија одговарајући алкохол:
\[ \text{CH}_2\text{=CH-CH}_3 + \text{HOSO}_3\text{H} \longrightarrow \text{CH}_3\text{-CH(OSO}_3\text{H)-CH}_3 \xrightarrow[\text{–H}_2\text{SO}_4]{\text{H}_2\text{O}} \text{CH}_3\text{-CH(OH)-CH}_3 \]
Под благим условима, оксидацијом алкена воденим раствором калијум-перманганата (\(\text{KMnO}_4\)) раскида се \(\pi\) веза и на оба C-атома двоструке везе везују се \(\text{–OH}\) групе, дајући диоле (вициналне гликоле).
\[ \text{>C=C<} \xrightarrow[\text{H}_2\text{O}]{\text{KMnO}_4} \text{>C(OH)-C(OH)<} \]
Хидроксилација пропена:
\[ \text{CH}_2\text{=CH-CH}_3 \xrightarrow[\text{H}_2\text{O}]{\text{KMnO}_4} \text{CH}_2\text{(OH)-CH(OH)-CH}_3 \]
Производ: 1,2-пропандиол
Бајерова проба: Како се љубичасти калијум-перманганат током реакције редукује (раствор се обезбојава уз издвајање смеђег талога \(\text{MnO}_2\)), ова реакција представља још једну важну доказну реакцију за присуство двоструке C=C везе.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Који производ настаје реакцијом каталитичке хидрогенизације пропена у присуству платине као катализатора? Напиши једначину реакције.
Адицијом водоника на пропен двострука веза прелази у једноструку и настаје алкан са три C-атома - пропан:
\[ \text{CH}_2\text{=CH-CH}_3 + \text{H}_2 \xrightarrow{\text{Pt}} \text{CH}_3\text{-CH}_2\text{-CH}_3 \]
Задатак 2 (средњи): Примени Марковниковљево правило и напиши рационалну структурну формулу и IUPAC назив главног производа реакције адиције бромоводоника (\(\text{HBr}\)) на 2-метил-1-бутен.
У молекулу 2-метил-1-бутена \(\text{CH}_2\text{=C(CH}_3\text{)-CH}_2\text{-CH}_3\), C1 има два атома водоника (\(\text{CH}_2\)), а C2 нема ниједан водоник. Према Марковниковљевом правилу, \(\text{H}^+\) се везује за C1, а \(\text{Br}^-\) за C2.
Једначина реакције: \[ \text{CH}_2\text{=C(CH}_3\text{)-CH}_2\text{-CH}_3 + \text{HBr} \longrightarrow \text{CH}_3\text{-C(Br)(CH}_3\text{)-CH}_2\text{-CH}_3 \] Производ: 2-бром-2-метилбутан.
Једначина реакције: \[ \text{CH}_2\text{=C(CH}_3\text{)-CH}_2\text{-CH}_3 + \text{HBr} \longrightarrow \text{CH}_3\text{-C(Br)(CH}_3\text{)-CH}_2\text{-CH}_3 \] Производ: 2-бром-2-метилбутан.
Задатак 3 (средњи): У две необележене епрувете налазе се хексан и 1-хексен. Опиши два различита хемијска огледа којима се може доказати у којој се епрувети налази 1-хексен.
1. Оглед с бромном водом: У обе епрувете се дода неколико капи бромне воде (смеђе боје). 1-хексен ће одмах обезбојити бромну воду због адиције брома на двоструку везу, док хексан (алкан) неће реаговати и боја ће остати непромењена.
2. Бајеров оглед (с раствором \(\text{KMnO}_4\)): У обе епрувете се дода благо базни водени раствор калијум-перманганата (љубичасте боје). 1-хексен оксидује до 1,2-хександиола при чему се љубичаста боја губи (настаје смеђи талог \(\text{MnO}_2\)), док хексан не показује никакву промену.
2. Бајеров оглед (с раствором \(\text{KMnO}_4\)): У обе епрувете се дода благо базни водени раствор калијум-перманганата (љубичасте боје). 1-хексен оксидује до 1,2-хександиола при чему се љубичаста боја губи (настаје смеђи талог \(\text{MnO}_2\)), док хексан не показује никакву промену.
Задатак 4 (тежак): Напиши рационалне структурне формуле свих изомерних алкена који хидратацијом у киселој средини као главни производ дају 2,3-диметил-2-бутанол.
Структура производа је: \(\text{CH}_3\text{-C(CH}_3\text{)(OH)-CH(CH}_3\text{)-CH}_3\).
Да би се хидратацијом по Марковниковљевом правилу добио овај терцијарни алкохол, двострука веза у полазном алкену мора бити између C2 и C1 или између C2 и C3:
1. 2,3-диметил-1-бутен: \[ \text{CH}_2\text{=C(CH}_3\text{)-CH(CH}_3\text{)_2} \] (Водоник из \(\text{H}_2\text{O}\) иде на \(\text{CH}_2\), а \(\text{–OH}\) на C2)
2. 2,3-диметил-2-бутен: \[ \text{CH}_3\text{-C(CH}_3\text{)=C(CH}_3\text{)-CH}_3 \] (Симетричан алкен, адицијом \(\text{H}^+\) на један и \(\text{–OH}\) на други C-атом двоструке везе настаје исти алкохол).
Да би се хидратацијом по Марковниковљевом правилу добио овај терцијарни алкохол, двострука веза у полазном алкену мора бити између C2 и C1 или између C2 и C3:
1. 2,3-диметил-1-бутен: \[ \text{CH}_2\text{=C(CH}_3\text{)-CH(CH}_3\text{)_2} \] (Водоник из \(\text{H}_2\text{O}\) иде на \(\text{CH}_2\), а \(\text{–OH}\) на C2)
2. 2,3-диметил-2-бутен: \[ \text{CH}_3\text{-C(CH}_3\text{)=C(CH}_3\text{)-CH}_3 \] (Симетричан алкен, адицијом \(\text{H}^+\) на један и \(\text{–OH}\) на други C-атом двоструке везе настаје исти алкохол).
