Structura și denumirea alchenelor

Alchenele sunt hidrocarburi nesaturate aciclice care conțin o legătură dublă formată dintr-o legătură sigma și o legătură pi. Formula lor generală este CₙH₂ₙ, unde n este numărul atomilor de carbon.

Denumirea alchenelor se face înlocuind sufixul "-an" din alcanul corespunzător cu sufixul "-enă". Catena de bază trebuie să conțină legătura dublă și se numerotează astfel încât indicele numeric al celor doi atomi de carbon participanți la dubla legătură să fie cât mai mic.

Printre radicalii importanți derivați din alchene avem radicalul vinil (etenil) de la etenă și radicalul alil de la propenă. Acești radicali joacă un rol important în formarea compușilor organici mai complecși.

Știai că? Alchenele prezintă mai multe tipuri de izomerie: de poziție (poziția diferită a dublei legături), de catenă (catene diferite), de funcțiune (cu cicloalcanii) și geometrică (izomeri cis-trans). Acest lucru face ca aceeași formulă moleculară să poată reprezenta compuși cu proprietăți diferite!

Izomeria și structura alchenelor

Izomeria geometrică (stereoizomeria) apare la alchenele cu substituenți diferiți la cei doi atomi de carbon participanți la legătura dublă. Avem doi izomeri posibili:

• Izomerul cis - când substituenții sunt de aceeași parte a planului
• Izomerul trans - când substituenții sunt de părți opuse ale planului

Pentru substituenți diferiți, se stabilește o ordine de prioritate în funcție de numărul atomic Z. Izomerii se numesc Z (Zusammen) când substituenții de referință sunt de aceeași parte și E (Entgegen) când sunt de părți opuse.

Structura alchenelor este definită de următoarele caracteristici:

• Atomii de carbon participanți la legătura dublă au hibridizare de tip sp²
• Lungimea legăturii sigma este de 0,133 nm
• Geometria este coplanară, cu unghiuri de 120° între valențe
• Planul legăturii pi se află perpendicular pe planul legăturii sigma

Ceilalți atomi de carbon din catenă prezintă hibridizare de tip sp³ și au unghiuri de 109°28', similar cu alcanii.

Important! Cicloalcanii disubstituiți prezintă tot izomerie geometrică, asemănător alchenelor, având forme cis și trans în funcție de poziția substituenților.

Proprietăți fizice și reacții chimice

Alchenele au molecule nepolare între care se exercită interacțiuni slabe de tip Van der Waals. Densitatea lor este mai mică decât a apei.

Starea de agregare variază în funcție de numărul de atomi de carbon:

• C₁-C₄: gaze
• C₅-C₁₈: lichide

• C₁₉: solide

Alchenele sunt insolubile în apă, dar se dizolvă în solvenți organici precum cloroformul, benzenul sau alcanii. Punctele de fierbere și de topire cresc odată cu masa moleculară și scad cu apariția ramificațiilor.

Reacția de adiție este caracteristică hidrocarburilor nesaturate. În acest tip de reacții, se scindează legătura pi și se formează noi legături sigma. Cele mai importante reacții de adiție sunt:

1. Adiția hidrogenului: CₙH₂ₙ + H₂ → CₙH₂ₙ₊₂ (cataliza: Ni, Pt, Pd, 80-100°C, 300 atm)
2. Adiția halogenilor: CₙH₂ₙ + X₂ → CₙH₂ₙX₂ (se obțin compuși dihalogenați vicinali)
3. Adiția halogenurilor de hidrogen: CₙH₂ₙ + HX → CₙH₂ₙ₊₁X

Reține! Apa de brom se decolorează în prezența alchenelor, aceasta fiind o metodă specifică de identificare a legăturii duble C=C. Alcanii nu reacționează cu soluția de brom!

Reacții de adiție și oxidare ale alchenelor

Când alchenele reacționează cu brom, se obțin compuși saturați cu aspect uleios, de unde și denumirea alternativă de "olefine" (din latinescul oleum = ulei). Reacția de decolorare a apei de brom este o metodă specifică pentru identificarea alchenelor.

Adiția halogenurilor de hidrogen la alchenele asimetrice urmează regula lui Markovnikov: hidrogenul se leagă la atomul de carbon care are mai mulți atomi de hidrogen, iar halogenul la atomul de carbon care are mai puțini atomi de hidrogen.

Oxidarea alchenelor poate fi de mai multe tipuri:

1. Oxidarea blândă - cu reactiv Bayer (soluție de permanganat de potasiu) - se obțin dioli vicinali:

   • 3CₙH₂ₙ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3CₙH₂ₙ(OH)₂ + 2MnO₂ + 2KOH

2. Oxidarea energică - duce la ruperea legăturii duble și formarea de acizi carboxilici sau cetone, în funcție de structura alchenei:

   • R-CH=CH-R + 4[O] → 2R-COOH (acizi carboxilici)
   • R-C=C-R + 2[O] → 2R-C-R (cetone)

3. Oxidarea cu oxigen molecular - specifică etenei și propenei, rezultă un eter ciclic care se hidrolizează la diol.

Aplicație practică: La oxidarea alchenelor cu permanganat de potasiu, raportul molar alchenă:KMnO₄:H₂O este întotdeauna 3:2:4. Acest raport stoechiometric trebuie respectat în calculele chimice!

Oxidarea alchenelor și reacțiile de substituție

Mecanismul de formare a oxigenului atomic prin acțiunea KMnO₄: 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ → K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 3H₂O + 5[O]

Similar, cu dicromat de potasiu: K₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄ → K₂SO₄ + Cr₂(SO₄)₃ + 4H₂O + 3[O]

Oxidarea cu oxigen molecular a etenei și propenei: CH₂=CH₂ + ½O₂ → CH₂-CH₂ → CH₂-CH₂ | | | | O OH OH (oxid de etenă) (1,2-etandiol, glicol)

Reacția de substituție în poziția alilică se realizează cu halogeni la temperaturi ridicate (500°C) și în prezența luminii. Denumirea "alilică" se referă la poziția vecină cu legătura dublă:

CH₂=CH-CH₂-CH₃ + Cl₂ → CH₂=CH-CH-CH₃ + HCl | Cl (1-butenă) (3-cloro-1-butenă)

Reacția de polimerizare este procesul prin care mai multe molecule ale unui compus (monomer) se leagă între ele, formând o macromoleculă (polimer). Numărul de molecule de monomer care formează polimerul se numește grad de polimerizare.

Important pentru viitor: Masele plastice sunt produse tehnologice de sinteză în compoziția cărora intră un compus macromolecular și alte substanțe adăugate (plastifianți, coloranți, antioxidanți) pentru a le conferi proprietăți superioare.

Polimerizarea și masele plastice

Masele plastice se clasifică în mai multe categorii:

• După comportarea la deformare: plastomeri (pot suferi deformații permanente) și elastomeri (se deformează doar temporar)
• După comportarea la încălzire: termoplaste (se înmoaie la încălzire și se întăresc la răcire) și termorigide (se prelucrează doar la rece)

Polimerizarea alchenelor este o adițiune repetată (poliadiție) care are loc cu ruperea legăturilor pi din fiecare moleculă de monomer și formarea de noi legături carbon-carbon:

mCH₂=CH₂ → -(CH₂-CH₂)ₘ-

Gradul de polimerizare $m$ reprezintă raportul dintre masa moleculară a polimerului și masa moleculară a monomerului: m = M(polimer)/M(monomer)

În procesul de polimerizare, condițiile de reacție (presiune, temperatură, catalizatori) influențează proprietățile produsului final. De exemplu, la polietenă, presiunea poate varia între 5-1500 atm, rezultând polimeri cu grade diferite de polimerizare și, implicit, cu proprietăți diferite.

Aplicație industrială: Polimerizarea este baza industriei materialelor plastice moderne. Controlând condițiile de polimerizare, putem obține materiale cu proprietăți personalizate pentru diverse aplicații, de la ambalaje alimentare la componente auto și dispozitive medicale.

Polimeri sintetici importanți

Polietena (polietilena) are un grad de polimerizare de 18.000-800.000. În funcție de presiunea aplicată $5-1500 atm$, se obțin diferite tipuri de polietenă, cu proprietăți variate. Este folosită pentru:

• Izolarea conductorilor și cablurilor electrice
• Fabricarea de tuburi, ambalaje și obiecte de uz casnic
• Protejarea suprafețelor împotriva coroziunii
• Ambalaje pentru produse alimentare și farmaceutice

Polipropena (polipropilena) este recomandată pentru articole care vin în contact cu alcoolul etilic concentrat. Din ea se pot obține folii, cutii, flacoane și seringi.

Polistirenul este stabil la acțiunea diverșilor agenți chimici. Se utilizează la obținerea polistirenului expandat (obținut prin tratarea perlelor de polistiren cu n-butan sub presiune, urmată de încălzire). Este folosit pentru:

• Ambalaje pentru piese casabile
• Material izolator termic și fonic

Policlorura de vinil (PVC) rezistă la acțiunea agenților chimici și atmosferici, dar nu este rezistentă la încălzire. Este utilizată pentru:

• Obținerea de tuburi și țevi
• Fabricarea de folii cu sau fără suport textil (linoleum)
• Tâmplărie de termopan

Știai că? Polimerii sintetici au revoluționat aproape toate aspectele vieții moderne. De la hainele pe care le purtăm până la componentele telefoanelor noastre, materialele plastice sunt omniprezente datorită versatilității și costului lor redus.

Alți polimeri importanți

Politetrafluoroetena (Teflonul) este un polimer cu proprietăți remarcabile:

• Este inert la acțiunea agenților chimici
• Nu este inflamabil
• Funcționează ca izolator electric

Este utilizat în:

• Industria chimică, aeronautică și în medii corozive
• La temperaturi ridicate
• Fabricarea vaselor de bucătărie

Poliacetatul de vinil se obține din acetatul de vinil și este utilizat pentru obținerea adezivilor.

Poliacrilonitrilul se obține din acrilonitril și este folosit pentru obținerea fibrelor sintetice de tip melană.

Acești polimeri, împreună cu cei prezentați anterior, formează baza industriei materialelor plastice și au aplicații în aproape toate domeniile vieții moderne, de la ambalaje și construcții până la medicină și aerospațială.

De reținut! Polimerii sintetici, deși extrem de utili, reprezintă o provocare pentru mediul înconjurător datorită timpului lung de degradare. Cercetătorii lucrează la dezvoltarea de polimeri biodegradabili sau la metode mai eficiente de reciclare pentru a reduce impactul asupra mediului.