Legătura dublă și izomeria alchenelor

Legătura dublă din alchene este formată dintr-o legătură σ și o legătură π. Atomul de carbon implicat într-o legătură dublă formează trei legături σ coplanare cu unghiuri de 120° între ele. Această structură este importantă pentru că împiedică rotația liberă în jurul legăturii duble.

Lungimea unei legături duble C=C este de aproximativ 1,33 Å, iar legătura π este mai slabă decât legătura σ. Acest lucru explică reactivitatea mare a alchenelor în reacții chimice, unde legătura π se scindează, iar atomii de carbon participă la formarea unor noi legături mai stabile.

Alchenele prezintă diverse tipuri de izomerie:

• Izomerie de poziție - diferă prin poziția dublei legături în catenă $ex: 1-butena vs 2-butena$
• Izomerie de catenă - aceeași formulă moleculară dar aranjament diferit al atomilor de carbon
• Izomerie geometrică - aceeași structură dar orientare diferită a substituenților față de dubla legătură
• Izomerie de funcțiune - compuși cu aceeași formulă moleculară dar funcțiuni diferite

💡 Reține că izomeria geometrică este posibilă doar când atomii de carbon dublu legați au doi substituenți diferiți, iar alchenele marginale nu prezintă acest tip de izomerie!

Izomeria cis-trans a alchenelor

Izomeria geometrică a alchenelor se manifestă sub formă de izomeri cis și trans. Pentru ca aceasta să fie posibilă, fiecare atom de carbon din dubla legătură trebuie să aibă doi substituenți diferiți.

În izomerii cis, substituenții identici de la atomii de carbon dublu legați sunt situați de aceeași parte a planului legăturii. La izomerii trans, acești substituenți sunt situați de-o parte și de alta a planului legăturii. De exemplu, 2-butena poate exista ca izomer cis și trans:

• cis-2-butena: ambele grupe metil se află pe aceeași parte
• trans-2-butena: grupele metil se află pe părți opuse

Izomerii trans au de obicei o stabilitate mai mare decât cei cis, deoarece configurația trans permite o aranjare mai bună a moleculelor, cu mai puține impedimente sterice.

Cicloalcanii disubstituiți la atomi de carbon diferiți prezintă, de asemenea, izomerie cis-trans, cu aceleași principii de orientare a substituenților.

💡 Când stabilești tipul de izomerie geometrică, trebuie să determini întâi dacă ambii atomi de carbon dublu legați au substituenți diferiți. Alchenele terminale nu prezintă această izomerie!

Proprietăți fizice și reacții ale alchenelor

Alchenele sunt insolubile în apă dar solubile în solvenți organici precum CCl₄, benzen sau alcooli. Cele gazoase nu au miros și prezintă puncte de fierbere și topire negative. Densitatea lor este mai mică decât a alcoolilor corespunzători.

Reactivitatea chimică a alchenelor se datorează prezenței dublei legături. Reacțiile lor pot fi clasificate în:

1. Reacții specifice dublei legături:

   • Reacții de adiție
   • Reacții de oxidare
   • Reacții de polimerizare

2. Reacții comune cu ale alcanilor:

   • Reacții de substituție
   • Reacții de ardere

Printre cele mai importante reacții ale alchenelor se numără:

• Adiția de H₂, X₂ (halogeni), HX (halogenuri de hidrogen), H₂O și alți compuși
• Polimerizarea - formarea de compuși macromoleculari
• Oxidarea - blândă, energică, catalitică sau ardere
• Substituția în poziție alilică

💡 Dubla legătură este centrul reactivității alchenelor și majoritatea reacțiilor implică ruperea legăturii π, care este mai slabă decât legătura σ!

Reacții de adiție la alchene

Reacțiile de adiție reprezintă o categorie importantă în chimia alchenelor. Când adăugăm HCl sau HBr la o alchenă asimetrică, reacția urmează regula lui Markownikow: atomul de hidrogen se leagă la atomul de carbon cu mai mulți atomi de hidrogen, iar halogenul la celălalt carbon.

De exemplu, când adăugăm HCl la 1-butenă, obținem 2-clorobutan $clorură de sec-butil$:

CH₂=CH-CH₂-CH₃ + HCl → CH₃-CH-CH₂-CH₃
                         |
                         Cl

În anumite condiții, cum ar fi prezența peroxizilor organici $R-O-O-R$, HBr se comportă diferit și se adiționează la alchene într-un mod invers regulii lui Markownikow. Acest fenomen se numește adiție anti-Markownikow. Este important de notat că HCl și HI nu prezintă această comportare.

Adiția apei (HOH) la alchene necesită prezența acidului sulfuric (H₂SO₄) ca și catalizator. Etena reacționează cu apa în prezența H₂SO₄ concentrat (98%), formând etanol:

CH₂=CH₂ + HOH → CH₃-CH₂-OH

💡 Alchenele care conțin atomi de carbon terțiari sau cuaternari în legătura dublă reacționează mai ușor cu apa în prezența H₂SO₄, datorită stabilității crescute a intermediarilor de reacție!

Polimerizarea și oxidarea alchenelor

Polimerizarea reprezintă procesul de unire a mai multor molecule identice cu legături multiple (monomer) pentru a forma un compus macromolecular (polimer) cu aceeași compoziție ca substanța inițială. În timpul polimerizării, legătura π se rupe (reacție de adiție), iar catenele hidrocarbonate se măresc.

Gradul de polimerizare (n) indică numărul de molecule de monomer care formează polimerul și se calculează ca raport între masa molară a polimerului și cea a monomerului:

n = M(polimer) / M(monomer)

Dacă n > 50, produsul este un compus macromolecular (polimer înalt). Pentru valori mici ale lui n, procesul se numește:

• n = 2: dimerizare
• n = 3: trimerizare

Oxidarea alchenelor are loc mai ușor decât la alcani, producând compuși diferiți în funcție de agentul oxidant și de condițiile de reacție:

1. Oxidarea blândă - cu soluție apoasă neutră sau slab bazică de KMnO₄ (Reacția Baeyer):
   • Se rupe doar legătura π
   • Se formează dioli vicinali $compuși cu două grupe -OH la atomii de carbon vecini$
   • Este o reacție de identificare a dublei legături

💡 Oxidarea blândă a alchenelor este folosită în laboratoare ca test de identificare a dublelor legături - decolorarea soluției violete de permanganat indică prezența unei duble legături!

Tipuri de oxidare a alchenelor

Oxidarea blândă a alchenelor cu KMnO₄ în mediu neutru sau slab bazic produce dioli vicinali. În timpul reacției, permanganatul de potasiu (violet) se reduce la dioxid de mangan (precipitat brun):

2KMnO₄ + H₂O → 2KOH + 2MnO₂↓ + 3[O]

De exemplu, etena oxidată blând formează etilenglicol:

CH₂=CH₂ + [O] + H₂O → CH₂-CH₂
                       |  |
                       OH OH

Oxidarea energică (degradativă) se realizează cu K₂Cr₂O₇ sau KMnO₄ în prezența H₂SO₄. Rezultatul oxidării depinde de structura alchenei:

• Carbonii secundari $>CH=$ → CO₂ + H₂O
• Carbonii terțiari $-CH=$ → -COOH (acid carboxilic)
• Carbonii cuaternari $>C=$ → >C=O (cetonă)

De exemplu, oxidarea energică a propenei:

CH₃-CH=CH₂ + 5[O] → CO₂ + H₂O + CH₃-COOH

Oxidarea energică a 2-metil-2-butenei:

CH₃-CH=C-CH₃ + 3[O] → CH₃-COOH + O=C-CH₃
       |                          |
      CH₃                        CH₃

💡 Reacțiile de oxidare sunt utile pentru determinarea structurii alchenelor, deoarece produșii de reacție depind de tipul de carbon implicat în legătura dublă!

Metode de obținere a alchenelor

Alchenele pot fi obținute prin diverse metode de sinteză:

Dehidratarea alcoolilor în prezența acizilor (H₂SO₄) este una dintre cele mai importante metode. Prin eliminarea unei molecule de apă de la alcool, se obține o alchenă:

CH₃-CH₂-OH → CH₂=CH₂ + H₂O

Tratarea compușilor halogenați cu baze tari precum NaOH (reacție de eliminare) permite obținerea alchenelor.

Reacția Grignard poate fi utilizată pentru sintetizarea alchenelor. De exemplu, din bromura de propil se poate obține un reactiv Grignard, care apoi poate fi transformat în alchene.

Dehidrogenarea alchenelor cu catalizatori precum Pd sau Pt este o altă metodă importantă.

Etenul (C₂H₄) și propena (C₃H₆) sunt compuși gazoși incolori, fără miros, insolubili în apă, obținuți prin cracare și procedee petrochimice. Acești compuși au aplicații industriale importante:

• Etenul este folosit la obținerea polietilenei, alcoolului etilic și ca agent de coacere a fructelor
• Propena este folosită la obținerea polipropilenei și a cauciucurilor sintetice

💡 Dehidratarea alcoolilor este cea mai practică metodă de laborator pentru obținerea alchenelor. Cu cât alcoolul este mai substituit, cu atât reacția de dehidratare decurge mai ușor!

Aplicații industriale ale alchenelor

Alchenele reprezintă materii prime esențiale pentru industria chimică modernă. Un exemplu important este α-metil-stirenul, care se obține prin dehidrogenarea izopropil-benzenului (cumen):

CH₃-CH-CH₃      →     CH₃
    |                  |
                   CH₃-C=CH₂
 izopropil-benzen    α-metil-stiren

Acest compus este crucial pentru fabricarea cauciucului sintetic prin polimerizare, rezultând poli-α-metil-stiren cu proprietăți valoroase.

Etena, cea mai simplă alchenă, are numeroase aplicații industriale:

• Obținerea polietilenei (material plastic foarte utilizat)
• Producerea alcoolului etilic
• Fabricarea etilenglicol-ului (antigel)
• Obținerea dicloretan-ului
• Utilizare ca agent de grăbire în procesul de coacere a fructelor

Clorura de alil, derivată din propena, este folosită la obținerea glicerinei, un compus cu multiple utilizări în industria cosmetică și farmaceutică.

💡 Industria petrochimică modernă se bazează în mare parte pe alchene, care sunt transformate în polimeri, solvenți, medicamente și numeroase alte produse de importanță economică!