Structura și seria omologă a alchenelor

Alchenele sunt hidrocarburi nesaturate, alifatice (nearomatice) și aciclice care conțin o legătură dublă C=C. Formula lor generală este CₙH₂ₙ, iar gradul de nesaturare este 1, indicând prezența unei legături duble sau a unui ciclu cu legături simple.

Seria omologă începe cu etena (C₂H₄) și continuă cu propena (C₃H₆), butenă (C₄H₈), pentenă (C₅H₁₀), hexenă (C₆H₁₂), și așa mai departe. Începând cu butena, apar izomeri de poziție - putem avea 1-butenă $CH₂=CH-CH₂-CH₃$ sau 2-butenă $CH₃-CH=CH-CH₃$.

💡 Etena (C₂H₄) este cea mai simplă alchenă și are numeroase utilizări industriale, fiind una dintre cele mai produse substanțe chimice din lume!

Denumirea alchenelor

Denumirea alchenelor se face înlocuind sufixul "-an" din alcan cu sufixul "-enă". Pentru a numi corect izoalchenele, trebuie să respecți câteva reguli simple:

1. Alege catena de bază - cea mai lungă catenă care conține legătura dublă
2. Numerotează catena astfel încât legătura dublă să primească numărul minim
3. Denumește radicalii în ordine alfabetică, specifică poziția legăturii duble și denumește catena de bază

Când numerotăm catena, poziția legăturii duble are prioritate absolută - de exemplu, o substanță ca CH₃-CH₂-CH=CH₂ poate fi numerotată de la dreapta și devine 1-butenă, nu 3-butenă.

Pentru cicloalchene, se folosește prefixul "ciclo-" urmat de numele alchenei cu același număr de atomi de carbon. Numerotarea se face "sărind peste" legătura dublă.

Izomeria alchenelor

Alchenele prezintă patru tipuri importante de izomerie, ceea ce face clasificarea lor mai complexă:

1. Izomerie de poziție - se schimbă poziția legăturii duble în aceeași catenă $ex: 1-butenă vs. 2-butenă$
2. Izomerie de catenă - variază ramificațiile catenei păstrând formula moleculară $ex: 1-butenă vs. 2-metil-propenă$
3. Izomerie geometrică - apare când atomii sau grupele sunt diferit orientate în spațiu față de legătura dublă $izomeri cis-trans$
4. Izomerie de funcțiune - compuși cu aceeași formulă dar structuri diferite (ex: alchene vs. cicloalcani)

🔍 Izomeria geometrică este specifică alchenelor deoarece legătura dublă împiedică rotația atomilor în jurul ei, creând configurații fixe în spațiu!

Cicloalchenele nu prezintă niciodată izomerie geometrică pe legătura dublă, deoarece structura ciclică restricționează conformația moleculei.

Tipuri de izomeri la alchene

În cazul butenei (C₄H₈), avem mai multe tipuri de izomeri posibili:

1-butenă $CH₂=CH-CH₂-CH₃$ și 2-butenă $CH₃-CH=CH-CH₃$ sunt izomeri de poziție. Dacă am muta legătura dublă la poziția a 3-a, obținem de fapt tot 1-butenă, pentru că numerotarea se face astfel încât legătura dublă să primească numărul minim.

Izobutena $2-metil-propenă, CH₂=C(CH₃)₂$ este un izomer de catenă al butenei, având aceeași formulă moleculară dar o structură ramificată diferită.

2-butena prezintă izomerie geometrică:

• Cis-2-butenă: când grupele metil sunt pe aceeași parte a legăturii duble
• Trans-2-butenă: când grupele metil sunt pe părți opuse ale legăturii duble

Izomeria geometrică apare doar când cei doi atomi de carbon ai legăturii duble au substituenți diferiți, și este posibilă datorită imposibilității rotației în jurul legăturii duble C=C.

Tipuri de izomeri (continuare)

Pentru pentena (C₅H₁₀), varietatea de izomeri crește semnificativ:

Izomerii de poziție includ 1-pentena și 2-pentena, care diferă doar prin localizarea legăturii duble în aceeași catenă liniară.

Izomerii de catenă includ 3-metil-1-butena, 3-metil-2-butena și 2-metil-2-butena, toate având aceeași formulă moleculară, dar structuri diferite ale ramificațiilor.

Izomeria geometrică apare la 2-pentena, care poate exista în forma cis (când grupele etil și metil sunt pe aceeași parte a legăturii duble) sau trans (când sunt pe părți opuse).

Izomeria de funcțiune este reprezentată de relația dintre alchene și cicloalcani cu aceeași formulă - de exemplu, C₅H₁₀ poate fi pentenă sau ciclopentan. Alte exemple includ metilciclobutan sau etilciclopropan.

🧪 Cu cât crește numărul de atomi de carbon, cu atât numărul de izomeri posibili crește exponențial!

Structura alchenelor

Legătura π din structura alchenelor este mai slabă și mult mai reactivă decât legătura σ, ceea ce explică reactivitatea chimică ridicată a acestor compuși.

În alchenele, atomii de carbon din legătura dublă sunt hibridizați sp². Acest tip de hibridizare conferă următoarele caracteristici structurale:

• Unghiul dintre legăturile σ este de 120°
• Geometria este trigonală
• Legătura dublă conține o legătură π și o legătură σ (simplă)
• Lungimea legăturii C=C este de 1,33Å $mai scurtă decât legătura simplă C-C$
• Lungimea legăturii C-H este de 1,079Å

Metode de obținere a alchenelor

1. Descompunerea termică a alcanilor:
   • La temperaturi peste 650°C: propan → propenă + H₂ (piroliză)
   • La temperaturi sub 650°C: propan → metan + etenă (cracare)

Aceste reacții sunt fundamentale în industria petrochimică pentru obținerea alchenelor, materii prime esențiale în sinteza multor compuși organici.

Metode de obținere a alchenelor (continuare)

2. Hidrogenarea parțială a alchinelor: Alchinele pot fi transformate în alchene prin adăugarea unui singur mol de hidrogen în prezența unui catalizator de Ni. CH≡CH + H₂ → CH₂=CH₂ (etena)

3. Dehidrohalogenarea compușilor monohalogenați: În condiții de bază (NaOH sau KOH) și mediu de alcool, compușii monohalogenați elimină HX. CH₃-CH₂Cl + KOH/ROH → CH₂=CH₂ + HCl + KCl

   La reacțiile de eliminare, halogenul preia H de la atomul de carbon cel mai sărac în H (Regula lui Zaițev).

4. Deshidratarea alcoolilor: În prezență de H₂SO₄ sau Al₂O₃, alcoolii elimină o moleculă de apă formând alchene. CH₃-CH₂OH → CH₂=CH₂ + H₂O

💡 Regula lui Zaițev spune că eliminarea se face în direcția formării alchenei cu cea mai mare stabilitate (de obicei cea mai substituită)!

Metode de obținere a alchenelor (continuare)

5. Eliminarea halogenilor din compuși dihalogenați vicinali: Compușii care au doi atomi de halogen pe atomi de carbon vecini pot elimina halogenul formând o legătură dublă. CH₂Cl-CH₂Cl + Zn → CH₂=CH₂ + ZnCl₂ CH₂Cl-CHCl-CH₃ + Zn → CH₂=CH-CH₃ + ZnCl₂

Proprietăți fizice ale alchenelor

Alchenele au proprietăți fizice care depind de structura și masa lor moleculară:

• Moleculele sunt nepolare (cu atomi identici) sau slab polare (cu atomi diferiți)

• Între molecule se manifestă forțe slabe de tip Van der Waals

• Starea de agregare depinde de numărul de atomi de carbon:

  • C₂-C₄: gaze
  • C₅-C₁₂: lichide

  • C₁₂: solide

• Sunt insolubile în apă dar solubile în solvenți organici (benzen, acetonă, toluen)

• Alchenele lichide au densitatea mai mică decât apa

• Punctele de fierbere sunt mai mici decât ale alcanilor corespondenți

Proprietăți chimice ale alchenelor

Alchenele sunt mult mai reactive decât alcanii, datorită prezenței legăturii π, care este mai reactivă decât legătura σ. Principalele reacții ale alchenelor sunt:

I. Reacții de adiție:

• Adiția de H₂
• Adiția de halogeni (X₂)
• Adiția de hidracizi (HX)
• Adiția de apă (H₂O)

II. Reacții de polimerizare

III. Reacții de substituție în poziție alilică

IV. Reacții de oxidare: - Oxidare blândă - Oxidare energică

V. Reacții de ardere

În reacțiile de adiție, legătura dublă se rupe, iar elementele reactantului se leagă de atomii de carbon care formau anterior legătura dublă:

C=C + A-B → C-C | | A B

🔑 Reacțiile de adiție sunt cele mai caracteristice pentru alchene și reprezintă baza multor procese industriale!

Reacții de adiție la alchene

a) Adiția de hidrogen (H₂):

• Condiții: catalizatori de Ni, Pt sau Pd, temperatură de 180°C
• Cataliză eterogenă (reactanți și catalizator în faze diferite)
• Se obțin alcani

CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃ (etan) CH₂=CH-CH₃ + H₂ → CH₃-CH₂-CH₃ (propan) CH₃-CH=CH-CH₃ + H₂ → CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ (butan)

b) Adiția de halogeni (X₂):

• Condiții: CCl₄ sau CH₂Cl₂ ca solvent
• Se face cu Cl₂, Br₂ sau I₂
• Se obțin compuși dihalogenați vicinali
• Reprezintă un test de nesaturare - decolorarea soluției de Br₂ indică prezența legăturii duble

CH₂=CH₂ + Cl₂ → CH₂Cl-CH₂Cl $1,2-dicloroetan$ CH₃-CH=CH-CH₃ + Br₂ → CH₃-CHBr-CHBr-CH₃ $2,3-dibromobutam$

Apa de brom (soluție de Br₂ în apă) este un reactiv frecvent folosit în laborator pentru identificarea legăturilor duble.