Structura și izomeria alchenelor

Alchenele, cunoscute și ca olefine, sunt hidrocarburi cu legătură dublă între atomi de carbon. Formula lor generală este CmH2m, unde m ≥ 2. Primele alchene din serie sunt etena (C2H4), propena (C3H6) și butenele (C4H8).

Alchenele prezintă mai multe tipuri de izomerie. Acestea includ izomeria de catenă (diferite aranjamente ale atomilor de carbon), izomeria de poziție (poziția diferită a legăturii duble) și izomeria de funcțiune cu cicloalcani (compuși cu aceeași formulă moleculară dar din clase diferite).

Un tip special de izomerie întâlnită la alchene este izomeria geometrică $cis-trans$. Aceasta apare când fiecare atom de carbon din legătura dublă are substituenți diferiți. De exemplu, 2-pentena și 2-butena prezintă izomeri cis (substituenții pe aceeași parte) și trans (substituenții pe părți opuse).

💡 Izomeria geometrică este posibilă doar când nu există identitate între substituenții de pe atomii de carbon din legătura dublă!

Proprietăți fizice și regula Zaițev

În reacțiile de eliminare, conform regulii Zaițev, se formează majoritar alchena cea mai substituită. Un exemplu este dehalogenarea compușilor monohalogenați în prezența bazelor tari (NaOH) în mediu alcoolic, care duce la eliminarea de acid halogenat.

Proprietățile fizice ale alchenelor variază în funcție de structura lor. În condiții normale, alchenele C2-C4 sunt gaze, cele de la C5-C18 sunt lichide, iar cele peste C19 sunt solide. Punctele lor de topire și fierbere cresc odată cu masa molară, fiind ușor mai mici decât ale alcanilor corespunzători.

Alchenele au densitatea mai mică decât a apei, dar mai mare decât a alcanilor corespunzători. Fiind compuși nepolari, alchenele sunt insolubile în apă, dar se dizolvă bine în solvenți organici precum cloroformul sau alcanii.

La izomerii geometrici, proprietățile fizice diferă: izomerii cis au puncte de fierbere și densități mai mici decât izomerii trans, în timp ce punctele de topire ale izomerilor cis sunt mai mari decât ale izomerilor trans.

Reacții de adiție la alchene

Adiția hidracizilor (HCl, HBr, HI) la alchene formează compuși monohalogenați saturați. La alchenele nesimetrice, reacția urmează regula Markovnikov: hidrogenul din hidracid se atașează la atomul de carbon cu mai mulți atomi de hidrogen, iar halogenul la atomul de carbon cu mai puțini hidrogeni.

O excepție interesantă apare la adiția HBr la alchene cu legătură dublă marginală în prezența peroxizilor organici $efect anti-Markovnikov$. În aceste condiții, bromul se atașează la atomul de carbon terminal, formând produsul opus celui prevăzut de regula Markovnikov.

Hidratarea alchenelor (adiția apei) produce alcooli în prezența acidului sulfuric. La alchenele simetrice se formează un singur produs, în timp ce la cele nesimetrice, orientarea urmează tot regula Markovnikov.

Polimerizarea este o reacție importantă a alchenelor, în care mai multe molecule de monomer (alchenă) se unesc pentru a forma un lanț lung (polimer). Polietilena, polipropilena și polistirenul sunt exemple de polimeri vinilici obținuți din etenă, propenă și respectiv stiren.

🔑 Gradul de polimerizare (m) reprezintă raportul dintre masa molară a polimerului și masa molară a monomerului!

Utilizarea polimerilor și halogenarea alchenelor

Polimerii obținuți din alchene au numeroase utilizări practice. Polietilena se folosește la izolarea conductoarelor electrice, protecție împotriva coroziunii și fabricarea ambalajelor. Polipropilena este utilizată pentru folii, cutii și seringi, iar polistirenul poate fi tras în fire și are proprietăți dielectrice bune.

Halogenarea în poziție alilică a alchenelor este o reacție de substituție care se realizează cu clor sau brom la temperaturi înalte $500-600°C$. Poziția alilică se referă la atomul de carbon vecin cu legătura dublă, unde se poate atașa un atom de halogen.

La alchenele care au poziții alilice echivalente, se obține un singur produs de substituție. De exemplu, la 3-metil-2-pentena, halogenarea alilică poate duce la formarea 1-cloro-3-metil-2-pentenei, 1-cloro-2-etil-2-butenei sau 4-cloro-3-metil-2-pentenei.

Bromurarea alchenelor se poate realiza și într-un mod mai blând, utilizând tetraclorura de carbon (CCl4) și N-bromosuccinimidă (NBS), o metodă preferată în sinteza organică de laborator pentru selectivitatea sa.

💡 Spre deosebire de halogenarea obișnuită (care adaugă halogeni la legătura dublă), halogenarea alilică păstrează legătura dublă și substituie un atom de hidrogen din vecinătatea acesteia!

Reacții de oxidare a alchenelor

Arderea completă a alchenelor eliberează o cantitate mare de căldură, transformându-le în dioxid de carbon și apă. De exemplu, etena (C2H4) reacționează cu oxigenul pentru a produce 2CO2 + 2H2O + energie.

Oxidarea catalitică a etenei în prezența argintului ca și catalizator produce etilenoxid (oxid de etenă), un compus toxic utilizat ca insecticid. Această reacție reprezintă un exemplu de oxidare parțială controlată.

Amonoxidarea propenei este procesul în care propena reacționează cu amoniac și oxigen pentru a forma acrilonitril (cianura de vinil), un compus important în industria materialelor sintetice.

Oxidarea blândă a alchenelor se realizează cu permanganat de potasiu (KMnO4) în mediu neutru sau bazic, prin așa-numita reacție Bayer. Aceasta duce la formarea diolilor vicinali prin desfacerea legăturii duble. Un exemplu important este transformarea etenei în 1,2-etandiol (glicol), folosit ca antigel și în producerea PET-urilor.

🧪 Reacția Bayer cu KMnO4 diluat servește și ca test de identificare pentru alchene - soluția violet de permanganat se decolorează în prezența alchenelor!