Непредельные соединения, содержащие в молекуле две двойные связи, называются диеновыми углеводородами (диолефииами, или алкадиенами).
Диеновые углеводороды на два атома водорода беднее, чем алкены с тем же числом углеродных атомов. Поэтому общая формула таких соединений СnН2n - 2
1. Строение и классификация
Две двойные связи в алкадиенах могут находиться в различных положениях относительно друг друга. Если они расположены рядом, то такие связи называются кумулированными (I), если же разделены одной простой связью (II) — сопряженными или конъюгированными. Двойные связи, разделенные двумя или несколькими простыми, называются изолированными или несопряженными (III):
| Н2С=С=СН2(I) | Н2С=СН—CН=СН2(II) | H2C=CH—CH2—CH2—CH=CH2(III) |
Из этих трех видов диеновых углеводородов наибольшее значение имеют диены с сопряженными двойными связями. Рассмотрим эти соединения на примере дивинила (бутадиена-1,3). Установлено, что двойные связи в его молекуле (C1—C2 и С3—С4) рис. 1) несколько длиннее (0,136 нм), чем двойная связь в этилене (0,134 нм). Простая же связь (С2—С3), расположенная между двумя двойными связями, короче обычной s-связи (сравните: 0,146 нм в дивиниле и 0,154 нм в этане). Причина такого "выравнивания" длин углерод-углеродных связей в дивиниле состоит в том, что 2р-орбитали всех четырех углеродных атомов перекрываются между собой (правда, это перекрывание между C2 и С3 несколько меньше) с образованием единой молекулярной орбитали с равномерным по своей молекуле p-электронным облаком.
Взаимодействие двух соседних p-связей способствует процессу взаимного влияния атомов в такой системе (эффект сопряжения). Это приводит к снижению общей энергии молекулы. В результате повышается ее устойчивость. В то же время молекула дивинила при химических реакциях ведет себя намного активнее, чем обычный алкен. Особенно это проявляется в реакциях присоединения.
2. Номенклатура и изомерия
По систематической номенклатуре диеновые углеводороды называют так же, как и этиленовые, но заменяют при этом суффикс -ен на -диен (две двойные связи). Положение каждой двойной связи обозначают цифрой. Нумерацию производят таким образом, чтобы сумма цифр, обозначающая положение двойных связей, была наименьшей:
1 2 3 4 5
Н2С==СН—СН==СН—СН3
пентадиен-1,3
(но не пентадиен-2,4)
В систематической номенклатуре сохраняются такие названия, как аллен (пропадиен-1,2), дивинил (бутадиен-1,3), изопрен (2-метилбутадиен—1,3).
Изомерия диенов зависит от различного положения двойных связей в углеродной цепи и от строения углеродного скелета:
Н2С==С—СН==СН2 Н3С—С==С==СН2
| |
СН3 СН3
2-метилбутадиен-3 3-метилбутадиен-1,2
Н3С—СН==С==СН—СН3 Н2С==СН—СН2—СН==СН2 Н2С==С==СН—СН2—СН3
пентадиен—2,3 пентадиен-1,4 пентадиен-1,2
Н2С==СН—СН==СН—СН3
пентадиен-1,3
3. Получение диенов
Из диеновых углеводородов особое значение имеют дивинил (бута-диен-1,3) и изопрен (2-метилбутадиен-1,3). Рассмотрим основные способы получения этих диенов.
1. Основным промышленным способом получения дивинила и изопрена является дегидрирование соответствующих бутан-бутиленовых или изопентанамиленовых смесей над катализатором (Сr2O3):
Исходные вещества (сырье) выделяют из продуктов нефтепереработки или попутных газов.
2. Впервые дивинил был получен по методу С.В.Лебедева (1874—1934) из этилового спирта. Затем этот метод был положен в основу промышленного синтеза (1932). В качестве катализатора были предложены оксиды алюминия и цинка, способствующие одновременной дегидратации (отщеплению воды) и дегидрированию (отщеплению водорода):
450°С, Al2O3,ZnO
2C2H5OH ——————® Н2С==СН—СН==СН2 + 2Н2O + Н2
3. Дивинил и изопрен в небольших количествах выделяют из продуктов пиролиза нефти.
4. Физические и химические свойства
Физические свойства. Некоторые физические свойства наиболее известных диенов представлены в табл. 1. Общие закономерности, свойственные для гомологического ряда алкенов, прослеживаются и для диеновых углеводородов.
Таблица1. Физические свойства некоторых диеновых углеводородов
| Название | Формула | tпл, °С | tкип, °С | d204 |
| Аллен (пропадиен) | Н2С=С=СН2 | -153,2 | -34,3 | 1,7870 |
| Метилаллен (бутадиен-1,2) | Н3С—СН=C=СН2 | -136,2 | -10,3 | 0,6940 |
| Дивинил (бутадиен--1,3) | Н2С=СН—CН=СН2 | -108,9 | - 4,5 | 0,6270 |
| Пиперилен (пентадиен-1,3) | Н3С—СН=CH—CН==CH2 | -87,5 | 42 | 0,6760 |
| Изопрен (2-метилбутадиен-1,3 | Н2С=С—CН=СН2 | CH3 | -145,9 | 34,1 | 0,6810 |
| Диизопропенил (2,3-диметилбутадиен-1,3) | CH3 | Н2С=С—C=СН2 | CH3 | -76,1 | 69,6 | 0,7260 |
| Дивинилметан (пентадиен-1,4) | H2C=CH—CH2—CH2—CH=CH2 | -148,3 | 25,9 | 0,6610 |
Химические свойства. Диены, содержащие в молекуле несопряженные (изолированные) двойные связи, ведут себя как обычные алкены. В то же время диены с сопряженными двойными связями обладают высокой реакционной способностью и отличаются рядом особенностей. Однако для тех и других характерны прежде всего реакции присоединения.
Реакции присоединения. Присоединение водорода (гидрирование), галогенов (галогенирование), галогенводородов (гидрогалогенирование) может протекать не только по месту одной или двух отдельных двойных связей (1,2-присоединение), но и к крайним углеродным атомам (1,4-присоединение):
Из этих примеров видно, что в зависимости от характера присоединения (1,2- или 1,4-) образуются различные продукты.
Присоединение в 1,2- положение не требует особого объяснения — оно вытекает из общих свойств алкенов: в результате присоединения происходит обычный разрыв одной или двух двойных связей. Иначе идет присоединение в 1,4-положение. Известно, что молекула диена представляет собой систему, в которой происходит взаимодействие двух соседних двойных связей с образованием единого p-электронного облака (см. раздел 3.1). Под влиянием атакующего реагента такая система поляризуется с перераспределением электронной плотности. В результате на противоположных концах молекулы под влиянием динамического эффекта сопряжения возникают противоположные частичные заряды:
К этим концам молекулы и стремятся противоположно заряженные частицы реагента (под влиянием p-электронной системы диена происходит, в первую очередь, поляризация молекулы реагента):
d+ d- + -
Н2С==СН—СН==СН2 + НВr Н2СВr—СН==СН—СН3
1-бромбутен-2
Таким образом, в результате присоединения к диенам вначале происходит разрыв двух двойных связей, а затем присоединение атомов реагента к крайним ненасыщенным углеродным атомам (C1 и C4). Между атомами С2 и С3 устанавливается двойная связь. Это осуществляется за счет расспаривания 2р-орбиталей двойных связей. Две из этих орбиталей (принадлежащие атомам C1 и C4) создают обычные s-связи с атомами реагента, а две другие (у атомов С2 и С3), перекрываясь между собой еще в большей степени, образуют новую двойную связь.
Выход продуктов 1,4- или 1,2-присоединения зависит от характера реагента и от условий проведения реакции. Например, водород в момент выделения (при взаимодействии цинка с соляной кислотой) присоединяется в положение 1,4, а газообразный водород (над катализатором Ni) - в положение 1,2 или гидрирует диен полностью до бутана:
Если присоединение НВr идет при –80 °С, то образуется 80 % продукта присоединения в положении 1,2 и 20 % — в положение 1,4; если же реакцию проводить при 40 °С, то соотношение продуктов будет обратным.
Диеновые синтезы. Этот вид реакций заключается в 1,4-присоединении алкена или алкина (ацетиленового углеводорода) к диену с сопряженными двойными связями. Например:
Такие реакции используют для получения многих циклических органических соединений. Непредельные соединения, вступающие в реакцию с диенами, называют диенофилами. Диеновые синтезы известны как синтезы Дилъса — Альдера (по имени ученых, открывших эти реакции).
Реакции полимеризации. Диеновые углеводороды обладают исключительно важной особенностью: они легко вступают в реакции полимеризации с образованием каучукоподобных высокомолекулярных продуктов. Реакции полимеризации протекают с присоединением молекул друг с другом в 1,4- или 1,2-положении, а также с одновременным присоединением в 1,4-и 1,2-положения. Вот как выглядит фрагмент формулы продукта полимеризации дивинила (бутадиена-1,3), если присоединение молекул друг к другу идет в положение 1,4:
nН2С=СН—CН=СН2® ... —Н2С—СН=СН—СН2—СН2—CH=СН—СН2—...
бутадиен-1,3 фрагмент формулы полибутадиена
Этот фрагмент полимера можно представить в сокращенной форме:
[—СН2—СН==СН—СН2—]n
Аналогично записывают и уравнение реакции полимеризации изопрена (2-метилбутадиена-1,3):
nН2С=С—CН=СН2® ... —Н2С—С=СН—СН2—СН2—C=СН—СН2—...
| | |
CH3 CH3 CH3
2-метилбутадиен-1,3 фрагмент формулы полиизопрена
В общем виде формулу полиизопрена записывают так:
é—СН2—С==CН—СН2— ù
ê | ú
ë СН3 û n
5. Отдельные представители
Дивинил (бутадиен-1,3) Н2С=СН—СН=CН2 — бесцветный газ с резким запахом. Служит одним из важнейших мономеров для производства синтетических каучуков и латексов, пластмасс и других органических соединений.