Ненасыщенные (непредельные) углеводороды (алкены) (стр. 3 из 4)

При энергичном действии окислителей молекулы этиленовых углеводородов распадаются с разрывом углеродной цепи в том месте, где была двойная связь. Например:

1 2 3 4 5 4O 1 2 О О 3 4 5

1. СН3—СН=СН—СН2—СН3 ¾® СН3—С + С—СН2—СН3

кислота ОН НО кислота

СН3 СН3

1 2½ 3 4 3О 1 2½ О 3 4

2. СН3—С=СН—СН3 ¾® СН3—С=О + С—СН3

кетон НО кислота

СН3СН3 СН3 СН3

1 2½ 3½ 4 2О 1 2 ½ 3½ 4

3. СН3—С=С—СН3 ¾® СН3—С=О + О=С—СН3

кетон кетон

Как видно из приведенных схем реакций, при окислительном распаде этиленовых углеводородов образуются "осколки", в которых атомы углерода, соединенные в этиленовом углеводороде двойной связью, превращаются в кислородсодержащие функциональные группы. В зависимости от строения исходного олефина получаются кислоты или кетоны, по составу и строению которых можно судить о строении исходного олефина и, в частности, о положении в нем двойной связи.

Большой практический интерес представляет прямое каталитическое окисление этилена кислородом воздуха, в результате которого образуется окись этилена (СН2—СН2) – ценное исходное вещество во многих синтезах.

О

Способы получения алкенов

В природе этиленовые углеводороды (олефины; алкены) встречаются довольно редко. Иногда низшие олефины в небольших количествах растворены в нефти и входят в состав попутного нефтяного газа. Лишь в некоторых месторождениях нефть содержит значительные количества высших олефинов (например, канадская нефть). Довольно много этиленовых углеводородов получается при крекинге и пиролизе углеводородов нефти и содержатся в крекинг-бензинах. Важным источником этилена, пропилена и бутиленов служат получающиеся при этом газы (газы крекинга); в таблице приведены данные о содержании в них непредельных углеводородов в зависимости от вида переработки нефтепродуктов.

Некоторые данные о содержании непредельных углеводородов в газах образующихся при крекинге и пиролизе высших фракций нефти

Вид переработки	Содержание, %
	этилена	пропилена	бутилена	изобутилена	бутана
Жидкофазный крекинг	2,1	12,4	10,3	-	10,6
Парофазный крекинг	19,8	22,4	10,0	6,9	2,0
Каталитичесий крекинг	1,2	6,8	3,3	0,5	47,9
пиролиз	20,4	17,8	4,0	6,0	1,0

При крекинге цепи молекул углеводорода разрываются в различных местах и между образующимися в виде "осколков" радикалами с более короткими цепями перераспределяется водород. Таким образом, получается смесь более коротких непредельных углеводородов. Например:

¾® СН2=СН2 + СН3—СН2—СН3

СН3—СН2—СН2—СН2—СН3 ¾® СН2—СН=СН2 + СН3—СН3

пентан ¾® СН3—СН2—СН=СН2 + СН4

(этилен и пропан; пропилен и этан; бутилен и метан.)

Дегидрирование алканов

В присутствии катализаторов при высокой температуре происходит отщепление водорода (реакция дегидрирования) от молекул насыщенных углеводородов с образованием двойных связей. Так, при пропускании бутана над катализатором, содержащим окислы тяжелых металлов (например, Cr2O3), при температурах 400-600 оС образуется смесь бутенов:

СН3—СН2—СН2—СН3 ¾® СН2=СН—СН2—СН3 + Н2

бутан ¾® СН3—СН=СН—СН3 + Н2 (бутилены)

Этот метод дает особую возможность использовать в качестве сырья для химической промышленности попутный нефтяной газ. Последний, как уже знаем, содержит метан, этан, пропан и бутан. Путем дегидрирования их переводят в непредельные углеводороды, являющиеся исходными веществами для многих синтезов.

Отнятие галогенов от дигалогенпроизводных

Если в дигалогенпроизводном предельного углеводорода атомы галогена расположены при соседних углеродных атомах, то при отнятии галогена образуется двойная связь. Реакцию ведут, например, действуя на дигалогенпроизводные цинковой пылью в спиртовом растворе при нагревании. Например:

СН2—Br t CH2

½ + Zn ¾® II + ZnBr2

CH2—Br спирт CH2

Отщепление галогеноводорода от моногалогенпроизводных

При нагревании моногалогенпроизводых со спиртовым раствором щелочи происходит отнятие от их молекул галогеноводорода, причем водород отщепляется от углеродного атома, соседнего с тем, при котором стоит галоген: в результате образуется углеводород с двойной связью:

СН2—Н КОН СН2

II ¾¾® II + H2O + KCl

CH2—Cl спирт. р-р CH2

хлористый этил

Если углеродные атомы, соседние с тем, при котором находится галоген, отличается по содержанию атомов водорода, то при отщеплении галогенводорода водород отнимается преимущественно от того углеродного атома, при котором атомов водорода меньше (правило Зайцева, 1875г.).

Правило Зайцева также отражает закон взаимного влияния атомов.

Например:

СН3 СН3

½ KOH ½

СН3—С—СН—СН3 ¾® СН3—С=СН—СН3 + KCl + H2O

½½ спирт 2-метил-2-бутен

Н Cl

Отщепление воды от спиртов (реакция дегидротации)

При действии на одноатомные спирты различных водоотнимающих средств происходит отщепление молекулы воды. При этом атом водорода отщепляется от углеродного атома, соседнего с тем, при котором находится гидроксильная группа спирта, что приводит к образованию непредельного углеводорода:

СН2—Н СН2

½¾® II +Н2О

СН2—ОН Н2SO4 CH2

этанол этилен

В этой реакции также проявляется правило Зайцева, если есть выбор, водород отщепляется преимущественно от того, который содержит меньшее число атомов водорода.

Дегидратация спиртов происходит, например, при пропускании их паров над нагретой до 350-500 оС окисью алюминия. Старый лабораторный метод заключается в нагревании спиртов с концентрированной Н2SO4; обычно так получают по приведенной выше реакции этилен из этилового спирта.

При смешении концентрированной Н2SO4 со спиртом вначале образуется сложный эфир – алкилсерная кислота. Например:

СН3 СН3

½ + Н2SO4 ¾®½ + Н2О

СН2—ОН CH2—О—SO3H

этанол серная к-та этилсерная к-та

При нагревании алкилсерная кислота разлагается с образованием непредельного углеводорода и серной кислоты:

СН2—Н t CН2

½¾® II + H2SO4

CH2—О—SO3H CH2

Отдельные представители алкенов

Этен (этилен). Как уже было указано, этилен может быть получен из этилового спирта действием концентрированной H2SO4. В промышленности используют этилен газов крекинга, а так же этилен, получаемый дегидрированием этана, входящего в состав попутного нефтяного газа. Этилен – бесцветный горючий газ, почти без запаха; в воде при 0 оС растворяется до ¼ объема этилена. (Теплота сгорания 11200 ккал/кг, температура самовоспламенения 540 оС; область воспламенения 3-32 % объемных; в воздухе горит слабокоптящим пламенем.) (Минимально взрывоопасное содержание кислорода при разбавлении этилено-воздушных смесей углекислым газом 12,1 % объемн.; азотом 10 % объемн.; максимальная нормальная скорость горения 0,74 м/сек; Температура горения = 2112 оС. Устойчив, приблизительно, до температуры 350 оС. Выше этой температуры начинает разлагаться на метан и ацетилен. При более высоких температурах этилен разлагается на ацетилен и водород. Для предотвращения взрыва при аварийном истечении этилена и тушения факела в закрытых объемах необходима минимальная концентрация СО2 – 42 % объемн.; азота – 52 % объемн.)

Этилен находит применение как исходное вещество для синтеза этанола, различных галогенпроизводных, окиси этилена, иприта, для получения полиэтилена других синтетических высокополимеров. Имеет значительное применение для ускорения созревания овощей и фруктов. Для этой цели при 18-20 оС достаточно добавить к воздуху 0,005-0,01 объемного процента этилена.

Пропен (пропилен) входит в состав газов крекинга. Может быть получен дегидированием пропана, входящего в состав попутного нефтяного газа. Служит сырьем для получения глицерина и изопропилового спирта; из последнего затем получают ацетон. Полимеризацией пропилена получают полипропилен:

nCH2=CH ¾® ...CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—...

½½½½

CH3 CH3 CH3 CH3

пропилен полипропилен

В качестве катализатора используют смесь триэтилалюминия Al(C2H5)3 с четыреххлористым титаном TiCl4 (катализатор Циглера-Натта).

(Полипропилен по ряду свойств превосходит полиэтилен. Имеет более высокую температуру плавления (164-170 оС), чем полиэтилен. Молекулярный вес 60000-200000. Стоек к действию кислот и масел даже при повышенной температуре. Полипропиленовая пленка прозрачнее полиэтиленовой. Вследствие большей устойчивости ее к действию теплоты пищевые продукты, упакованные в полипропленовую пленку, могут быть подвергнуты стерилизации. По имеющимся данным, волокно из полипропилена по прочности превосходит все другие синтетические волокна.)