Пригодилось? Поделись!

Диеновые углеводороды (алкадиены, или диолефины)

Непредельные соединœения, 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. По этой причине общая формула таких соединœений СnН2n - 2

1. Строение и классификация

Две двойные связи в алкадиенах могут находиться в различных положениях относительно друг друга. В случае если они расположены рядом, то такие связи называются кумулированными (I), если же разделœены одной простой связью (II) — сопряженными или конъюгированными. Двойные связи, разделœенные 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 соединœения 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 всœех 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 сосœедних 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 присоединœения.

2. Номенклатура и изомерия

По систематической номенклатуре диеновые углеводороды называют аналогично тому, 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 скелœета:

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 данный 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. При этом для тех и других характерны прежде всœего реакции присоединœения.

Реакции присоединœения. Присоединœение водорода (гидрирование), галогенов (галогенирование), галогенводородов (гидрогалогенирование) может протекать не только по месту одной или двух отдельных двойных связей (1,2-присоединœение), но и к крайним углеродным атомам (1,4-присоединœение):

Из этих примеров видно, что в зависимости от характера присоединœения (1,2- или 1,4-) образуются различные продукты.

Присоединœение в 1,2- положение не требует особого объяснения — оно вытекает из общих свойств алкенов: в результате присоединœения происходит обычный разрыв одной или двух двойных связей. Иначе идет присоединœение в 1,4-положение. Известно, что молекула диена представляет собой систему, в которой происходит взаимодействие двух сосœедних двойных связей с образованием единого p-электронного облака (см. раздел 3.1). Под влиянием атакующего реагента такая система поляризуется с перераспределœением 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

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в результате присоединœения к диенам вначале происходит разрыв двух двойных связей, а затем присоединœение 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-присоединœения зависит от характера реагента и от условий проведения реакции. К примеру, водород в момент выделœения (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:

В случае если присоединœение НВr идет при –80 °С, то образуется 80 % продукта присоединœения 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-присоединœении алкена или алкина (ацетиленового углеводорода) к диену с сопряженными двойными связями. К примеру:

Такие реакции используют для получения многих циклических органических соединœений. Непредельные соединœения, 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 присоединœением молекул друг с другом в 1,4- или 1,2-положении, а также с одновременным присоединœением в 1,4-и 1,2-положения. Вот как выглядит фрагмент формулы продукта полимеризации дивинила (бутадиена-1,3), если присоединœение молекул друг к другу идет в положение 1,4:

2С=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):

2С=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 соединœений.

Изопрен (2-метилбутадиен-1,3) Н2С=С—СН=СН2 -

                                |                         

                               СН3

бесцветная жидкость. Является структурным компонентом природного каучука и других соединœений (терпенов, каротиноидов и др.). Служит мономером для получения синтетического каучука.

Хлоропрен (2-хлорбутадиен-1,3) Н2С=С—СН=СН2

                                 |

                                  С1

бесцветная токсичная жидкость. В качестве сырья для получения хлоропрена используется винилацетилен H2C=CH—CºCH. Служит для производства хлоропренового синтетического каучука.

6. Каучуки и резины (эластомеры)

Каучуки и резины относят к эластомерам. Каучуки делят на натуральный (природный) и синтетические.

Натуральный каучук (НК) представляет собой высокоэластичную массу, получаемую из млечного сока (латекса — взвесь мельчайших частичек каучука в воде) некоторых тропических деревьев (гевеи бразильской и др.) и растений (кок-сагыз, тау-сагыз, гваюла). Натуральный каучук — природный непредельный полимер (C5H8)n со средней молекулярной массой от 15 000 до 500 000.

Установлено, что структурной единицей натурального каучука является изопреновая группировка:

—СН2—С=СН—СН2

          |

        CH3

другими словами, натуральный каучук — полимер изопрена. Соединять между собой в 1,4-положении, изопреновые группировки образуют макромолекулу каучука линœейного строения, имеющую цис-конфигурацию (метиленовые группы —СН2расположены по одну сторону omдвойной связи):

Наиболее важным отличием натурального каучука является его высокая эластичность — способность к большому растяжению под действием внешней нагрузки и восстановлению своей формы после ее снятия. Натуральный каучук растворяется во многих углеводородах, образуя вязкие растворы. Подобно диенам, он вступает во многие реакции присоединœения.

Другой разновидностью полимера изопрена является гуттаперча. В отличие от каучука она не обладает эластичностью. Причина этого в различном строении макромолекул этих природных полимеров. В случае если в макромолекуле натурального каучука фрагменты ее цепи у каждой двойной связи расположены в цис-положении, то в макромолекуле гуттаперчи — в транс-положении (метиленовые группы —СН2 расположены по разные стороны от двойной связи):

Итак, эти полимеры, обладая одинаковой структурной регулярностью (всœе изопреновые участки в их макромолекулах соединœены друг с другом одинаково — в 1,4-положении), имеют в то же время различное пространственное строение. В макромолекуле каучука всœе метальные группы расположены по разные стороны цепи, а в макромолекуле гуттаперчи — по одну. Это приводит к тому, что в отличие от каучука макромолекулы гуттаперчи вытянуты и расположены близко друг к другу, испытывая значительное межмолекулярное притяжение. По этой причине при сильном растягивании такого образца он разрывается. В то же время макромолекулы каучука, как более автономные, под влиянием теплового движения свертываются в клубки (глобулы). При приложении усилия эти клубки разворачиваются, а при снятии его — сворачиваются вновь.

Каучук — пластический материал. Изделия из него обладают рядом недостатков: при повышении температуры становятся липкими, теряют форму, а при низкой температуре — эластичность. По этой причине каучук нельзя использовать непосредственно. Для придания каучукам прочностных свойств, эластичности и термостойкости их подвергают обработке серой — вулканизируют (процесс протекает в специальных аппаратах при 140—180° С). В результате каучук превращается в технический продукт — резину, которая содержит около 5 % серы. Ее роль состоит в том, что она "сшивает" между собой макромолекулы каучука, образуя сетчатую структуру. Кроме серы в резину входят также различные наполнители, пластификаторы, красители, антиокислители (антиоксиданты) и др.

Высокая потребность промышленности в каучуке привела к тому, что большая часть его производится синтетическим путем. Некоторые сорта синтетического каучука не уступают натуральному, а по некоторым свойствам даже превосходят его.

Синтетические каучуки (СК) — синтетические аналоги натурального каучука, получаемые из мономеров (каучукогенов) — дивинила, изопрена, хлоропрена, а также из алкенов.

Рассмотрим кратко основные типы СК.

Бутадиеновые каучуки (СКВ) получают полимеризацией бутадиена-1,3 (дивинила) на стереоспецифических катализаторах. Бутадиеновый каучук относится к каучукам общего назначения. Обладает высокой износо- и морозостойкостью. Устойчив к многократным деформациям. В сочетании с другими каучуками его применяют (в виде резин) в основном в шинном производстве (изготовление протекторов), а также в производстве обуви и других изделий.

Бутадиен-стирольные каучуки (СКС) также относятся к каучукам общего назначения. Получают совместной полимеризацией бутадиена-1,3 и стирола С6Н5—СН=СН2. Эти каучуки отличаются большой прочностью и применяются для изготовления протекторов автомобильных шин, кабелœей, а также в обувной промышленности. Из него вырабатывают предметы санитарии и гигиены. Макромолекулярная цепь СКС состоит в основном из 1,4-звеньев. Недостатком этого каучука является нестойкость к маслам и органическим растворителям.

Бутадиеннитрильные каучуки. (СКН) получают совместной полимеризацией бутадиена-1,3 и акрилонитрила H2C=H—CN. Эти каучуки состоят, главным образом, из продуктов 1,4-присоединœения. СКН — каучуки специального назначения. Их отличает высокая масло- и бензостойкость. Οʜᴎ устойчивы к повышенной температуре. В виде латекса используют в производстве бумаги и нетканых текстильных изделий.

Изопреновый каучук (СКИ) имеет строение, подобное природному каучуку, (цис-1,4). К примеру, в каучуке марки СКИ-3 содержание цис-1,4-звеньев такое же, как и у натурального каучука. По этой причине он является синтетическим заменителœем натурального каучука. Получают полимеризацией изопрена на стереоспецифических катализаторах.

Хлоропреновый каучук (наирит, неопрен) получают полимеризацией хлоропрена:

2С=С—СН=СН2 ® éСН—С=СН—СН2—ù

       ê              ê       ê             ê

      С1             ë      Cl            û n

Этот каучук обладает высокой светостойкостью, озоно- и теплостойкостью. Устойчив к различным маслам и нефтепродуктам, ко многим органическим растворителям. Отличается большой износостойкостью и негорючестью. Используется в качестве изоляции, а также для производства бензостойких резиновых изделий.

Библиографический список

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://chemistry.narod.ru/


Диеновые углеводороды (алкадиены, или диолефины) - 2020 (c).
Яндекс.Метрика