Alchene și alcadiene

Alchenele aciclice cu o dublă legătură au formula ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n}$: etena $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$ și propena $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{CHC}{\mathrm{H}}_3$. Dubla conține o legătură $\sigma$ și una $\pi$; carbonii ei sunt $s{p}^2$. Alcadienele aciclice au două duble și formula ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n-2}$. Buta-1,3-diena, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}=\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$, are duble conjugate. Poziția dublelor intră în nume: but-1-ena și but-2-ena sunt izomeri de poziție.

Structura. Etena este plană: cei doi atomi de carbon și cei patru de hidrogen se află în același plan, cu unghiuri de aproximativ $120^{\circ }$, iar legătura C=C are $134\mathrm{pm}$, mai scurtă decât C–C ($154\mathrm{pm}$). Legătura $\pi$ se formează prin întrepătrunderea laterală a orbitalilor $p$, deasupra și dedesubtul planului; este mai slabă decât $\sigma$, de aceea electronii ei se implică în reacții de adiție. Rotația în jurul dublei este blocată.

Denumirea. Se alege cea mai lungă catenă care conține dubla; se numerotează de la capătul care dă dublei cel mai mic locant; sufixul este „-enă” (la diene „-adienă”, cu doi locanți). Radicalii $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{CH}-$ (vinil) și $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{CH}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-$ (alil) provin din alchene.

Izomeria. Alchenele au izomerie de catenă și de poziție, iar cele cu doi substituenți diferiți la fiecare carbon al dublei au și izomerie geometrică (cis, trans). Alcadienele cu duble conjugate, cumulate sau izolate sunt izomeri de poziție. Propadiena $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{C}=\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$ are duble cumulate, penta-1,4-diena are duble izolate (separate prin două legături simple), iar buta-1,3-diena și izoprenul au duble conjugate (separate printr-o singură legătură simplă), tipul cu cea mai mare importanță practică.

Proprietăți fizice. Alchenele cu $2$–$4$ atomi de carbon sunt gaze, de la pentenă în sus sunt lichide, iar cele cu catene foarte lungi sunt solide. Punctele de fierbere sunt $-104{}^{\circ }\mathrm{C}$ la etenă, $-48{}^{\circ }\mathrm{C}$ la propenă și $-6{}^{\circ }\mathrm{C}$ la but-1-enă. Cis-but-2-ena fierbe la $4{}^{\circ }\mathrm{C}$, trans-but-2-ena la $1{}^{\circ }\mathrm{C}$. Alchenele sunt nepolare, insolubile în apă și ard cu flacără mai luminoasă decât alcanii. Etena se obține prin deshidratarea etanolului sau prin cracarea alcanilor și grăbește coacerea fructelor. Butadiena este gaz ($-4{}^{\circ }\mathrm{C}$), iar izoprenul, 2-metilbuta-1,3-diena, este lichid ($34{}^{\circ }\mathrm{C}$) și monomerul cauciucului natural. Butadiena se obține industrial prin dehidrogenarea butanului sau a butenelor. Alchenele decolorează apa de brom și soluția acidulată de permanganat, reacții tratate în lecțiile despre adiție și oxidare.

Exemplu rezolvat 1. Aflăm izomerii alchenelor cu formula ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{10}$.

1. Catena de cinci carboni cu dubla în poziția 1 dă pent-1-enă; dubla în poziția 2 dă pent-2-enă, care are formele cis și trans.
2. Catena de patru carboni cu o ramură metil dă 2-metilbut-1-enă, 3-metilbut-1-enă și 2-metilbut-2-enă.
3. Sunt $5$ izomeri de constituție, iar cu cis și trans $6$ stereoizomeri; 2-metilbut-2-ena nu are cis-trans, pentru că unul dintre carbonii dublei poartă două grupe metil.

Exemplu rezolvat 2. Denumim $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3-\mathrm{CH}(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3)-\mathrm{CH}=\mathrm{CH}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$.

1. Catena cu dubla are $5$ atomi de carbon: pentenă.
2. Din dreapta, dubla are locantul $2$; din stânga, $3$. Numerotăm din dreapta.
3. Ramura metil este pe C4: 4-metilpent-2-enă, ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}$, cu izomeri cis și trans.

Exemplu rezolvat 3. O alcadienă aciclică are $88,89\%$ carbon. Aflăm formula ei.

1. Alchenele au toate $12n/14n=85,71\%$ carbon, deci hidrocarbura nu este o alchenă.
2. Pentru ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n-2}$: $\frac{12n}{14n-2}=0,8889$, deci $12n=12,444n-1,778$ și $n=4$.
3. Formula este ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_6$ ($M=54g/mol$, $48/54=88,89\%$ C), de exemplu buta-1,3-diena.

Exemplu rezolvat: structura unei alchene din oxidarea energică

O alchenă C₅H₁₀ formează, la oxidarea cu KMnO₄ în mediu de H₂SO₄, butanonă, dioxid de carbon și apă. Identifică alchena.

1. Butanona, CH₃–CO–CH₂–CH₃, provine dintr-un atom de carbon al dublei legături care poartă o grupă metil și o grupă etil: fragmentul (CH₃)(C₂H₅)C=.
2. Dioxidul de carbon și apa provin dintr-o grupă =CH₂ marginală.
3. Unești fragmentele prin legătura dublă: CH₂=C(CH₃)–CH₂–CH₃, adică 2-metil-1-butena.

Verificare: formula are 5 atomi de carbon și 10 de hidrogen, C₅H₁₀. O alchenă cu legătura dublă la capătul catenei dă întotdeauna CO₂ printre produși.

But-1-ena nu are izomerie geometrică: carbonul terminal poartă doi H. But-2-ena are perechea cis/trans. Buta-1,3-diena este monomer pentru polibutadienă și cauciucuri copolimerice.

Izomerie geometrică. Care dintre but-1-enă, but-2-enă, 2-metilbut-2-enă, pent-2-enă și 1,2-dicloroetenă prezintă izomeri cis-trans?

1. Condiția este ca fiecare carbon al dublei să poarte două grupe diferite.
2. But-2-ena ($\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ și H la fiecare carbon), pent-2-ena ($\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ și H, respectiv ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5$ și H) și 1,2-dicloroetena (Cl și H la fiecare carbon) îndeplinesc condiția.
3. But-1-ena are doi H la un carbon, iar 2-metilbut-2-ena are două grupe metil la un carbon, deci nu au izomeri cis-trans.

Alte întrebări de examen. (a) Densitatea față de azot egală cu $2,5$ înseamnă $M=2,5\cdot 28=70g/mol$, adică ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{10}$. (b) Arderea a $0,1\mathrm{mol}$ de alchenă dă $13,44\mathrm{L}$ de $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ în condiții normale, adică $0,6\mathrm{mol}$; rezultă $n=6$ și formula ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}$. (c) La arderea ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n}+\frac{3n}{2}{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{nC}{\mathrm{O}}_2+\mathrm{n}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ raportul molar dintre $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ și ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ este întotdeauna $1:1$, spre deosebire de alcani, la care este $n:(n+1)$.

Exemplu rezolvat. O alchenă gazoasă are masa $5,6\mathrm{g}$ și adiționează $16\mathrm{g}$ brom. Câți izomeri alchenici (inclusiv cis-trans) are?

1. $n(\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2)=16/160=0,1\mathrm{mol}$; alchena are tot $0,1\mathrm{mol}$.
2. $M=5,6/0,1=56g/mol$, deci $14n=56$ și $n=4$: ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_8$.
3. Alchenele ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_8$ sunt but-1-ena, cis-but-2-ena, trans-but-2-ena și 2-metilpropena, adică $4$ izomeri; cu ciclobutanul și metilciclopropanul formula ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_8$ are $6$ izomeri.

Complement grupat. Despre alchenele ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{10}$, alegeți afirmațiile corecte:

1. Există cinci izomeri de constituție.
2. 2-Metilbut-2-ena are izomeri cis și trans.
3. Pent-2-ena are izomeri cis și trans.
4. 3-Metilbut-1-ena are izomeri cis și trans.

A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte. B. Numai 1 și 3 sunt corecte. C. Numai 2 și 4 sunt corecte. D. Numai 4 este corectă. E. Toate sunt corecte sau toate sunt false.

Răspuns: B. Afirmația 1 este adevărată: pent-1-ena, pent-2-ena, 2-metilbut-1-ena, 3-metilbut-1-ena și 2-metilbut-2-ena. Afirmația 2 este falsă: un carbon al dublei poartă două grupe metil identice. Afirmația 3 este adevărată: carbonii dublei poartă $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ și H, respectiv ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5$ și H. Afirmația 4 este falsă: carbonul terminal al dublei, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$, poartă doi atomi de hidrogen identici.

Greșeli frecvente

• Greșit: Buta-1,3-diena are formula ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_8$.
  Corect: Două duble dau ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_6$.
• Greșit: But-1-ena are izomeri cis/trans.
  Corect: Carbonul terminal al dublei are doi H identici.
• Greșit: Legătura dublă C=C este de două ori mai tare decât una simplă, deci alchenele sunt mai puțin reactive decât alcanii.
  Corect: Legătura $\pi$ este mai slabă decât $\sigma$; alchenele sunt mai reactive.
• Greșit: Alcadienele conjugate sunt cele cu dublele la capetele catenei.
  Corect: Conjugate sunt dublele separate printr-o singură legătură simplă, ca în buta-1,3-dienă.

Înainte și după

Întrebări frecvente