Способы получения алкенов в лаборатории: разбор реакций

Алкены - углеводороды с одной двойной связью $C=C$ и общей формулой $C_nH_{2n}$. В отличие от природного газа, где алкены почти не встречаются, в лаборатории их получают целенаправленно - отщеплением (элиминированием) малых молекул от насыщенных соединений. Все ключевые способы получения алкенов в лаборатории строятся на одной идее: убрать два соседних заместителя и «сшить» освободившиеся валентности в двойную связь. Ниже разобраны четыре основных метода, их условия и правило, которое определяет, какой именно алкен образуется. Чтобы быстро собрать конкретную реакцию с условиями, воспользуйтесь конструктором ниже.

Дегидратация спиртов

Самый распространённый лабораторный способ - отщепление воды от спирта. Реакцию ведут при нагревании в присутствии водоотнимающего катализатора: концентрированной серной или фосфорной кислоты, либо оксида алюминия $Al_2O_3$ при пропускании паров спирта над нагретым катализатором.

$C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4,\ 170^\circ C} C_2H_4 + H_2O$

Гидроксильная группа $OH$ уходит вместе с атомом водорода от соседнего углерода, и между этими атомами возникает двойная связь. Это внутримолекулярная дегидратация; при более низкой температуре (около $140^\circ C$) идёт межмолекулярная реакция с образованием простого эфира - об этом отличии подробно рассказано в материале про дегидратацию спиртов.

Рассчитать для своей задачи

Температурный порог важен: чтобы получить именно алкен, нужно прогреть смесь выше $150^\circ C$ - недогрев уводит реакцию в сторону эфира.

Дегидрогалогенирование

Второй способ получения алкенов в лаборатории - отщепление галогеноводорода от моногалогеналкана. Реакцию проводят действием спиртового раствора щёлочи ($KOH$ в этаноле) при нагревании. Принципиально использовать именно спиртовой раствор: водный раствор щёлочи дал бы реакцию замещения с образованием спирта, а не элиминирования.

$CH_3-CHBr-CH_3 \xrightarrow{KOH(спирт.),\ t} CH_3-CH=CH_2 + KBr + H_2O$

Атом галогена и водород от соседнего углерода уходят в виде $HBr$ (связывается щёлочью), и образуется двойная связь. Этот метод удобен, когда исходный галогеналкан легко доступен, а нужный спирт получить сложнее.

Правило Зайцева

Если в молекуле галогеналкана соседних углеродов с водородом несколько, отщепление возможно в разные стороны - и алкенов теоретически получается два. Какой преобладает, определяет правило Зайцева: водород отщепляется преимущественно от наименее гидрогенизированного (наиболее замещённого) соседнего атома углерода. Иными словами, образуется более разветвлённый и термодинамически более устойчивый алкен.

Рассчитать для своей задачи

То же правило работает и при дегидратации несимметричных спиртов. Подробный разбор направления отщепления и сравнение с альтернативной ориентацией приведён в статье про правило Зайцева.

Дегалогенирование дигалогеналканов

Третий способ - отщепление двух атомов галогена от дигалогеналкана, в котором галогены стоят у соседних атомов углерода (вицинальный дигалогенид). Реагент - активный металл, чаще цинк, при нагревании.

$CH_2Br-CH_2Br + Zn \xrightarrow{t} CH_2=CH_2 + ZnBr_2$

Цинк «забирает» оба галогена, образуя соль, а между углеродами замыкается двойная связь. Метод применяют реже первых двух, поскольку сам вицинальный дигалогенид обычно получают как раз из алкена (присоединением галогена) - это скорее способ обратного превращения и защиты двойной связи, чем основной препаративный путь.

Крекинг и дегидрирование алканов

В промышленности и в лаборатории алкены получают также из алканов. При высокотемпературном крекинге длинная цепь разрывается, и среди продуктов появляются алкены меньшей молекулярной массы. Каталитическое дегидрирование отщепляет от алкана молекулу водорода:

$C_4H_{10} \xrightarrow{Cr_2O_3,\ t} C_4H_8 + H_2$

Этот путь даёт смесь продуктов и в школьной практике рассматривается обзорно, но он важен как способ связать алканы и алкены в единую логику превращений. О том, что происходит с готовым алкеном дальше, читайте в материале про химические свойства алкенов.

Как выбрать метод под задачу

Выбор способа зависит от того, что доступно как исходное вещество. Если в условии дан спирт - дегидратация. Если галогеналкан - дегидрогалогенирование спиртовым раствором щёлочи. Если вицинальный дигалогенид - дегалогенирование цинком. Если исходник - алкан, остаётся дегидрирование или крекинг. Во всех случаях суть одна: отщепление двух частиц и образование $\pi$-связи, а направление отщепления для несимметричных молекул задаёт правило Зайцева.

Частые ошибки

• Путают водный и спиртовой раствор щёлочи. Водный $KOH$ с галогеналканом даёт спирт (замещение), и только спиртовой раствор приводит к алкену (элиминирование).
• Забывают про температуру дегидратации. Ниже $150^\circ C$ преобладает межмолекулярная реакция с образованием эфира, а не алкен.
• Игнорируют правило Зайцева. Для несимметричного субстрата записывают «любой» алкен, тогда как главный продукт - более замещённый.
• Берут невициальный дигалогенид. Дегалогенирование цинком работает только когда галогены стоят у соседних атомов углерода.
• Пишут отщепление от первичного спирта в сторону, где нет водорода. Двойная связь возникает только между двумя углеродами, у каждого из которых есть отщепляемый заместитель.

FAQ

Какой способ получения алкенов считается основным лабораторным? Дегидратация спиртов при нагревании с концентрированной серной или фосфорной кислотой. Он прост, доступен и хорошо предсказуем по правилу Зайцева.

Почему для дегидрогалогенирования нужен именно спиртовой раствор щёлочи? В спиртовой среде щёлочь работает как основание и отщепляет $HBr$ (элиминирование). В водной среде она ведёт реакцию замещения, и вместо алкена образуется спирт.

Как определить, какой алкен получится из несимметричного субстрата? По правилу Зайцева: водород уходит от наиболее замещённого соседнего углерода, поэтому главным продуктом будет более разветвлённый и устойчивый алкен.

Коротко

Способы получения алкенов в лаборатории сводятся к реакциям отщепления: дегидратация спиртов (кислота, нагрев), дегидрогалогенирование галогеналканов (спиртовая щёлочь), дегалогенирование вицинальных дигалогенидов (цинк) и дегидрирование или крекинг алканов. Все они формируют двойную связь $C=C$, убирая два соседних заместителя, а направление отщепления для несимметричных молекул определяет правило Зайцева - образуется более замещённый алкен.