Понятие о диеновых УВ. Природный каучук

Урок посвящен теме «Алкадиены. Типы алкадиенов. Особенности свойств сопряженных алкадиенов». В ходе этого занятия вы сможете узнать о том, что представляют собой алкадиены и какие типы этого класса соединений существуют. Вы узнаете об особенностях свойств сопряженных алкадиенов, реакции галогенирования. Также в ходе урока вы получите представление о теме «Каучук и резина», которая входит в школьный курс химии за 10 класс. В ходе урока вы узнаете о том, что представляет собой резина и каучук, познакомитесь с самыми важными видами алкадиенов, которые являются важнейшими материалами для пром

I. Номенклатура и классификация алкадиенов

Алкадиены – алифатически (ациклические), непредельные (ненасыщенные) углеводороды, с двумя двойными связями в цепи.

Общая формула – C_nH₂_n_-2

Номенклатура диенов

Образование названий алкадиенов по номенклатуре ИЮПАК

СН2 = СН – СН = СН2

бутадиен-1,3 (дивинил)

2-хлорбутадиен-1,3 (хлоропрен) 2-метилбутадиен-1,3 (изопрен)

Классификация диенов

Кумулированные диены – соединения, в молекулах которых две двойные связи расположены у одного и того же атома углерода: СН2=С=СН–СН2–СН3 (пентадиен-1,2)

Сопряженные диены – соединения, в молекулах которых две двойные связи разделены одной простой связью: СН2=СН–СН=СН–СН3 (пентадиен-1,3)

Изолированные диены – соединения, в молекулах которых две двойные связи разделены более чем одной простой связью. СН2=СН–СН2–СН=СН2 (пентадиен-1,4)

II. Строение диенов

Анимация: “Образование молекулы бутадиена-1,3”

Атомы углерода в молекуле бутадиена-1,3 находятся в sp² - гибридном состоянии, что означает расположение этих атомов в одной плоскости и наличие у каждого из них одной p - орбитали, занятой одним электроном и расположенной перпендикулярно к упомянутой плоскости.

а) Схематическое изображение строения молекул бутадиена -1,3 б) вид модели сверху

Перекрывание электронных облаков между С₁–С₂ и С₃–С₄ больше, чем между С₂–С₃.

Р - орбитали всех атомов углерода перекрываются друг с другом, т.е. не только между первым и вторым, третьим и четвертым атомами, но и также между вторым и третьим. Отсюда видно, что связь между вторым и третьим атомами углерода не является простой σ - связью, а обладает некоторой плотностью p - электронов, т.е. слабым характером двойной связи. В молекуле отсутствуют в классическом понимании одинарные и двойные связи, а наблюдается делокализация p - электронов, т.е. равномерное распределение p - электронной плотности по всей молекуле с образованием единого p - электронного облака. Взаимодействие двух или нескольких соседних p - связей с образованием единого p - электронного облака, в результате чего происходит передача взаимовлияния атомов в этой системе, называется эффектом сопряжения. Таким образом, молекула бутадиена -1,3 характеризуется системой сопряженных двойных связей.
Такая особенность в строении диеновых углеводородов делает их способными присоединять различные реагенты не только к соседним углеродным атомам (1,2- присоединение), но и к двум концам сопряженной системы (1,4- присоединение) с образованием двойной связи между вторым и третьим углеродными атомами. Отметим, что очень часто продукт 1,4- присоединения является основным.

Запомните!

sp² гибридизация
Плоское-тригональное строение
Связи σ и π (вращение относительно двойной С-С связи не возможно)
Угол HCH = 120 °

0,135 0,148 0,154

Длина связи (-С = С – С = С – С – С -)

III. Физические свойства

Бутадиен -1,3 – легко сжижающийся газ с неприятным запахом, t°пл.= -108,9°C, t°кип.= -4,5°C; растворяется в эфире, бензоле, не растворяется в воде.
2- Метилбутадиен -1,3 (изопрен) – летучая жидкость, t°пл.= -146°C, t°кип.= 34,1°C; растворяется в большинстве углеводородных растворителях, эфире, спирте, не растворяется в воде.

IV. Изомерия сопряженных диенов

1. Структурная изомерия

1. Изомерия положения сопряженных двойных связей

2. Изомерия углеродного скелета

3. Межклассовая изомерия с алкинами и циклоалкенами

Например, формуле С₄Н₆ соответствуют следующие соединения:

2. Пространственная изомерия

Диены, имеющие различные заместители при углеродных атомах у двойных связей, подобно алкенам, проявляют цис-транс-изомерию.

V. Получение диеновых углеводородов

1. В промышленности

1. Дегидрирование алканов:

CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ ^t^,^Cr²^O^3,^Al²^O³→ CH₂=CH-CH=CH₂ + 2H₂

бутан бутадиен-1,3 (дивинил)

2. Дегидрирование алкенов:

CH₂=CH-CH₂-CH₃ ^{500-600,MgO,ZnO} → CH₂=CH-CH=CH₂ + H₂

бутен-1 бутадиен-1,3

3. Дегидратация и дегидрирование этанола (реакция Лебедева)

Каталитический способ получения бутадиена-1,3 из этанола был открыт в 1932 г. Сергеем Васильевичем Лебедевым. По способу Лебедева бутадиен-1,3 получается в результате одновременного дегидрирования и дегидратации этанола в присутствии катализаторов на основе ZnO и Al₂O₃:

2CH₃-CH₂-OH ^{t=425,ZnO,Al2O3}→ CH₂=CH-CH=CH₂ + H₂ + 2H₂O

2. В лаборатории

Реакция отщепления

СН2Br-СН2-СН2-СН2Br + 2КОН → СН2=СН-СН=СН2 + 2KBr + 2H2O

VI. Химические свойства диеновых углеводородов

(характерны реакции горения, присоединения, обесцвечивают водный раствор перманганата калия и бромную воду)

Реакции присоединения (+Г₂; +НГ; +Н₂; +НОН)

1. Галогенирование: (образуется смесь продуктов)

а) 1,2-присоединение

б) 1,4-присоединение (преимущественно)

в) Галогенирование достаточным количеством галогена:

2. Полимеризация

nCH₂=CH-CH=CH₂ ^t,Na→ (-CH₂-CH=CH-CH₂-)_n

синтетический – бутадиеновый каучук

Элементная ячейка полибутадиена представляется следующим образом:

Как видно, образующийся полимер характеризуется транс- конфигурацией элементной ячейки полимера. Однако наиболее ценные в практическом отношении продукты получаются при стереорегулярной (иными словами, пространственно упорядоченной) полимеризации диеновых углеводородов по схеме 1,4- присоединения с образованием цис- конфигурации полимерной цепи. Например, цис- полибутадиен.

VII. Применение алкадиенов

Диеновые углеводороды в основном применяются для синтеза каучуков:

Углеводороды, содержащие две и более двойные связи в молекуле – терпены – широко распространены в растительных организмах, часто обладают приятным запахом. Смеси терпенов используют в производстве духов и ароматических отдушек, а также в медицине.

Жизненно важен для человека b-каротин, который превращается в организме в витамин А, он содержится в красных и желтых плодах. Красный цвет b-каротина обусловлен длинной цепочкой сопряженных двойных связей.

Рис. Морковь. Содержит терпен

VIII. Натуральный и синтетический каучуки

Многие растения содержат продукты ди-, три- и полимеризации сопряженных алкадиенов, прежде всего, изопрена (2-метилбутадиена-1,3). Природный полимер изопрена – это натуральный каучук (НК). На рис. вы видите сбор каучука из млечного сока (латекса) каучуконосного дерева гевеи, растущего в тропических лесах Бразилии.

Рис. Сбор каучука с растения гевея

Натуральный каучук

При нагревании без доступа воздуха каучук распадается с образованием диенового углеводорода – 2- метилбутадиена-1,3 или изопрена.

Каучук – это стереорегулярный полимер, в котором молекулы изопрена соединены друг с другом по схеме 1,4- присоединения с цис- конфигурацией полимерной цепи:

Стереорегулярное строение каучука

Молекулярная масса натурального каучука колеблется в пределах от 7^.10⁴ до 2,5^.10⁶.

транс - Полимер изопрена также встречается в природе в виде гуттаперчи.

Натуральный каучук обладает уникальным комплексом свойств: высокой текучестью, устойчивостью к износу, клейкостью, водо- и газонепроницаемостью. Для придания каучуку необходимых физико-механических свойств: прочности, эластичности, стойкости к действию растворителей и агрессивных химических сред – каучук подвергают вулканизации нагреванием до 130-140°С с серой. В упрощенном виде процесс вулканизации каучука можно представить следующим образом:

Атомы серы присоединяются по месту разрыва некоторых двойных связей и линейные молекулы каучука "сшиваются" в более крупные трехмерные молекулы – получается резина, которая по прочности значительно превосходит невулканизированный каучук. Наполненные активной сажей каучуки в виде резин используют для изготовления автомобильных шин и других резиновых изделий. Строение резины.

В настоящее время выпускаются сотни сортов различных синтетических каучуков.

В 1932 году С.В.Лебедев разработал способ синтеза синтетического каучука на основе бутадиена, получаемого из спирта. И лишь в пятидесятые годы отечественные ученые осуществили каталитическую стереополимеризацию диеновых углеводородов и получили стереорегулярный каучук, близкий по свойствам к натуральному каучуку. В настоящее время в промышленности выпускают каучук, в котором содержание звеньев изопрена, соединенных в положении 1,4, достигает 99%, тогда как в натуральном каучуке они составляют 98%. Кроме того, в промышленности получают синтетические каучуки на основе других мономеров – например, изобутилена, хлоропрена, и натуральный каучук утратил свое монопольное положение.
Для вулканизации каучука берётся немного серы 2 – 3 % от общей массы. Если добавить к каучуку более 30 % серы, то она присоединится по линии разрыва почти всех π – связей и образуется жёсткий материал – эбонит.

Видео: “Синтетический каучук”