ДИЕНОВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ, СТРОЕНИЕ, ПОЛУЧЕНИЕ - УГЛЕВОДОРОДЫ

Цели урока. Дать понятие о диеновых углеводородах и их классификации. Рассмотреть электронное и пространственное строение сопряженных диенов. Познакомить учащихся с номенклатурой и изомерией диенов и способами их получения.

Оборудование: таблицы или слайды, отражающие электронное и пространственное строение сопряженных диенов.

I. Понятие и классификация диеновых углеводородов

Связывая новый материал с изученным ранее, учитель беседует с ребятами: какие классы углеводородов вы изучили?

Каковы их отличительные особенности, общие молекулярные формулы?

Результаты этой беседы отображаются на доске:

Учитель подчёркивает, что помимо отображенных на доске углеводородов существует еще несколько классов веществ этого типа. Один из них носит название алкадиены, диеновые углеводороды или просто диены. По названию учащиеся предполагают отличительную особенность углеводородов данного типа (диены — две двойные связи) и определяют их общую молекулярную формулу. Запись на доске дополняется:

Учащиеся анализируют записи и отмечают, что общая формула алкадиенов и алкинов совпадает. Следовательно, эти соединения являются межклассовыми изомерами.

Далее учитель останавливается на классификации алкадиенов в зависимости от взаимного расположения двойных связей в молекуле.

Если двойные связи разделены в углеродной цепи двумя или более одинарными, они называются изолированными. Свойства таких углеводородов полностью повторяют свойства алкенов с той лишь разницей, что реакция происходит не по одной, а по двум двойным связям независимо друг от друга. Если обе двойные связи стоят при одном атоме углерода, они называются кумулированными. Свойства кумуленов значительно отличаются от свойств алкенов и в курсе средней школы не рассматриваются. Если связи C=С разделены в молекуле одной σ-связью, они называются сопряженными.

Наибольшее значение имеют диеновые углеводороды с сопряженными связями. Их специфические свойства обусловлены особенностями электронного строения. Можно порекомендовать следующую схему объяснения этого материала.

Учитель спрашивает ребят, в каком состоянии гибридизации находятся все четыре атома углерода в бутадиене-1,3. Если это вызывает затруднение, необходимо вспомнить правило: атом углерода, связанный с четырьмя другими атомами, находится в состоянии sp³-гибридизации, с тремя атомами — это sp²-гибридизация, с двумя — sp-гибридизация. Какой набор орбиталей имеет sp²-гибридный атом углевода? Три sp²-гибридные орбитали и одна негибридизованная p-орбиталь. Как эти орбитали расположены в пространстве? Оси sp²-орбиталей лежат в одной плоскости под углом 120°, ось p-орбитали перпендикулярна этой плоскости. За счет перекрывания sp²-орбиталей атомы углерода образуют ковалентные связи между собой и атомами водорода. Какого типа эти связи? Поскольку электронная плотность перекрывания лежит на линии, соединяющей центры ядер двух атомов, это s-связи. Учитель предлагает посмотреть на углеродный остов молекулы с s-связями сверху и под углом к плоскости. Этому помогает заранее изготовленный плакат или рисунок на доске:

Теперь, акцентирует внимание учащихся учитель, самое интересное! Дорисуем на картинке негибридизованные р-орбитали каждого атома углерода. На «виде сверху» они будут выглядеть как окружности, на «виде сбоку» — объёмные восьмерки. За счёт перекрывания р-орбиталей и образуются π-связи между атомами углерода.

Что же получается? Перекрываются орбитали не только 1-2 и 3-4 атомов углерода, но и 2-3! И нельзя сказать, что между центральными атомами связь одинарная, а между крайними —двойные. Все четыре перекрывающиеся р-орбитали образуют единую π-электронную систему. В сопряжённой системе π-электроны уже не принадлежат отдельным двойным связям, они делокализованы по всем атомам, при этом связи имеют связи имеют как бы промежуточный порядок между простой и двойной. Правильнее было бы изображать молекулу с тремя равноценными связями, например, так:

Однако химики договорились изображать сопряженные связи всё-таки привычно, чередуя двойные и одинарные, но не забывать при этом об их специфических особенностях.

Указанные особенности электронного строения отражаются и на пространственном расположении атомов в молекуле, или, как говорят химики, на её геометрии. Длины связей углерод-углерод хотя и не выравниваются полностью, но имеют промежуточные значения между длинами двойной и одинарной связями.

II. Изомерия и номенклатура алкадиенов

Если учащиеся хорошо усвоили номенклатуру алкенов, для них не составляет труда назвать и диеновый углеводород. Учитель лишь обращает внимание на то, что после основы названия добавляется «диен», а через дефис указываются атомы углерода, от которых следуют двойные связи. Поскольку круг рассматриваемых диенов невелик, можно не записывать правила составления их названий, а привести два-три примера, причем наряду с международными указать несистемные названия веществ:

III. Получение диеновых углеводородов

Многие органические соединения были впервые получены из более простых веществ известного строения. С диенами все получилось наоборот. Первым из алкадиенов в 1861 г. был получен изопрен. Английский химик К. Уильямсон, нагревая кусочки натурального каучука без доступа воздуха, сконденсировал образующиеся пары и получил бесцветную жидкость, названную им изопреном. Уильямсон определил эмпирическую формулу вещества C₅H₈ и предположил, что природный каучук является полимером, состоящим из молекул изопрена. Спустя год французский ученый Жозеф Каванту получил дивинил, пропуская через нагретую железную трубку сивушное масло. Аналогичным способом в 1882 г. англичанин Уильям Тилден получил изопрен из скипидара. Такой способ до сих пор используется в промышленности.

Поскольку природный каучук при разложении давал диеновые углеводороды, стало ясно и обратное: полимеризацией диенов можно получать синтетические каучукоподобные материалы. В связи с резким подорожанием натурального каучука возникла острая необходимость в разработке доступного и экономичного способа получения диенов. В 1926 г. в Советском Союзе был объявлен конкурс на лучший способ получения синтетического каучука. Сроки и условия конкурса были достаточно жесткими. Победителем оказалась группа химиков под руководством профессора Военно-медицинской академии г. Ленинграда Сергея Васильевича Лебедева. Первой стадией процесса было получение бутадиена-1,3. В качестве сырья использовался этиловый спирт, который на специально подобранном катализаторе претерпевал внутримолекулярную дегидратацию с одновременным межмолекулярным дегидрированием:

Этот способ получения бутадиена-1,3 получил название метода Лебедева и долгое время использовался в промышленности. Уже после Великой Отечественной войны был найден более удобный и экономичный способ получения как дивинила, так и изопрена. Метод основан на каталитическом дегидрировании алканов с тем же углеродным скелетом: н-бутана и 2-метилбутана:

Катализатором процессов служит смесь оксидов металлов.

Дегидрогалогенирование дигалогеналканов — скорее теоретический способ получения диенов. В качестве исходных веществ можно использовать только 1,3-или 1,4-дигалогеналканы (при более близком расположении атомов галогена образуются только алкины), которые являются дорогостоящими соединениями.

Примерные задания для закрепления материала урока могут быть следующими.

Задание 1

1-й уровень

Напишите структурные формулы всех изомерных диенов состава C₅H_ft и назовите их по международной номенклатуре.

2-й уровень

Какие из диеновых углеводородов имеют цис-транс-изомеры: бутадиен-1,3; 2-метилбутадиен-1,3; пентадиен-1,3; пентадиен-1,4?

Задание 2

1-й уровень

Напишите уравнение реакции дегидрирования пентана с образованием пентадиена-1,3.

2-й уровень

В 1892 г. французский исследователь Ф. Кутюрье получил диеновый углеводород из пинакона, который имеет формулу:

Предложите уравнение осуществленной реакции, катализатор процесса, назовите полученный продукт по международной номенклатуре.

Задание 3

1-й уровень

При пропускании 25 л газообразного 2-метилбутана через слой нагретого катализатора образовалось 58 г изопрена. Рассчитайте массовую долю выхода продукта реакции (объем исходного алкана приведен к нормальным условиям).

2-й уровень

Какой объем этилового спирта, массовая доля воды в котором составляет 4% (ρ = 0,80 г/мл) потребуется для получения 97,2 г бутадиена-1,3 по методу Лебедева, если массовая доля выхода продукта реакции составляет 90%.