Alkeenid (olefiinid) — definitsioon, struktuur ja keemilised omadused

Alkeenid (olefiinid) — selge definitsioon, molekulaarne struktuur, reageerimisvõime ja keemilised omadused. Õpi kaksiksidete mõju, bromitestid ja nimetamise reeglid.

Alkeen (tuntud ka kui olefiin) on orgaanilises keemias küllastumata keemiline ühend, mis sisaldab vähemalt ühte süsinik-süsinik-kaksiksidet. Lihtsaimad alkeenid, millel on ainult üks kaksikside ja mis ei moodusta rõngast ega kanna muid funktsionaalseid rühmi, on süsivesinikud üldvalemiga C_nH_2n. Näited lihtsatest alkeenidest on eteen (C2H4), propeen (C3H6) ja but-1-een (C4H8).

Aromaatilised ühendid joonistatakse vahel tsükliliste alkeenidena, kuid nende elektroniline struktuur ja keemilised omadused erinevad selgesti ning neid ei klassifitseerita alkeenideks.

Kaksikside annab alkeenidele suurema reaktiivsuse kui vastavatele alkaanidele: kaksikside sisaldab π‑elektronpilve, mis on kergemini ligipääsetav reagendidena toimivate aatomite või ioonide jaoks. Alkeeni küllastamatus avaldub lihtsas analüüsis — alkeen dekoloriseerib broomilahuse (broomitest), mida kasutatakse sageli küllastumatuse tuvastamiseks. Orgaaniliste ühendite nimetamisel lõpevad alkeenide nimed eesti keeles enamasti sufiksiga -een.

Struktuur ja sidemed

Süsinikud, mis osalevad kaksiksideme moodustamises, on hübridiseerunud sp²-olekusse ja paiknevad ligikaudu trigonaalselt plaanses geomeetrias. Iga kaksikside koosneb ühest σ‑sideme ja ühest π‑sideme kombost. π‑side tekitab elektronitiheduse molekulitasandiliselt kaksikside kohal ja all, mistõttu on kaksiksidel selektiivne reaktiivsus sisse‑lisandumisreaktsioonides. Kaksikside blokeerib vaba rotatsiooni kahe süsiniku vahel, mis võimaldab olemas olla geomeetrilisele isomeeriale (cis/trans või E/Z).

Isomeerilisus ja stereokeemia

• Struktuurilised isomeerid — erinev asetus süsinikkuaias (nt but-1-een ja but-2-een).
• Geomeetrilised isomeerid — kaksikside piirab rotatsiooni, mistõttu asendite ruumiline paigutus võib olla cis/trans või E/Z tüüpi (E = entgegen, Z = zusammen) vastavalt CIP‑reeglitele.
• Substitutsioon ja konjugeeritus — kaksiksidemed võivad olla konjugeeritud (vahelduvad üksik- ja kaksiksidemed), mis mõjutab elektronide delokalisatsiooni ja reaktsioonikiirusi.

Füüsikalised omadused

Lihtsatel alkeenidel on üldiselt madalam tihedus ja temperatuuris stabiilsus sarnane samade süsinikühendite alkaanidele. Need on enamasti hästi lahustuvad orgaanilistes lahustites, kuid ebaoluliselt vees lahustuvad. Keemistemperatuur ja sulamistemperatuur tõusevad molekuli süsinikuahela pikkuse kasvades; hargnemine ja asendusrühmad mõjutavad neid väärtusi täiendavalt.

Olulisemad keemilised reaktsioonid

Alkeenid osalevad peamiselt lisandumisreaktsioonides, kus kaksikside „avatakse” ja tekivad uued sidemed. Peamised reaktsioonitüübid:

• Hüdratsioon — vee liitumine (tavaliselt happekatalüüsil) annab alkoholid.
• Hüdrogeenimine — H2 lisandumine katalüsaatori (nt Pd, Pt, Ni) juuresolekul, annab küllastunud alkaane.
• Halogeenimine — Cl2 või Br2 lisandumine, mida analüütiliselt kasutatakse küllastamatuse testina (broom dekoloriseerub).
• Halkoalkeeni tekkimine — HX (nt HCl, HBr) lisandumine; regioselektiivsus juhindub Markovnikovi reeglist (H läheb vähem asendatud süsinikule, rühm X läheb rohkem asendatud süsinikule) — peroksiidide olemasolul võib tekkida ka anti‑Markovnikovi käitumine vabade radikaalide mehaanika tõttu.
• Ozonolüüs — kaksikside lõhutakse ja saadakse süsivesinike fragmentidest karbonüülühendid (aldehüüdid või karboksüülhapped) olenevalt oksüdeerimise tingimustest.
• Polümerisatsioon — alkeenide liitumine omavahel annab polümeere (nt eteen → polüetüleen, propeen → polüpropüleen). See on üks tänapäeva keemiatööstuse olulisi protsesse.
• Alliilne asendamine — reaktsioonid, kus H ühik asendub alliilses positsioonis (kaksiksideme kõrval), kuna alliilne radikaal ja kation on delokaliseeritud ja seetõttu stabiliseeritud.

Valmistamine

• Elimineerimisreaktsioonid (dehüdratsiooni alkoholidest või dehüdrohalogenatsioon halogeenitud alkaanidest) on tavalised labori‑ ja tööstuslikud meetodid.
• Krakkimine naftakeemiast annab alkeene (murdumine suurematest süsivesinikest kõrgtempeltraatilistel või katalüütilistel tingimustel).
• Sünteesimeetodid nagu Wittigʼ reaktsioon või Julia‑olefination võimaldavad konstrueerida kahe süsinikuvahelist kaksiksidet regio‑ ja stereokontrolliga.

Tööstuslik tähtsus ja kasutusvaldkonnad

Alkeenid on keemiatööstuses väga olulised lähteained. Olulised rakendused:

• Plastide ja elastomeeride tootmine (polüetüleen, polüpropüleen, PVC trans‑vinüülkloriid on valmistatav vinüülkloriidist, mis klassifitseeritakse vinüülsüsteemina).
• Alkoholide ja teiste funktsionaalsete kemikaalide süntees hüdraatimise ja oksüdatsiooni kaudu.
• Keemilised vaheühendid farmaatsias, põllumajanduse ja muudes orgaanilistes sünteesides.

Nimetamine (nomenklatuur)

IUPAC‑i nomenklatuurist lähtudes kasutatakse alkeenide nimedes lõppu -een ning määratakse kaksiksideme asukoht ahelas numbri abil (nt but-2-een). Geomeetrilise isomeeria tähistamiseks kasutatakse mõnikord cis/trans, täpsemalt E/Z süsteemi, kui substituendid ei võimalda lihtsat cis/trans kirjeldust.

Tervis ja ohutus

Paljud alkeenid on tuleohtlikud ja lenduvad; neid tuleb hoida tuleohtlikest allikatest eemal ja heas ventilatsioonis. Mõned alkeenid ja nende derivaatid võivad olla toksilised või ka kartsinogeensed (näiteks mõned halogeenitud alkeeni derivaadid). Töötamisel järgida ohutusjuhiseid: kasutada sobivaid kaitsevahendeid, vältida sissehingamist ja nahakontakti ning järgida keskkonna- ja jäätmekäitlusnõudeid.

Kokkuvõtlikult — alkeenid on küllastumata süsivesinikud, mille kaksikside annab neile erilise struktuuri ja reaktiivsuse, muutes need keemias ja tööstuses kasulikeks lähteaineteks.

Küsimused ja vastused

K: Mis on alkene?

K: Milline on lihtsaimate alkeenide üldvalem?

K: Kas aromaatseid ühendeid loetakse alkeenideks?

K: Miks on alkeenid reaktiivsemad?

K: Mis juhtub, kui broom puutub kokku alkeeniga?

K: Kuidas te tunnete alkeeni nime ära?

K: Mis on süsivesinikud?

Otsing