ÉgésSzerkesztés
A legtöbb más szénhidrogénhez hasonlóan a telítetlen szénhidrogének is égési reakcióba léphetnek, amely során szén-dioxid és víz keletkezik a teljes égés során. A reakcióegyenlet a következő:
- CxHy + y+4x/4O2 → y/2H2O + xCO2
Az égés oxigén hiányában nem teljes égéssé alakul át, és szénmonoxid és szén keletkezik.
A telítetlen szénhidrogének könnyebben termelnek nem teljes égésterméket, mint a telítettek. Ennek eredményeként a telítetlen szénhidrogének égése általában sárga lánggal ég, ami eltér a telített szénhidrogének kék lángjától. Ez azt jelzi, hogy a telítetlen szénhidrogének égése többlépcsős mechanizmusokkal jár, és a szén égése adja a sárga láng színét.
Mivel a telítetlen szénhidrogéneknek kevesebb hidrogéntartalma van, kevesebb víz keletkezik, és csökken a láng nedvességtartalma, valamint az oxigénfelhasználás. Az acetilén(etin) például tüzelőanyagként használható.
A telített szénhidrogének egyszeres σ C-C kötéseivel szemben a telítetleneknél a π kötések elektronsűrűsége nem fedik egymást annyira, mint a σ kötések. Ennek következtében az egy kettős kötésben tárolt kémiai energia kisebb, mint két egyszerű kötésben. Így a telítetlen szénhidrogének elégetése, amely a szén-szén kötéseket energiafelszabadítás céljából megbontja, kevesebb energiát szabadít fel, mint az azonos molaritású, azonos szénatomszámú telített szénhidrogének elégetése. Ez a tendencia jól látható a szénhidrogének standard égési entalpiájának listáján.
| Szénatomszám | Állag | Típus | Formula | Hcø(kJ/mol) |
|---|---|---|---|---|
| 2 | etán | telített | C2H6 | -1559.7 |
| etén | telítetlen | C2H4 | -1410.8 | |
| etén | telítetlen | C2H2 | -1300.8 | |
| 3 | propán | telítetlen | CH3CH2CH3 | -2219.2 |
| propén | telítetlen | CH3CH=CH2 | -2058.1 | |
| propin | telítetlen | CH3C≡CH | -1938.7 | |
| 4 | bután | telítetlen | CH3CH2CH2CH3 | -2876.5 |
| but-1-én | telítetlen | CH2=CH-CH2CH3 | -2716.8 | |
| but-1-yne | telítetlen | CH≡C-CH2CH3 | -2596.6 |
Elektrofil addícióSzerkesztés
A telítetlen szénhidrogénekben kötelezően jelenlévő kettős vagy hármas kötések nagy elektronsűrűséget biztosítanak, ami a molekulákat az elektrofil addíciós reakciók tökéletes színtereivé teszi. Az ilyen típusú reakcióban a szénatomok közötti egy π-kötés 2 különálló σ-kötésre bomlik minden egyes szénatom és az addíciós csoport között. A mechanizmusban általában egy karbokation intermedier vesz részt.
HidrogénezésSzerkesztés
A hidrogénezés hidrogéngáz elektrofil addíciója telítetlen szénhidrogénhez. Az eredmény egy telítettebb szénhidrogén lesz, de nem feltétlenül telítetté válik. Például egy alkin félhidrogénezésével alkén keletkezhet. Ennek ellenére a folyamat során az összes π-kötés számának csökkennie kell. A π szén-szén-szén kötés is szükséges ehhez a folyamathoz.
Az etén etánná hidrogénezésének reakcióegyenlete:
- H2C=CH2 + H2→H3C-CH3
A hidrogénezési reakcióhoz általában katalizátorokra van szükség a sebesség növelése érdekében.
A telítetlen szénhidrogénhez adható összes hidrogén száma függ a telítetlenség fokától. Egy CXHY képletű telítetlen szénhidrogénhez legfeljebb 2X+2-Y hidrogénatomot lehet hozzáadni. Ettől a molekula telítetté válik.
HalogénezésSzerkesztés
A hidrogénezéshez hasonlóan a halogén(X2) heterolízise során egy elektrofil X+ ion keletkezik, amely után a π kötés elektronja támad. A hidrogéntől eltérően a halogénezés a legtöbb esetben karbokationok helyett halóniumionokat hoz létre intermedierként. A halónium-kation korlátozott teret hagy az X-ion támadására, és csak transz termékké alakul. A halogénezés nettó eredménye egy π-kötés csökkenése és két szén-halogén σ-kötés növekedése a 2 szénatomon.
A reakcióegyenlet például az etén brómaddíciójára a következő:
- H2C=CH2 + Br2→H2CBr-CH2Br (transz)
A brómtesztet a szénhidrogének telítettségének vizsgálatára használják. A teszt során brómvizet adunk az ismeretlen szénhidrogénhez; ha a brómvizet a szénhidrogén halogénezési reakció következtében dekolourizálja, akkor arra lehet következtetni, hogy a szénhidrogén telítetlen. Ha nem dekolourizálódik, akkor telített.
A brómteszt a telítetlen szénhidrogének telítetlenségi fokának jelzésére is használható. A brómszámot a 100 g termékkel reagálni képes bróm grammjaként határozzák meg. A hidrogénezéshez hasonlóan a bróm halogénezése is a π-kötések számától függ. A magasabb brómszám nagyobb telítetlenségi fokot jelez.
HidratálásSzerkesztés
A telítetlen szénhidrogének π-kötése is kész a vízből H+ és OH- felvételére. A reakcióban általában erős sav katalizátorként vesz részt. Ez azért van, mert a hidratáció mechanizmusának első lépése a π kötés deprotonálását jelenti egy H+ -ot az erős savból, hogy karbokationt képezzen. A reakció nettó eredménye egy alkohol lesz.
Az etén hidratációjának reakcióegyenlete:
- H2C=CH2 + H2O→H3C-CH2OH
A hármas kötésben lévő π-kötések is képesek savas állapotban hidratáción átmenni és enolokat képezni. Az enol azonban nem termék, hanem köztes termék lesz, a végtermék pedig keton. Az enol intermedier tautomerizálódik, és a stabilabb keton keletkezik.
Az etin hidratációjának reakcióegyenlete acetaldehid képződéséhez:
- HC≡CH + H2O → H2C=CH-OH
- H2C=CH-OH ⇌ H3C-CHO
HidrohalogénezésSzerkesztés
A hidrohalogenálás során telítetlen szénhidrogénekhez H-X adódik. Ezáltal egy π C=C kötés csökken, és 2 C-H és C-X σ kötés jön létre 2 különálló szénnel. A köztes karbokation képződése szelektív és a Markovnyikov-szabályt követi. Az alkén hidrohalogénezése haloalkánt, az alkén hidrohalogénezése pedig vinilhalogenidet eredményez. Az alkin hidrohalogénezése sokkal lassabb, mint az alkéné.
A HBr eténhez történő hozzáadásának reakcióegyenlete:
- H2C=CH2 + HBr→H3C-CH2Br
OxidációSzerkesztés
A telítetlen szénhidrogének oxidációja az oxidálószer erősségétől függ. Gyenge oxidálószer dihidroxilációhoz, egy π kötés eltávolításához vezet, hogy két σ kötés alakuljon ki oxigénnel. Az alkén dihidroxilációja diolt, az alkén dihidroxilációja pedig vicinális dikarbonilt eredményez.
Egy erősebb oxidálószer, például KMnO4 vagy ózon oxidatív hasadáshoz vezet. Ebben az esetben a π-kötés a σ-kötéssel együtt szakad el, kettéválasztva a szénhidrogénmolekulát. Az oxigén a megmaradó két π-kötéssel külön-külön kötődik. Az alkén oxidatív hasadása ketonokat vagy aldehideket eredményez, a kettős kötés helyétől függően, az alkinek hasadása pedig karbonsavat.
Allylikus szubsztitúcióSzerkesztés
A telítetlen szénhidrogének π-kötése csökkenti az allylikus C-H kötések disszociációs energiáját, amelyek az sp2 szénatomokkal szomszédos szén C-H kötései. Ennek eredményeként a szabadgyökös szubsztitúciós reakció előnyben részesül az addíciós reakciókkal szemben.
Ezekre példa az NBS brómozási reakció alkénnel. Az NBS-ben az N-Br kötés gyenge, így sok Br szabadgyök képződik. A szabadgyök megtámadja a meggyengült allilhidrogéneket, és brómatomokkal helyettesíti őket. A reakcióegyenlet:
- RCH2CH=CH2 + (CH2CO)2NBr → RCHBrCH=CH2 + RCH=CHCHCH2Br + (CH2CO)2N
A reakcióban két izomer keletkezik, amelyekben a bróm különböző szénatomokhoz kapcsolódik. A reakcióhoz nagy mennyiségű Br szabadgyökre van szükség az elektrofil Br+ ionok helyett, amelyek addíciós reakcióba lépnek. Az NBS elengedhetetlen az ilyen feltételek megteremtéséhez.
Ha szénhidrogéncsoportok kapcsolódnak az allilszénhez, akkor ez a szén telítettebbé válik. A Zaitsev-szabály szerint ez a szén egy stabilabb karbokation-intermediert fog képezni. Ennek eredményeként allylikus átrendeződés fog bekövetkezni, és a π-kötés erre a szénre fog átkerülni. Ezáltal a szénhidrogéncsoporttól négy kötéssel távolabb lévő szénhez szubsztituált bróm lesz a fő termék.
CikloaddícióSzerkesztés
Telítetlen szénhidrogéneknél a gyűrűs szerkezet és a π-kötések egyaránt növelhetik a telítetlenség mértékét, a gyűrűs szerkezet és a π-kötések közötti felcserélődés speciális körülmények között történhet. Például egy konjugált dién és egy szubsztituált alkén esetében Diels-Alder-reakció lép fel, amely ciklohexént képez. Az ilyen reakció sztereokémiailag rendkívül szelektív.
Az alkinek fémkatalizátorok, például kobalt hatására szintén végbemehetnek cikloaddíciós reakcióban, amelyet alkin trimerizációnak neveznek. Három alkén “2+2+2” ciklizációs reakciót hajt végre, és gyorsan egyesülve benzolt alkot.A különböző alkének trimerizációja általában nem szelektív, de a speciálisan tervezett katalizátorok növelhetik a szelektivitást.
Ligandként reagálSzerkesztés
A telítetlen szénhidrogénekben a delokalizált π kötés nagy elektronsűrűséget biztosít, így a molekula fémliganddá válhat. Az alkén ligandumban a kötésszerkezet a Dewar-Chatt-Duncanson modellel írható le. Ebben az esetben a π elektronsűrűség a fém d-orbitálisainak adományozódik. Minél erősebb a donáció, annál erősebb a visszakötés a fém d-orbitáljáról az alkén π* antikötési orbitáljára. Ez a hatás csökkenti az alkén kötésrendjét és növeli a C-C kötés hosszát. Ennek eredményeként a fém kis gyűrűs szerkezetet képez a két szénnel.
A DCD modell az alkén ligandum szerkezetét is képes leírni. A fémkomplex az alkének trimerizációjának intermedierje is lehet, így a fémek a reakció katalizátorai lehetnek.
Az alkén ligandum komplexek szintézise elektrofil addíciós reakcióként írható le.
A lineáris telítetlen szénhidrogénekhez hasonlóan az arén is rendelkezik delokalizált π kötésekkel, amelyek képesek a fémeknek komplexképzésre donálni. Az olyan esetekben, mint a benzol, a szénatomok egyforma elektronsűrűséggel adományoznak a fémnek, míg néhány más esetben a szénatomok különbözőképpen adományoznak a fémnek, ami az arén meghajlását vagy dearomatizálódását okozza.