CombustioneEdit
Come la maggior parte degli altri idrocarburi, gli idrocarburi insaturi possono andare sotto reazione di combustione che produce anidride carbonica e acqua nella combustione completa. L’equazione di reazione è:
- CxHy + y+4x/4O2 → y/2H2O + xCO2
In assenza di ossigeno, la combustione si trasforma in combustione incompleta e produce monossido di carbonio e carbonio.
Gli idrocarburi insaturi producono più facilmente prodotti di combustione incompleta rispetto a quelli saturi. Di conseguenza, la combustione degli idrocarburi insaturi ha di solito una fiamma gialla, diversa dalla fiamma blu di quelli saturi. Questo indica che la combustione degli idrocarburi insaturi coinvolgerà meccanismi a più fasi, e la combustione del carbonio dà il colore giallo della fiamma.
Siccome gli idrocarburi insaturi hanno meno contenuto di idrogeno, produrranno meno acqua e diminuiranno l’umidità della fiamma, oltre a diminuire l’uso di ossigeno. L’acetilene (etilene), per esempio, può essere usato come combustibile.
Paragonato ai singoli legami σ C-C negli idrocarburi saturi, quelli insaturi hanno densità di elettroni nei legami π, che non hanno molta densità di elettroni sovrapposti come gli σ. Di conseguenza, l’energia chimica immagazzinata in un doppio legame è minore che in due legami singoli. Così, la combustione di idrocarburi insaturi, che rompe i legami carbonio-carbonio per rilasciare energia, rilascia meno energia che bruciando la stessa molarità di quelli saturi con lo stesso numero di carboni. Questa tendenza è chiaramente visibile nell’elenco delle entalpie standard di combustione degli idrocarburi.
| Numero di carbonio | Sostanza | Tipo | Formula | Hcø(kJ/mol) |
|---|---|---|---|---|
| 2 | etano | saturo | C2H6 | -1559.7 |
| etene | insaturo | C2H4 | -1410.8 | |
| etene | insaturo | C2H2 | -1300.8 | |
| 3 | propano | saturo | CH3CH2CH3 | -2219.2 |
| propene | insaturo | CH3CH=CH2 | -2058.1 | |
| propina | insaturo | CH3C≡CH | -1938.7 | |
| 4 | butano | saturo | CH3CH2CH3 | -2876.5 |
| but-1-ene | insaturo | CH2=CH-CH2CH3 | -2716.8 | |
| but-1-yne | insaturo | CH≡C-CH2CH3 | -2596.6 |
Addizione elettrofilaModifica
I doppi o tripli legami che devono essere presenti negli idrocarburi insaturi forniscono un’alta densità di elettroni che fanno diventare le molecole punti perfetti per le reazioni di addizione elettrofila. In questo tipo di reazione, un legame π tra i carboni si rompe in 2 legami σ separati tra ogni carbonio e il gruppo aggiunto. Un intermedio carbocationico è solitamente coinvolto nel meccanismo.
IdrogenazioneModifica
L’idrogenazione è l’aggiunta elettrofila di gas idrogeno a idrocarburi insaturi. Il risultato sarà un idrocarburo più saturo, ma non necessariamente diventerà un idrocarburo saturo. Per esempio, la semi-idrogenazione di un alchene può formare un alchene. Tuttavia, il numero totale di legami π deve diminuire nel processo. Il legame π carbonio-carbonio è anche necessario per questo processo.
L’equazione di reazione dell’idrogenazione dell’etene per formare etano è:
- H2C=CH2 + H2→H3C-CH3
La reazione di idrogenazione di solito richiede catalizzatori per aumentare la sua velocità.
Il numero totale di idrogeno che può essere aggiunto ad un idrocarburo insaturo dipende dal suo grado di insaturazione. Un idrocarburo insaturo con formula CXHY può avere al massimo 2X+2-Y atomi di idrogeno aggiunti. Questo farà diventare la molecola satura.
AlogenazioneModifica
Simile all’idrogeno, l’eterolisi dell’alogeno (X2) produrrà uno ione X+ elettrofilo, dopo di che sarà attaccato dall’elettrone sul legame π. A differenza dell’idrogeno, l’alogenazione produrrà ioni alonio come intermedi invece di carbocationi nella maggior parte degli altri casi. Il catione alonio lascia uno spazio limitato per l’attacco dello ione X- e si trasformerà solo in un prodotto trans. Il risultato netto dell’alogenazione è una diminuzione di un legame π e un aumento di due legami σ carbonio-alogeno sui 2 carboni.
L’equazione di reazione per l’aggiunta di bromo all’etene, per esempio, è:
- H2C=CH2 + Br2→H2CBr-CH2Br (trans)
Il test del bromo è usato per verificare la saturazione degli idrocarburi. Il test prevede l’aggiunta di acqua di bromo all’idrocarburo sconosciuto; se l’acqua di bromo viene decolorata dall’idrocarburo, il che è dovuto alla reazione di alogenazione, si può concludere che l’idrocarburo è insaturo. Se non viene decolorata, allora è satura.
Il test del bromo può anche essere usato come indicazione del grado di insaturazione per gli idrocarburi insaturi. Il numero di bromo è definito come grammo di bromo in grado di reagire con 100g di prodotto. Simile all’idrogenazione, l’alogenazione del bromo dipende anche dal numero di legami π. Un numero di bromo più alto indica un più alto grado di insaturazione.
IdratazioneModifica
Il legame π degli idrocarburi insaturi sono anche pronti ad accettare H+ e OH- dall’acqua. La reazione di solito coinvolge un acido forte come catalizzatore. Questo perché il primo passo del meccanismo di idratazione coinvolge il legame π deprotonare un H+ dall’acido forte per formare un carbocation. Il risultato netto della reazione sarà un alcool.
L’equazione di reazione per l’idratazione dell’etene è:
- H2C=CH2 + H2O→H3C-CH2OH
I legami π nel triplo legame sono anche capaci di andare sotto idratazione in condizioni acide e formare enoli. Tuttavia, l’enolo non sarà un prodotto ma un intermedio, e il prodotto finale sarà un chetone. L’enolo intermedio va in tautomerizzazione e forma il chetone più stabile.
L’equazione di reazione di idratazione dell’etilene per formare acetaldeide è:
- HC≡CH + H2O → H2C=CH-OH
- H2C=CH-OH ⇌ H3C-CHO
IdroalogenazioneEdit
L’idroalogenazione comporta l’aggiunta di H-X a idrocarburi insaturi. Questo diminuirà un legame π C=C e risulterà in 2 legami σ C-H e C-X con 2 carboni separati. La formazione del carbocation intermedio è selettiva e segue la regola di Markovnikov. L’idroalogenazione dell’alchene darà come risultato l’alcano, e l’idroalogenazione dell’alchene darà come risultato l’alogenuro di vinile. L’idroalogenazione dell’alchene è molto più lenta dell’alchene.
L’equazione di reazione dell’aggiunta di HBr all’etene è:
- H2C=CH2 + HBr→H3C-CH2Br
OssidazioneModifica
L’ossidazione degli idrocarburi insaturi dipende dalla forza dell’agente ossidante. Un agente ossidante debole porterà alla diidrossilazione, la rimozione di un legame π per formare due legami σ con l’ossigeno. La diidrossilazione dell’alchene produce il diolo, e la diidrossilazione dell’alchene produce il dicarbonile vicinale.
Un agente ossidante più forte, per esempio KMnO4 o ozono, porterà alla scissione ossidativa. In questo caso, il legame π si rompe con il legame σ, dividendo la molecola di idrocarburo in due. L’ossigeno si lega con i due rimanenti legami π separatamente. La scissione ossidativa dell’alchene produce chetoni o aldeidi, a seconda del luogo del doppio legame, e la scissione degli alchini produce acido carbossilico.
Sostituzione allilicaModifica
Il legame π negli idrocarburi insaturi abbasserà l’energia di dissociazione dei legami C-H allilici, che sono legami C-H del carbonio che è adiacente ai carboni sp2. Di conseguenza, la reazione di sostituzione dei radicali liberi sarà favorita rispetto alle reazioni di addizione.
Un esempio di questo è la reazione di bromurazione NBS con l’alchene. Il legame N-Br in NBS è debole così che si formerà molto radicale libero Br. Il radicale libero attaccherà gli idrogeni allilici indeboliti e li sostituirà con atomi di bromo. L’equazione di reazione è:
- RCH2CH=CH2 + (CH2CO)2NBr → RCHBrCH=CH2 + RCH=CHCH2Br + (CH2CO)2N
La reazione produrrà due isomeri con bromo legato a carboni diversi. La reazione richiede un’alta quantità di radicali liberi Br invece di ioni Br+ elettrofili, che andranno in reazione di addizione. La NBS è essenziale per creare tali condizioni.
Se i gruppi idrocarburici sono attaccati al carbonio allilico, questo carbonio sarà più saturo. Secondo la regola di Zaitsev, questo carbonio formerà un carbocation intermedio più stabile. Di conseguenza, si verificherà il riarrangiamento allilico, e il legame π si sposterà su questo carbonio. Questo produrrà un prodotto principale di bromo sostituito al carbonio a quattro legami dal gruppo idrocarburo.
CicloaddizioneEdit
Per gli idrocarburi insaturi, la struttura ad anello e i legami π possono entrambi aumentare il grado di insaturazione, lo scambio tra struttura ad anello e legami π può avvenire in condizioni speciali. Per esempio, per un diene coniugato e un alchene sostituito, si verifica la reazione di Diels-Alder che forma un cicloesene. Tale reazione è altamente selettiva in stereochimica.
Gli alchini, sotto catalizzatori metallici, per esempio il cobalto, possono anche andare in reazione di cicloaddizione chiamata trimerizzazione degli alcheni. Tre alchini subiscono una reazione di ciclizzazione “2+2+2” e si uniscono rapidamente per formare un benzene. La trimerizzazione di diversi alcheni non è solitamente selettiva, ma catalizzatori appositamente progettati possono aumentare la selettività.
Reagire come ligandoModifica
Il legame π delocalizzato negli idrocarburi insaturi forniscono alta densità di elettroni, rendendo la molecola possibile diventare un ligando metallico. Nel ligando alcheno, la struttura di legame può essere descritta dal modello Dewar-Chatt-Duncanson. In questo caso, la densità di elettroni π viene donata agli orbitali d del metallo. Più forte è la donazione, più forte è il back bonding dall’orbitale d del metallo all’orbitale π* anti-bonding dell’alchene. Questo effetto riduce l’ordine di legame dell’alchene e aumenta la lunghezza del legame C-C. Come risultato, il metallo forma una piccola struttura ad anello con i due carboni.
Il modello DCD può anche descrivere la struttura del legante alcheno. Il complesso metallico può anche essere intermedio della trimerizzazione degli alchini, quindi i metalli possono essere catalizzatori della reazione.
La sintesi dei complessi alcheni ligandi può essere descritta come una reazione di addizione elettrofila.
Similmente agli idrocarburi insaturi lineari, gli areni hanno anche legami π delocalizzati in grado di donare ai metalli per formare il complesso. In casi come il benzene, i carboni donano la stessa densità di elettroni al metallo, mentre in alcuni altri casi, i carboni donano in modo diverso al metallo, facendo piegare o dearomatizzare l’arene.