Alken

Rozbalit box

Obsah boxu

Alkeny (dříve též olefiny) jsou nenasycené uhlovodíky, které ve své struktuře obsahují alespoň jednu dvojnou vazbu mezi atomy uhlíku (C=C). Přítomnost této dvojné vazby zásadně ovlivňuje jejich chemické a fyzikální vlastnosti a činí je reaktivnějšími než alkany. Obecný vzorec pro acyklické alkeny s jednou dvojnou vazbou je C_nH_2n.

Nejjednodušším zástupcem alkenů je ethen (triviálním názvem ethylen) se vzorcem C₂H₄. Alkeny jsou klíčovými surovinami v chemickém průmyslu, zejména pro výrobu plastů (např. polyethylen, polypropylen) a dalších organických sloučenin, jako jsou alkoholy nebo halogenalkany.

📜 Historie a název

Název olefin, který se pro alkeny dříve hojně používal, pochází z latinského oleum (olej) a ficare (tvořit). Tento název vznikl v 18. století, kdy si chemici všimli, že plynný ethen reaguje s chlorem za vzniku olejovité kapaliny, 1,2-dichlorethanu. Ačkoliv je dnes preferováno systematické názvosloví IUPAC (alkeny), termín olefin se stále používá, zejména v petrochemickém průmyslu.

Systematické studium alkenů a jejich reaktivity v 19. století, zejména práce chemiků jako August Wilhelm von Hofmann a Vladimir Markovnikov, položilo základy moderní organické chemie a vedlo k pochopení mechanismů reakcí, jako je adice.

⚙️ Struktura a vazby

Charakteristickým rysem alkenů je dvojná vazba uhlík-uhlík (C=C). Tato vazba se skládá z jedné silné sigma (σ) vazby a jedné slabší pí (π) vazby.

• Sigma (σ) vazba: Vzniká přímým překryvem hybridních orbitalů sp² každého z atomů uhlíku. Leží přímo na spojnici jader atomů.
• Pí (π) vazba: Vzniká bočním překryvem nehybridizovaných p-orbitalů, které jsou kolmé k rovině sigma vazeb. Elektrony v pí vazbě jsou méně pevně vázány a nacházejí se nad a pod rovinou molekuly.

Tato elektronová konfigurace má několik důležitých důsledků:

• Planární geometrie: Atomy uhlíku v dvojné vazbě a čtyři atomy na ně přímo vázané leží v jedné rovině.
• Vazebné úhly: Úhly mezi vazbami vycházejícími z uhlíku s sp² hybridizací jsou přibližně 120°.
• Omezená rotace: Na rozdíl od jednoduché vazby u alkanů není možná volná rotace kolem dvojné vazby, aniž by došlo k jejímu přerušení. To vede k existenci geometrické izomerie (cis-trans nebo E/Z).

📐 Geometrická izomerie

Kvůli nemožnosti volné rotace kolem dvojné vazby mohou alkeny (kromě symetrických) existovat ve formě dvou různých izomerů, které se liší prostorovým uspořádáním substituentů.

• Cis-izomer: Charakteristické skupiny jsou na stejné straně vzhledem k dvojné vazbě.
• Trans-izomer: Charakteristické skupiny jsou na opačných stranách vzhledem k dvojné vazbě.

Například but-2-en existuje jako cis-but-2-en a trans-but-2-en. Tyto izomery mají odlišné fyzikální vlastnosti (např. bod varu, tání). Pro složitější molekuly se používá přesnější E/Z značení.

🧪 Názvosloví

Názvy alkenů se tvoří podle pravidel IUPAC.

1. Najde se nejdelší uhlíkový řetězec, který obsahuje dvojnou vazbu.
2. Kmen názvu odpovídajícího alkanu se změní tak, že přípona -an se nahradí příponou -en.
3. Řetězec se očísluje tak, aby atomy uhlíku dvojné vazby měly co nejnižší čísla.
4. Poloha dvojné vazby se udává číslem prvního uhlíku, který je její součástí. Toto číslo se vkládá před příponu -en (např. but-1-en).
5. Názvy a polohy případných substituentů se uvádějí před názvem hlavního řetězce.

Pokud molekula obsahuje více dvojných vazeb, používají se přípony -dien (dvě), -trien (tři) atd.

Příklady názvosloví alkenů

Vzorec	Systematický název (IUPAC)	Triviální název
C2H4	Ethen	Ethylen
C3H6	Propen	Propylen
C4H8	But-1-en	α-butylen
C4H8	cis-But-2-en	cis-β-butylen

⚛️ Fyzikální vlastnosti

Fyzikální vlastnosti alkenů jsou podobné vlastnostem alkanů s odpovídajícím počtem uhlíků.

• Skupenství: Alkeny s 2 až 4 atomy uhlíku (ethen, propen, buten) jsou za normálních podmínek plyny. Alkeny s 5 až 18 atomy uhlíku jsou kapaliny a vyšší alkeny jsou pevné, voskovité látky.
• Rozpustnost: Jsou to nepolární látky, takže jsou prakticky nerozpustné ve vodě, ale dobře rozpustné v nepolárních rozpouštědlech, jako je benzen, chloroform nebo ether.
• Hustota: Mají nižší hustotu než voda.
• Teplota varu: Teploty varu rostou s rostoucí délkou uhlíkového řetězce. Rozvětvené alkeny mají obvykle nižší teplotu varu než jejich nerozvětvené izomery. Cis-izomery mají zpravidla mírně vyšší bod varu než trans-izomery kvůli vyšší polaritě.

💥 Chemické reakce

Dvojná vazba je centrem reaktivity alkenů. Slabší pí vazba se snadno štěpí, což umožňuje reakce, které u nasycených alkanů neprobíhají. Typickou reakcí pro alkeny je elektrofilní adice.

Adiční reakce

Při adici dochází k zániku pí vazby a vzniku dvou nových sigma vazeb. Molekula se "nasytí".

• Hydrogenace: Adice vodíku (H₂) za přítomnosti katalyzátoru (např. Pt, Pd, Ni). Produktem je příslušný alkan.

C₂H₄ (ethen) + H₂ → C₂H₆ (ethan)

• Halogenace: Adice halogenů (např. Cl₂, Br₂). Reakce s roztokem bromu ve vodě (bromová voda) slouží jako důkaz přítomnosti dvojné vazby – hnědočervené zbarvení bromu zmizí.

CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br (1,2-dibromethan)

• Hydrohalogenace: Adice halogenovodíků (např. HCl, HBr). U nesymetrických alkenů probíhá podle Markovnikovova pravidla: vodík se váže na ten uhlík dvojné vazby, který má již více vodíkových atomů.

CH₃–CH=CH₂ (propen) + HBr → CH₃–CHBr–CH₃ (2-brompropan)

• Hydratace: Adice vody za kyselé katalýzy (např. H₂SO₄). Vznikají alkoholy. Reakce také probíhá podle Markovnikovova pravidla.

CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃–CH₂OH (ethanol)

Polymerace

Polymerace je nejdůležitější průmyslovou reakcí alkenů. Mnoho malých molekul alkenů (tzv. monomerů) se spojuje do dlouhých řetězců za vzniku polymeru.

n CH₂=CH₂ (ethen) → [–CH₂–CH₂–]_n (polyethylen)

Dalšími významnými produkty jsou polypropylen (z propenu) nebo polyvinylchlorid (PVC, z vinylchloridu, který se vyrábí z ethenu).

Oxidace

• Mírná oxidace: Reakce s chladným, zředěným roztokem manganistanu draselného (KMnO₄, Baeyerovo činidlo) vede ke vzniku diolů (dvojsytných alkoholů). Fialové zbarvení manganistanu zmizí, což je další důkaz dvojné vazby.

3 CH₂=CH₂ + 2 KMnO₄ + 4 H₂O → 3 HO–CH₂–CH₂–OH (ethan-1,2-diol) + 2 MnO₂ + 2 KOH

• Silná oxidace: Působením silnějších oxidačních činidel nebo za vyšší teploty dochází ke štěpení dvojné vazby a vzniku karboxylových kyselin nebo ketonů.

• Spalování: Alkeny hoří na oxid uhličitý a vodu.

C₂H₄ + 3 O₂ → 2 CO₂ + 2 H₂O

🏭 Příprava a výroba

Alkeny se v průmyslu získávají především zpracováním ropy a zemního plynu.

• Parní krakování: Je to hlavní průmyslová metoda. Vyšší alkany (např. z frakcí nafta nebo LTO) se zahřívají na vysoké teploty (750–900 °C) s vodní párou, což vede k jejich štěpení na menší, nenasycené molekuly (alkeny) a vodík.
• Katalytické krakování: Používá se v rafineriích k výrobě benzínu s vyšším oktanovým číslem. Vedlejším produktem jsou také alkeny.

V laboratoři se alkeny připravují eliminačními reakcemi:

• Dehydratace alkoholů: Odštěpení vody z alkoholu působením silné kyseliny (např. H₂SO₄) za tepla.
• Dehydrohalogenace halogenalkanů: Odštěpení halogenovodíku z halogenalkanu působením silné zásady (např. KOH v ethanolu).

🌍 Výskyt a význam

Alkeny se v přírodě vyskytují méně často než alkany. Nejvýznamnějším přírodním alkenem je ethen, který funguje jako fytohormon – reguluje zrání ovoce, stárnutí listů a klíčení semen. Mnoho přírodních látek, jako jsou terpeny (např. limonen v citrusech, pinen v jehličnanech) nebo karotenoidy (např. beta-karoten v mrkvi), obsahuje ve své struktuře vícenásobné dvojné vazby.

Průmyslový význam alkenů je obrovský:

• **Výroba polymerů**: Základní surovina pro plasty, syntetická vlákna a kaučuk.
• **Chemická syntéza**: Výchozí látky pro výrobu ethanolu, ethylenglykolu (nemrznoucí směsi), acetaldehydu, kyseliny octové a mnoha dalších chemikálií.
• **Paliva**: Jsou součástí benzínu a zvyšují jeho oktanové číslo.

🤔 Pro laiky

Představte si alkany (jako propan v zapalovači) jako řetěz lidí, kteří se drží za jednu ruku. Mají volnou druhou ruku a mohou se otáčet. Jsou stabilní a moc nereagují.

Alkeny jsou jako řetěz lidí, kde se dva sousedé drží oběma rukama (to je naše dvojná vazba).

• **Pevnější, ale zranitelnější**: Držení oběma rukama je pevné, ale zároveň omezující. Lidé se nemohou otáčet. Jedna z těch rukou (pí vazba) je navíc natažená a drží se slaběji. Je snadné ji "roztrhnout".
• **Přidávání nových lidí (Adice)**: Když přijde někdo další (třeba molekula bromu), jeden z dvojice pustí svou slabší ruku a chytne nově příchozího. Druhý z dvojice udělá totéž. Dvojná vazba se změní na jednoduchou a do molekuly se "přidaly" nové atomy. To je důvod, proč alkeny tak snadno reagují – mají "volnou kapacitu" v podobě slabší pí vazby.
• **Tvoření dlouhých řetězů (Polymerace)**: Představte si, že máte spoustu takových dvojic. První dvojice se "rozpojí" (pustí jednu ruku) a chytne další dvojici, ta další a tak dále. Vznikne obrovský řetěz – a to je přesně princip vzniku plastů, jako je igelitový sáček (polyethylen).

Šablona:Aktualizováno