Удивительный мир органической химии - [18]
Если метан — «родоначальник» алканов, то этилен дает начало другим углеводородам — этиленовым (алкенам). Эти соединения также образуют свой гомологический ряд, который имеет общую формулу С>nН>2n. Если ее сравнить с общей формулой для алканов (С>nН>2n+2), нетрудно заметить разницу: молекулы алкенов содержат на два водородных атома меньше. Поскольку молекула этилена содержит два атома углерода и четыре атома водорода, то его эмпирическая формула будет С>2Н>4. Однако эта формула не дает представления о строении этилена. Поэтому попытаемся изобразить возможные структуры для формулы С>2Н>4.
Придется сразу отказаться от структур (1) и (2), как нереальных. Действительно, они имеют по две свободные валентности, а это означает, что такие соединения будут крайне неустойчивыми. А ведь этилен — вещество вполне устойчивое и способно существовать сколько угодно времени. Таким образом, остается структура (3) с двойной связью между углеродными атомами. Как оказалось впоследствии, именно эта структура и выражает строение молекулы этилена. Итак, этилен — соединение с двойной связью между углеродными атомами.
Две черточки между углеродными атомами означают, что связь образовалась в результате обобществления двух пар электронов, т. е. двойную связь можно представить так:
Следует сказать, что обозначение двойной связи при помощи двух черточек ввел немецкий химик Эмиль Эрленмейер (1825-1909).
Двойная связь в молекуле этилена — настоящая ахиллесова пята этого соединения. Это тот случай, когда двойная связь — «хуже», чем одинарная. Действительно, если алканы — довольно устойчивые соединения, вступающие в основном только в реакции замещения, то этилен и его гомологи — очень активные вещества, для которых характерны реакции присоединения. Например, если через водный раствор брома (бромная вода) пропустить этилен, то красновато-бурый цвет раствора исчезнет. Это означает, что произошла реакция. Химики установили, что в этом случае молекула брома присоединилась к этилену:
В полученном продукте (1,2-дибромэтан) отсутствует двойная связь между углеродными атомами. То же самое происходит, если к этилену присоединить молекулу хлора (помните «масло голландских химиков» — 1,2-дихлорэтан?). Если к этилену присоединить молекулу водорода (в присутствии катализатора — платины), то получим предельный углеводород — этан, который, как нам известно, двойной связи не содержит:
Этилен легко взаимодействует и с галогеноводородами, образуя галогенопроизводные:
Этилен присоединяет даже воду. Правда, это происходит только в присутствии серной кислоты:
Вот так можно получить этиловый спирт.
Итак, в молекулах полученных веществ исчезла двойная связь! Это означает только одно: при реакциях присоединения происходит разрыв одной из связей между углеродными атомами и за счет освободившихся валентностей идет присоединение другой молекулы. Но это значит, что две связи, обозначаемые одинаковыми черточками, вовсе не одинаковы. Одна из них более прочная (она не разрывается), а вторая — более «ранимая» — разрывается:
А вот теперь самый интересный вопрос: какая же связь сохранилась, а какая разорвалась? Если допустить, что двойная связь — сумма двух простых a-связей, то обе они не будут так легко разрываться при реакциях присоединения. Они будут вести себя так, как ведут обычные связи в алканах. Например, в молекуле этана. При этом добавим, что для них будут характерны реакции замещения, а не присоединения. Значит, двойная связь — это сумма разных по характеру связей. Но чтобы все это стало понятным, нам надо опять прибегнуть к теории гибридизации (видите, как она нас выручает!).
Давайте вспомним, что атом углерода в алкенах находится в состоянии sp>2-гибридизации. Это означает, что из четырех орбиталей атома углерода (одна 2s и три 2р) гибридизованы только три: одна 2s- и две 2р-орбитали. Эти орбитали, перекрываясь, образуют три обычные а-связи — одну С—С и две С—Н. Итак, одну С—С-связь мы установили. Это обычная σ-связь. А другая? Для этого продолжим наши рассуждения.
При гибридизации четвертая 2p-орбиталь осталась неизмененной (в виде объемной восьмерки), т. е. негибридизованной. Она располагается в плоскости, которая перпендикулярна другой плоскости, в которой находятся три гибридизованные sp>2-орбитали. Поскольку в молекуле этилена два атома углерода, то все сказанное относится и ко второму углеродному атому. Эти две негибридизованные орбитали (по одной от каждого углеродного атома) при перекрывании друг с другом образуют новую химическую связь, которую химики называют π(пи)-связью. Отметим, что эта связь образована, как и обычная σ-связь, в результате обобществления электронов, но электронов «чистых», а не гибридизованных. Такие 2р-электроны называются π-электронами. При этом очень важно отметить, что перекрывание орбиталей этих электронов происходит не в «лобовых» областях, в которых электронная плотность гораздо выше, а в «боковых», в которых она меньше. Но это означает, что образованная π-связь будет менее прочной (чем полнее перекрывание орбиталей, тем прочнее связь). Вот почему при химических реакциях (при действии химических реагентов) π-связь будет легче разрываться.
