Номер 2, страница 203 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

В чём особенности строения и химических свойств алкадиенов?

Алкадиены (или диеновые углеводороды) — это ациклические непредельные углеводороды, содержащие в молекуле две двойные углерод-углеродные связи. Их общая формула — $C_nH_{2n-2}$. Особенности их строения и свойств определяются именно наличием и взаимным расположением этих двух двойных связей.

Особенности строения алкадиенов

Ключевой особенностью строения алкадиенов является взаимное расположение двойных связей, по которому их классифицируют на три типа:

1. Сопряженные (конъюгированные) диены. В молекулах таких диенов двойные связи разделены одной одинарной связью. Простейший и важнейший представитель — бутадиен-1,3 ($CH_2=CH-CH=CH_2$).
   Особенность их строения заключается в образовании единой сопряженной $\pi$-электронной системы. Все четыре атома углерода, образующие сопряженную систему, находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Их p-орбитали, перпендикулярные плоскости молекулы, перекрываются не только между соседними атомами (C1-C2 и C3-C4), но и между центральными атомами C2 и C3. В результате образуется единое делокализованное $\pi$-электронное облако, охватывающее все четыре атома углерода. Это приводит к нескольким эффектам:

   • Повышение термодинамической стабильности молекулы по сравнению с несопряженными аналогами.
   • Выравнивание длин связей: одинарная связь C2-C3 в бутадиене-1,3 короче (0,147 нм), чем стандартная одинарная связь, а двойные связи C1=C2 и C3=C4 немного длиннее (0,134 нм), чем стандартная двойная связь.

2. Изолированные диены. Двойные связи в таких молекулах разделены двумя или более одинарными связями, например, пентадиен-1,4 ($CH_2=CH-CH_2-CH=CH_2$). В этих соединениях двойные связи не оказывают существенного влияния друг на друга и ведут себя как независимые двойные связи в обычных алкенах.

3. Кумулированные диены (аллены). Двойные связи в этих молекулах находятся у одного и того же атома углерода, например, пропадиен-1,2 (аллен) ($CH_2=C=CH_2$). Центральный атом углерода находится в $sp$-гибридизации, а крайние — в $sp^2$-гибридизации. Плоскости $\pi$-связей в алленах взаимно перпендикулярны, что делает их менее стабильными и более реакционноспособными по сравнению с другими диенами.

Ответ: Особенности строения алкадиенов определяются взаимным расположением двух двойных связей. Наибольшими особенностями обладают сопряженные диены, в которых четыре $sp^2$-гибридизованных атома углерода образуют единую делокализованную $\pi$-электронную систему, что приводит к повышению стабильности и выравниванию длин связей.

Особенности химических свойств алкадиенов

Химические свойства алкадиенов, как и алкенов, определяются наличием двойных связей. Для них характерны реакции присоединения, полимеризации и окисления. Однако особенности проявляются в зависимости от типа диена.

Свойства сопряженных диенов:

1. Реакции присоединения (1,2- и 1,4-присоединение). Это самая важная особенность сопряженных диенов. Присоединение электрофильных реагентов (например, $H_2$, $Hal_2$, $HHal$) может происходить по двум направлениям:

   • 1,2-присоединение: реагент присоединяется к соседним атомам углерода (C1 и C2 или C3 и C4).
   • 1,4-присоединение: части реагента присоединяются к крайним атомам углерода сопряженной системы (C1 и C4), а двойная связь смещается в центр молекулы (между C2 и C3).

   Например, реакция бутадиена-1,3 с бромоводородом:
   $CH_2=CH-CH=CH_2 + HBr \rightarrow \underbrace{CH_3-CHBr-CH=CH_2}_{3-бромбутен-1 (продукт \ 1,2-присоединения)} + \underbrace{CH_3-CH=CH-CH_2Br}_{1-бромбутен-2 (продукт \ 1,4-присоединения)}$
   Соотношение продуктов зависит от условий реакции (температуры). При низких температурах преобладает продукт 1,2-присоединения (кинетический контроль), а при высоких — более стабильный продукт 1,4-присоединения (термодинамический контроль).

2. Полимеризация. Сопряженные диены легко полимеризуются, образуя высокомолекулярные соединения — каучуки. Полимеризация также преимущественно идет по механизму 1,4-присоединения. Например, полимеризация бутадиена-1,3:
   $n(CH_2=CH-CH=CH_2) \xrightarrow{катализатор} (-CH_2-CH=CH-CH_2-)_n$
   Полученный полибутадиен является основой для производства синтетического каучука.

3. Реакция Дильса-Альдера (циклоприсоединение). Сопряженные диены способны вступать в реакцию [4+2]-циклоприсоединения с алкенами или алкинами (диенофилами), образуя шестичленные циклические соединения. Это один из важнейших методов синтеза циклических систем в органической химии.

Свойства изолированных и кумулированных диенов:

• Изолированные диены вступают в реакции, характерные для алкенов, при этом каждая двойная связь реагирует независимо друг от друга.

• Кумулированные диены (аллены) очень реакционноспособны из-за высокого напряжения в молекуле. Они легко вступают в реакции присоединения и могут изомеризоваться в более стабильные алкины.

Ответ: Главной химической особенностью алкадиенов, особенно сопряженных, является способность к реакциям 1,2- и 1,4-присоединения из-за наличия единой $\pi$-электронной системы. Эта же особенность обуславливает их способность к 1,4-полимеризации с образованием каучуков и к реакциям циклоприсоединения (реакция Дильса-Альдера).