Эта увлекательная химия

В случае этилена связи между атомами углерода строятся по-другому. Здесь смешиваются только две р-орбитали с одной орбиталью s. В результате образуются три гибридизованные sp²-орбитали, которые лежат в одной плоскости: две из них перекрываются с s-орбиталями двух атомов водорода и привязывают эти водороды к углероду, а третья орбиталь sp² перекрывается с точно такой же орбиталью второго углеродного атома. На долю этой связи приходится одна из черточек между двумя атомами углерода. А что символизирует вторая черточка?

Вспомним: у нас остался еще один р-электрон. Он образует облако в виде объемной восьмерки, которая направлена перпендикулярно плоскости трех sp²-орбиталей. Эти-то электронные облака (по одной восьмерке от каждого углерода) тоже могут перекрываться между собой, только не "лоб в лоб", как перекрываются две sр²-орбитали, а "боками". Такое перекрывание и обозначает вторая черточка. Связь первого типа ("лбами") обозначается греческой буквой о (сигма), а связь, при которой электронные облака

Схема образования двойной связи между двумя атомами углерода в молекуле этилена

перекрываются "боками", называется π-связью (а сами такие электроны — π-электронами). Все вместе это и есть двойная связь. Двойная связь короче простой, ее длина 0,133 нм.

Итак, мы разобрали устройство еще одной детали, из которых можно строить "здания" органических соединений. Какие же это здания?

Возьмем сначала такие сочетания: одна молекула этилена и несколько молекул метана. Если один атом водорода в молекуле этилена заменить на метильную группу (т. е. на остаток метана), то получим пропилен (называемый иначе пропеном) СН₂=СН-СН₃.

Теперь построим следующий член гомологического ряда (т. е. член, имеющий на одну группу СН₂ больше). Для этого заместим один из атомов водорода в пропилене на метильную группу. Возможностей такого замещения несколько, в результате мы получим три различных бутилена (бутена).

Замещая водород метильной группы, придем к нормальному бутену-1: СН₂=СН-СН₂-СН₃. Замещение водорода на другом конце даст бутен-2: СН₃-СН=СН-СH₃. Наконец, замещая единственный водород при двойной связи, получим изо-бутилен: СН₂=С(СН₃)₂. Это три различных вещества, имеющих разные температуры кипения и плавления. Состав всех этих углеводородов отражается общей формулой С_nН_2n. Аналогично можно вывести формулы всех возможных пентенов, гексенов и т. д.

Итак, мы научились получать непредельные углеводороды на бумаге. Как же их получают в действительности?

Основной источник простейших алкенов (т. е. непредельных углеводородов)-нефтепродукты, из которых после нагревания и перегонки выделяют этилен, пропилен, бутилены... Если нагреть алкан (предельный углеводород) до 500-600 °С под большим давлением в присутствии катализатора, то два атома водорода отщепляются и образуется алкен. Из н-бутана, к примеру, получается смесь бутена-1 и бутена-2.

В лаборатории непредельные углеводороды (например, этилен) получают, отнимая воду от спиртов; для этого их нагревают с каталитическим количеством кислоты:

Можно также отщеплять молекулу галогеноводорода щелочью от галогенопроизводных предельных углеводородов:

Спектр реакций, в которые вступают соединения с двойной связью, гораздо разнообразнее, шире, нежели набор превращений алканов. Рассмотрим одну из таких реакций ненасыщенных соединений.

Непредельные вещества присоединяют галогеноводороды по двойной связи, при этом образуются галогенозамещенные предельные углеводороды (т. е. идет реакция, обратная только что написанной). Но если присоединять галогеноводород к несимметричному алкену (к такому, у которого по обе стороны от двойной связи находятся различные группы), то могут получиться два разных производных, например, в случае пропена, либо СН₃СН₂СН₂Сl, либо СН₃СНClСН₃.

Эту реакцию еще в прошлом веке изучал русский химик В. В. Марковников. Он установил правило, которое теперь носит его имя: галоген присоединяется к наименее гидрогенизованному атому углерода (т. е, такому, который связан с наименьшим числом атомов водорода). Значит, из пропилена образуется в основном хлористый изо-пропил СН₃СНClСН₃. Но почему реакция идет именно так? Современная теория дает объяснение правила Марковникова. Мы изложим эту теорию в несколько упрощенном виде.

Дело в том, что механизмы даже простых на первый взгляд химических реакций довольно сложны, включают несколько стадий. Так и с реакцией присоединения галогеноводорода. Молекула хлористого водорода присоединяется к молекуле алкена не сразу, а по частям. Первым присоединяется водород в виде протона Н+. Положительно заряженный протон подходит к молекуле пропилена. Какой из атомов углерода, соединенных двойной связью, он будет атаковать? Оказывается — крайний, потому что на нем находится небольшой отрицательный заряд, обозначаемый δ- (дельта минус). Но как возник этот заряд, небольшой избыток электронной плотности?