Basiskennis chemie/Organische chemie/Alkenen
Alkenen | |||||||||||||||||||||||||||||||
In het vorige boek zijn een aantal verbindingen van koolstof met waterstof besproken. De binding tussen de verschillende atomen in een molecuul werden daarin verzorgd door steeds twee elektronen die om beide atoomkernen draaiden. Het blijkt dat het ook mogelijk is dat er vier (of zelfs 6) elektronen om twee atoomkernen kunnen bewegen. In deze paragraaf kijken we vooral naar verbindingen waarin een of meer van de koppelingen tussen atomen door 4 elektronen verzorgd worden. Omdat het aantal elektronen twee keer zo groot is als normaal, wordt zo'n binding een dubbele binding genoemd. Als duidelijk onderscheid wordt een binding die door twee elektronen verzorgd wordt, een enkele binding genoemd. | Dubbele binding | ||||||||||||||||||||||||||||||
Er wordt in een keten koolstofatomen van twee daarvan een extra binding gebruikt om de koolstofatomen aan elkaar te binden. Dat betekent dat er twee (op elk koolstofatoom één) waterstofatomen minder in het molecuul zitten. De verbinding bevat niet alle waterstofatomen die eigenlijk bij het aantal koolstofatomen hoort. In vergelijking met een alkaan kan de verbinding er nog meer hebben, en wordt daarom onverzadigd genoemd. Alkanen kunnen niet meer waterstofatomen naast het aantal koolstofatomen bevatten, deze verbindingen worden verzadigd genoemd. | Verzadigde verbinding | ||||||||||||||||||||||||||||||
De naamgeving van verbindingen die ook een dubbele binding in hun molecuul bevatten verloopt parallel aan die van de alkanen. Er is één belangrijk verschil: de dubbele binding zit altijd in de stamnaam, zelfs als er een langere keten in het molecuul te vinden is (waar dan niet de dubbele binding in zit). De naam wordt gevormd door de uitgang ~aan te vervangen door ~een. | Naam | ||||||||||||||||||||||||||||||
Dubbele bindingen worden in structuurformules aangegeven door twee in plaats van één streepje tussen de atoomkernen te tekenen. Hieronder zie je een aantal voorbeelden van verbindingen van koolstof en waterstof waarin sommige koolstof-koolstofbindingen dubbel zijn. Onder de structuurformules is ook de naam van de verbinding weergegeven.
| Tekenen | ||||||||||||||||||||||||||||||
Bij bovenstaande formules kunnen de volgende opmerkingen gemaakt worden:
| Plaatsnummers | ||||||||||||||||||||||||||||||
Algemene formule | |||||||||||||||||||||||||||||||
Net als voor de alkanen geldt er voor de alkenen een algemene formule. Voor de alkanen was dat:
Het feit dat er een dubbele binding bij een koolstofatoom zit, betekent dat er een plaats minder is om een waterstofatoom te binden. De geldt voor beide koolstofatomen van de dubbele binding. In het molecuul als geheel zijn er dus per dubbele binding twee waterstofatomen minder! Voor een alkeen als in de voorbeelden 1 en 2 betekent dit dat de algemene formule geschreven wordt als: In voorbeeld 3 is er een extra dubbele band in het molecuul aanwezig, dus kost dat nog twee waterstofatomen. De algemene formule wordt: | Algemene formule alkenen | ||||||||||||||||||||||||||||||
Ruimtelijke structuur van alkenen | |||||||||||||||||||||||||||||||
In vergelijking met de alkanen is er een aantal aspecten van de ruimtelijke structuur die bij alkenen afwijken:
| Ruimtelijke structuur | ||||||||||||||||||||||||||||||
Bij etheen is het nog niet echt duidelijk, bij but-2-een wordt een eigenaardigheid van de dubbele band duidelijk zichtbaar:
| E/Z-isomerie | ||||||||||||||||||||||||||||||
In het linker molecuul bevinden de twee methyl-groepen zich aan verschillende kanten van de dubbele binding, in het rechter molecuul zitten ze aan dezelfde kant van de dubbele band. Nu is belangrijk dat er geen draaiing mogelijk is om die dubbele band. Dat betekent ook dat, in tegenstelling tot de alkanen met hun vrije draaibaarheid, deze twee moleculen echt twee verschillende stoffen zijn. Om de twee stoffen van elkaar te onderscheiden worden de aanduidingen E (uit het Duits: Entgegen) en Z (ook uit het Duits: Zusammen) gebruikt. Bovendien wordt, als er meer dubbele banden in het molecuul zitten, ook de plaats aangegeven waar de aanduiding bij hoort. | |||||||||||||||||||||||||||||||
Dubbele binding equivalent | |||||||||||||||||||||||||||||||
Zoals je hierboven gezien hebt, zijn er steeds twee waterstofatomen minder in het molecuul voor elke dubbele binding of ring. Samen worden deze structuurelementen "dubbele binding equivalenten" genoemd. Voor het bepalen van de algemene formule van een verbinding geldt nu:
| Dubbele binding equivalent | ||||||||||||||||||||||||||||||
Reacties van alkenen | |||||||||||||||||||||||||||||||
De reacties van alkenen kunnen in twee groepen verdeeld worden: De reacties die ook op kunnen treden bij de alkanen, en reacties die specifiek zijn voor de dubbele band. | Reacties van alkenen | ||||||||||||||||||||||||||||||
Reacties als alkanen | |||||||||||||||||||||||||||||||
Alkenen vertonen de verschillende reacties die ook voor alkanen gelden. Zo reageren ze met zuurstof waarbij alleen kooldioxide en water overblijven, bijvoorbeeld propeen::
of de reactie van chloorgas met propeen, waarbij 3-chloorpropeen ontstaat (en Waterstofchloride) | Reacties niet aan de dubbele band | ||||||||||||||||||||||||||||||
Reacties van alkenen aan de dubbele band | |||||||||||||||||||||||||||||||
Daarnaast vertonen alkenen een aantal reacties de specifiek zijn voor de dubbele band. | Dubbele band reacties | ||||||||||||||||||||||||||||||
Reacties van alkenen met waterstof | |||||||||||||||||||||||||||||||
Alkenen reageren onder invloed van een katalysator met waterstofgas.
figuur 1 | Hydrogeneren | ||||||||||||||||||||||||||||||
Reacties van alkenen met halogenen | |||||||||||||||||||||||||||||||
Alkenen reageren met de halogenen, fluor, chloor, broom en jood. Afhankelijk van het halogeen verloopt de reactie explosief (fluor) tot eigenlijk alleen onder invloed van een katalysator en zelfs dan nog traag (jood).
figuur 2 | Halogeneren | ||||||||||||||||||||||||||||||
Alkenen reageren met halogenen zowel aan de dubbele bad als aan het verzadigde deel van het molecuul. Aan de dubbele band wordt de reactie doorgaans uitgevoerd in een oplosmiddel. Dat betekent ook bij een veel lagere temperatuur dan die voor de reactie aan het verzadigde deel van het molecuul nodig is. | Halogeneren dubbele band t.o.v. verzadigde deel | ||||||||||||||||||||||||||||||
Reacties van alkenen met waterstofhalogenides | |||||||||||||||||||||||||||||||
Etheen reageert met de waterstofhalogeniden () onder vorming van respectivelijk fluorethaan, chloorethaan, broomethaan of joodethaan:
| Hydrohalogeneren | ||||||||||||||||||||||||||||||
Polymerisatiereacties van alkenen | |||||||||||||||||||||||||||||||
Technisch en economische is de polymerisatiereactie van alkenen veruit de belangrijkste reactie. Onder geschikte omstandigheden (warmte, katalysator) kan de dubbele binding "openklappen". Elk koolstofatoom heeft nu een vrije bindingsplaats met één elektron. Zo'n koolstofatoom kan reageren met de dubbele binding in een ander molecuul. Die binding "klapt ook open" en een van de koolstofatomen bindt met één van de koolstofatomen van het eerste opengeklapte molecuul. Er ontstaat een molecuul met vier koolstofatomen met aan beide uiteinden een koolstofatoom met een vrije bindingsmogelijkheid. De reactie tussen een koolstofatoom met een vrije binding en een alkeen-molecuul herhaalt zich een groot aantal keren, tot toevallig twee koolstofatomen met een vrije binding elkaar tegenkomen. Onderstaande figuur geeft een voorbeeld van de vorming van een polymeer uit etheen: figuur 3 | Polymeriseren | ||||||||||||||||||||||||||||||
Alkeenpolymeren | |||||||||||||||||||||||||||||||
Veel polymeren ken ken je ook uit het dagelijks leven. In onderstaande tabel staan er een aantal vermeld met het monomeer (het alkeen waaruit ze ontstaan):
figuur 4 | Voorbeelden van polymeriseren |