Reazioni degli alcheni

Che cosa sono gli alcheni?

Gli alcheni sono molecole organiche composte da soli atomi di carbonio e idrogeno. Sono caratterizzati da uno o più doppi legami carbonio-carbonio (C=C). La presenza di questo doppio legame indica che sono insaturi.

Gli alcheni hanno formula generale C_nH_2n. Esempi di alcheni sono l'etene (C₂H₄), il butene (C₄H₈) e il decene (C₁₀H₂₀).

Figura 1. Etene.

Reazioni di addizione elettrofila di alcheni

Gli alcheni reagiscono in vari modi, ma più comunemente in reazioni di addizione elettrofila.

Le reazioni di addizione comportano sempre la rottura di un doppio o triplo legame, creando due nuovi legami singoli.

Nelle reazioni di addizione elettrofila, una delle piccole molecole coinvolte è un elettrofilo.

Gli elettrofili sono carenti di elettroni. Contengono uno ione positivo o un atomo parzialmente positivo con un orbitale libero e sono attratti dalle regioni ad alta densità di elettroni, come un doppio legame C=C.

Esempi di elettrofili sono:

• Atomo di idrogeno, H⁺.
• δ+ atomi di idrogeno, come nell'acido solforico, nell'acqua o negli alogenuri di idrogeno.
• Cationi di cloro, Cl⁺.

In sintesi, nelle reazioni di addizione elettrofila, una molecola con carenza di elettroni (un elettrofilo) è attratta da una regione ad alta densità di elettroni in un'altra molecola organica. L'elettrofilo forma un legame covalente con la molecola organica, formando una molecola complessivamente più grande. Durante il processo, un doppio o triplo legame covalente viene spezzato e si formano due nuovi legami singoli.

Come abbiamo visto in precedenza, gli alcheni contengono tutti un doppio legame C=C. Questo contiene due coppie di elettroni ed è quindi una regione ad alta densità di elettroni. Di conseguenza, gli alcheni reagiscono spesso in reazioni di addizione elettrofila, anche con:

• Alogenuri di idrogeno, HX.
• Alogeni, X₂.
• Acido solforico, H₂SO₄.
• Vapore, H₂O(g).
• Idrogeno, H₂.

Ma prima di esaminare ciascuna di queste reazioni in modo più dettagliato, impariamo il meccanismo delle reazioni di addizione elettrofila degli alcheni.

Meccanismo di reazione di addizione dell'alchene

Le reazioni di addizione elettrofila degli alcheni seguono tutte lo stesso meccanismo generale.

1. L'elettrofilo è attratto dalla regione ad alta densità di elettroni del doppio legame C=C dell'alchene.
2. L'elettrofilo accetta una coppia di elettroni dal doppio legame C=C e forma un legame con l'alchene. In questo modo l'elettrofilo rompe un legame eterolitico. In questo passaggio si forma uno ione carbonio positivo, chiamato carbocatione, e uno ione negativo.
3. Lo ione negativo forma quindi un legame con il carbocatione, neutralizzando la molecola.

Figura 2. Meccanismo generale della reazione di addizione elettrofila di un alchene.

Applichiamo ora questo meccanismo a specifiche reazioni di addizione elettrofila di alcheni.

Esempi di reazioni di addizione di alcheni

La prima: la reazione degli alcheni con gli alogenuri di idrogeno, HX.

Reazione con gli alogenuri di idrogeno

Gli alogenuri di idrogeno, come l'HBr e l'HCl, si aggiungono al doppio legame C=C degli alcheni per formare un alognuro alchilico. Si tratta di una reazione di addizione elettrofila nota come alogenazione. Ha luogo a temperatura ambiente.

Poiché gli alogeni sono più elettronegativi dell'idrogeno, il legame H-X è polare e l'atomo di idrogeno ha una carica positiva parziale. Ciò gli consente di agire come elettrofilo.

Il meccanismo della reazione tra il bromuro di idrogeno (HBr) e l'etene (C₂H₄ ) è mostrato di seguito. Si ottiene così il bromoetano (CH₃CH₂Br).

Figura 3. Meccanismo della reazione di addizione elettrofila tra il bromuro di idrogeno e l'etene.

Si noti quanto segue:

• L'atomo H parzialmente positivo dell'HBr è attratto dal doppio legame C=C dell'etene.
• L'atomo di H forma un legame con l'etene, causando la rottura del legame H-Br. Nel complesso, si forma un carbocatione positivo e uno ione Br^- negativo.
• Lo ione Br^- forma un legame con il carbocatione positivo, dando origine al bromoetano.

Reazione con alogeni

Gli alcheni reagiscono con molecole di alogeno a temperatura ambiente per formare dialogenuri alchilici, in un'altra forma di alogenazione.

Sebbene le molecole di alogeno non siano inizialmente elettrofile, quando si avvicinano al legame dell'alchene C=C ricco di elettroni , viene indotto un dipolo. L'atomo di alogeno più vicino al legame C=C diventa parzialmente carico positivamente e può agire come elettrofilo. La reazione segue quindi il meccanismo generale che abbiamo esplorato in precedenza.

Ad esempio, il bromo (Br₂) reagisce con l'etene per formare 1,2-dibromoetano (CH₂BrCH₂Br), come mostrato di seguito:

Figura 4. Il meccanismo della reazione di addizione elettrofila tra bromo ed etene.

Come abbiamo detto nell'introduzione, questa reazione consente di utilizzare il bromo come test per il gruppo funzionale alchene. L'acqua di bromo di colore marrone-arancione si decolora se aggiunta a una soluzione contenente un alchene. Questo perché il bromo si aggiunge al doppio legame C=C, formando un dibromoalcano.

Figura 5. Analisi degli alcheni con l'acqua di bromo.

Reazione con acido solforico

Gli Alcheni reagiscono con l'acido solforico concentrato (H₂SO₄) a temperatura ambiente in una reazione altamente esotermica. L'elettrofilo è uno degli atomi di idrogeno della molecola dell'acido.

Figura 6. Acido solforico, rappresentato con alcune delle sue cariche parziali.Fonte: commons.wikimedia.org

Se si aggiunge acqua, il prodotto finale è un alcol e l'acido solforico si riforma. Ciò significa che l'acido solforico agisce da catalizzatore.

La reazione tra acido solforico ed etene è illustrata di seguito:

Figura 7. Il meccanismo della reazione di addizione elettrofila tra acido solforico ed etene.

Reazione con vapore

Un altro acido, l'acido fosforico (HF, è comunemente usato nell'industria come catalizzatore per la reazione tra etene e vapore per formare etanolo (CH₃CH₂OH). Il meccanismo è leggermente diverso e più complicato. Si tratta di una reazione di idratazione che avviene a una pressione di 60 atm e a una temperatura di 300℃. Ecco la reazione:

Figura 8. Reazione di addizione elettrofila tra etene e acqua, produce etanolo.

Reazione con idrogeno

Gli Alcheni reagiscono con idogeno in una reazione di idrogenazione per formare alcani. La reazione avviene a 140°C in presenza di un catalizzatore al nichel.

Ad esempio, l'etene può essere idrogenato per diventare etano:

Figura 9. Meccanismo della reazione di addizione elettrofila tra idrogeno ed etene.

Altre reazioni degli alcheni

Gli alcheni possono partecipare anche alle reazioni di ossidazione con una soluzione di manganato(VII) di potassio (KMnO₄) e reazioni di polimerizzazione.

Reazione con una soluzione di manganato

Gli alcheni reagiscono con una soluzione di manganato(VII) di potassio in una reazione di ossidazione, in cui gli ioni manganato(VII) agiscono come agente ossidante. Si osserva un drastico cambiamento di colore. I prodotti che si ottengono, variano a seconda delle condizioni di reazione.

Soluzione acida fredda di manganato

A temperatura ambiente, gli alcheni reagiscono con una soluzione acida e diluita di manganato(VII) per formare un diolo. La reazione libera anche ioni Mn²⁺ che rendono incolore la soluzione di manganato viola.

Ad esempio, facendo reagire l'etene con una soluzione fredda, diluita e acida di manganato per formare etano-1,2-diolo. Qui abbiamo rappresentato l'agente ossidante (ioni manganato(VII)) come [O].

Figura 10. Reazione tra una soluzione fredda, diluita e acida di manganato (VII) ed etene.

Soluzione diluita alcalina di manganato a freddo

La reazione sopra descritta è avvenuta in condizioni acide. Tuttavia, se la soluzione di manganato è invece alcalina, si ottiene un risultato leggermente diverso. Ancora una volta, l'alchene viene ossidato in un diolo, ma questa volta gli ioni manganato vengono ridotti in ioni Mn⁴⁺. Questi ultimi trasformano la soluzione viola in verde scuro prima di produrre un precipitato marrone scuro.

Soluzione acida di manganato concentrata a caldo

Riscaldando un alchene con una soluzione concentrata e acida di manganese non si ha solo la formazione di un diolo. Le condizioni difficili fanno sì che l'alcol venga ulteriormente ossidato. In sostanza, il doppio legame C=C dell'alchene viene completamente rotto e l'alchene si divide in due. Ciascuna delle molecole dimezzate forma un doppio legame C=O con l'agente ossidante. Si formano anidride carbonica (CO₂), un'aldeide (RCHO), un acido carbossilico (RCOOH) o un chetone (RCOR').

Come facciamo a sapere quali prodotti otterremo? Prendiamo ogni atomo di carbonio del doppio legame C=C separatamente e consideriamo i due gruppi ad esso collegati.

• Se l'atomo di carbonio è collegato a due gruppi R, si forma un chetone.
• Se l'atomo di carbonio è legato a un gruppo R e a un atomo di idrogeno, si forma un'aldeide, che poi viene ossidata in un acido carbossilico.
• Se l'atomo di carbonio è legato a due atomi di idrogeno, si forma l'anidride carbonica.

Ecco un diagramma che mostra i tre possibili risultati.

Figura 11. I possibili prodotti della reazione di una soluzione calda, concentrata e acida di manganato(VII) con un alchene.

Reazioni di polimerizzazione

Infine, faremo una breve immersione nelle reazioni di polimerizzazione degli alcheni. Più alcheni possono unirsi per formare polimeri di addizione.

I polimeri alchenici, chiamati polialcheni, sono costituiti da molti monomeri alchenici collegati da singoli legami covalenti. Il doppio legame C=C di ogni alchene si apre e si collega all'alchene adiacente, formando una lunga catena polimerica.