Разнообразные способы получения алкенов

Алкены представляют собой важный класс органических соединений, широко используемых в промышленности. Однако их содержание в природных источниках невелико. Рассмотрим основные способы получения этих полезных веществ.

Дегидратация спиртов

Одним из распространенных методов синтеза алкенов является дегидратация спиртов. Суть этого метода заключается в отщеплении от молекулы спирта молекулы воды с образованием алкена:

CH3CH2OH -> CH2=CH2 + H2O

Так, при дегидратации этилового спирта образуется этилен:

CH3CH2OH -> CH2=CH2 + H2O

Реакция проводится при нагревании спирта в присутствии кислотного катализатора, чаще всего концентрированной серной кислоты. Необходимы температуры порядка 140-180°С. Процесс может протекать и в обратном направлении - путем гидратации алкенов.

К преимуществам этого метода относится:

• Высокие выходы целевых продуктов
• Простота осуществления процесса
• Доступность исходных реагентов (спиртов)

К недостаткам можно отнести:

• Побочные реакции при высоких температурах
• Необходимость регенерации кислотного катализатора

Дегидратацией различных спиртов можно получать широкий круг алкенов. Кроме этилена таким методом синтезируют пропилен, бутилен и многие другие полезные олефины.

Дегидрогалогенирование галогенпроизводных алканов

Еще одним эффективным способом получения алкенов является дегидрогалогенирование галогеналканов - отщепление от их молекулы атомов галогена и водорода:

CH3CH2Cl + ОН– -> CH2=CH2 + H2O + Cl–

Реакция проводится обработкой галогенпроизводного спиртовым раствором щелочи. Процесс протекает за счет нуклеофильного замещения с образованием промежуточного аниона, который быстро отщепляет галогенид-ион, оставляя непредельную двойную связь в молекуле целевого продукта:

К преимуществам этого способа можно отнести:

• Хорошие выходы алкенов
• Мягкие условия реакции
• Простая аппаратурное оформление

Среди недостатков:

• Многостадийный синтез исходных галогеналканов
• Необходимость утилизации побочных солей

В промышленности этот способ применяют для производства бутиленов и высших алкенов из соответствующих галогенпроизводных.

Термический крекинг алканов

Еще одним распространенным способом получения алкенов является термический крекинг алканов. Суть этого метода заключается в термическом разложении (крекинге) высокомолекулярных алканов на более низкомолекулярные алканы и алкены. Например:

C7H16 -> C3H6 + C4H10

Процесс проводят при высокой температуре 850-950°С без доступа воздуха. Образуется смесь различных алканов и алкенов. Выход целевых продуктов может достигать 60-70%.

К положительным сторонам метода относится возможность переработки тяжелых нефтяных фракций. К отрицательным - значительное количество побочных продуктов.

Каталитический крекинг

Более совершенным является каталитический крекинг углеводородного сырья. Процесс протекает при 500-540°С в присутствии цеолитных катализаторов. Преимущества:

• Более высокие выходы целевых продуктов (до 90%)
• Возможность регулирования состава продуктов

Каталитический крекинг широко используется в нефтепереработке для производства ценных алкенов.

Дегидрирование алканов

Еще одним эффективным способом получения алкенов является дегидрирование алканов - отщепление водорода от молекулы исходного насыщенного углеводорода с образованием алкена. Например:

CH3-CH3 -> CH2=CH2 + H2

Процесс проводят при 500°C на оксидно-хромовых или цинк-хромовых катализаторах. Преимущества метода:

• Использование доступного углеводородного сырья
• Возможность регулирования состава продуктов

Недостатки:

• Высокие температуры процесса
• Необходимость регенерации дорогих катализаторов

Дегалогенирование дигалогеналканов

Еще одним способом получения алкенов в лаборатории и промышленности является термическое или химическое дегалогенирование (устранение галогенов) из соответствующих дигалогенпроизводных. Например:

CH2Br-CH2Br + Zn -> CH2=CH2 + ZnBr2

Для реакции чаще всего используют активные металлы: цинк, магний, алюминий. Преимущества метода:

• Доступность дигалогеналканов
• Мягкие условия процесса

Недостатки:

• Многостадийный синтез исходных реагентов
• Необходимость утилизации побочных солей металлов

Гидрирование алкинов

Перспективным методом получения алкенов является каталитическое гидрирование алкинов - ненасыщенных углеводородов с тройной связью. Например, при гидрировании ацетилена можно получить этилен:

HC≡CH + H2 -> CH2=CH2

Процесс проводят на «отравленных» палладиевых или никелевых катализаторах при температуре 20-30°С. Благодаря «отравлению» катализаторов солями свинца удается предотвратить дальнейшее насыщение двойной связи в молекуле этилена.

Преимущества метода:

• Высокая селективность по алкенам
• Мягкие условия процесса

Недостатком является многостадийный синтез исходных алкинов.

Фотохимическое получение алкенов

При облучении ультрафиолетовым светом молекул некоторых галогеналканов возможно фотохимическое отщепление атомов галогенов с образованием алкенов. Например:

CH2=CHCl + hν -> CH2=CH2 + Cl•

Достоинства метода:

• Высокая чистота целевых продуктов
• Возможность получения труднодоступных соединений

К недостаткам относят высокую стоимость оборудования и низкую производительность процесса.

Свойства и применение алкенов

Полученные алкены находят широкое применение в промышленности органического синтеза. Их используют в качестве мономеров для производства полимеров (полиэтилена, синтетического каучука), а также как исходное сырье для синтеза множества ценных продуктов.

Благодаря наличию пи-связи алкены проявляют повышенную химическую активность и легко вступают в реакции присоединения, полимеризации, окисления, галогенирования и другие.

Вот почему разработка эффективных методов получения алкенов имеет большое научно-практическое значение для развития современной органической химии.