Jak zapewne pamiętasz, alkeny można otrzymać z alkanów lub ich pochodnych poprzez reakcje eliminacjireakcja eliminacjireakcje eliminacji. Są to procesy chemiczne, w wyniku których z substratu usunięta zostaje cząsteczka pierwiastka (np. ${\text{H}}_2$, ${\text{Cl}}_2$) lub cząsteczka związku nieorganicznego (takiego jak ${\text{H}}_2\text{O}$ czy $\text{HBr}$). W efekcie w cząsteczce produktu powstaje wiązanie $\pi$.

Pierwszym przykładem jest reakcja eliminacji wodoru, nazywana inaczej reakcją odwodornienia czy dehydrogenacji. Cząsteczka alkanu, pod wpływem katalizatora, odpowiedniej temperatury i ciśnienia, traci cząsteczkę ${\text{H}}_2$.

Zapamiętajmy jednak, że jest to mało praktyczny sposób otrzymywania alkenów. Dlaczego? W przypadku związków o większej liczbie atomów węgla w łańcuchu, jako produkty otrzymamy mieszaninę izomerów.

Innym sposobem na otrzymanie alkenu jest reakcja eliminacji chlorowca (dehalogenacja). Działamy na dihalogenopochodną alkanu metalem, zazwyczaj $\text{Zn}$ lub $\text{Mg}$.

Polecenie 2

Uzupełnij  równania reakcji dehalogenacji.

RvF3QRKHI6ZMf

Ilustracja przedstawiająca dwa niepełne równania reakcji chemicznych zawierające jedynie substraty. Pierwsze równanie. Cząsteczka $1$,$2$-dichloropropanu zbudowanego z grupy ${\text{CH}}_2$ podstawionej atomem chloru $\text{Cl}$ i związanej z grupą $\text{CH}$, która to również podstawiona jest atomem chloru i połączona z grupą metylową ${\text{CH}}_3$. Dodać atom cynku. Strzałka w prawo. Drugie równanie. Cząsteczka $2$,$3$-dibromobutanu zbudowanego z dwóch połączonych za pomocą wiązania pojedynczego grup $\text{CH}$, z których każda podstawiona jest jednym atomem bromu $\text{Br}$ oraz jedną grupą metylową ${\text{CH}}_3$. Dodać atom cynku. Strzałka w prawo.

R9tHwmsOOq9gz

(Uzupełnij).

Rozwiązanie oraz odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

---

R5Mz5gXGsbSFM

(Uzupełnij).

Pokaż odpowiedź

RvIxgLal8acRS

Ilustracja przedstawiająca dwa niepełne równania reakcji chemicznych zawierające jedynie substraty. Pierwsze równanie. Cząsteczka $1$,$2$-dichloropropanu zbudowanego z grupy ${\text{CH}}_2$ podstawionej atomem chloru $\text{Cl}$ i związanej z grupą $\text{CH}$, która to również podstawiona jest atomem chloru i połączona z grupą metylową ${\text{CH}}_3$. Dodać atom cynku. Strzałka w prawo. Za strzałką cząsteczka propenu zbudowanego z grupy ${\text{CH}}_2$ połączonej za pomocą wiązania podwójnego z grupą $\text{CH}$, która to związana jest z grupą ${\text{CH}}_3$. Dodać cząsteczkę chlorku cynku ${\text{ZnCl}}_2$. Drugie równanie. Cząsteczka $2$,$3$-dibromobutanu zbudowanego z dwóch połączonych za pomocą wiązania pojedynczego grup $\text{CH}$, z których każda podstawiona jest jednym atomem bromu $\text{Br}$ oraz jedną grupą metylową ${\text{CH}}_3$. Dodać atom cynku. Strzałka w prawo. Cząsteczka but-$2$-enu zbudowanego z dwóch połączonych za pomocą wiązania podwójnego grup $\text{CH}$, z których każda podstawiona jest jedną grupą metylową ${\text{CH}}_3$. Dodać cząsteczkę ${\text{ZnBr}}_2$.

Nie możemy zapomnieć o reakcji eliminacji chlorowcowodoru – dehydrohalogenacji. Na monochlorowcopochodną alkanu działamy mocną zasadą, w środowisku alkoholowym i w podwyższonej temperaturze.

Alkeny możemy też uzyskać poprzez reakcję dehydratacji – eliminacji cząsteczki wody. Cząsteczka alkoholu ulega tej reakcji pod wpływem działania odczynnika odwadniającego (np. ${\text{Al}}_2{\text{O}}_3$ czy stężony ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4$) i podwyższonej temperatury. Powstaje cząsteczka alkenu i ${\text{H}}_2\text{O}$.

Polecenie 3

Uzupełnij  równania reakcji dehydrohalogenacji i dehydratacji. Ilu produktów organicznych spodziewasz się w każdej z nich?

Rs9k2Q7zMHhaE

Ilustracja przedstawiająca dwa niepełne równania reakcji chemicznych zawierające jedynie substraty. Pierwsze równanie. Cząsteczka $2$-chloropropanu zbudowanego z grupy $\text{CH}$ związanej z dwiema grupami metylowymi ${\text{CH}}_3$ oraz atomem chloru $\text{Cl}$. Dodać cząsteczkę wodorotlenku sodu $\text{NaOH}$. Strzałka w prawo, nad strzałką zapis "alkohol, temperatura". Drugie równanie. Cząsteczka etanolu zbudowanego z grupy ${\text{CH}}_3$ połączonej z grupą ${\text{CH}}_2$, która to związana jest z grupą hydroksylową $\text{OH}$. Strzałka w prawo, nad strzałką ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4$, temperatura.

RHS2VcJWoGRpW

(Uzupełnij).

Rozwiązanie oraz odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

---

R1cv4MO1TRZEt

Wymyśl pytanie na kartkówkę związane z tematem materiału.

Pokaż odpowiedź

R1BLs69JN9Pvm

Ilustracja przedstawiająca dwa równania reakcji chemicznych. Pierwsze równanie. Cząsteczka $2$-chloropropanu zbudowanego z grupy $\text{CH}$ związanej z dwiema grupami metylowymi ${\text{CH}}_3$ oraz atomem chloru $\text{Cl}$. Dodać cząsteczkę wodorotlenku sodu $\text{NaOH}$. Strzałka w prawo, nad strzałką zapis "alkohol, temperatura". Za strzałką cząsteczka propenu zbudowanego z grupy ${\text{CH}}_2$, której atom węgla łączy się za pomocą wiązania podwójnego z grupą $\text{CH}$ podstawioną grupą metylową ${\text{CH}}_3$. Dodać cząsteczkę chlorku sodu $\text{NaCl}$. Dodać cząsteczkę wody ${\text{H}}_2\text{O}$. Drugie równanie. Cząsteczka etanolu zbudowanego z grupy ${\text{CH}}_3$ połączonej z grupą ${\text{CH}}_2$, która to związana jest z grupą hydroksylową $\text{OH}$. Strzałka w prawo, nad strzałką ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4$, temperatura. Za strzałką cząsteczka etenu zbudowanego z dwóch grup metylenowych ${\text{CH}}_2$, których atomy węgla łączą się za pomocą wiązania podwójnego. Dodać cząsteczkę wody ${\text{H}}_2\text{O}$.

Uzupełnienie produktów reakcji z polecenia nr $3$ nie powinno przynosić nam większych trudności. A co w przypadku reakcji eliminacji pochodnych alkanów o dłuższym lub bardziej rozgałęzionym szkielecie węglowym?

Jaki produkt organiczny powstanie w wyniku reakcji eliminacji $2$-bromo-$3$-metylobutanu?

RW0YS7AKThltQ

Ilustracja przedstawiająca niepełne równanie reakcji chemicznej. Cząsteczka $2$-bromo-$3$-metylobutanu zbudowanego z grupy metylowej ${\text{CH}}_3$ połączonej z grupą $\text{CH}$ podstawioną atomem bromu $\text{Br}$ i związaną z grupą $\text{CH}$, która to łączy się z dwiema grupami metylowymi ${\text{CH}}_3$. Dodać cząsteczkę wodorotlenku sodu, strzałka w prawo, za strzałką znak zapytania.

Możemy przewidzieć dwa produkty tej reakcji: $2$-metylobut-$2$-en oraz $3$-metylobut-$1$-en. Ale czy rzeczywiście powstaną oba? W takim samym, a może różnym stosunku molowym?

RweUTztRA7lw8

Ilustracja przedstawiająca równanie reakcji chemicznej. Cząsteczka $2$-bromo-$3$-metylobutanu zbudowanego z grupy metylowej ${\text{CH}}_3$ połączonej z grupą $\text{CH}$ podstawioną atomem bromu $\text{Br}$ i związaną z grupą $\text{CH}$, która to łączy się z dwiema grupami metylowymi ${\text{CH}}_3$. Strzałka w prawo, nad strzałką $\text{NaOH}$, etanol, pod minus cząsteczka bromowodoru $\text{HBr}$. Strzałka rozdwaja się i prowadzi do dwóch różnych produktów. Pierwszy stanowi $2$-metylobut-$2$-en zbudowany z atomu węgla podstawionego dwiema grupami metylowymi ${\text{CH}}_3$ i połączonego za pomocą wiązania podwójnego z grupą $\text{CH}$, również z grupą metylową ${\text{CH}}_3$. Drugi produkt to $3$-metylobut-$1$-en zbudowany z grupy ${\text{CH}}_2$ połączonej za pomocą wiązania podwójnego z grupą $\text{CH}$, która to związana jest za pomocą wiązania pojedynczego z grupą $\text{CH}$ podstawioną dwiema grupami metylowymi ${\text{CH}}_3$.

W wyniku przedstawionej reakcji, powstaną oba produkty organiczne, ale w różnym stosunku. Znacznie więcej uzyskamy $2$-metylobut-$2$-en (produkt główny), a $3$-metylobut-$1$-en stanowić będzie produkt uboczny. Dlaczego tak się dzieje? Skąd wiemy, który ze związków będzie produktem głównym reakcji?

R11LZB7lHglSw

Ilustracja przedstawiająca równanie reakcji chemicznej analogicznie, jak opisano to powyżej, przy czym opisano, iż produkt główny stanowi $2$-metylobut-$2$-en, zaś produkt uboczny $3$-metylobut-$1$-en. Cząsteczka $2$-bromo-$3$-metylobutanu zbudowanego z grupy metylowej ${\text{CH}}_3$ połączonej z grupą $\text{CH}$ podstawioną atomem bromu $\text{Br}$ i związaną z grupą $\text{CH}$, która to łączy się z dwiema grupami metylowymi ${\text{CH}}_3$. Strzałka w prawo, nad strzałką $\text{NaOH}$, etanol, pod minus cząsteczka bromowodoru $\text{HBr}$. Strzałka rozdwaja się i prowadzi do dwóch różnych produktów. Pierwszy stanowi $2$-metylobut-$2$-en zbudowany z atomu węgla podstawionego dwiema grupami metylowymi ${\text{CH}}_3$ i połączonego za pomocą wiązania podwójnego z grupą $\text{CH}$, również z grupą metylową ${\text{CH}}_3$. Drugi produkt to $3$-metylobut-$1$-en zbudowany z grupy ${\text{CH}}_2$ połączonej za pomocą wiązania podwójnego z grupą $\text{CH}$, która to związana jest za pomocą wiązania pojedynczego z grupą $\text{CH}$ podstawioną dwiema grupami metylowymi ${\text{CH}}_3$.

Musimy zdawać sobie sprawę z tego, że w przypadku każdej reakcji chemicznej, produkt główny będzie powstawał z trwalszego termodynamicznie stanu przejściowego. Przypomnij sobie znane Ci mechanizmy reakcji. Związek taki tworzy się szybciej i w większej ilości od produktów pobocznych. Co to dla nas oznacza?

Wyjaśnia to tzw. reguła Zajcewareguła Zajcewareguła Zajcewa. W reakcji eliminacji cząsteczki $\text{HX}$ (gdzie $—\text{X}$ to $—\text{OH}$, $—\text{Cl}$, $—\text{Br}$, $—\text{I}$), jako produkty główne powstają bardziej rozgałęzione izomery. Inaczej mówiąc, produktem głównym reakcji eliminacji zawsze będzie związek o największej liczbie podstawników alkilowych, przyłączonych do atomu węgla sąsiadującego z tym, od którego oderwany został atom $\text{X}$.

Jak można to przyłożyć na bardziej zrozumiały język? Rozpatrzmy to na wcześniejszym przykładzie.

Czerwoną gwiazdką zaznaczono atom węgla tworzący wiązanie z atomem bromu, który zostanie oderwany. W żółtą czcionką przedstawiono atomy węgla sąsiadujące z tym, z którym połączony jest atom bromu.

R4TZU9Ht2uLLd

Ilustracja przedstawiająca wzór cząsteczki $2$-bromo-$3$-metylobutanu zbudowanego z grupy metylowej ${\text{CH}}_3$, w której atom węgla zaznaczono na pomarańczowo. Grupa ta połączona jest z grupą $\text{CH}$ z atomem węgla oznaczonym czerwoną gwiazdką i podstawionym atomem bromu $\text{Br}$ zaznaczonym na zieloną. Grupa ta związana jest z grupą $\text{CH}$, w której atom węgla również oznaczono kolorem pomarańczowym. Grupa ta łączy się z dwiema grupami metylowymi ${\text{CH}}_3$.

Dzięki działaniu zasady, wiązanie atomu węgla z bromem zostaje rozerwane, a na atomie węgla powstaje cząstkowy ładunek dodatni. Równocześnie, sąsiadujący atom węgla odda związany z nim atom wodoru, a sam wytworzy wiązanie podwójne z atomem węgla z czerwoną gwiazdką.

Pozostaje pytanie: który z zaznaczonych sąsiadujących atomów węgla weźmie udział w tym procesie?

Zgodnie z regułą Zajcewa, ten który posiada większą liczbę podstawników alkilowych  będzie produktem głównym – oderwany zostanie atom wodoru zaznaczony na fioletowo. W niewielkiej ilości będziemy mieć też produkt uboczny, o czym zostało wspomniane wyżej.

RqCJc0WMeagFl

Ilustracja przedstawiająca wzór cząsteczki $2$-bromo-$3$-metylobutanu zbudowanego z grupy metylowej ${\text{CH}}_3$, w której atom węgla zaznaczono na pomarańczowo. Grupa ta połączona jest z grupą $\text{CH}$ z atomem węgla oznaczonym czerwoną gwiazdką i podstawionym atomem bromu $\text{Br}$ zaznaczonym na zieloną. Grupa ta związana jest z grupą $\text{CH}$, w której atom węgla również oznaczono kolorem pomarańczowym, zaś atom wodoru kolorem fioletowym. Grupa ta łączy się z dwiema grupami metylowymi ${\text{CH}}_3$.

Jak prościej można to zapamiętać? Reguła Zajcewa mówi nam, że w reakcjach eliminacji cząsteczki $\text{HX}$ odrywamy atom wodoru od tego sąsiadującego atomu węgla, który jest połączony z mniejszą liczbą atomów $\text{H}$ (posiada więcej podstawników alkilowych). Można powiedzieć, że dla tego atomu węgla jesteśmy „chemicznym anty‑Robin Hoodem” – odbieramy wodór temu, który miał go mniej. Wyjaśnienie to wynika z trwałości termodynamicznej alkenów, która rośnie wraz ze wzrostem rozgałęzienia związku.

Podsumowując, sformułujmy regułę Zajcewa (w dwóch wariantach):

Słownik

Bibliografia

Dudek‑Różycki K., Płotek  M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.