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Structure et liaison des alcènes
Les oléfines, qui sont des hydrocarbures insaturés contenant une ou plusieurs doubles liaisons carbone-carbone, sont largement divisées en alcènes et…
Les alcènes, ou oléfines, représentés par la formule générale Cn H2n, sont des hydrocarbures contenant une double liaison carbone-carbone. Les analogues cycliques, qui renferment une double liaison dans un cycle, sont appelés cycloalcènes.
Illustré par l’alcène le plus simple, l’éthylène, les atomes de carbone à travers la double liaison sont hybridés sp2. Le chevauchement direct des orbitales hybrides forme une liaison sigma, et le chevauchement latéral des deux orbitales p conduit à une liaison π, qui, selon la théorie des orbitales moléculaires, a la densité électronique concentrée au-dessus et au-dessous du plan moléculaire.
Bien qu’une liaison double entre les carbones sp2 soit nettement plus courte et plus forte que la liaison simple entre les carbones sp3, une liaison π est plus faible qu’une liaison σ. Ceci est indiqué par l’énergie de double liaison carbone-carbone, qui n’est pas le double de celle d’une liaison simple. Le chevauchement moins efficace des orbitales participantes et l’énergie plus élevée des électrons 2p par rapport à sp2 expliquent la liaison π plus faible.
Parce que les orbitales sp2 ont plus de caractère s que sp3, les liaisons carbone-hydrogène formées par le chevauchement sp 2-s dans l’éthylène sont plus courtes que celles créées par le chevauchement sp3-s dans l’éthane.
De même, dans le propylène, la liaison simple carbone-carbone résultant du chevauchement sp 2-sp 3 est plus courte que celle dérivée du chevauchement sp3-sp 3 dans le propane.
L’écart des angles de liaison H-C-C par rapport à la valeur attendue de 120° est dû à la déformation créée par les interactions répulsives non liantes des substituants à travers la double liaison.
Une double liaison carbone-carbone exerce un effet de retrait d’électrons. La densité électronique dans l’orbitale 2p non hybridée est inégalement répartie et ne masque donc pas la charge nucléaire sur le carbone aussi efficacement que l’orbitale hybride. Ainsi, certains alcènes, bien que faiblement, présentent des moments dipôles.
En raison de l’absence de dipôles forts, les principales forces d’attraction entre les molécules d’alcène sont les forces de dispersion de Londres. Ces forces deviennent plus fortes avec l’augmentation de la masse moléculaire et l’augmentation de la surface. Par conséquent, à température ambiante, les petits alcènes sont gazeux, et ceux qui contiennent plus de quatre carbones sont des liquides dont les points d’ébullition augmentent.
Étant non polaires, les alcènes sont miscibles dans les solvants non polaires et non miscibles dans l’eau.
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Q1: What is the molecular structure of an alkene?
Alkenes are hydrocarbons with the general formula CnH2n containing a carbon–carbon double bond. The doubly bonded carbons are sp2 hybridized with trigonal planar geometry. The double bond consists of a sigma bond from head-to-head overlap of hybrid orbitals and a π bond from sideways overlap of unhybridized 2p orbitals, with electron density concentrated above and below the molecular plane.
Q2: Why is a carbon–carbon double bond stronger than a single bond but weaker than expected?
Although a double bond between sp2 carbons is significantly shorter and stronger than a single bond between sp3 carbons, the π bond is weaker than the σ bond. The double bond energy is not twice that of a single bond because the π bond has less effective orbital overlap and higher energy 2p electrons compared to sp2 electrons, reducing its overall strength.
Q3: How do sp2 and sp3 hybridization affect bond lengths in alkenes?
Because sp2 orbitals have more s character than sp3 orbitals, carbon–hydrogen bonds formed by sp2–s overlap in ethylene are shorter than those created by sp3–s overlap in ethane. Similarly, carbon–carbon single bonds from sp2–sp3 overlap in propylene are shorter than those from sp3–sp3 overlap in propane.
Q4: What intermolecular forces exist between alkene molecules?
Because alkenes are nonpolar, the key attractive forces between alkene molecules are London dispersion forces. These forces strengthen with increasing molecular mass and larger surface area. Small alkenes are gaseous at room temperature, while those with more than four carbons are liquids with increasing boiling points.
Q5: Why do electrophiles preferentially react with alkenes?
Electrophiles react preferentially with the π bond electrons of alkenes because unhybridized p electrons have higher energy than electrons in hybrid orbitals. The π bond electrons generally have higher energy than σ bond electrons, making them more susceptible to electrophilic attack during introduction to electrophilic addition reactions of alkenes.
Q6: What are the physical states of alkenes at room temperature?
Ethylene, propylene, and butylene exist as colorless gases. Alkenes containing 5 to 14 carbon atoms are liquids, and those containing 15 or more carbon atoms are solids. Being effectively nonpolar, alkenes are insoluble in water but soluble in nonpolar solvents.
Q7: Where do alkenes occur naturally and what roles do they play?
Alkenes occur abundantly in nature. Ethylene, the simplest alkene, functions as a plant hormone affecting fruit ripening. Lycopene and carotenes are polyenes responsible for red and orange colors in fruits and vegetables like tomatoes and carrots. Alkenes also form the structural frames of plant essential oils and insect pheromones.