Alkenler

Kimya dersinin son on dakikasında Hafize Hanım çeker ocağın önüne iki küçük şişe koydu. Etiketlerde yalnız «C₆H₁₂» yazıyordu; birinin içinde 1-hekzen, ötekinde siklohekzan vardı ama hangisinin hangisi olduğunu söylemedi. Her ikisine de birkaç mililitre turuncu-kahverengi bromlu su ekleyeceğini duyunca İlhan tahminini sınıfa duyurdu: «Kapalı formül aynı, ikisi de alkandan iki hidrojen eksik. Sonuç da aynı çıkar.» Sıra arkadaşı Hazan, alkanlar defterinde siklohekzanın bütün bağlarının tekli olduğunu yazdığı satırı gösterdi ama İlhan omuz silkti. Hafize Hanım eldivenlerini takıp tüpleri tek tek çalkaladı. Birinci tüpte turuncu-kahverengi renk birkaç saniyede soldu, sıvı berraklaştı. İkincisinde renk kaybolmadı; yalnız üstte toplanan yağımsı tabakaya geçip orada koyulaştı. İlhan iki şişeye yeniden baktı: etiketi aynı olan bu sıvılardan biri bromu kendine bağlamış, öteki yalnız rengini almıştı. Fark nereden geliyordu?

• Bir alkeni kapalı formülünden, yapısından ve bromlu su testinden tanır, aynı formüllü halkalı alkandan ayırırsın.
• İkili bağı içeren zinciri seçip bağa en küçük numarayı vererek alkenleri IUPAC kurallarına göre adlandırırsın.
• Hidrojen, halojen, hidrojen halojenür ve su katılmasının ürünlerini Markovnikov kuralıyla bulursun.
• Katılma, polimerleşme ve yanma tepkimelerinde madde miktarlarını mol oranlarıyla hesaplarsın.

İki hidrojen eksiği, iki ayrı neden

Altı karbonlu bir alkan on dört hidrojen taşır. Kancadaki şişelerin her birinde on iki hidrojen vardı; eksik kalan iki hidrojen ise farklı yollardan doğmuştu. Siklohekzanda zincirin iki ucu birbirine bağlanmış, iki uç karbon birer hidrojenini bu yeni C–C bağı için bırakmıştır; halkadaki bütün bağlar hâlâ tekli, molekül hâlâ doymuştur. 1-hekzende ise zincir açıktır; iki komşu karbon aralarına ikinci bir bağ kurmuş ve hidrojenlerinden birer tanesini bunun için harcamıştır. Karbon atomları arasında en az bir ikili bağ taşıyan hidrokarbonlara doymamış hidrokarbon, açık zincirli ve tek ikili bağlı olanlarına alken denir. Eski kaynaklardaki adı olefindir.

Bir ikili bağ, alkan formülünden tam iki hidrojen eksiltir. Alkenlerin genel formülü bu yüzden CₙH₂ₙ'dir ve ilk üye iki karbonlu etendir; tek karbonda ikili bağ kurulamaz. Halkalı alkanlar da aynı genel formüle uyar. C₄H₈, C₅H₁₀ ya da C₆H₁₂ formülünü okuyan biri, maddenin alken mi halkalı alkan mı olduğunu yalnız bundan çıkaramaz; aynı karbon sayısındaki alken ile halkalı alkan birbirinin yapı izomeridir. Ayrımı yapıyı ya da tepkimeyi görmek sağlar.

İkili bağın içi

«Hibritleşme» dersinde etenin karbonlarını incelemiştik: ikili bağın iki ucundaki her karbon sp² hibritleşmiştir, ikili bağın bir yarısı σ, öbür yarısı π bağıdır. Buradan alkenler için iki sonuç çıkar. Birincisi geometridir: ikili bağın iki karbonu ve onlara bağlı dört atom aynı düzlemde durur, bağ açıları 120°'ye yakındır. İkincisi tepkimeye yatkınlıktır. π bağının elektronları çekirdekleri birleştiren eksenin üstünde ve altında, dışarıya açık bir bulut oluşturur; yan yana örtüşmeyle kurulduğu için σ bağından zayıftır. Elektron arayan bir tanecik, örneğin bir brom molekülü, önce bu buluta yönelir. Alkanların ışık ya da yüksek sıcaklık olmadan kayıtsız kaldığı birçok madde, alkenle oda sıcaklığında tepkime verir.

Bir ayrıntı da dönmeyle ilgilidir. Tekli bağ etrafında iki karbon serbestçe döner; ikili bağda dönme, π örtüşmesini koparacağından gerçekleşmez. 2-bütendeki iki metilin bağın aynı yanında ya da karşı yanlarında kalmasıyla iki ayrı madde ortaya çıkar; bu cis-trans izomerliği modülün «İzomeri» dersinde ayrıntısıyla işlenecek.

Fiziksel özellikler alkanlarınkine benzer. Alkenler apolardır, suda çözünmez, yoğunlukları sudan küçüktür. Eten, propen ve dört karbonlu bütenler oda koşullarında gazdır; zincir uzadıkça kaynama noktası yükselir.

Adlandırma: bağ önce gelir

Alkan adlandırmasının bütün adımları geçerlidir; ikili bağ bunlara üç değişiklik getirir.

1. Ana zincir ikili bağı içermelidir. Molekülde daha uzun bir zincir bulunsa bile, ikili bağın iki karbonu birlikte içinde yer almıyorsa o zincir ana zincir olamaz. Bu koşulu sağlayan zincirlerden ikisi eşit uzunluktaysa dal sayısı fazla olan tercih edilir.
2. Numaralandırma ikili bağa en yakın uçtan başlar. Dalların konumu ancak ikili bağ iki uçtan eşit uzaktaysa numarayı belirler.
3. Ad «-en» ekiyle biter ve ikili bağın başladığı karbonun numarası ana zincirin adının önüne yazılır.

Kök, alkandaki gibi karbon sayısından gelir: iki karbonda eten, üç karbonda propen, dörtte büten, beşte penten, altıda hekzen. Eten ve propende ikili bağın duracağı tek bir yer olduğundan numara yazılmaz. Dört karbonda iki seçenek doğar: CH₂=CH–CH₂–CH₃ bağı birinci karbonda taşıdığı için 1-büten adını alır; bağ zincirin ortasına kayınca, CH₃–CH=CH–CH₃ yapısında, ad 2-büten olur. Bu ikisi de C₄H₈'dir. Dallı yapı CH₂=C(CH₃)–CH₃ ise 2-metilpropendir: propen iskeletinin ikinci karbonunda bir metil dalı durur. Halka içermeyen C₄H₈ yapıları bu üç tanedir.

Numara önceliğini bir örnek gösterir. CH₃–CH=CH–CH(CH₃)–CH₃ yapısında beş karbonlu zincir soldan sayılınca ikili bağ 2, metil 4 numarayı alır; sağdan sayılınca metil 2'ye iner ama ikili bağ 3'e çıkar. İkili bağın küçük numarası kazanır ve ad 4-metil-2-penten olur.

Ana zincir kuralının tuzağı, ikili bağın zincirin ucunda bir yan dal gibi durduğu yapılardır. CH₂=C(CH₂–CH₃)–CH₂–CH₂–CH₃ molekülünde etilin ucundan propilin ucuna giden yol altı karbonludur, ama ikili bağın uçtaki CH₂'si bu yolun dışında kalır. İkili bağı içeren en uzun zincir CH₂'den başlayıp propil tarafına giden beş karbonluk yoldur; etil bunun ikinci karbonuna takılı bir dal olur. Doğru ad 2-etil-1-pentendir.

Endüstride ve günlük dilde yaygın adlar da sürer: eten için etilen, propen için propilen. Etilen aynı zamanda bitkilerin kendilerinin ürettiği, meyvenin olgunlaşmasını hızlandıran gazdır; olgun bir meyveyle aynı kaba konan ham meyvelerin daha çabuk yumuşaması bu gazın etkisine bağlanır.

Katılma: π bağı açılır

Kancadaki birinci tüpte olan şuydu: brom molekülü 1-hekzenin π bağına yöneldi, bu bağ koptu ve serbest kalan iki bağa birer brom atomu bağlandı. Molekülden hiçbir atom ayrılmadı; brom molekülün üstüne eklendi. Ürün doymuş bir bileşik olduğundan ikinci bir brom bağlayacak π bağı kalmadı. Doymamış bir molekülün çoklu bağı açılarak iki ayrı atom ya da atom grubu eklenmesine katılma tepkimesi denir. Alkanlarda gördüğümüz yer değiştirmeden farkı açıktır: orada bir hidrojen çıkıyor ve yerine halojen geçiyordu, burada çıkan bir şey yoktur ve ürün tektir.

Etende brom katılması şöyle yazılır:

CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br

Ürünün adı 1,2-dibromoetandır. Bromlu suyun turuncu-kahverengi rengi brom moleküllerinden gelir; bromlar tükendikçe renk kaybolur. Siklohekzan gibi doymuş bir halka karanlıkta bromla tepkime vermez, brom onun tabakasında yalnız çözünür ve rengini korur. Bromlu suyun renginin gitmesi bu yüzden karbon-karbon çoklu bağının, yani doymamışlığın testidir. Bir mol ikili bağ bir mol Br₂ harcadığından harcanan bromun molü, karışımdaki alkenin molünü de verir.

Hidrojen katılmasına hidrojenleme denir ve nikel, platin ya da paladyum gibi bir metal katalizör ister. Ürün, aynı karbon iskeletli alkandır: propene bir mol H₂ katılınca propan, 2-metilpropene katılınca 2-metilpropan oluşur. Her ikili bağ için bir mol hidrojen harcanır.

Hidrojen halojenürler (HCl, HBr) de katılır; H bir karbona, halojen öbür karbona bağlanır. Etene HCl katılınca CH₃–CH₂Cl, yani kloroetan oluşur. Su ise asit katalizörlüğünde H ve OH parçaları hâlinde eklenir: etenden etanol, CH₃–CH₂–OH elde edilir. Ürünün –OH grubu taşıyan bir alkol olduğunu modülün «Alkoller» dersi ayrıca ele alacak.

Markovnikov kuralı

Eten ve 2-büten simetriktir: HBr'nin hidrojeni hangi karbona gelirse gelsin aynı ürün çıkar. Propende ise iki karbon farklıdır. CH₂=CH–CH₃'ün birinci karbonu iki, ikinci karbonu bir hidrojen taşır. HBr eklenince iki ürün düşünülebilir: 1-bromopropan ve 2-bromopropan. Deneyde ana ürün 2-bromopropandır. Rus kimyacı Markovnikov'un adıyla anılan kural bu gözlemi genelleştirir: simetrik olmayan bir alkene HX ya da H₂O katılırken hidrojen, ikili bağın zaten daha çok hidrojen taşıyan karbonuna bağlanır; X ya da OH öbür karbona gider.

Kural soruda iki adımla uygulanır. Önce ikili bağın iki karbonundaki hidrojenleri say. Sonra yeni hidrojeni çok olana, halojeni ya da OH'yi az olana yaz. 2-metilpropen, CH₂=C(CH₃)–CH₃, HCl ile tepkimeye girdiğinde uçtaki karbonda iki, dallı karbonda hiç hidrojen yoktur; klor dallı karbona bağlanır ve ana ürün 2-kloro-2-metilpropan olur. Propene su katılınca da OH ortadaki karbona gider ve ana ürün 2-propanoldür. Br₂ ve H₂ gibi iki eş atomdan oluşan moleküllerde kurala gerek yoktur, çünkü iki karbona da aynı atom gelir.

Polimerleşme

Katılmanın en büyük ölçekli uygulaması alken moleküllerinin birbirine eklenmesidir. Uygun koşullarda bir eten molekülünün açılan π bağı, komşu etenin açılan bağıyla birleşir ve zincir binlerce birim boyunca uzar:

n CH₂=CH₂ → –(CH₂–CH₂)ₙ–

Bu ürün TYT'nin «Yaygın polimerler» dersinden tanıdıktır: polietilen, katılma polimerleşmesinin en sade örneği. Burada eklenen bilgi kütle hesabıdır: zincire hiçbir atom eklenmez ve hiçbiri ayrılmaz; uç gruplar ihmal edilince n monomerden oluşan zincirin mol kütlesi monomerin mol kütlesinin n katıdır. Propenden aynı yolla, tekrarlanan birimi –CH₂–CH(CH₃)– olan polipropilen elde edilir. Polimerin tekrarlanan biriminde ikili bağ kalmaz; zincir doymuştur.

Yanma

Alkenler de yeterli oksijenle CO₂ ve suya yanar. CₙH₂ₙ formülünde her karbon atomu yanınca bir CO₂ molekülüne, her hidrojen çifti bir su molekülüne dönüşür; ürünlere n mol CO₂ ve n mol H₂O yazılır. Ürünlerdeki 2n + n = 3n oksijen atomunu 3n/2 mol O₂ karşılar:

CₙH₂ₙ + (3n/2) O₂ → n H₂O + n CO₂

Propende O₂ katsayısı 4,5 çıkar; bütün katsayılar iki katına çıkarılırsa tam sayılı denklem elde edilir: 2C₃H₆ + 9O₂ → 6CO₂ + 6H₂O. Alkenin yanmasında CO₂ ile suyun molü eşittir; alkanda su bir mol fazla çıkıyordu. Bu eşitlik ürünlerden geriye giderken alkanı eler, ama alkeni halkalı alkandan ayırmaz: siklohekzan da 1-hekzen de bir molde altı CO₂ ve altı su verir. İkisini yanma değil, bromlu su ayırır.

Bir bağ daha eklenirse

İkili bağ alkandan iki hidrojen eksiltmişti. İki karbon aralarına üçüncü bir bağ kurarsa her biri bir hidrojen daha bırakır ve formül CₙH₂ₙ₋₂'ye iner. Bu derste halkalı alkanla yaşanan karışıklık orada da sürer: aynı formülü iki ikili bağ taşıyan dienler de paylaşır. «Alkinler» dersi, iki π bağının hidrojeni ve bromu neden iki basamakta, arada bir alkene uğrayarak bağladığını ve bromlu suyla ayırt edilemeyen iki alkini hangi deneyin birbirinden ayırdığını gösteriyor.

Örnek 1 — Ana zincirin dışında kalan bağ

Soru: Yarı açık formülü CH₂=C(CH₂–CH₃)–CH₂–CH₂–CH₃ olan alken IUPAC kurallarıyla nasıl adlandırılır?

• A) 2-propil-1-büten
• B) 4-etil-4-penten
• C) 2-etil-1-penten
• D) 2-etilpentan
• E) 3-metil-3-hekzen

Çözüm: Molekülün en uzun yolu etil ile propilin uçları arasındaki altı karbondur, ama bu yol ikili bağın uçtaki CH₂'sini dışarıda bırakır. İkili bağı içeren yollardan biri etil tarafına gider ve dört karbonludur, öteki propil tarafına gider ve beş karbonludur. Beş karbonlu zincir seçilir; ikili bağ CH₂ ucundan sayınca birinci karbonda başlar, etil ikinci karbondadır. A kısa yolu seçmiştir; B ters uçtan saymıştır; D «-en» ekini düşürüp doymuş bir bileşik adı yazmıştır; E altı karbonlu yolu ana zincir alıp ikili bağı içine taşımış, bu yüzden başka bir maddenin adını vermiştir. Cevap: C.

Örnek 2 — Hidrojen nereye gider?

Soru: 2-metilpropen, CH₂=C(CH₃)–CH₃, ile HBr arasındaki katılma tepkimesinin ana ürünü hangisidir?

• A) 1-bromo-2-metilpropan
• B) 2-bromobütan
• C) 1,2-dibromo-2-metilpropan
• D) 2-bromo-2-metilpropan
• E) 2-metilpropan

Çözüm: İkili bağın uçtaki karbonu iki hidrojen taşır, dallı karbonda hidrojen yoktur. Markovnikov kuralı yeni hidrojeni uçtaki karbona, bromu dallı karbona verir: CH₃–CBr(CH₃)–CH₃. Karbon iskeleti değişmediği için ad propan kökünden kurulur. A kuralı ters uygulamıştır; C, Br₂ katılmasıyla karıştırmıştır; E yalnız hidrojen katılmasının ürünüdür; B ise iskeleti düz zincire çevirmiştir. Cevap: D.

Örnek 3 — Kütleden yapıya

Soru: 2,8 g X alkeni karanlıkta 8,0 g Br₂ ile tamamen tepkimeye giriyor. X'e HBr katıldığında tek bir ürün oluşabildiğine göre X hangisidir? (Bromun atom kütlesi 80, karbonunki 12, hidrojeninki 1.)

• A) eten
• B) 1-büten
• C) 2-büten
• D) 2-metilpropen
• E) 2-penten

Çözüm: Br₂'nin mol kütlesi 160 g/mol olduğundan 8,0 g brom 0,05 moldür. Her alken molekülü bir brom molekülü bağladığına göre 2,8 g X de 0,05 moldür ve mol kütlesi 2,8 / 0,05 = 56 g/mol çıkar. CₙH₂ₙ için 14n = 56, n = 4: X bir C₄H₈ alkenidir. Üç aday arasında HBr ile tek ürün veren, iki karbonu eş olan simetrik 2-bütendir; 1-büten ve 2-metilpropende Markovnikov kuralının ayırdığı iki olası ürün vardır. Eten de simetriktir ama mol kütlesi 28'dir; 2-penten hem beş karbonludur hem de simetrik değildir. Cevap: C.

Örnek 4 — Polimer zincirinden monomere

Soru: Bir polimer zincirinin tekrarlanan birimi –CH₂–CH(CH₃)– biçimindedir ve zincirin mol kütlesi 4200 g/mol'dür. Uç gruplar ihmal edildiğinde monomer ve zincirdeki monomer sayısı hangisidir? (Hidrojenin atom kütlesi 1, karbonunki 12.)

• A) eten, 150
• B) propan, 100
• C) 1-büten, 75
• D) propen, 300
• E) propen, 100

Çözüm: Tekrarlanan birim C₃H₆ bileşimindedir; π bağının açılmasıyla oluştuğu için monomeri CH₂=CH–CH₃, yani propendir. Katılma polimerleşmesinde atom kaybı olmadığından birimin kütlesi monomerinkine eşittir: 42 g/mol. Monomer sayısı 4200 / 42 = 100 olur. B doymuş propanı monomer sanmıştır; propanda açılacak bir bağ yoktur. A ve C yanlış monomerin mol kütlesine bölmüştür; D ise zinciri CH₂ birimlerinden kurulmuş sayıp 14'e bölmüştür. Cevap: E.

• Aynı genel formülü aynı tür sanmak. CₙH₂ₙ hem alkene hem halkalı alkana uyar. Siklohekzan ve siklopentan bromlu suyun rengini gidermez, yanmada ise alkenle aynı mol oranını verir; ayrım bromlu suyla yapılır.
• Numarayı dala göre vermek. Alkende numara önceliği ikili bağındır: CH₃–CH=CH–CH(CH₃)–CH₃ için doğru ad 4-metil-2-pentendir, 2-metil-3-penten değildir.
• En uzun zinciri ikili bağsız seçmek. Ana zincir ikili bağın iki karbonunu da içermelidir; uçta asılı duran bir =CH₂ ana zinciri belirler.
• Markovnikov kuralını ters kurmak. Hidrojen, hidrojeni çok olan karbona gider; propene HBr katılınca ana ürün 2-bromopropandır. Simetrik alkende ve Br₂, H₂ katılmasında kurala gerek yoktur.
• Katılmada yan ürün aramak. Alkanın halojenlenmesinde HX çıkar; alkene katılmada hiçbir şey ayrılmaz, bütün atomlar tek bir üründe toplanır.
• Yanmada suyu alkandaki gibi yazmak. Alkenin bir molü n mol CO₂ ve n mol su verir; O₂ katsayısı 3n/2'dir, (3n + 1)/2 değildir.