Search for notes by fellow students, in your own course and all over the country.

Browse our notes for titles which look like what you need, you can preview any of the notes via a sample of the contents. After you're happy these are the notes you're after simply pop them into your shopping cart.

My Basket

You have nothing in your shopping cart yet.

Title: Alkenes and Alkynes
Description: Full notes on topic for 1st year

Document Preview

Extracts from the notes are below, to see the PDF you'll receive please use the links above


Alkenes  and  Alkynes  
Alkenes  are  compounds  that  contain  a  C=C  bond  that  reacts  with  numerous  
electrophiles  in  electrophilic  addition  reactions,  
and  in  pericyclic  reactions  
• Double  bond  is  formed  by  one  sigma  and  
one  pi  bond,  the  sigma  bond  occurs  with  
the  end  on  overlap  of  two  C  sp2  
hybridized  orbital,  the  pi  bond  forms  
when  two  unhybridized  p  orbitals  overlap  
side  on,  the  three  sigma  bonds  formed  by  
the  central  carbon  (two  to  other  atoms)  
are  in  the  same  plane  and  separated  by  angles  of  120  degrees    
Alkynes  contain  a  triple  C-­‐C  bond,  also  can  react  with  electrophiles  but  less  
reactive  
• Triple  bond  formed  of  one  sigma  and  
two  pi-­‐  sigma  bond  formed  of  end-­‐on  
overlap  of  sp  hybridized  C  orbitals,  the  
pi  bonds  formed  by  the  side-­‐on  overlap  
of  two  unhybridized  p  orbitals  on  each  C  
atom,  the  two  sigma  bonds  on  C  (one  to  
another  atom)  are  separated  by  an  angle  of  180  degrees    
• To  name,  select  the  longest  continuous  chain  containing  the  alkyne,  use  
the  suffix  yne  and  number  the  chain  to  include  both  atoms  of  the  triple  
bond  with  the  lowest  number  for  the  first  carbon  of  the  alkyne,  

4-methyl-1,5-octadiyne

 
 
Stability  of  C=C  bonds    
• Rotation  around  C=C  bond  restricted  because  requires  pi  bond  can  break-­‐  
gives  rise  to  different  configurational  isomers-­‐  E  and  Z  
• The  more  stable  configurational  isomers  have  the  two  largest  
substituents  on  the  opposite  sides  of  the  double  bond  because  this  
minimizes  steric  strain-­‐  E  often  easiest  to  make  as  more  stable    
• The  more  alkyl  groups  attached  to  a  C=C  bond  the  more  stable  it  is-­‐  not  
well  understood  but  one  explanation  is  that  the  pair  of  electrons  in  a  filled  
C-­‐H  σ  orbital  interacts  with  the  empty  π*  in  the  C=C-­‐  leads  to  the  two  
electrons  becoming  more  delocalized  which  leads  to  more  stability-­‐  this  is  
hyperconjugation    

   

Electrophilic  addition  
• C=C  and  alkyne  bonds  are  electron  rich  so  can  act  as  nucleophiles  in  
reactions-­‐  electrophilic  additions,  general  reaction:    

 
Reactivity  of  the  bonds  towards  electrophiles  depends  on  the  steric  and  
electronic  effects  of  the  substitutes:  
• The  more  alkyl  groups  attached  to  the  bond,  the  faster  the  rate  of  
reaction  as  the  alkyl  groups  are  +I  they  make  the  bond  more  
nucleophilic  and  more  likely  to  react  to  electrophiles  
• -­‐I/  -­‐M  groups  make  the  CC  bond  less  nucleophilic  and  less  reactive  to  
nucleophiles    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Preparation  of  Alkenes    
• Halogenoalkanes  react  with  bases  in  E1/E2  reactions  to  form  a  range  of  
alkenes  
• Alcohols  undergo  elimination  reactions  when  using  reagents  that  convert  
the  OH  group  of  the  alcohol  into  a  compound  that  provides  a  good  leaving  
group  –  e
...
 heating  with  an  acid  can  lead  to  the  loss  of  a  water  molecule-­‐  
dehydration-­‐  in  an  E1  reaction  to  form  
an  alkene
...
 If  a  platinum  catalyst  is  used,  addition  to  both  alkyne/  C=C  bonds  
are  fast  and  the  alkyne  is  converted  to  an  alkane-­‐  hydrogenation-­‐  uses  
heterogeneous  catalysis-­‐  forms  z  alkene    
• Can  be  done  by  partial  reduction  using  sodium  in  liquid  ammonia  to  form  
E  alkenes-­‐  sodium  metal  dissolves  in  ammonia  and  forms  Na+-­‐  add  to  
alkyne  bonds  to  form  
radical  anions-­‐  
protonated  by  
ammonia  to  form  a  
vinyl  radical  which  
accepts  and  electron  
from  the  Na  to  form  a  
vinyl  anion,  again  
protonated  by  
ammonia  to  form  E  alkene  (minimizes  steric  strain)    
• Wittig  reaction:  a  phosphorone  (phosphonium  ylide,  Ph3P=CR2/CHR/CH2)  
reacts  with  an  aldehyde  or  ketone-­‐  
replaces  the  oxygen  atom  in  the  
aldehyde/ketone  with  the  
CR2/CHR/CH2  group    

 
 
 

Preparation  of  Alkynes  
• One  mole  of  1,2-­‐dibromoalkanes  (vicinal  dibromides)  is  reacted  with  
2  moles  of  a  strong  base,  e
...
 sodium  amide  (NaNH2)  
• Mechanisms  involve  two  consecutive  E2  reactions  that  lead  to  the  
elimination  of  two  molecules  of  HBr  from  the  1,2-­‐dibromoalkane-­‐  the  
C-­‐H  and  C-­‐Br  are  anti-­‐periplanar    

Also:  

 Substituted  alyknes  are  also  formed  from  the  reaction  of  alkynyl  
anions  with  halogenoalkanes  in  nucleophilic  substitution  reactions-­‐  
alkynyl  anions  are  strong  nucleophiles  that  react  with  various  primary  
halogenoalkanes  in  SN2  reactions  to  form  a  new  C-­‐C  bond  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Addition  of  hydrogen  halides    
• Alkenes  react  with  HX  in  two  step  
reaction  to  produce  
halogenoalkanes  
• In  the  first  slower  step  of  the  
reaction,  the  two  electrons  in  the  
C=C  pi  bond  (nucleophile)  are  
attracted  towards  the  partially  positive  H  in  HX-­‐  HX  bond  breaks  
• New  C-­‐H  bond  forms  and  two  electrons  in  HX  move  on  to  the  halogen  
atom-­‐  produces  intermediate  planar  carbocation  and  halide  ion  which  
then  rapidly  reacts  with  carbocation  to  produce  the  halogenoalkane    
• Addition  leads  to  a  decrease  in  entropy  but  thermodynamically  favored  
because  of  enthalpy  change-­‐  large  negative  value,  additions  exothermic  
because  CH/  CX  bonds  formed  are  much  stronger  than  those  broken  
Markonikov  
• When  HX  adds  to  unsymmetrical  alkenes-­‐  different  groups  
around  C=C-­‐  reactions  may  be  regioselective-­‐  the  H  and  X  
atoms  can  add  to  the  C  atoms  so  as  to  selectively  form  the  more  
substituted  halogenoalkane-­‐  known  as  the  Markonikov  product  
• Markonikov  rule  states  the  following:  on  addition  of  HX  to  an  
alkene,  H  attaches  to  the  carbon  with  the  fewest  alkyl  groups  
and  X  to  the  C  with  the  most  alkyl  groups    
• Secondary  carbocation  is  selectively  formed  over  primary  
because  more  stable-­‐  two  +I  alkyl  groups-­‐  reaction  to  form  
more  stable  carbocation  has  the  lower  Gibbs  energy  of  
activation    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rearrangement  of  intermediate  carbocations    
• Intermediate  carbocations  formed  in  addition  reactions  can  undergo  
rearrangements  to  form  more  stable  carbocations-­‐  involving  movement  
of  a  H  atom  or  alkyl  group    
• When  a  hydrogen  atom  moves  from  a  C  atom  next  to  the  carbocation  to  
the  positively  charged  C,  this  is  called  a  1,2-­‐hybride  shift-­‐  H  moves  with  a  
pair  of  electrons  (H-­‐  moves)  and  1,2  is  used  to  show  moves  to  adjacent  
carbon-­‐  can  result  in  different  major  and  minor  products  forming    



 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
When  an  alkyl  group  moves  from  a  C  next  to  the  carbocation  to  the  
positively  charged  carbon,  this  is  called  a  1,2-­‐alkyl  shift  (Wagner-­‐
Meerwein  rearrangement-­‐  the  alkyl  groups  with  a  pair  of  electrons  
to  form  a  more  stable  carbocation  

 

Addition  of  bromine    
• Bromine  adds  to  the  C=C  bond  of  alkenes  to  form  1,2-­‐
dirbomoalkanes  in  electrophilic  addition  reactions














 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Br2  becomes  polarized  when  approaching  the  C=C  bond,  the  
electrons  are  repelled  by  the  electron  rich  C=C  bond  and  move  
away  from  the  Br  atom  that  is  nearer  the  bond-­‐  makes  Br  atom  
nearest  the  bond  electrophilic-­‐  slightly  positively  charged  
The  C=C  can  act  as  a  nucleophile  and  donates  a  pair  of  electrons  to  
the  polarized  Br  molecule  to  form  C-­‐Br  and  Br-­‐  
The  partially  positive  Br  atom  donates  a  lone  pair  of  electrons  to  
one  of  the  carbon  atoms  to  form  a  second  C-­‐Br  bond-­‐  bromine  
atom  simultaneously  bonds  to  both  carbons  to  make  an  
intermediate  3  membered  ring  called  a  bromium  ion    
The  positively  charged  bromine  is  a  strong  –I  group  so  electrons  in  
two  C-­‐Br  bonds  are  attracted  away  from  both  C  atoms-­‐  C  atoms  in  
the  ring  electrophilic-­‐  formation  of  ion  reversible  process  
Br-­‐  acts  as  the  nucleophile  and  rapidly  reacts  with  the  bromonium  
ion  in  an  SN2  reaction-­‐  Br-­‐  approaches  the  bromonium  ion  from  
opposite  side  to  positively  charged  bromine
...
)    
Br2  molecule  can  react  with  either  top  or  bottom  face  of  C=C  bond  
and  as  the  Br-­‐  can  react  with  either  carbon  atom,  the  ion  is  formed  
as  a  racemate  (1:1  mixture  of  enantiomers)  which  means  that  the  
dibromide  product  is  also  a  racemate    

Evidence  for  the  mechanism  for  addition  of  bromine  to  a  C=C  bond    
• Provided  by  the  reaction  of  cyclic  alkenes  with  bromine  to  produce  cyclic  
1,2-­‐dibromides-­‐  rotation  around  the  
BrC-­‐CBr  bond  is  not  possible  in  
these  compounds  so  the  relative  
positions  of  the  two  bromine  in  the  
products  are  fixed  
• Different  stereoisomers  of  the  
reactant  produce  different  
stereoisomers  of  the  product    
• Addition  of  Br2  to  the  E  isomer  forms  a  meso  compound-­‐  has  plane  of  
symmetry-­‐  so  achiral    
• Addition  of  Br2  to  the  Z  isomer  forms  a  racemate  
• The  meso  compound  
and  the  racemate  
are  diastereomers  
(different  
configuration  at  one  
of  the  two  chiral  
centres)    
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Addition  of  bromine  in  the  presence  of  water  
• When  water  is  present  in  the  
reaction  of  Br2  with  a  C=C  bond,  a  
1,2-­‐bromoalcohol  (bromohydrin)  
is  formed  
• Mechanism  similar  but  water  acts  
as  the  nucleophile  in  the  second  
step    
• If  both  Br-­‐  and  H2O  acted  as  a  
nucleophile  would  produce  a  mixture  of  bromohydrin  and  1,2-­‐
dibromide  
• Br-­‐  stronger  nucleophile  but  major  product  depends  on  the    
concentration  of  the  nucleophile  as  this  increases  the  rate  of  the  
ring  opening    
• Reaction  with  water  is  regioselective-­‐  will  attack  the  more  
substituted  C  in  the  bromonium  ion-­‐  this  atom  form  a  longer  and  
weaker  bond  to  the  Br  because  better  at  stabilizing  the  positive  
charge  (overcomes  fact  that  sterically  hindered)    
• In  the  transition  state  for  ring  opening  of  the  bromonium  ion,  
breaking  of  the  C-­‐Br  bond  occurs  to  a  greater  extent  than  
formation  of  the  new  C-­‐O  bond-­‐  described  as  a  loose  SN2  transition  
state    

 
 
 
 
 
Hydration  reactions    
• Alkenes  react  with  water  in  the  presence  of  a  strong  acid  to  form  alcohols-­‐  
water  adds  to  the  C=C  bond    
• The  C=C  bond  is  protonated  to  form  a  carbocation-­‐  regioselective  for  
unsymmetrical  alkenes-­‐  tertiary  carbocation  formed  more  readily-­‐  leads  
to  selectively  formed  Markovnikov  product      
• A  nucleophile  then  reacts  with  the  carbocation-­‐  nucleophile  can  be  water  
or  the  conjugate  base  of  the  acid-­‐  nature  depends  on  concentration  of  the  
acid-­‐  when  dilute  water  reacts,  when  concentrated  conjugate  base  reacts  
• Oxonium  ion  is  formed  and  water  reacts  with  this  to  form  an  alcohol    
• All  steps  
reversible-­‐  
dehydration  
possible    
 
 
 
 
 
 
 
 

Addition  of  borane  followed  by  oxidation    
• Alcohols  can  be  formed  from  alkenes  by  reaction  of  the  C=C  bond  with  
diborane  (B2H6)  followed  by  oxidation  using  hydrogen  peroxide  (H2O2)  
and  aqueous  sodium  hydroxide
...
 Hydroxide  ion  
acts  as  leaving  group-­‐  poor  leaving  group  but  migration  of  alkyl  group  
occurs  because  CO  bond  replaces  weaker  OO  bond-­‐  boron  atom  becomes  
planar  once  more    

4) Trialkylborate  (RO)3B  reacts  with  hydroxide  ion  and  water  in  a  series  of  
three  nucleophilic  substitution  reactions  to  form  three  molecules  of  the  
alcohol  and  boric  acid  ((HO)3B)    



 
 
 
 
 

The  anti-­‐Markovnikov  product  is  the  one  that's  formed-­‐  conversion  of  CB  
to  CO  bonds  stereospecific-­‐  alkyl  groups  move  with  retention  of  
configuration-­‐  hydroboration  followed  by  oxidation  results  in  syn  
addition  of  H  and  OH  groups  to  the  C=C  bond  

 

Reaction  with  peroxycarbolic  acids    
• Peroxycarbolic  acids  have  an  oxygen  atom  between  the  C=O  and  OH  
groups  of  a  carboxylic  acid-­‐  react  with  alkenes  by  donating  an  oxygen  
atom  to  a  C=C  bond  to  form  an  epoxide-­‐  called  epoxidation-­‐  electrophilic  
addition  
• Oxygen  atom  in  OH  group  is  partially  positive  because  RCO2  group  –I  and  
acts  as  the  electrophile  for  C=C-­‐  weak  OO  bond  breaks  
• Pair  of  electrons  moves  on  to  carbonyl  group  and  proton  abstracted  from  
OH  group  at  the  same  time  a  second  CO  bond  forms  
• Because  epoxidation  takes  place  in  a  single  step,  the  CC  bond  of  the  alkene  
cannot  rotate  and  change  from  trans  to  cis  configuration  during  the  
addition-­‐  explains  why  epoxide  retains  configuration  of  C=C  bond-­‐  
reaction  stereospecific-­‐  peroxycarboxylic  acid  can  approach  either  side  of  
the  C=C  bond  equally  well  so  the  epoxide  is  formed  as  a  racemate    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Reactions  of  epoxides    
• Three  membered  epoxide  ring  is  highly  strained  and  can  be  opened  by  
reaction  with  a  wide  range  of  nucleophiles  
Acid-­‐catalysed  ring  opening    
• Water  weak  nucleophile  but  will  react  with  
protonated  epoxide  as  it  becomes  stronger  
electrophile  
•  SN2  reaction  in  which  the  water  molecule  
approaches  the  epoxide  to  one  of  the  CO  bonds-­‐  
substitution  produces  a  new  CO  bond  at  the  
same  time  as  one  is  broken    
• Deprotonation  of  oxonium  ion  forms  1,2-­‐diol  
that  has  the  two  OH  groups  in  an  anti  
arrangement-­‐  H3O+  is  catalyst  as  regenerated    
Alkali-­‐catalysed  ring  opening    
• Hydroxide  ion  stronger  nucleophile-­‐  reacts  in  SN2  reaction    
• Hydroxide  ion  approaches  epoxide  from  opposite  side  to  CO  bonds  
• Protonation  of  ion  forms  1,2-­‐diol    
 
 
 
 
 
 
 

Pericyclic  reactions  of  alkenes    
• Single-­‐step  (concerted)  reactions  involving  change  in  the  position  of  
bonding  electrons  via  cyclic  transition  states  
• Most  common  involving  C=C  bonds  are  cycloaddition-­‐  C=C  bond  of  
alkene  reacts  with  another  molecule  to  form  a  cyclic  product    
Potassium  permanganate  KMnO4    
• Used  to  convert  an  alkene  into  a  1,2-­‐diol-­‐  dihydroxylation  reaction  
• Cold,  dilute  solution  KMnO4  reacts  with  C=C  bond  in  pericyclic  
reaction  to  form  manganate  ester  
• C=C  nucleophile  attacks  oxygen  atom  on  manganate  ion  to  form  CO  
bond-­‐  pair  of  electrons  moves  on  to  manganese  and  another  pair  in  
adjacent  Mn=O  bond  moves  to  second  CO  bind-­‐  both  bonds  formed  
on  same  face-­‐  syn  reaction    
• Usually  carried  out  in  the  presence  of  aq  hydroxide  so  manganate  
ester  is  immediately  hydrolysed  to  form  a  1,2-­‐diol    
• As  single  step  
configuration  
retained-­‐  
stereospecific-­‐  
top  or  bottom  
face  of  C=C  
reacted  with  the  same-­‐  1,2-­‐diol  racemate    
• Reaction  must  be  kept  cold  because  KMnO4  is  such  a  powerful  
oxidising  agent,  that  at  room  temperature  or  above  it  oxidizes  the  
alcohols  to  form  ketones  and  carboxylic  acids-­‐  oxidative  cleavage    
Osmium  tetroxide  OsO4  
• Reacts  in  same  pericyclic  reaction  as  above  to  
form  osmate  ester-­‐  same  stereochem    
• Usually  carried  out  in  the  presence  of  water  
so  osmate  ester  immediately  hydrolysed    
• Osmium  tetroxide  is  expensive  and  toxic  so  
to  reduce  amounts  oxidizing  agent  is  added  
to  mixture  so  as  soon  as  it  is  converted  into  
Os(OH)2O2  the  oxidizing  agent  selectively  
oxidizes  it  back  to  OsO4  
• Potassium  ferricyanide,  periodic  acid  (also  
oxidizes  alcohol  to  carbonyls-­‐  cleaves  CC  
bond  via  oxidative  cleavage)    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Reaction  of  alkenes  with  ozone    
• O3  (dipolar  reagent-­‐  both  negative  and  positive  charge)  used  to  convert  
C=C  bond  into  two  C=O  bonds,  forming  aldehydes/  ketones/  carboxylic  
acids  depending  on  the  structure  of  the  alkene  and  whether  an  oxidizing  
or  reducing  agent  is  used  
• It  reacts  with  C=C  bond  in  concerted  cycloaddition  reaction  to  form  
molozonide-­‐  unstable  due  to  weak  O-­‐O  bonds  
• The  bonds  break  to  form  a  carbonyl  oxide  and  an  aldehyde  which  must  
flip  over  to  react  with  the  carbonyl  ocide  in  1,3  dipolar  cycloaddition  to  
form  an  oxonide  
• The  oxonide  then  can  be  reduced  or  oxidized  into  different  carbonyl  
products    

 
 
 
 
Electrophilic  addition  reactions  of  alkynes-­‐  electron  rich  alkyne  bond  acts  as  
a  nucleophile    
Hydrogen  halide  addition    
• React  with  HX  in  two  step  reactions,  same  mechanism  with  alkenes,  to  
form  halogenoalkenes  
• Reaction  slower  as  addition  of  proton  forms  vinyl  cation  which  is  less  
stable  than  an  alkyl  cation-­‐  the  greater  the  s  character  of  the  hybrid  
orbital,  the  closer  the  electrons  are  held  to  the  nucleus  and  the  more  
electron  withdrawing-­‐  sp3  carbon  of  alkyl  substituent  has  less  s  
character  than  sp2  carbon  of  alkene-­‐  cannot  stabilize  adjacent  positive  
charge  as  well  as  an  alkyl  group-­‐  Gibbs  activation  for  formation  higher  
• Addition  of  HX  to  a  C=C  bond  can  often  be  stopped  after  addition  of  
one  equivalent  of  HX-­‐  if  two  equivalents  react  with  a  C=C  bond,  a  
second  molecule  of  HX    adds  to  the  halogenoalkane  to  form  germinal  
halogenoalkane  (both  halogens  on  same  carbon)    
 
 
 
Dw;s  
   
 
 

 

Addition  of  borane  to  alkynes  followed  by  oxidation    
• Aldehydes/ketones  formed  from  alkynes  by  reaction  of  the  C=C  bond  
with  diborane  followed  by  oxidation  using  hydrogen  peroxide/  sodium  
hydroxide    
• Terminal  alkyne  RCCH  
reacts  for  form  
aldehyde,  internal  
alkyne  RCCR  reacts  to  
form  ketone    
• Mechanism  similar  to  
that  of  addition  of  an  
alkene  but  stage  3  
produces  an  enol  that  
rearranges  to  form  an  
aldehyde    
• The  equilibrium  
between  an  aldehyde/  
ketone  and  an  enol  is  
called  tautomerism    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Diels-­‐Alder  Reaction  

 




The  [4+2]-­‐cycloaddition  of  a  conjugated  diene  and  a  dienophile  (an  
alkene  or  alkyne),  an  electrocyclic  reaction  that  involves  the  4  π-­‐electrons  
of  the  diene  and  2  π-­‐electrons  of  the  dienophile
...
 
A  variant  is  the  hetero-­‐Diels-­‐Alder,  in  which  either  the  diene  or  the  
dienophile  contains  a  heteroatom,  most  often  nitrogen  or  oxygen
...
 

Overlap  of  the  molecular  orbitals  is  
required:  
Overlap  between  the  highest  occupied  
MO  of  the  diene  (HOMO)  and  the  lowest  
unoccupied  MO  of  the  dienophile  
(LUMO)  is  thermally  allowed  in  the  
Diels  Alder  Reaction,  provided  the  
orbitals  are  of  similar  energy
...
 Good  dienophiles  often  bear  one  or  
two  of  the  following  substituents:  CHO,  COR,  COOR,  CN,  C=C,  Ph,  or  halogen
...
 The  
reaction  is  diastereoselective
...
 The  endo  product  is  
usually  favored  by  kinetic  
control  due  to  secondary  orbital  
interactions
...
, the more stable alkene (more highly substituted
alkene) is formed as the major product
...
,) then the less
substituted alkene product predominates
...

2) Use of single headed ‘fishhook’ arrows denotes the movement of
1 electron
...

4) Radicals are electron deficient so they are stabilised by the same things that stabilise carbocations
Title: Alkenes and Alkynes
Description: Full notes on topic for 1st year