Alkene알켄은 탄소-탄소 이중 결합double bond을 가지는 화합물을 말한다. Alkene의 일반적인 화학식은 CnH2n으로 주어진다. 이중 결합은 한 개의 σ 결합(시그마 결합, sigma bond)와 한 개의 π 결합(파이 결합, pi bond)으로 이루어져있다. π 결합은 쉽게 끊어지기 때문에 알켄alkene과 알카인alkyne은 첨가 반응addition reaction을 할 수 있다.
알켄alkene은 올레핀olefin이라고도 부르는데, 이중결합의 위치에 따라 말단 알켄terminal alkene, 내부 알켄internal alkene으로 나눌 수 있다. 또 고리 내에 이중 결합을 가지는 것을 사이클로알켄cycloalkene이라고 한다.
[왼쪽부터, alkene의 구조, 말단 알켄, 내부 알켄, 사이클로알켄]
Alkene의 이중결합을 하는 탄소는 sp2 혼성 궤도함수hybrid orbital로 되어 있다. 혼성에 참여하지 않은 두 탄소의 분자 평면에 수직한 p오비탈이 π 결합을 형성하게 되고, 구조는 삼각 평면이며 결합각은 120˚이다.
[ethylene의 구조]
π 결합의 세기를 알아보기 위해서 ethane(에테인, C2H6)와 ethene(에텐, ethylene, 에틸렌, C2H4)의 결합 세기를 비교해보자. Ethane의 결합세기는 88kcal/mol 이고, ethene의 결합 세기는 152kcal/mol 이다. 두 분자의 σ 결합 세기가 비슷하다고 가정하면 π 결합의 세기는 64kcal/mol로 σ 결합보다 약하단 것을 알 수 있다.
Alkene의 탄소-탄소의 이중 결합은 alkane의 탄소-탄소 단일결합보다 짧은데, 두 탄소 사이에 두개의 전자만이 있는 단일 결합과 달리 네 개의 전자가 있는 이중결합때문에 두 탄소사이의 인력이 더 강하다. 그래서 그 결과로 ethane의 탄소-탄소 결합 길이는 1.5351Å 이고, ethene의 탄소=탄소 결합 길이는 1.339Å 이다.
게다가 ethene의 C-H 결합 길이는 1.103Å이며, ethane의 C-H 결합 길이는 1.112Å으로, C-H 결합길이도 ethane이 더 길다. 이것을 설명하기 위해서 탄소의 혼성화를 생각해야한다.
Ethene의 C-H 결합은 단일 결합이지만 C는 sp2 혼성이며, ethane의 C-H 결합도 역시 단일 결합이지만 C가 sp3 혼성이다. sp3 혼성과 sp2 혼성 궤도함수를 비교해야하는데, sp2 혼성 궤도함수는 p의 성격이 적고, s의 성격이 더 많다(자세한 이유는 양자역학-VB theory Link). p orbital은 핵으로부터 넓게 분포되어있지만 s orbital은 핵에 매우 가깝게 분포되어있다. 그래서 혼성 궤도함수hybrid orbital에 s의 성격이 증가하면 증가할 수록 오비탈의 크기는 줄어들게 되고 결합 길이도 짧아지게 된다. 따라서 C-H 결합에서 sp2-s 결합이 sp3-s 결합보다 짧은 것이다.
벤젠Benzene은 ehtene과는 많이 다른 분자지만, sp2-s C-H 결합을 가지고 있으며 C-H 결합 길이는 1.10Å으로 ethene과 거의 같다. 에타인Ethyne(아세틸렌, acetylene, C2H2)은 sp 혼성 궤도함수를 가진 탄소가 있는데, s의 성격이 더 크다. 그래서 ethene보다 더 짧은 결합 길이를 형성하는데 C-H의 sp-s 결합은 1.079Å이다.
sp2-sp3결합과 sp3-sp3결합도 비교해보자. 먼저 sp3-sp3결합의 예는 ethane으로 결합 길이는 1.53Å이며, sp2-sp3결합을 가지고 있는 proplyene(프로필렌, 프로펜, propene, C3H6)에서는 단일 결합 길이가 1.501Å이다. sp-sp3결합을 하는 methylacetylene(HC≡C-CH3)은 더 짧아서 1.459Å에 불과하다.
Butylene 부틸렌의 가능한 구조들을 살펴보자. Butene에는 총 네가지의 구조가 존재한다.
[왼쪽부터, 1-butene, cis-2-butene, trans-2-butene, isobutylene]
아래의 표는 네가지 부틸렌의 물리적인 성질이다.
| 이름 | IUPAC Name (common name) |
끓는점(℃) | 녹는점(℃) | -20℃에서 밀도 | -12.7℃에서 굴절률 |
| 아이소부텐 | 2-methylpropane (isobutylene) |
-7 | -141 | 0.640 | 1.3727 |
| 1-부텐 | 1-Butene (α-Butylene) |
-6 | -185 | 0.641 | 1.3711 |
| 트렌스-2-부텐 | (Z-β-Butylene) |
+1 | -106 | 0.649 | 1.3778 |
| 시스-2-부텐 | cis-2-Butene (E-β-Butylene) |
+4 | -139 | 0.667 | 1.3868 |
단일결합의 회전이 가능한 alkane과 달리, alkene의 이중결합은 회전이 불가능하다. 그래서 같은 2-butene이라 하더라도 이중결합의 회전이 불가능하기 때문에 cis와 trans 두가지의 이성질체가 존재한다. 회전이 불가능한 이유는 이중 결합을 하고 있는 두 탄소에 π결합이 존재하기 때문이다. 회전을 하려면 이 결합을 깨고 회전을 해야하는데, 2-butene의 경우 π 결합을 깨는데 약 70kcal/mol의 에너지가 필요하다. 실온에서 분자간의 충돌로 70kcal/mol이라는 에너지에 도달하기가 매우 힘들고, 회전되는 비율은 극단적으로 적어서 없다고 봐도 무방하다.
위에서 2-butene의 예를 본 것처럼 분자식이 같고 구조식도 같지만 공간상에서 원자의 위치만 다른 경우 입체이성질체stereoisomer라고 한다. 그런데 입체이성질체 관계에 있는 두 분자가 거울상 대칭이면 거울상이성질체enantiomer라고 하고 거울상 대칭이 아니면 diastereomer라고 한다.
Diastereomer 중에서도 이중결합처럼 회전이 불가능한 이성질체를 기하이성질체geometric isomer라고 한다. 그래서 2-butene의 두 이성질체는 diastereoisomer 관계이고, 조금 더 정확하게 말하면 geometric isomer이다.
입체이성질체Stereoisomer는 다양한 형태를 가질 수 있는데, 각각의 특정한 형태를 배치configuration라고 한다. 2-butene의 configuration은 아래 그림과 같이 두개가 있다. 이 두 배치는 이름으로 구별 짓는데, 분자의 이름 앞에 cis- 또는 trans-를 붙이는 것이다. cis-는 라틴어로 '같은편의' 라는 뜻이고 trans-는 라틴어로 '반대편의' 라는 의미를 가진다. 그래서 methyle group메틸기가 같은쪽에 붙은 것을 cis, 반대편에 붙은 것을 trans라고 이름 짓는다.
모든 탄소-탄소의 이중결합은 회전이 금지되어있지만, 이중 결합을 하는 탄소에 붙은 모든 작용기가 기하이성질체를 만드는 것은 아니다. 그 예로 proplyene, 1-butene, isobutylene은 이성질체를 만들어내지 않는다.
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| cis- | trans- | cis- | trans- |
| 1,2-dichloroethene | 1,2-dibromoethene | ||
| 끓는점 : 60℃ | 끓는점 : 48℃ | 끓는점 : 110℃ | 끓는점 : 108℃ |
| 녹는점 : -80℃ | 녹는점 : -50℃ | 녹는점 : -53℃ | 녹는점 : -6℃ |
몇몇의 예를 들어 cis와 trans를 구별지을 수 있게 되었지만, 다음과 같은 경우에 어떤 것을 cis로, 또 어떤것을 trans로 결정지어야할까.
각각의 화합물은 전부 다르다. 하지만 화학식은 같은데, E와 Z로 구별짓는 방법을 알아보자.
이중결합을 반으로 나누고, 각 끝의 두 치환기의 우선권을 1과 2로 나타낸다.
1. 중심 원자에 결합한 원자의 원자 번호가 큰 것부터 작아지는 순서대로 순위를 부여한다. 원자 번호가 가장 큰 원자가 1번이다.
2. 중심 원자에 결합된 원자가 동일한 경우, 직접 결합된 원자들에 결합된 원자들의 원자번호에 의거하여 순위를 지정한다. 원자 번호가 높은 원자가 하나라도 존재하면 더 높은 우선권을 부여받는다.
3. 입체 중심에 두 개의 동위원소가 결합되었을 때는 높은 것부터 질량수가 감소하는 순으로 순위를 부여한다.
우선권을 부여한 후에는 두개의 1의 위츨 바탕으로 E와 Z를 표시한다.
E 이성질체는 우선권이 높은 두 작용기를 반대쪽에 가지고, Z 이성질체는 우선권이 높은 두 작용기를 같은쪽에 가지고 있다. E와 Z는 독일어에서 '반대쪽'을 의미하는 entgegen과 '함께'를 의미하는 zusammen에서 왔다.
이렇게 우선권을 통해 E와 Z를 적용하면 위의 네 개의 화합물의 이름은 차례로 Z, E, Z, E 순으로 된다.
[누에 나방silk moth의 페로몬]
아래 두개를 살펴보자.
오로지 E와 Z 차이로 완전히 다른 동물의 페로몬이 되어버린다.
관용명common name은 에틸렌ethylene, 프로필렌proplyene, 아이소부틸렌isobutylene과 같이 간단한 alkene들에만 사용한다. 하지만 가끔 탄소가 더 많은 alkene의 관용명도 사용되는데 펜틸렌pentylene(아밀렌amylene), 헥실렌hexylene, 헵틸렌heptylene이 그 예이다. 대부분의 alkene은 다음의 IUPAC 명명법을 따른다.
탄소-탄소 이중 결합을 포함하는 가장 긴 사슬을 모체로 삼는다. 모체의 탄소 수에 따라 ethene, propene, butene, pentene... 순으로 나아간다. 또, 수소 대신 치환체는 alkyl group으로 생각한다. alkane의 명명법에서 -ane 대신 -ene을 사용하면 되고, 숫자를 붙일 떄는 이중결합이 숫자가 가장 작게 만들어 -ene 앞에 숫자를 쓴다.
만약 기하이성질체가 존재한다면 cis-나 trans- 또는 (Z)-나 (E)- 를 맨앞에 표시한다. 이중결합이 두개 존재하면 -diene, 세개면 -triene, 네개면 -tetraene으로 이름을 붙인다.
만약 고리형 alkene이면 이름 앞에 cyclo-라는 접두사를 붙인다. 이중 결합이 있는 탄소의 번호는 1과 2를 차지하도록 숫자를 붙인다.
alkene이 만약 할로젠halogen 원자를 포함하고 있으면 할로알켄haloalkene이라 하고 할로젠 원자는 치환체로 본다.
이중결합 그 자체를 치환체로도 볼수 있는데, 다음과 같은 관용명이 있다. CH2=CH- 는 바이닐(비닐)vinyl, 이라 하고 CH2=CH-CH2- 는 알릴allyl 이라 한다.
Alkene이 -OH를 포함할 경우 알켄올alkenol 이라 하며, -OH가 1번이 되도록 숫자를 붙인다.
Alkene은 alkane과 물리적인 성질이 본질적으로 거의 같다. 물에 용해되지 않지만 비극성 용매인 벤젠, 에테르 등에는 꽤 녹는다. 물보다 밀도가 작다. 또 아래 표에서 볼 수 있는 것처럼 끓는점은 탄소수가 늘어날수록 높아진다.
| 이름 | 화학식 | 녹는점(℃) | 끓는점(℃) | 20℃에서 밀도 |
| Ethylene | CH2=CH2 | -169 | -102 | |
| Propylene | CH2=CHCH3 | -185 | -48 | |
| 1-Butene | CH2=CHCH2CH3 | -6.5 | ||
| 1-Pentene | CH2=CH(CH2)2CH3 | 30 | 0.643 | |
| 1-Hexene | CH2=CH(CH2)3CH3 | -138 | 63.5 | 0.675 |
| 1-Heptene | CH2=CH(CH2)4CH3 | -119 | 93 | 0.698 |
| 1-Octene | CH2=CH(CH2)5CH3 | -104 | 122.5 | 0.716 |
| 1-Nonene | CH2=CH(CH2)6CH3 | 146 | 0.731 | |
| 1-Decene | CH2=CH(CH2)7CH3 | -87 | 171 | 0.743 |
| cis-2-Butene | cis-CH3CH=CHCH3 | -139 | 4 | |
| trans-2-Butene | trans-CH3CH=CHCH3 | -106 | 1 | |
| Isobutylene | CH2=C(CH3)2 | -141 | -7 | |
| cis-2-Pentene | cis-CH3CH=CHCH2CH3 | -151 | 37 | 0.655 |
| trans-2-Pentene | trans-CH3CH=CHCH2CH3 | 36 | 0.647 | |
| 3-Methyl-1-butene | CH2=CHCH(CH3)2 | -135 | 25 | 0.648 |
| 2-Methyl-2-butene | CH3CH=C(CH3)2 | -123 | 39 | 0.660 |
| 2,3-Dimethyl-2-butene | (CH3)2C=C(CH3)2 | -74 | 73 | 0.705 |
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