АЛКИНЫ: СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПРИМЕНЕНИЕ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2025

Эти алкины являются углеводороды или органические соединения , содержащие в своих структурах тройную связь между двумя атомами углерода. Эта тройная связь (≡) считается функциональной группой, поскольку она представляет собой активный центр молекулы и, следовательно, отвечает за их реакционную способность.

Хотя алкины не сильно отличаются от алканов или алкенов, они обладают большей кислотностью и полярностью из-за природы своих связей. Точный термин для описания этого небольшого различия - так называемая ненасыщенность.

Автор: jason.kaechler (Flickr: Oxygen / Acetylene Torch), через Wikimedia Commons

Алканы - это насыщенные углеводороды, а алкины - самые ненасыщенные по отношению к исходной структуре. Что это значит? Алкан H ₃ C-CH ₃ (этан) может быть дегидрирован до H ₂ C = CH ₂ (этен), а затем до HC≡CH (этин или более известный как ацетилен).

Обратите внимание, как между атомами углерода образуются дополнительные связи, количество связанных с ними атомов водорода уменьшается. Углерод, благодаря своим электронным характеристикам, стремится образовать четыре простые связи, поэтому чем выше ненасыщенность, тем больше склонность к реакции (за исключением ароматических соединений).

С другой стороны, тройная связь намного прочнее двойной связи (=) или одинарной связи (-), но требует больших энергетических затрат. Следовательно, большинство углеводородов (алканы и алкены) могут образовывать тройные связи при повышенных температурах.

Как следствие их высокой энергии, они выделяют много тепла, когда они ломаются. Пример этого явления наблюдается, когда ацетилен сжигается с кислородом, а интенсивное тепло пламени используется для сварки или плавления металлов (верхнее изображение).

Ацетилен - самый простой и самый мелкий из алкинов. Другие углеводороды можно выразить с помощью его химической формулы, заменив алкильные группы на H (RC≡CR '). То же самое происходит в мире органического синтеза через большое количество реакций.

Этот алкин образуется в результате реакции оксида кальция из известняка и кокса, сырья, которое обеспечивает необходимый углерод в электрической печи:

CaO + 3C => CaC ₂ + CO

CaC ₂ - это карбид кальция, неорганическое соединение, которое в конечном итоге вступает в реакцию с водой с образованием ацетилена:

CaC ₂ + 2H ₂ O => Ca (OH) ₂ + HC≡CH

Физико-химические свойства алкинов

полярность

Тройная связь отличает алкины от алканов и алкенов. Три типа углеводородов - неполярные, нерастворимые в воде и очень слабые кислоты. Однако электроотрицательность атомов углерода с двойной и тройной связью больше, чем у атомов углерода с одной.

В соответствии с этим атомы углерода, примыкающие к тройной связи, придают ей отрицательную плотность заряда за счет индуктивного эффекта. По этой причине там, где есть связи C≡C или C = C, будет более высокая плотность электронов, чем в остальной части углеродного скелета. Как следствие, существует небольшой дипольный момент, благодаря которому молекулы взаимодействуют посредством диполь-дипольных сил.

Эти взаимодействия очень слабы, если сравнивать их дипольные моменты с дипольными моментами молекулы воды или любого спирта. Это отражается на их физических свойствах: алкины обычно имеют более высокие температуры плавления и кипения по сравнению с их менее ненасыщенными углеводородами.

Точно так же из-за своей низкой полярности они менее нерастворимы в воде, но они растворимы в неполярных органических растворителях, таких как бензол.

кислотность

Аналогичным образом, эта электроотрицательность приводит к тому, что водород HC ≡CR становится более кислым, чем любой из других углеводородов. Следовательно, алкины являются более кислыми разновидностями, чем алкены, и намного более кислыми, чем алканы. Однако его кислотность по-прежнему незначительна по сравнению с кислотностью карбоновых кислот.

Поскольку алкины являются очень слабыми кислотами, они реагируют только с очень сильными основаниями, такими как амид натрия:

HC≡CR + NaNH ₂ => HC≡CNa + NH ₃

В результате этой реакции получают раствор ацетилида натрия, сырье для синтеза других алкинов.

Реактивность

Реакционная способность алкинов объясняется присоединением небольших молекул к их тройной связи, уменьшая их ненасыщенность. Это вполне могут быть молекулы водорода, галогениды водорода, вода или галогены.

гидрирование

Небольшие молекулы H ₂ очень неуловимы и быстры, поэтому для увеличения вероятности их присоединения к тройной связи алкинов необходимо использовать катализаторы.

Обычно это металлы (Pd, Pt, Rh или Ni), мелко измельченные для увеличения площади поверхности; и, таким образом, контакт между водородом и алкином:

RC≡CR '+ 2H ₂ => RCH ₂ CH ₂ R'

В результате водород «прикрепляется» к атомам углерода за счет разрыва связи и так далее, пока не образуется соответствующий алкан, RCH ₂ CH ₂ R '. Это не только насыщает исходный углеводород, но и изменяет его молекулярную структуру.

Добавление галогенидов водорода

Здесь добавляется неорганическая молекула HX, где X может быть любым из галогенов (F, Cl, Br или I):

RC≡CR '+ HX => RCH = CXR'

гидратация

Гидратация алкинов происходит, когда они добавляют молекулу воды с образованием альдегида или кетона:

RC≡CR '+ H ₂ O => RCH ₂ COR'

Если R 'представляет собой H, это альдегид; если это алкил, то это кетон. В реакции в качестве промежуточного соединения образуется соединение, известное как енол (RCH = C (OH) R ').

Это претерпевает преобразование из енольной формы (C-OH) в кетоновую форму (C = O) в равновесии, называемом таутомеризацией.

Добавление галогенов

Что касается добавок, двухатомные молекулы галогенов (X ₂ = F ₂ , Cl ₂ , Br ₂ или I ₂ ) также могут быть прикреплены к атомам углерода тройной связи :

RC≡CR '+ 2X ₂ => RCX ₂ –CX ₂ R'

Алкилирование ацетилена

Другие алкины могут быть получены из раствора ацетилида натрия с использованием алкилгалогенида:

HC≡CNa + RX => HC≡CR + NaX

Например, если бы это был метилиодид, то полученный алкин был бы:

HC≡CNa + CH ₃ I => HC≡CCH ₃ + NaX

HC≡CCH ₃ - это пропин, также известный как метилацетилен .

Химическая структура

Автор Бен Миллс, из Wikimedia Commons

Какая структура у алкинов? На верхнем изображении показана молекула ацетилена. Из него ясно видна линейная геометрия связи C≡C.

Следовательно, там, где есть тройная связь, структура молекулы должна быть линейной. Это еще одно заметное различие между ними и остальными углеводородами.

Алканы обычно представляют в виде зигзагов, потому что они имеют sp ³ гибридизацию, а их связи разнесены на 109º. На самом деле они представляют собой цепочку ковалентно связанных тетраэдров. В то время как алкены являются плоскими из-за sp ² -гибридизации их атомов углерода, а именно образуют тригональную плоскость со связями, разделенными на 120º.

У алкинов орбитальная гибридизация sp, то есть они имеют 50% s-характер и 50% p-характер. Две sp-гибридные орбитали связаны с атомами H в ацетилене или с алкильными группами в алкинах.

Расстояние между двумя H или R составляет 180º, в дополнение к тому факту, что только таким образом чистые p-орбитали атомов углерода могут образовывать тройную связь. По этой причине связь –C≡C– линейна. Глядя на структуру любой молекулы, –C≡C– выделяется в тех областях, где скелет очень линейный.

Расстояние звеньев и концевых алкинов

Атомы углерода в тройной связи расположены ближе друг к другу, чем в двойной или одинарной связи. Другими словами, C≡C короче, чем C = C и C - C. В результате связь становится прочнее, потому что две π-связи помогают стабилизировать одинарную σ-связь.

Если тройная связь находится в конце цепи, то это концевой алкин. Следовательно, формула указанного соединения должна быть HC≡CR, где H выделяет конец или начало цепи.

Если, с другой стороны, это внутренняя тройная связь, формула будет RC≡CR ', где R и R' - правая и левая сторона цепи.

Номенклатура

Как называются алкины в соответствии с правилами, продиктованными IUPAC? Так же, как были названы алканы и алкены. Для этого суффикс –ano или –eno заменяется суффиксом –ino.

Например: HC≡CCH ₃ называется пропином, так как он имеет три атома углерода, как пропан (CH ₃ CH ₂ CH ₃ ). HC≡CCH ₂ CH ₃ представляет собой 1-бутин, который является концевым алкином. Но в случае CH ₃ C≡CCH ₃ это 2-бутин, и в нем тройная связь не терминальная, а внутренняя.

CH ₃ C≡CCH ₂ CH ₂ (CH ₃ ) ₂ представляет собой 5-метил-2-гексин. Число атомов углерода считается со стороны, ближайшей к тройной связи.

Другой тип алкинов - это циклоалкины. Для них достаточно заменить суффикс –ano на –ino соответствующего циклоалкана. Таким образом, циклопропан, который имеет тройную связь, называется циклопропино (которого не существует).

При наличии двух тройных ссылок к имени добавляется префикс di-. Примерами являются HC≡C-C≡H, диацетилен или пропадино; и HC≡C - C - C≡H, бутадино.

Приложения

Ацетилен или этин

Самый маленький из алкинов увеличивает возможное количество применений этих углеводородов. Из него путем алкилирования могут быть синтезированы другие органические соединения. Точно так же он подвергается окислительным реакциям с получением, среди прочего, этанола, уксусной кислоты, акриловой кислоты.

Другое его использование состоит в обеспечении источника тепла для возбуждения электронов атомов; более конкретно катионов металлов в определениях атомной абсорбции-эмиссии, широко используемом спектроскопическом методе.

Природные алкины

Единственные существующие методы получения алкинов не только синтетические или с применением тепла в отсутствие кислорода, но и биологические.

В них используются ферменты, называемые ацетиленазами, которые могут дегидрогенизировать двойную связь. Благодаря этому получается много природных источников алкинов.

В результате из этих источников могут быть извлечены яды, противоядия, лекарства или любое другое соединение, дающее некоторую пользу; особенно если это касается здоровья. Существует множество альтернатив при изменении их исходных структур и использовании их в качестве поддержки для новых алкинов.

Примеры алкинов

До сих пор были упомянуты многочисленные примеры алкинов. Однако некоторые из них происходят из очень специфических источников или имеют особую молекулярную структуру: это полиацетилены.

Это означает, что может быть более одной тройной связи, которая является частью очень большой структуры, а не только одна углеродная цепь.

Тарировая кислота

Автор Yikrazuul, из Wikimedia Commons

Тарировая кислота производится на заводе Picramnia tariri, расположенном в Гватемале. Он специально извлекается из масла его семян.

В его молекулярной структуре можно наблюдать одинарную тройную связь, которая отделяет аполярный хвост от полярной головы; следовательно, его можно рассматривать как амфипатическую молекулу.

Histrionicotoxin

Авторы Meodipt и Rolf Kolasch,
en.wikipedia, Wikimedia Commons

Истрионикотоксин - это яд, выделяемый кожей лягушек, обитающих в Колумбии, Бразилии и других странах Латинской Америки. Он имеет две тройные связи, сопряженные с одной двойной связью. Оба являются концевыми и разделены кольцом из шести атомов углерода и циклическим амином.

цикутоксин

Автор Giorgiogp2, из Wikimedia Commons

Из молекулярной структуры Цикутоксина, где тройные связи? Если двойные связи плоские, как показано справа, а одинарные связи тетраэдрические, как на концах, тройки линейны и расположены на склоне (\).

Это соединение состоит из нейротоксина, который содержится в основном в водяной болиголове.

Capillina

Клевер, из Wikimedia Commons

Это алкин, содержащийся в эфирном масле полыни, который используется в качестве противогрибкового средства. Можно наблюдать две последовательные тройные связи, более правильно сопряженные.

Что это означает? Эти тройные связи резонируют по всей углеродной цепи и включают раскрытие двойной связи C = O на C - O ^- .

паргилин

Автор Харбин, из Wikimedia Commons

Это алкин с антигипертензивным действием. Анализируя его структуру по частям, мы имеем: бензильная группа слева, третичный амин в середине и пропинил справа; то есть терминальная пропиновая группа.

Ссылки

1. Фрэнсис А. Кэри. Органическая химия. Карбоновые кислоты. (шестое изд., страницы 368-397). Мак Гроу Хилл.
2. Бреннан, Джон. (10 марта 2018 г.). Примеры алкинов. Sciencing. Взято с: sciencing.com
3. BYJU'S. (2018). Тройная связь в алкинах. Взято с: byjus.com
4. Энциклопедия примеров (2017). Алкины. Восстановлено с: examples.co
5. Кевин А. Будро. Алкины. Взято с: angelo.edu
6. Роберт С. Нойман младший "Алкенес и алкины". , Взято с: chem.ucr.edu