Алкины
Углеводороды, содержащие тройную связь, называются алкинами. К алкинам часто применяют название ацетилены по названию первого члена гомологического ряда. Они образуют гомологический ряд с общей формулой CnH2n-2. По номеклатуре IUPAC названия алкинов образуют путем замены окончания «-ан» в названии соответствующего алкана окончанием "-ин":
HC≡CH |
Ацетилен (этин) |
CH3–C≡CH |
Метилацетилен (пропин) |
CH3–CH2–C≡CH |
Этилацетилен (бутин-1) |
CH3–C≡C–CH3 |
Диметилацетилен (бутин-2) |
Соответствующие алкинам одновалентные радикалы называются алкинил, пропаргил.
HC≡C– |
Этинил |
HC≡C–CH2– |
Пропаргил |
В ряду ацетиленов наблюдается структурная изомерия положения тройной связи в углеродной цепи и изомерия алкильных радикалов, связанных с алкинилом.
|
||
Пентин-1 |
Пентин-2 |
Изопропилацетилен |
В промышленности ацетилен применяется весьма широко и разработан способ его получения термолизом метана
или гидрированием углерода при 3000 °С:
Реакцию проводят, используя электрическую дугу между угольными электродами в токе водорода, т.к. время нагревания должно быть очень коротким во избежание обратного процесса разложения ацетилена на элементы.
Существует также карбидный способ получения некоторых ацетиленов:
Эта реакция представляет собой фактически гидролиз ацетиленидов, которыми по сути являются карбиды металлов.
Среди лабораторных способов получения ацетиленов можно отметить разнообразные реакции элиминирования, среди которых чаще всего используют дегидрогалогенирование виц-дигалогенидов
Следует иметь в виду, что в щелочной среде алкины склонны к перегруппировкам с миграциейй тройной связи:
Поэтому для элиминирования рекомендуется использовать амид натрия в жидком аммиаке. В этих условиях образуются в основном терминальные ацетилениды, причем в качестве исходных можно применять и гем-дигалогениды:
Другие способы синтеза подразумевают превращения одних алкинов в другие, они будут рассмотрены ниже.
Атомы углерода в ацетилене имеют sp-гибридизацию и соединены между собой одной s- и двумя p-связями. Поэтому молекула ацетилена линейна (валентный угол 180°). Длина связи СºС составляет 121 пм (для сравнения - в этане 154 пм, в этилене 134 пм), длина связи С-Н – 106 пм (в этане 110 пм, в этилене 107 пм).
Энергия тройной углерод-углеродной связи равна 833 кДж/моль, что меньше, чем суммарная величина энергии для трех σ-связей (339х3=1017 кДж/моль) и комбинации одной σ- и двух π-связей (339 + 2·272 = 883 кДж/моль). Это можно рассматривать как результат взаимного отталкивания связывающих электронов трех связей, которые вынуждены быть сближенными в пространстве. Молекулу ацетилена можно представить себе в виде цилиндра, образованного орбиталями π-связей, из торцов которого выходят σ-связи С-Н. Атомы водорода имеют более короткую связь с С-атомами, чем в алкенах и алканах, потому что углеродный атом в гибридном состоянии sp наиболее электроотрицателен. Причина укорочения связи С-Н в алкинах по сравнению с алкенами и алканами состоит в том, что sp-орбиталь, как имеющая больший вклад s-характера (50%), изначально лежит ниже по энергии, чем sp2- (33.3%) и sp3- (75%) орбитали. Это приводит к увеличению прочности С-Н-связи в ацетиленах (энергия гомолитической диссоциации 502 кДж/моль) относительно прочности С-Н-связей в алканах и алкенах (414 кДж/мол и 439 кДж/моль соответственно). Ацетиленовый протон в значительной степени дезэкранирован, поскольку электронная пара смещена к атому углерода в большей мере, чем к таковым в гибридных состояниях sp2 и sp3. Можно рассматривать sp-атом углерода как более электроотрицательный, чем углерод в других валентных состояниях.
Две вырожденные ВЗМО ацетилена (Е = -1088,6 кДж/моль) лежат ниже, чем ВЗМО этилена (Е = -963 кДж/моль).
Исходя из этих представлений, можно объяснить основные свойства ацетиленов:
– характерными для ацетиленов являются реакции электрофильного и нуклеофильного присоединения;
– терминальным алкинам свойственная повышенная С-Н-кислотность (более высокая, чем в алканах и алкенах).