Алкины

В ходе урока вы узнаете о том, что представляют собой алкины – ациклические углеводороды, содержащие в молекуле одну тройную связь. Познакомитесь с физическими свойствами алкинов, особенностями их строения. Вы сможете узнать, что представляют собой алкины и какими химическими свойствами характеризуется этот класс соединений. Вы узнаете о том, как свойства алкинов влияют на их практическое применение.

I. Номенклатура алкинов

Алкины – это алифатические (ациклические), непредельные (ненасыщенные) углеводороды, с одной тройной углерод-углеродной связью С≡С в цепи и общей формулой С_nH₂_n_-2

Образование названий алкинов по номенклатуре ИЮПАК

Тройную связь обозначают суффиксом -ин.

ацетилен (этин)

бутин-1

Главная цепь должна включать в себя тройные связи, а нумерация проводится так, чтобы они получили наименьшие номера.

3,6-диметилгептадиин-1,4

Рис. 1. Шаростержневая модель ацетилена

II. Строение

Ацетилен – первый член гомологического ряда ацетиленовых углеводородов, или алкинов.

Молекулярная формула ацетилена C₂H₂

Структурная формула ацетилена H–C≡C–H

Электронная формула H : С : : : С : Н

Анимация: “Образование молекулы ацетилена”

Углеродные атомы ацетилена, связанные тройной связью, находятся в состоянии sp-гибридизации. При образовании молекулы ацетилена у каждого атома С гибридизуются по одной s- и p-орбитали. В результате этого каждый атом С приобретает по две гибридных орбитали, а две p-орбитали остаются негибридными. Две гибридных орбитали взаимно перекрываются, и между атомами С образуется σ-связь. Остальные две гибридных орбитали перекрываются с s-орбиталями атомов H, и между ними и атомами С тоже образуются σ -связи. Четыре негибридных p-орбитали размещены взаимно перпендикулярно и перпендикулярно направлениям σ-связей. В этих плоскостях p-орбитали взаимно перекрываются, и образуются две π -связи, которые относительно непрочные и в химических реакциях легко разрываются.

Таким образом, в молекуле ацетилена имеются три σ -связи (одна связь C–C и две связи C–H) и две π -связи между двумя С атомами. Тройная связь в алкинах – не утроенная простая, а комбинированная, состоящая из трех связей: одной σ - и двух π -связей.

Молекула ацетилена имеет линейное строение. Появление третьей связи вызывает дальнейшее сближение атомов С: расстояние между их центрами составляет 0,120 нм.

sp- Гибридные орбитали двух атомов углерода в состоянии, предшествующем образованию тройной связи и связей C–H

Схематическое изображение строения молекулы ацетилена (ядра атомов углерода и водорода на одной прямой, две p- связи между атомами углерода находятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях).

Запомните!

Длина связи 0,12 нм
Угол 180
Линейная молекула
Связи – σ и 2π
Sp- гибридизация

III. Физические свойства

С₂Н₂ – Ацетилен – бесцветный газ, легче воздуха, мало растворим в воде, в чистом виде почти без запаха.III.

Свойства гомологов изменяются аналогично алкенам. По физическим свойствам алкины напоминают алкены и алканы. Температуры их плавления и кипения увеличиваются с ростом молекулярной массы. В обычных условиях алкины С₂–С₃ – газы, С₄–С₁₆– жидкости, высшие алкины – твердые вещества. Наличие тройной связи в цепи приводит к повышению температуры кипения, плотности и растворимости их в воде по сравнению с олефинами и парафинами.

Таблица. Физические свойства некоторых алкинов

Название (Суффикс *–ин*)	Формула	t°пл., °C	t°кип., °C
Этин (Ацетилен)	HC≡CH	-80,8	-83,6
Пропин (Метилацетилен)	CH₃–C≡CH	-102,7	-23,3
Бутин-1	C₂H₅–C≡CH	-122,5	8,5
Бутин-2	CH₃–C≡C–CH₃	-32,3	27,0
Пентин-1	CH₃–CH₂–CH₂–C≡CH	-98,0	39,7
Пентин-2	CH₃–CH₂–C≡C–CH₃	-101,0	56,1

IV. Изомерия

1. Структурная изомерия

1. Изомерия положения тройной связи (начиная с С₄Н₆):

2. Изомерия углеродного скелета (начиная с С₅Н₈):

3. Межклассовая изомерия с алкадиенами и циклоалкенами (начиная с С₄Н₆):

2. Пространственная изомерия

Относительно тройной связи в алкинах не проявляется, т.к. заместители могут располагаться только одним способом - вдоль линии связи.

V. Химические свойства алкинов

I. Реакции присоединения

1) Галогенирование – стадийно, до производных алканов:

(как и алкены обесцвечивают бромную воду!)

Опыт: “Взаимодействие ацетилена с бромной водой”

СH≡CH + Br₂ → CHBr=CHBr (1,2-дибромэтен)

CHBr=CHBr + Br₂ → CHBr₂-CHBr₂(1,1,2,2-тетрабромэтан)

Опыт: "Взаимодействие ацетилена с хлором"

2) Гидрогалогенирование

(труднее, чем у алкенов) – стадийно:

* CH₃-C≡CH + HBr ^AlBr3→ CH₃-CBr=CH₂

2-бромпропен

* - используется пр. Морковникова

3) Гидратация – ( р. М.Г. Кучерова)

CH≡CH + H₂O ^Hg2+,H+→ [CH₂=CH-OH] → CH₃-CH=O (уксусный альдегид )

непредельный спирт – енол

протекает в присутствии солей ртути (II) – HgSO₄, Hg(NO₃)₂ – с образованием уксусного альдегида:

Эта реакция носит имя русского ученого Михаила Григорьевича Кучерова (1881).

4) Полимеризация

В определенных условиях ацетилен способен полимеризоваться в бензол и винилацетилен.

1. При пропускании ацетилена над активированным углем при 450–500 °С происходит тримеризация ацетилена с образованием бензола (Н.Д.Зелинский, 1927 г.):

2. Под действием водного раствора CuCl и NH₄Cl ацетилен димеризуется, образуя винилацетилен:

Винилацетилен обладает большой реакционной способностью; присоединяя хлороводород, он образует хлоропрен, используемый для получения искусственного каучука:

II. Реакции окисления и восстановления

1) Горение – пламя сильно коптящее

Опыт: "Горение ацетилена"

Опыт: "Взрыв смеси ацетилена с кислородом"

C_nH₂_n_-2 + (3n-1)/2O₂ ^t → nCO₂ + (n-1)H₂O + Q

2) Окисление

Протекание реакции и её продукты определяются средой!

а) в кислой среде при нагревании образуются карбоновые кислоты, при концевой кратной связи - CO₂:

5CH₃ – CH₂ – C ≡ C – CH₃ + 6KMnO₄ + 9H₂SO₄ → 5CH₃ – CH₂COOH + 5CH₃COOH + 6MnSO₄ + 3K₂SO₄ + 4H₂O

5CH₃ – C ≡ CH + 8KMnO₄ + 12H₂SO₄ → 5CO₂ + 5CH₃COOH + 8MnSO₄ + 4K₂SO₄+12H₂O

б) в нейтральной и слабощелочной средах на холоде образуются соли карбоновых кислот; ацетилен окисляется до оксалатов (солей щавелевой кислоты):

3CH ≡ CH + 8KMnO₄ → 3KOOC – COOK + 8MnO₂ + 2KOH + 2H₂O

Опыт: “Качественная реакция на ацетилен - обесцвечивание раствора перманганата калия”

CH₃ – C ≡ C – CH₃ + 2KMnO₄ → 2CH₃ – COOK + 2MnO₂

3CH ≡ C – CH₃ + 8KMnO₄ → 3CH₃ – COOK + 2K₂CO₃ + KHCO₃ + 8MnO₂ + H₂O

Рис. 1. Обесцвечивание КМnO₄

3) Восстановление ( kat – Ni,Pd или Pt)

C₂H₂+ H₂ ^t^,^kat→ C₂H₄

C₂H₂+ 2H₂ ^t^,^kat→ C₂H₆

III. Реакции замещения

1) Кислотные свойства

(в отличие от алкенов, образуют соли – ацетилениды)

R-C≡C-H + NaH → R-C≡C-Na + H₂↑

Качественные реакции на алкины с тройной связью в конце цепи:

Опыт: “Получение ацетиленида серебра”

R-C≡CH + [Ag(NH₃)₂]OH → R-C≡C-Ag↓ +2NH₃ + H₂O

серо-белый осадок

Опыт: “Получение ацетиленида меди"

R-C≡C-H + [Cu(NH₃)₂]Cl → R-C≡C-Cu↓ + NH₄Cl +NH₃

красный осадок

Ацетилениды серебра и меди (I)- разлагаются соляной кислотой:

R-C≡C-Cu↓ +HCl → R-C≡C-H + CuCl

Ацетилениды металлов – взрывчатые вещества!

Опыт: "Непрочность ацетиленидов металлов"

VI. Получение

1. Термическое разложение алканов (электрокрекинг)

2CH₄ ^t⁼¹⁵⁰⁰→ HC≡CH + 3H₂ (пиролиз метана)

C₂H₆ ^t,kat → C₂H₂ + 2H₂ (t=1200)

2C₃H₈ ^t,kat → 3C₂H₂ + 5H₂ (t=1200)

2. Гидролиз карбида кальция

Опыт: “Получение ацетилена и его горение”

В лаборатории и в промышленности ацетилен получают взаимодействием карбида кальция с водой (карбидный способ): CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂

Карбид кальция получают в электропечах при нагревании кокса с негашеной известью:

3. Дегидрогалогенирование дигалогеналканов:

4. Из ацетиленидов

HC≡CMe + R-Г → HC≡C-R + MeГ

HC≡CNa + CH₃-Cl → HC≡C-CH₃ + NaCl

моноацетиленид пропин

натрия

MeC≡CMe + 2R-Г → R-C≡C-R + 2MeГ

AgC≡CAg + 2CH₃-I (йодметан)→ CH₃-C≡C-CH₃ (бутин-2)+ 2AgI↓

ацетиленид серебра

VII. Применение

Ацетилен широко применяют в органическом синтезе. Он является одним из исходных веществ при производстве синтетических каучуков, поливинилхлорида и других полимеров. Из ацетилена получают уксусную кислоту, растворители (1,1,2,2-тетрахлорэтан и 1,1,2-трихлорэтен). При сжигании ацетилена в кислороде температура пламени достигает 3150 °С, поэтому его используют при сварке и резке металлов.

Примеры промышленного использования ацетилена:

Благодаря яркому пламени в XIX веке широко распространились ацетиленовые фонари.

При горении смеси ацетилена с кислородом температура пламени достигает 2800–3000оС – можно плавить многие металлы. На этом свойстве основана ацетиленовая сварка. Рис. 1, 2.