Алкины
Тройная связь — не просто «ещё одна черта» в формуле. Она задаёт линейное окружение двух атомов углерода и позволяет присоединять реагенты в две ступени. Наиболее известный алкин — этин, или ацетилен. Его реакции помогают связать строение углеводородов с составом продуктов и стехиометрическими расчётами.
Определение и общая формула
Алкины — ациклические углеводороды с одной тройной связью C≡C. При отсутствии других кратных связей их общая формула — CnH2n−2, n ≥ 2.
Ряд начинается с C2H2, затем следует пропин C3H4. Формула совпадает с общей формулой простых алкадиенов, поэтому число H не позволяет само по себе определить тип кратных связей.
В тройной связи одна σ-связь и две π-связи. В модели гибридизации атомы C при C≡C находятся в sp-состоянии; направления двух σ-связей при каждом из них образуют угол около 180°. Поэтому фрагмент R–C≡C–R′ линейный у тройной связи, хотя более длинные боковые цепи могут изгибаться.
Названия и изомерия
Для простого алкина выбирают главную цепь с тройной связью и нумеруют её так, чтобы C≡C получила меньший номер. Суффикс -ин указывает класс. Например:
HC≡C–CH2–CH3 — бут-1-ин.
CH3–C≡C–CH3 — бут-2-ин.
Обе молекулы имеют C4H6, но различаются положением связи. Записи 1-бутин и 2-бутин также встречаются в учебной литературе. Концевой алкин содержит группу –C≡CH, внутренний имеет углеродные заместители с обеих сторон тройной связи.
У обычного фрагмента C≡C нет цис-транс-пары, подобной бут-2-ену: у каждого линейного атома тройной связи остаётся только один внешний заместитель. Положение тройной связи и ветвление скелета при этом могут создавать структурные изомеры.
Низшие алкины при обычных условиях газообразны; с увеличением молекулярной массы в ряду встречаются жидкости и твёрдые вещества. В воде алкины растворяются ограниченно, поскольку их молекулы не образуют с ней такой развитой системы водородных связей, как спирты. Одной тройной связи недостаточно, чтобы объявить вещество хорошо растворимым.
Гидрирование и присоединение галогенов
При полном гидрировании этина на подходящем металлическом катализаторе получается этан:
HC≡CH + 2H2 → CH3–CH3 (катализатор).
Сначала может образоваться алкен, но остановить превращение на этой ступени позволяет подбор специальных условий и катализатора. Простое уменьшение количества водорода не гарантирует получения единственного чистого промежуточного продукта.
Полное присоединение к одной тройной связи требует двух молекул H2 или двух молекул X2 в соответствующей реакции. После первой ступени в углеродном фрагменте сохраняется двойная связь.
Для брома в подходящей инертной среде последовательность можно выразить так:
HC≡CH + Br2 → CHBr=CHBr.
CHBr=CHBr + Br2 → CHBr2–CHBr2.
Суммарно на C2H2 приходятся две Br2. Обесцвечивание бромсодержащего реагента не отличает однозначно алкин от алкена или другого реагирующего вещества. Состав среды также влияет на продукты.
Галогеноводороды тоже могут присоединяться в две ступени. В ионных условиях направление для простых несимметричных алкинов обычно соответствует правилу Марковникова. Например, при полном присоединении двух HBr к пропину преимущественно образуется 2,2-дибромпропан:
CH3–C≡CH + 2HBr → CH3–CBr2–CH3.
Гидратация и свойства концевого водорода
Присоединение воды к этину в кислой среде при катализе соединениями Hg(II) приводит к этаналю, CH3CHO. Исторически это реакция Кучерова. Суммарная запись:
HC≡CH + H2O → CH3CHO (H+, катализатор Hg(II)).
Промежуточное енольное строение CH2=CHOH перестраивается в карбонильное. Поэтому конечным продуктом не называют устойчиво выделяемый «виниловый спирт». При гидратации пропина в этих условиях образуется пропанон, а не пропаналь:
CH3–C≡CH + H2O → CH3–CO–CH3.
Концевой H в –C≡CH обладает кислотными свойствами: достаточно сильное основание способно отщеплять его с образованием ацетилид-иона. Это не означает, что алкин становится сильной водной кислотой. У внутреннего алкина такого концевого H нет; одинаковая тройная связь не делает эти реакции полностью одинаковыми.
Получение и горение этина
Один из известных способов получения этина основан на взаимодействии карбида кальция с водой:
CaC2 + 2H2O → C2H2↑ + Ca(OH)2.
В промышленной химии применяют также высокотемпературные превращения углеводородного сырья. Способ получения не изменяет принадлежности вещества к классу, который определяется строением молекулы.
Полное сгорание этина:
2C2H2 + 5O2 → 4CO2 + 2H2O.
При недостатке кислорода возможны продукты неполного горения и сажа. Наличие коптящего пламени само по себе не устанавливает единственную молекулярную формулу вещества.
Три разобранных примера
1. Как найти формулу по молярной массе?
Для алкина M ≈ 54 г/моль:
M = 12n + (2n − 2) = 14n − 2; 14n − 2 = 54; n = 4.
Получаем C4H6. При известном классе возможны бут-1-ин и бут-2-ин; без указания класса нужно учитывать и другие виды строения.
2. Сколько водорода соответствует 2,6 г этина?
При M(C2H2) ≈ 26 г/моль количество этина составляет 0,10 моль. Полное превращение в этан требует:
n(H2) = 2 · (2,6 / 26) = 0,20 моль; m(H2) ≈ 0,40 г.
Один моль H2 на моль исходного вещества соответствует лишь одной ступени присоединения.
3. Как учесть чистоту карбида?
Образец массой 8,0 г содержит 80% CaC2; примеси этин не дают. При полном превращении чистого карбида:
m(CaC2) = 8,0 · 0,80 = 6,4 г.
n(C2H2) = 6,4 / 64 = 0,10 моль.
Это теоретическое количество, определённое по составу и уравнению, без учёта потерь продукта.
Частые ошибки
- Приписывать C≡C две σ-связи вместо одной.
- Считать всю длинную молекулу линейной из-за одного линейного фрагмента.
- Записывать только один H2 для полного гидрирования до алкана.
- Переносить свойства концевого H на внутренние алкины.
Пять заданий
- Назовите CH3–CH2–C≡CH.
- Сколько σ- и π-связей составляет одна C≡C?
- Какая масса Br2 теоретически соответствует полному присоединению к 0,050 моль этина? M(Br2) ≈ 160 г/моль.
- Какой продукт гидратации этина указан для реакции Кучерова?
- Сколько O2 требуется для полного сгорания 0,20 моль этина?
Ответы с объяснениями
- Бут-1-ин: нумерация начинается со стороны тройной связи.
- Одна σ и две π; всего три связывающих взаимодействия в рассматриваемой модели.
- Количество Br2 вдвое больше количества этина:
n(Br2) = 0,100 моль; m(Br2) = 0,100 · 160 = 16,0 г.
- Этаналь CH3CHO. Промежуточный енол перестраивается, поэтому его не считают конечным устойчивым продуктом этой схемы.
- На один моль этина требуется 2,5 моль O2:
n(O2) = 0,20 · 2,5 = 0,50 моль.
Связанные темы и источники
Сравните алкены, алкадиены и структурную изомерию. Карбонильные соединения рассматриваются далее в курсе.
Для проверки фактов: IUPAC: алкины; OpenStax: гидратация алкинов.