Конспект урока: Алкины

Строение алкинов. Номенклатура

Алкины — непредельные углеводороды, содержащие в молекуле одну тройную связь между атомами углерода: $\mathrm{C}\equiv \mathrm{C}$. Номенклатура алкинов сходна с алкенами, только  в названии присутствует суффикс ин. Поэтому названия будут этин, пропин, бутин, пентин и т. д. Этин исторически чаще называют ацетиленом. Общая формула алкинов:  ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2\mathrm{n}-2}$.

Пример 1

 

Дайте название следующему алкину.

Решение

1. Нумерацию цепи делаем справа, где ближе тройная связь.
2. Называем радикалы, цифрами указываем их расположение. Получается следующее название 3,3-диметил...
3. Даём название основной цепи, содержащей 4 атома углерода (бутин): 
   3,3-диметилбутин.
4. Цифрой указываем расположение тройной связи: 3,3-диметилбутин-1.
5. В итоге получаем следующее название: 3,3-диметилбутин-1.

Изомерия алкинов

В молекулах алкинов присутствуют кратные, в данном случае тройные связи, поэтому для них будет характерна как изомерия углеродного скелета, так и положения кратных связей.

Такую же общую формулу, как у алкинов, имеют алкадиены. Следовательно, алкины являются изомерами алкадиенов. Это межклассовая изомерия.

Геометрических изомеров у алкинов нет.

Физические свойства алкинов

Агрегатное состояние алкинов аналогично алканам и алкенам.

Химические свойства алкинов

Алкины — ненасыщенные углеводороды, поэтому для них будут характерны реакции присоединения, уже знакомые нам по предыдущим темам. Те же реакции гидрирования, галогенирования, гидрогалогенирования, гидратации, что мы встречали с вами в теме «Алкены». Алкины, как и алкены,  вступают в различные окислительно-восстановительные реакции помимо реакции горения.

Реакции присоединения

1. Гидрирование

В результате присоединения водорода образуются алкены (1 моль водорода), либо алканы (2 моль водорода). В данном случае из пропина (пропилена) мы получили пропен в первой реакции и пропан во второй:

${\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{C}\equiv \mathrm{CH} + {\mathrm{H}}_2\stackrel{\mathrm{t}, \mathrm{кат}}{\to } {\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2,$

${\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{C}\equiv \mathrm{CH} + 2{\mathrm{H}}_2\stackrel{\mathrm{t}, \mathrm{кат}}{\to }{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_3$.

Реакция каталитическая и протекает при высокой температуре. Катализаторы, как правило, никель и платина.

2. Галогенирование 

Присоединение галогенов идёт аналогично реакциям гидрирования.

Рисунок 1. Обесцвечивание алкинами бромной воды

Алкины, как и другие непредельные углеводороды, обесцвечивают бромную воду (рис. 1). 

 

3. Гидрогалогенирование 

 

Гидрогалогенирование алкинов протекает по правилу Марковникова. 

4. Гидратация 

Гидратация, или присоединение воды, происходит также по правилу Марковникова при высокой температуре и в присутствии солей ртути в качестве катализаторов.

Механизм реакции довольно сложный. Мы разберём лишь основные аспекты.

Ацетилен, присоединяя молекулу воды, образует вещество, принадлежащее к альдегидам — этаналь (в первой реакции). 

Все остальные гомологи алкинов дают изомеры альдегидов — кетоны (во второй реакции).

В нашем примере это пропанон или ацетон (во второй реакции).

Реакция получила название в честь отечественного учёного-химика Михаила Григорьевича Кучерова.

Реакции полимеризации

Алкины вступают в реакции димеризации и тримеризации.

Из самих названий понятно, что димеризация — это взаимодействие двух молекул алкина, а тримеризация — трёх.

В результате тримеризации ацетилена образуется ценный продукт органического синтеза — бензол:

$3\mathrm{HC}\equiv \mathrm{CH} \to {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_6$.

Рисунок 2. 
Н. Д. Зелинский

Реакция протекает при пропускании ацетилена над активированным углем при высокой температуре. Вывел этот синтез отечественный учёный, изобретатель активированного угля и первого противогаза Николай Дмитриевич Зелинский, поэтому реакцию иногда называют реакцией Зелинского.

Кислотные свойства алкинов

Алкины, у которых тройная связь располагается у крайнего атома углерода, будут проявлять слабые кислотные свойства.

 

Щелочные металлы будут замещать водород и образовывать соли. В нашем примере это ацетиленид натрия:

 

$\mathrm{HC}\equiv \mathrm{CH} + 2\mathrm{Na} \to \mathrm{NaC}\equiv \mathrm{CNa} + {\mathrm{H}}_2$.

 

В молекуле пропина идёт замещение  только одного водорода, который соединён с крайним атомом углерода:

 

$2{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{C}\equiv \mathrm{CH} + 2\mathrm{Na} \to 2{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{C}\equiv \mathrm{CNa} + {\mathrm{H}}_2$.

Образуется пропинид натрия или метилацетиленид натрия.

Алкины, у которых тройная связь не концевая, не вступают в подобные реакции замещения.

Кислотные свойства алкины могут проявлять также в реакциях с некоторыми комплексными солями, например, с аммиачным раствором оксида серебра. В результате реакций образуются соли серебра (ацетилениды), которые выпадают в осадок, что применяется для качественного определения алкинов c концевой тройной связью:

${\mathrm{СН}}_3-\mathrm{С}\equiv \mathrm{СН} +\left[\mathrm{Ag}{\left({\mathrm{NH}}_3\right)}_2\right]\mathrm{OH} \to {\mathrm{СН}}_3-\mathrm{C}\equiv \mathrm{C}-\mathrm{Ag} + 2{\mathrm{NH}}_3 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Окислительно-восстановительные реакции

Все алкины участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Наиболее полное окисление — это реакция горения.

1. Горение алкинов

Горение алкинов рассмотрим на примере ацетилена:

$2\mathrm{HC}\equiv \mathrm{CH} + 5{\mathrm{O}}_2 \to 4{\mathrm{CO}}_2 +2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} +\mathrm{Q}$.

В результате горения ацетилена образуется большое количество тепла, поэтому эту реакцию используют для сварки и резки металлов.

Алкины, как и почти все непредельные углеводороды, обесцвечивают раствор перманганата калия (${\mathrm{KMnO}}_4$).      

Решение

1. В термохимическом уравнении реакции указывают количество теплоты, которое выделится при сгорании определённого количества вещества.

2. В нашем случае перед ацетиленом коэффициент два, следовательно, сгорело 2 моль ацетилена. При этом выделилось 2 600 кДж теплоты.

3. В условии задачи дали объём газа. Зная постоянную величину при нормальных условиях — молярный объём газа, можно вывести количество вещества по формуле:

$n\mathit{ }\mathit{=}\mathit{ }\frac{\mathit{V}}{{\mathit{V}}_{\mathit{m}}}\mathit{,}$ где V — объём, а V_m — молярный объём = 22,4 л/моль.

$n\mathit{ }\mathit{=}\frac{\mathit{V}}{{\mathit{V}}_{\mathit{m}}}\mathit{ }\mathit{ }\mathit{=}\frac{\mathit{2}\mathit{,}\mathit{24}}{\mathit{22}\mathit{,}\mathit{4}}\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{=}\mathit{ }\mathit{0}\mathit{,}\mathit{1}\mathit{ }моль$

4. Составляем пропорцию:

$\frac{\mathit{0}\mathit{,}\mathit{1}\mathit{ }моль}{\mathit{2}\mathit{ }моль}\mathit{=}\frac{x\mathit{ }кДЖ}{\mathit{2}\mathit{ }\mathit{600}\mathit{ }кДЖ}$  .

Отсюда, х = 130 кДж.

Получение алкинов

1. Получение ацетилена

Ацетилен является важным продуктом в органической химии. Он используется для сварки металлов, из него получают этаналь, ацетилениды, акриловое волокно, растворители, пластмассы, бензол  и т. д.

По этой причине подробнее остановимся на процессе получения ацетилена.

Промышленный способ

В промышленности ацетилен получают пиролизом метана, то есть процесс разложения протекает при высокой температуре (1 500 ºС):

$2{\mathrm{CH}}_4\stackrel{\mathrm{t} = 1500-1600°\mathrm{С}}{\to }\mathrm{CH}\equiv \mathrm{CH} + 3{\mathrm{H}}_2\uparrow$.

В лаборатории ацетилен получают из карбида кальция (${\mathrm{CaC}}_2$). Для этого карбид кальция помещают в воду, после чего начинает бурно выделяться газ ацетилен:

${\mathrm{CaC}}_2 +2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to \mathrm{CH}\equiv \mathrm{CH} + \mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2$.

Карбид кальция получают в промышленности прокаливанием оксида кальция (негашёной извести) с углеродом. Оксид кальция, в свою очередь, получают обжигом известняка. Суммарное уравнение будет иметь следующий вид:

$2{\mathrm{CaCO}}_3 + 3\mathrm{C}\stackrel{\mathrm{t},\mathrm{кат}}{\to } {\mathrm{CaC}}_2 + 3{\mathrm{CO}}_2$.

2. Дегидрирование алкенов или алканов

Отщеплением водорода от алкенов или алканов можно получить алкины. Например, из пропана пропин:

${\mathrm{CH}}_3-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_3\stackrel{\mathrm{t},\mathrm{кат}}{\to }\mathrm{CH}\equiv \mathrm{C}-{\mathrm{CH}}_3 + 2{\mathrm{H}}_2.$

3. Дегалогенирование дигалогеналканов спиртовым раствором щёлочи

Этот способ получения идентичен реакции получения алкенов, только участвуют дигалогеналканы, то есть производные алканов с двумя атомами галогена. Суть реакции аналогична: идёт отщепление двух атомов галогена и двух атомов водорода. При этом образуется соль щелочного металла и молекулы воды, но главный продукт реакции — алкин. В нашем случае из 1,2-дибромпропана образовался пропин:

${\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{CH}\left(\mathrm{Br}\right)-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{Br} +2\mathrm{KOH}(\mathrm{спирт}.)\to {\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{C}\equiv \mathrm{CH} +2\mathrm{KBr} +$

$+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}.$

Применение алкинов

Среди алкинов наибольшее применение находит ацетилен.

Из него получают этаналь(${\mathrm{CH}}_3-\mathrm{CHO}$) — сырьё для производства уксусной кислоты.

Гидрохлорированием ацетилена синтезируют хлорэтен или винилхлорид:

$\mathrm{HC}\equiv \mathrm{CH} + \mathrm{HCl} \to {\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{Cl}$.

В последующем из винилхлорида полимеризацией получают поливинилхлорид:

${\mathrm{nH}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{Cl} \to {\left[\begin{array}{ccc}-{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}& -& \mathrm{CH}-\\ & & |\\ & & \mathrm{Cl}\end{array}\right]}_{\mathrm{n}}$

Вы наверняка встречали аббревиатуру ПВХ. Это и есть поливинилхлорид.

Другие варианты применения ацетилена приведены на следующей схеме (рис. 3).

Рисунок 3. Схема применения ацетилена

Ответы

Упражнение 1

гексин-1 

$\mathrm{CH}\equiv \mathrm{C}-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_3$

3-метилбутин-1

$\mathrm{CH}\equiv \mathrm{C}-\mathrm{CH}\left({\mathrm{CH}}_3\right)-{\mathrm{CH}}_3$

4-метилпентин-2

${\mathrm{CH}}_3-\mathrm{C}\equiv \mathrm{C}-\mathrm{CH}\left({\mathrm{CH}}_3\right)-{\mathrm{CH}}_3$

Упражнение 2

$\mathrm{CH}\equiv \mathrm{C}-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_3$  бутин-1

${\mathrm{CH}}_3-\mathrm{C}\equiv \mathrm{C}-{\mathrm{CH}}_3$ бутин-2

${\mathrm{CH}}_2=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2$ бутадиен-1,3

${\mathrm{CH}}_2=\mathrm{C}=\mathrm{CH}-{\mathrm{CH}}_3$  бутадиен-1,2

Упражнение 3

а) ${\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{C}\equiv \mathrm{C}-{\mathrm{CH}}_3 + 2{\mathrm{H}}_2 \stackrel{\mathrm{t}, \mathrm{кат}}{\to }{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_3$

б) ${\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{C}\equiv \mathrm{CH} + \mathrm{HCl} \to {\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{C}\left(\mathrm{Cl}\right)={\mathrm{CH}}_2$

в) ${\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{C}\equiv \mathrm{CH} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \stackrel{\mathrm{t}, \mathrm{кат}}{\to } \begin{array}{c}\begin{array}{ccc}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-{\mathrm{CH}}_2& - \mathrm{C}& - {\mathrm{CH}}_3\end{array}\\ \begin{array}{ccc} & \parallel & \end{array}\\ \begin{array}{ccc} & \mathrm{O}& \end{array}\end{array}$

г) ${\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{C}\equiv \mathrm{CH} + {\mathrm{Br}}_2 \to {\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{C}\left(\mathrm{Br}\right)=\mathrm{CH}-\mathrm{Br}$

Упражнение 4

1. ${\mathrm{CaC}}_2 +2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to \mathrm{CH}\equiv \mathrm{CH} + \mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2$
2. $\mathrm{HC}\equiv \mathrm{CH} + \mathrm{HCl} \to {\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{Cl}$
3. ${\mathrm{nH}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{Cl} \to {\left[\begin{array}{ccc}-{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}& -& \mathrm{CH}-\\ & & |\\ & & \mathrm{Cl}\end{array}\right]}_{\mathrm{n}}$

Упражнение 5

Ответ: 260 кДж.