Алкины как химические вещества

Структура молекулы, связи атомов и свойства ацетиленов как химических веществ. Особенности получения алкинов термолизом метана и гидрированием углерода в промышленности и реакцией элиминирования в лаборатории. Реакции алкинов с участием тройной связи.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Содержание

1. Строение ацетиленов

2. Способы получения алкинов

3. Реакции алкинов с участием тройной связи

4. Реакции ацетиленов с сохранением тройной связи

Литература

Введение

Алкинами называют углеводороды, в молекулах которых имеется структурный фрагмент с тройной связью углерод-углерод. К алкинам часто применяют название ацетилены по названию первого члена гомологического ряда. Они образуют гомологический ряд с общей формулой C_nH_2n-2. По номеклатуре IUPAC в названиях алкинов применяется окончание "_ин":

	Ацетилен (этин)
	Метилацетилен (пропин)
	Этилацетилен (бутин-1)
	Диметилацетилен (бутин-2)

Соответствующие алкинам одновалентные радикалы называются алкинил, пропаргил.

	Этинил
	Пропаргил

Для ацетиленов характерна структурная изомерия положения тройной связи в углеродной цепи и изомерия алкильных радикалов, связанных с алкинилом.

Пентин-1	Пентин-2	Изопропилацетилен (3-метилбутин-1)

1. Строение ацетиленов

Атомы углерода в ацетилене имеют sp-гибридизацию и соединены одной s - и двумя p -связями. Поэтому молекула ацетилена линейна (валентный угол 180° ). Длина связи С-С 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 s -связей (339х3=1017 кДж/моль) и комбинации одной s - и двух p -связей (339+2х272=883 кДж/моль). Это можно рассматривать как результат отталкивания связывающих электронов трех связей, которые вынуждены быть сближенными в пространстве. Молекулу ацетилена можно представить себе в виде цилиндра, образованного орбиталями p -связей, из торцов которого выходят s -связи С-Н. Атомы водорода имеют более короткую связь с С-атомами, чем в алкенах и алканах, т.к. 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-гибридный С-атом как более электроотрицательный, чем атом углерода 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:

- для ацетиленов характерными являются реакции электрофильного и нуклеофильного присоединения;

- терминальным алкинам свойственная повышенная С-Н-кислотность.

2. Способы получения алкинов

В промышленности ацетилен применяется весьма широко и разработан способ его получения термолизом метана

или гидрированием углерода при 3000 ^оС:

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

Нужно иметь в виду, что в щелочной среде алкины склонны к перегруппировкам с перемещением 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:

ацетилен алкин термолиз реакция



Другие способы синтеза подразумевают превращения одних алкинов в другие и будут рассмотрены ниже.

3. Реакции алкинов с участием тройной связи

Гидрирование ацетиленов, как и алкенов, чаще всего проводят в условиях гетерогенного катализа:

Несмотря на то, что первая стадия гидрирования протекает более экзотермично, остановить на ней реакцию затруднительно. Однако созданы особые катализаторы, которые позволяют из алкинов получать алкены.

Как и при восстановлении соединений с двойной связью, всегда наблюдается син-присоединение водорода. транс-Алкены образуются в результате восстановления алкинов раствором натрия или лития в жидком аммиаке (до превращения металла в амид).



Алкины присоединяют галогены, галогеноводороды, воду и другие реагенты по электрофильному механизму, однако такие реакции протекают значительно труднее, чем в алкенах. В качестве причин можно привести следующие:

1. Две вырожденные ВЗМО ацетилена (Е = -1088,6 кДж/моль) лежат ниже, чем ВЗМО этилена (Е = -963 кДж/моль).

2. Теплота образования DН⁰_f (СН₃-СН₂⁺) = +917 кДж/моль

DН⁰_f (СН₂=СН⁺) = +1113,7 кДж/моль

Разница составляет 196,7 кДж/моль

3. Энтальпия ионизации в газовой фазе

CH₃CH₂Clа СН₃-СН₂⁺ + Cl^- + DН⁰_f DН⁰_f = + 799,7 кДж/моль

CH₂=CHClа CH₂=CH⁺ + Cl^- + DН⁰_f DН⁰_f = + 933,7 кДж/моль

Разница равна 134,0 кДж/моль

Из приведенных энергетических параметров легко видеть, что образующийся в результате присоединения электрофила к алкину винильный карбокатион более богат энергией (менее стабилен, труднее образуется), чем алкильный катион, возникающий при атаке электрофильной частицы молекулы алкена потому что алкилиденовая группа является более слабым донором, чем алкильная.



Другое объяснение заключается в том, что sp-гибридный С-атом со значительно большим трудом отдает электрофилу пару электронов, чем С-атом в состоянии sp², поскольку вклад s-характера его орбиталей составляет 50%, а не 33%, т.е. электроны лежат ближе к ядру (см. выше энергии ВЗМО).

Отношение скорости реакции бромирования этилена к скорости бромирования ацетилена в уксусной кислоте составляет величину 1,14 * 10⁴.

Это легко видеть на примере реакции несимметричного субстрата:

Практическое значение имеет присоединение хлора, которое позволяет получать полупродукты органического синтеза и растворители, например тетрахлорэтан.

Хлороводород легко присоединяется к алкинам только в присутствии катализаторов. Так, винилхлорид получают действием HCl на ацетилен в присутствии хлорида ртути (II).

Эта реакция имеет большое практическое значение, т.к. винилхлорид является мономером для получения широко применяемого материала - поливинилхлорида.

Дальнейшее присоединение хлороводорода к винилхлориду протекает легко и ориентируется в соответствием с правилом Марковникова - образуется 1,1-дихлорэтан, легко гидролизующийся до ацетальдегида

Для описания реакций электрофильного присоединения к алкинам применяют два механизма - би- и тримолекулярный (Ad_E2 и Ad_E3).

Бимолекулярное присоединение характерно для арил- и арилалкилацетиленов, которые превращаются в смесь цис- и транс-алкенов.



Далкилацетилены присоединяют по тримолекулярному механизму, в пользу чего свидетельствует стереоселективность реакции.

Присоединение воды к алкинам в присутствии кислот и солей ртути (II) называют реакцией Кучерова. С п...