Конспект урока: Алкины

Строение алкинов. Номенклатура

Алкины — непредельные углеводороды, содержащие в молекуле одну тройную связь между атомами углерода: $C \equiv C$. 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:  $C_{n} H_{2 n - 2}$.

Пример 1

Дайте название следующему алкину.

Решение

1. Выбираем самую длинную углеродную цепь, включающую кратную связь, и нумеруем её справа, где ближе тройная связь.
2. Называем радикалы, цифрами указываем их расположение:
   3,3-диметил.
3. Даём название основной цепи, содержащей 4 атома углерода и тройную связь: бутин.
4. Указываем расположение тройной связи: бутин-1.
5. Объединяем и 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: $C_{n} H_{2 n - 2}$. Следовательно, алкины являются изомерами алкадиенов. Это межклассовая изомерия.

Геометрических изомеров у алкинов нет.

Физические свойства алкинов

Агрегатное состояние алкинов аналогично алкенам. Алкины плохо растворяются в воде и хорошо — в неполярных органических растворителях. 

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:

$H_3C-C\equiv CH+H_2\overset{t,\text{кат}}{\rightarrow}H_3C-CH=CH_2,$

$H_3C-C\equiv CH+2H_2\overset{t,\text{кат}}{\rightarrow}H_3C-CH_2-CH_3$.

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

2. Галогенирование 

Присоединение галогенов идёт аналогично реакциям гидрирования.

Рис. 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 алкины образуют изомеры альдегидов — кетоны (во второй реакции). В нашем примере это пропанон, или ацетон.

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:

$3 HC \equiv CH \rightarrow C_{6} H_{6}$.

Н. Д. Зелинский" loading="lazy" /> Рис. 2. 
Н. Д. Зелинский

Реакция протекает при пропускании ацетилена над активированным углём 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, проявляют слабые кислотные свойства.

Такие алкины вступают в реакции со щелочными металлами и образуют ацетилениды, например ацетиленид динатрия:

$HC \equiv CH + 2 Na \rightarrow NaC \equiv CNa + H_{2}$.

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

$2 H_{3} C - C \equiv CH + 2 Na \rightarrow 2 H_{3} C - C \equiv CNa + H_{2}$.

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:

$CH_3-C\equiv CH+[Ag\left(NH_3\right)_2\left]\right.OH\rightarrow CH_3-C\equiv$

$\equiv C-Ag+2NH_3+H_2O$

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:

$2 HC \equiv CH + 5 O_{2} \rightarrow 4 CO_{2} + 2 H_{2} O + Q$.

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

2. Взаимодействие с различными окислителями

Алкины, как и почти все непредельные углеводороды, обесцвечивают водный и подкислённый растворы перманганата калия ($KMnO_{4}$):

$5 HC \equiv C - CH_{3} + 8 KMnO_{4} + 12 H_{2} SO_{4} \rightarrow 5 CO_{2} + 5 HOOC - CH_{3} +$

$+ 4 K_{2} SO_{4} + 8 MnSO_{4} + 12 H_{2} O$.

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:

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

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

4. Составляем пропорцию:

$\frac{0,1\text{ моль}}{2\text{ моль}}=\frac{x\text{ кДж}}{2600\text{ кДж}}$ .

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):

$2 CH_{4} \overset{t = 1500 - 1600^{\circ} C}{\rightarrow} CH \equiv CH + 3 H_{2} \uparrow$.

В лаборатории ацетилен получают из карбида кальция ($CaC_{2}$). Для этого карбид кальция помещают в воду, после чего начинает бурно выделяться газ ацетилен:

$CaC_{2} + 2 H_{2} O \rightarrow CH \equiv CH + Ca \left( OH \right)_{2}$.

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:

$2CaCO_3+3C\overset{t,\text{кат}}{\rightarrow}CaC_2+3CO_2$.

2. Дегидрирование алкенов или алканов

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

$CH_3-CH_2-CH_3\overset{t,\text{кат}}{\rightarrow}CH\equiv C-CH_3+2H_2.$

3. Дегидрогалогенирование 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:

$H_3C-CH(Br)-CH_2-Br+2KOH(\text{спирт}.)\rightarrow\rightarrow H_3C-C\equiv$

$\equiv CH+2KBr+2H_2O.$

Применение алкинов

Среди алкинов наибольшее применение находит ацетилен.

Из него получают этаналь ($CH_{3} - CHO$) — сырьё для производства уксусной кислоты.

Гидрохлорированием ацетилена синтезируют хлорэтен, или винилхлорид:

$HC \equiv CH + HCl \rightarrow H_{2} C = CH - Cl$.

В последующем из винилхлорида полимеризацией получают поливинилхлорид:

$nH_2C=CH-Cl\rightarrow\begin{bmatrix}-H_2C & - & CH-\\ & & |\\ & & Cl\end{bmatrix}_{n}$

Вы наверняка встречали аббревиатуру ПВХ. Это и есть поливинилхлорид.

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

Рис. 3. Схема применения ацетилена

Упражнение 1

гексин-1 

$CH \equiv C - CH_{2} - CH_{2} - CH_{2} - CH_{3}$

3-метилбутин-1

$CH \equiv C - CH ( CH_{3} ) - CH_{3}$

4-метилпентин-2

$CH_{3} - C \equiv C - CH ( CH_{3} ) - CH_{3}$

Упражнение 2

$CH \equiv C - CH_{2} - CH_{3}$  бутин-1

$CH_{3} - C \equiv C - CH_{3}$ бутин-2

$CH_{2} = CH - CH = CH_{2}$ бутадиен-1,3

$CH_{2} = C = CH - CH_{3}$  бутадиен-1,2

Упражнение 3

а) $H_3C-C\equiv C-CH_3+2H_2\overset{t,\;\text{кат}}{\rightarrow}H_3C-CH_2-CH_2-CH_3$

б) $H_{3} C - C \equiv CH + HCl \rightarrow H_{3} C - C ( Cl ) = CH_{2}$

в) $H_{3} C - CH_{2} - C \equiv CH + H_{2} O \overset{t,\;\text{кат}}{\rightarrow} \begin{matrix}H_{3} C - CH_{2} - C - CH_{3}\end{matrix} \\ \begin{matrix} & \parallel & \end{matrix} \\ \begin{matrix} & O & \end{matrix}$

г) $H_{3} C - C \equiv CH + Br_{2} \rightarrow H_{3} C - C ( Br ) = CH - Br$

Упражнение 4

1. $CaC_{2} + 2 H_{2} O \rightarrow CH \equiv CH + Ca \left( OH \right)_{2}$
2. $HC \equiv CH + HCl \rightarrow H_{2} C = CH - Cl$
3. $nH_2C=CH-Cl\rightarrow\begin{bmatrix}-H_2C & - & CH-\\ & & |\\ & & Cl\end{bmatrix}_{n}\\$

Упражнение 5

Ответ: 260 кДж.