Как составить изомер алкина

Алкины – это непредельные (ненасыщенные) нециклические углеводороды, в молекулах которых присутствует одна тройная связь между атомами углерода С≡С.

Остановимся на свойствах, способах получения и особенностях строения алкинов.

Строение, изомерия и гомологический ряд алкинов

Химические свойства алкинов

Получение алкинов

Гомологический ряд алкинов

Все алкины имеют общие или похожие физические и химические свойства. Схожие по строению алкины, которые отличаются на одну или несколько групп –СН₂–, называют гомологами. Такие алкины образуют гомологический ряд.

Первый представитель гомологического ряда алкенов – этин (ацетилен) C₂H₂, или СH≡СH.

Продолжить гомологический ряд можно, последовательно добавляя группу –СН₂– в углеводородную цепь.

Название алкина	Формула алкина
Этин (ацетилен)	C2H2
Пропин	C3H4
Бутин	C4H6
Пентин	C5H8
Гексин	C6H10
Гептин	C7H12

Общая формула гомологического ряда алкинов C_nH_2n-2.

Первые три члена гомологического ряда алкинов – газы, начиная с C₅Н₈ по С₁₆Н₃₀ – жидкости, начиная с С₁₇Н₃₂ — твердые вещества. 

Алкины плохо растворимы в воде и хорошо растворимы в органических растворителях.

Строение алкинов

Рассмотрим особенности строения алкинов на примере ацетилена.

В молекуле ацетилена присутствуют химические связи C–H и С≡С.

Связь C–H ковалентная слабополярная одинарная σ-связь. Связь С≡С – тройная, ковалентная неполярная, одна из связей σ, еще две: π-связи. Атомы углерода при тройной связи образуют по две σ-связи и две π-связи. Следовательно, гибридизация атомов углерода при тройной связи в молекулах алкинов – sp:

При образовании σ-связи между атомами углерода происходит перекрывание sp-гибридных орбиталей атомов углерода:

При образовании π-связи между атомами углерода происходит перекрывание негибридных орбиталей атомов углерода:

Две sp-гибридные орбитали атома углерода взаимно отталкиваются, и располагаются в пространстве так, чтобы угол между орбиталями был максимально возможным.

Поэтому две гибридные орбитали атомов углерода при тройной связи в алкинах направлены в пространстве под углом 180^о  друг к другу:

Изображение с сайта orgchem.ru

Это соответствует линейному строению молекулы.

Например, молекуле ацетилена C₂H₂ соответствует линейное строение.

Изображение с сайта orgchem.ru

Молекулам алкинов с большим числом атомов углерода соответствует пространственное строение.

Например, в молекуле пропина присутствует атом углерода в sp³-гибридном состоянии, в составе метильного фрагмента СН₃. Такой фрагмент имеет тетраэдрическое строение.

Изомерия алкинов

Для  алкинов характерна структурная и пространственная изомерия.

Структурная изомерия

Для  алкинов характерна изомерия углеродного скелета, изомерия положения кратной связи и межклассовая изомерия.

Структурные изомеры — это соединения с одинаковым составом, которые отличаются порядком связывания атомов в молекуле, т.е. строением молекул.

Изомеры углеродного скелета отличаются строением углеродного скелета.

Межклассовые изомеры — это вещества разных классов с различным строением, но одинаковым составом. Алкины являются межклассовыми изомерами с алкадиенами. Общая формула алкинов и алкадиенов — C_nH_2n-2.

Изомеры с различным положением тройной связи отличаются положением тройной связи в углеродном скелете.

Пространственная изомерия

Для некоторых алкинов также характерна оптическая изомерия.

Алкины, которые обладают достаточно большим углеродным скелетом, могут существовать в виде оптических изомеров. В молекуле алкина должен присутствовать асимметрический атом углерода (атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями).

Цис-транс-изомерия для алкинов не характерна, так как по тройной связи вращение возможно.

Номенклатура алкинов

В названиях алкинов для обозначения тройной связи используется суффикс -ИН.

Например, алкин на рисунке называется бутин-2

Для простейших алкинов применяются также исторически сложившиеся (тривиальные) названия:

Название алкина	Формула алкина
Ацетилен	CH≡CH
Пропин	CH≡C−CH3
Бутин-1	CH≡C−СH2−CH3

Радикалы, содержащие тройную связь, также носят тривиальные названия:

Формула радикала	Тривиальное название
CH≡C−	этинил
CH≡C−CH2−	пропаргил

Изомерия алкинов

Алкины — непредельные (ненасыщенные) углеводороды, имеющие в молекуле одну тройную связь С≡С.
Каждая такая связь содержит одну сигма-связь (σ-связь) и две пи-связи (π-связи).

Алкины также называют ацетиленовыми углеводородами. Первый член гомологического ряда — этин — CH≡CH (ацетилен).
Общая формула их гомологического ряда — C_nH_2n-2.

Номенклатура и изомерия алкинов

Названия алкинов формируются путем добавления суффикса «ин» к названию алкана с соответствующим числом: этин, пропин, бутин и т.д.

При составлении названия алкина важно учесть, что главная цепь атомов углерода должна обязательно содержать тройную связь. Нумерация
атомов углерода в ней начинается с того края, к которому ближе тройная связь. В конце названия указывают атом углерода у которых
начинается тройная связь.

Для алкинов характерна изомерия углеродного скелета, положения тройной связи, межклассовая изомерия с алкадиенами.

Пространственная геометрическая изомерия для них невозможна, ввиду того, что каждый атом углерода, прилежащий к тройной связи,
соединен только с одним единственным заместителем.

Некоторые данные, касающиеся алкинов, надо выучить:

• В молекулах алкинов присутствуют тройные связи, длина которых составляет 0,121 нм
• Тип гибридизации атомов углерода — sp
• Валентный угол (между химическими связями) составляет 180°

Получение алкинов

Ацетилен получают несколькими способами:

• Пиролиз метана

При нагревании метана до 1200-1500 °C происходит димеризация молекул метана, в ходе чего отщепляется водород.

2CH₄ → (t) CH≡CH + 3H₂

• Синтез Бертло

Осуществляется напрямую, из простых веществ. Протекает на вольтовой (электрической) дуге, в атмосфере водорода.

2C + H₂ → (t, вольтова дуга) CH≡CH

• Разложение карбида кальция

В результате разложения карбида кальция образуется ацетилен и гидроксид кальция II.

CaC₂ + 2H₂O → CH≡CH + Ca(OH)₂

Получение гомологов ацетилена возможно в реакциях дегидрогалогенирования дигалогеналканов, в которых атомы галогена
расположены у одного атома углерода или у двух соседних атомов.

Химические свойства алкинов

Алкины — ненасыщенные углеводороды, легко вступающие в реакции присоединения. Реакции замещения для них не характерны.

• Гидрирование

Водород присоединяется к атомам углерода, образующим тройную связь. Пи-связи (π-связи) рвутся, остается единичная сигма-связь (σ-связь).

CH≡C-CH₃ + H₂ → (t, Ni) CH₂=CH-CH₃ (в реакции участвует 1 моль водорода)

CH₂=CH-CH₃ + H₂ → (t, Ni) CH₃-CH₂-CH₃ (в реакции участвует 1 моль водорода)

CH≡CH + 2H₂ → (t, Ni) CH₃-CH₃ (в реакции участвует 2 моль водорода)

• Галогенирование

Реакция с бромной водой является качественной для непредельных соединений, содержащих двойные (и тройные) связи. В ходе такой реакции бромная
вода обесцвечивается, что указывает на присоединение его по кратным связям к органическому веществу.



• Гидрогалогенирование

Алкины вступают в реакции гидрогалогенирования, протекающие по типу присоединения.

Гидрогалогенирование протекает по правилу Марковникова, в соответствии с которым атом водорода присоединяется к наиболее гидрированному, а
атом галогена — к наименее гидрированному атому углерода.



• Реакция Кучерова

Реакцией Кучерова называют гидратацию ацетиленовых соединений с образованием карбонильных соединений. Открыта русским
химиком М.Г. Кучеровым в 1881 году. Катализатор — соли ртути Hg²⁺.

Только в реакции с ацетиленом образуется уксусный альдегид. Во всех остальных реакциях (с гомологами ацетилена) образуются
кетоны.



• Окисление

При горении алкины, как и все органические соединения, сгорают с образование углекислого газа и воды — полное окисление.

2CH≡CH + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O

Сильные окислители (особенно в подкисленной среде) способны разрывать молекулы алкинов в самом слабом месте — в месте тройной связи.

Так, при окислении пропина, образуется уксусная кислота и муравьиная кислота, окисляющаяся до угольной кислоты, которая распадается на
углекислый газ и воду.



• Реакция Н.Д. Зелинского (тримеризация ацетилена)

Данная реакция протекает при пропускании ацетилена над активированным углем при t = 400°C. В результате образуется ароматический
углеводород — бензол.



• Димеризация ацетилена

Димеризация ацетилена происходит при наличии катализатора — солей меди I. В результате реакции две молекулы ацетилена соединяются,
образуя винилацетилен.



• Образование солей алкинов

В случае если тройная связь прилежит к краевому атому углерода, то имеющийся у данного атома водород может быть замещен атомом металла.
Если тройная связь спрятана внутри молекулы, то образование солей невозможно.

Реакция аммиачного раствора серебра и ацетилена — качественная реакция, в ходе которой выпадает осадок ацетиленида серебра.

Определение. Гомологический ряд, номенклатура, изомерия

Алкины — это нециклические углеводороды, в молекулах которых есть одна тройная связь, а остальные связи простые.

Алкины относят к группе непредельных ненасыщенных углеводородов. Для того чтобы вывести общую формулу гомологического ряда алкинов, сравним состав алканов и алкинов:

Таким образом, алкины образуют гомологический ряд, общая формула которого

Вопрос. Какие ещё углеводороды имеют такую же общую формулу гомологического ряда?

Значит, алкины и алкадиены с одинаковым числом атомов углерода являются изомерами.

Первый член гомологического ряда С₂Н₂ называется ацетилен. Поэтому алкины относятся к ацетиленовым углеводородам.

Вопрос. Почему в названиях ацетиленовых углеводородов появился суффикс ИН? (См. урок 17.7.)

Задание 20.1. Составьте молекулярную и графическую формулы алкина с n = 4.

Выполнив последнее задание, вы убедитесь, что для этого алкина можно составить две графические формулы:

Значит, изомерия алкинов связана с положением тройной связи в молекуле. Кроме того, изомерия связана со строением углеводородного радикала:

Задание 20.2. Составьте молекулярные формулы этих соединений и убедитесь, что это изомеры. Назовите эти вещества.

Запомните:

• названия алкинов составляют, используя суффикс ИН;
• нумерацию основной цепи ведут с того конца, к которому ближе тройная связь.

Строение молекул

В состав молекулы любого алкина входит одна тройная связь, поэтому особенности свойств этих соединений будут связаны с особенностями тройной связи. Это сложная, неоднородная связь. Её составляют одна простая σ-связь и две π-связи.

Вопрос. Какая из этих связей легче разрушается в химических реакциях? Почему?

Значит, как и у алкенов, в химических реакциях будет прежде всего разрушаться менее прочная π-связь. Алкины тоже легко вступают в химические реакции, но, в отличие от алкенов, большинство реакций за счёт π-связи идут в две стадии: сначала разрывается одна π-связь, потом вторая π-связь. Характерной реакцией является реакций присоединения, хотя возможны и другие типы реакций.

Свойства алкинов

Физические свойства

По физическим свойствам алкины мало отличаются от алкенов и алканов. Так, простейший алкин ацетилен — газ без вкуса и запаха, плохо растворимый в воде. Среди гомологов ацетилена есть и жидкие, и твёрдые вещества: чем больше молекулярная масса, тем выше температуры кипения и плавления алкинов.

Химические свойства

Для алкинов, как и для алкенов, характерны реакции присоединения. Они идут в две стадии:

Вопрос. Возможна ли для полученного соединения реакция присоединения?

Поскольку полученный этилен содержит двойную связь, возможна вторая стадия этого процесса:

Вопрос. Возможна ли реакция присоединения для полученного вещества? Почему?

Таким образом, в результате реакции гидрирования из ацетилена можно получить и этилен, и этан. Всё зависит от условия процесса и от соотношения исходных веществ. Например, реакцию присоединения хлороводорода к ацетилену часто прерывают на первой стадии:

Дело в том, что хлорвинил применяется для получения полимера полихлорвинила.

Задание 20.3. Составьте уравнения реакции полимеризации хлорвинила.

Изделия из полихлорвинила (–СНСl–СН₂–)_n имеют разнообразное применение.

Так, полихлорвинил (ПХВ, или ПВХ) является основой для получения искусственной кожи, различной посуды одноразового пользования, полимерной тары, клеёнок, отделочных материалов и т. д. Многие пластмассовые изделия, которые мы используем каждый день, обивка салонов автомобилей, вагонов, самолётов, — сделаны из ПВХ. Он также используется для электроизоляции проводов.

Аналогично идут и другие реакции присоединения. Например, ацетилен, как и этилен, обесцвечивает бромную воду. Кроме того, он обесцвечивает и раствор перманганата калия, т. е. вступает в реакции окисления.

Задание 20.4. Составьте уравнения реакции ацетилена с бромом.

Таким образом, ацетилен тоже даёт качественные реакции на π-связь. Поэтому правильнее говорить, что реакции обесцвечивания бромной воды и перманганата калия — это качественные реакции на кратную связь. Другими словами, при помощи этих реакций можно обнаружить непредельные соединения, содержащие кратную связь, которая содержит π-связь.

Большое практическое значение имеет реакция присоединения воды к ацетилену — гидратация ацетилена. Поскольку эту реакцию открыл и изучил российский ученый М. Г. Кучеров*, она носит название «реакция Кучерова»:

* Кучеров Михаил Григорьевич (3.06.1850–26.06.1911) — русский химик-органик. Открыл (1881) реакцию каталитической гидратации ацетиленовых углеводородов с образованием карбонилсодержащих соединений.

Уксусный альдегид нужен для получения уксусной кислоты. Ацетилен горит.

Задание 20.5. Составьте уравнение реакции горения ацетилена.

Газообразные углеводороды можно различить по характеру пламени. Так, метан горит бесцветным пламенем, этилен — светящимся, а ацетилен — коптящим, т. е. углерод окисляется не полностью и частично выделяется в виде простого вещества (сажи). В токе кислорода ацетилен горит ослепительно-голубым пламенем с выделением большого количества теплоты (температура пламени превышает 3000 °C!). Поэтому эта реакция используется для газовой сварки и резки металлов.

При неполном окислении ацетилена (раствором перманганата калия) образуется смесь кислот.

Для ацетилена возможна реакция полимеризации, причём в эту реакцию может вступать небольшое число молекул. Так, при тримеризации ацетилена (соединяются три молекулы) образуется циклическое соединение — бензол:

Для алкинов характерна подвижность атомов водорода у тройной связи. За счёт этих атомов происходят реакции замещения таких атомов водорода:

Аналогичная реакция замещения происходит и с оксидом меди (I), и со щелочными металлами. В результате обеих реакций выделяется осадок, поэтому их считают качественными реакциями на алкины, в молекулах которых имеется атом водорода у тройной связи. Такая же реакция замещения происходит и со щелочными металлами.

Получение и применение ацетилена

Ацетилен в небольших количествах входит в состав природных газов. Его получают крекингом метана:

В небольших количествах, например для сварки металлов и в лаборатории, его получают из карбида кальция:

Ацетилен, полученный карбидным способом, используется для сварки и резки металлов, поскольку температура пламени автогена (горение ацетилена в кислороде) достигает 3000 °C.

Ацетилен и его производные используются для получения пластмасс, каучуков, уксусной кислоты, растворителей.

Выводы

Алкины — это непредельные углеводороды, содержащие тройную связь. Для таких веществ характерны реакции:

• присоединения;
• окисления;
• полимеризации. Все они происходят за счёт разрыва π-связи, которая входит в состав тройной связи;
• замещения атома водорода у тройной связи.

Алкины, как и алкены, относятся к ненасыщенным углеводородам.

Алкины
представляют собой углеводороды, содержащие в составе молекул тройную связь.

Алкины
в природе практически не встречаются, за исключением ацетилена, который образуется
в незначительных количествах при созревании яблок. Некоторые алкины содержатся в масле ромашки, в некоторых видах
грибов, феромонах насекомых, в морских организмах –
губках. Алкины входят в состав токсичного вещества,
которое применяли для смазывания наконечников стрел индейцы Амозонки.

Орбитали
атомов углерода, между которыми образована тройная связь, находятся в
состоянии sp-гибридизации. Это означает, что в
гибридизации участвует одна s- и одна р-орбиталь,
а две р-орбитали остаются негибридизованными.
Перекрывание гибридных орбиталей приводит к
образованию σ-связи, а за счёт негибридизованных р-орбиталей соседних атомов углерода образуются
две π-связи.

То
есть, тройная связь состоит из одной σ- и двух π-связей. Все
гибридные орбитали атомов, между которыми образована
тройная связь, находятся на одной линии, а плоскости π-связей
перпендикулярны друг другу.

Тройная
углерод-углеродная связь, длина которой 0,12 нм,
короче двойной. Энергия тройной связи больше, то есть она является более
прочной. Таким образом, молекула ацетилена имеет линейное строение и
валентный угол связей 180⁰.  

Рассмотрим
гомологический ряд алкинов. Первый представитель
гомологического ряда алкинов – этин,
или ацетилен, второй представитель – пропин, третий –
бутин-1, четвёртый – пентин-1.

CH ≡ CH

CH ≡ C – CH₃

CH ≡ C – CH₂
– CH₃

CH ≡ C – CH₂
– CH₂ – CH₃

Общая формула алкинов C_nH_2n-2.

Названия
алкинов образуются с заменой суффикса-ан в названии
соответствующего насыщенного углеводорода на суффикс -ин. Например, название
этана заменяется на этин, пропана – на пропин.

CH
≡
CH

CH₃ – C
≡ CH

То
есть, наличие тройной связи в молекулах углеводородов этого класса отражается
суффиксом -ин, а её положение в цепи — номером атома углерода.

При
составлении названия алкина выбирается самая длинная
цепь, включающая тройную связь; нумерация цепи идёт с того конца, к которому
ближе находится кратная связь; её местоположение указывается наименьшим из двух
номеров углеродным атомом. Если тройная связь находится на одинаковом
расстоянии от концов цепи, нумерацию ведут с того конца, к которому ближе
находится заместитель. Например:

Если
в молекуле имеются двойная и тройная связи, начало нумерации определяет двойная
связь, и сначала помещают суффикс -ен, а после него –
-ин. Например:

 

Радикал,
образованный от ацетилена (HC≡C−), называется этинил.

Алкины с
концевой тройной связью (ацетилен, пропин, бутин-1 и
другие) называют терминальными ацетиленовыми углеводородами.

Для
алкинов характерны все виды структурной изомерии: изомерия
углеродного скелета, изомерия положения тройной связи. Рассмотрим
различные виды изомерии на примере алкина с
молекулярной формулой С₅Н₈. Его изомером будет
3-метилбутин-1, и если это изомерия положения тройной связи, то его изомерами
будут пентин-1 и пентин-2.

Так
как тройная связь предполагает линейное строение углеродной цепи,
геометрическая (цис-, транс )
изомерия в случае алкинов невозможна.

Алкинам изомерны соединения некоторых других классов. Так,
химическую формулу С₆Н₁₀ имеют гексин
(алкин), гексадиен (алкадиен) и циклогексен (циклоалкен).