По номенклатуре «IUPAC», названия алкинов образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса «-ан» на «-ин»; положение тройной связи указывается арабской цифрой.
Простейшим алкином является этин (ацетилен C2H2). По номенклатуре «IUPAC» названия алкинов образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса «-ан» на «-ин»; положение тройной связи указывается арабскими цифрами.
Углеводородные радикалы, образованные от алкинов имеют суффикс «-ини́л», так CH≡C- называется ««этини́л»».
Ниже представлены некоторые представители алкинов и их названия:
Различают внутреннюю тройную связь (пример: бут-2-ин) и концевую (пример: бут-1-ин).
В противном случае, разница в положении тройной связи в двух разных молекулах алкинов (например, бутин-1 и пентин-2) будет сигнализировать о том, что эти вещества будут являтся структурными изомерами по положению связи.
У алкинов связь −С≡С− линейна (угол 180°) и находится в одной плоскости. Атомы углерода связаны одной σ- и двумя π-связями, максимальная электронная плотность которых расположена в двух взаимно перпендикулярных плоскостях[5]. Длина тройной связи примерно 0,121 нм, энергия связи 836 кДж/моль.
На представленной выше диаграмме приведены молекулярные орбитали этилена и ацетилена.
Алкины по своим физическим свойствам напоминают соответствующие алкены. Низшие (до С4) — газы без цвета и запаха, имеющие более высокие температуры кипения, чем аналоги в алкенах. Алкины плохо растворимы в воде, лучше — в органических растворителях.
Подробнее Физические свойства некоторых алкинов ...
В природе алкины практически не встречаются. В некоторых видах грибовBasidiomycetes были обнаружены в крайне малом количестве соединения, содержащие полиацетиленовые структуры[8].
Суть способа заключается в пропускании над специальной огнеупорной насадкой смеси природного газа с воздухом, который, сгорая, поднимает температуру до 1500 °C. Затем на насадке происходит пиролиз метана[13]:
Крекинг природного газа (промышленный способ)
Электрокрекинг
Метод заключается в пропускании метана между двумя металлическими электродами с огромной скоростью. Температура 1500—1600°С. С химической точки зрения метод аналогичен методу пиролиза, отличаясь лишь технологическим и аппаратным исполнением[14].
Термоокислительный крекинг
В данном методе используется частичное окисление метана благодаря использованию теплоты, образующейся при его сгорании[14]:
Метод прямого синтеза
Взаимодействие углерода напрямую с водородом при очень высоких температурах приводит к образованию ацетилена:
Этот метод имеет чисто историческое значение (получение ацетилена в 1863 году французским химиком М. Бертло).
На второй стадии происходит обмен брома на литий и альфа-элиминирование с последующим превращением винилидена в алкин в результате перегруппировки Фрича-Буттенбергера-Вихеля:
Алкины с концевой тройной связью являются С-H кислотами (сильнее чем аммиак и алкены, но слабее, чем спирты) которые с очень сильными основаниями могут образовывать соли — алкиниды[6]:
Это, в частности, широко используется для синтеза гомологов ацетилена:
Получение алкингалогенидов
Взаимодействие галогена на монозамещённые ацетилены в щелочной среде приводит к получению галогеналкинов[14]:
Реакция нуклеофильного замещения алкинидов
В препаративном синтезе часто используют комплекс ацетиленида лития с этилендиамином как удобный источник ацетиленид-аниона[8].
В случае реакции с вторичными или третичными галогеналканами реакция во многом идёт по альтернативному пути (элиминирование):
Прочие реакции
Хлорирование ацетилена хлоридом меди (II) в водных растворах CuCl приводит к образованию дихлорацетилена[20]:
Ацетиленовая конденсация
Ацетиленовая конденсация или иначе реакция Ходкевича-Кадио, заключается во взаимодействии ацетиленовых углеводородов с бром- или йодалкинами с образованием диацетиленов[21]:
Аналогично протекает и реакция Куртца (катализатор — ацетиленид меди):
Получение ацетиленаминов
Реакция идёт в присутствии солей меди (I).
Реакции электрофильного присоединения
Электрофильное присоединение к алкинам инициируется под воздействием положительно заряженной частицы — электрофила. В общем случае, катализатором таких реакций являются кислоты.
Общая схема первой стадии реакции электрофильного присоединения:
Алкины способны присоединять одну или две молекулы галогена с образованием соответствующих галогенпроизводных:
Галогенирование алкинов идёт как транс-присоединение (как правило) и протекает по аналогии с галогенированием алкенов.
Вместе с тем, присоединение по тройной связи идёт труднее, чем по двойной, в связи с чем при наличии в соединении как двойной, так и тройной связи, возможно провести избирательное присоединение:
Присоединение хлороводорода и бромоводорода к алкинам происходит по аналогии с алкенами.
Реакция идёт в две стадии: сперва образуется галогеналкен, который далее переходит в дигалогеналкан:
Несмотря на бо́льшую электроотрицательность галогенов, обе стадии реакции идут по правилу Марковникова.
Ацетилен способен в присутствии катализаторов присоединять углеводороды с образованием новых С-С связей[20]:
или
Реакции нуклеофильного присоединения
Нуклеофильное присоединение к алкинам инициируется под воздействием отрицательно заряженной частицы — нуклеофила. В общем случае, катализатором таких реакций являются основания.
Общая схема первой стадии реакции нуклеофильного присоединения:
Типовые реакции нуклеофильного присоединения
Характерным примером реакции нуклеофильного присоединения является «реакция Фаворского» — присоединение спиртов в присутствии щелочей с образованием алкенильных эфиров:
Первичные амины под действием оснований присоединяются к алкинам с образованием иминов[23]:
По аналогии ацетилен реагирует с аммиаком, образуя этилиденимин[20]:
При высокой температуре в присутствии катализатора имин дегидрируется и превращается в ацетонитрил:
В среде очень сильных оснований (например: КОН+ДМСО) ацетилен реагирует с сероводородом, образуя дивинилсульфид[20]:
В присутствии перекисей или других условиях, способствующих образованию свободных радикалов, присоединение к алкинам идёт по радикальному механизму — против правила Марковникова («эффект Караша»):
* — В присутствии оснований реакция идёт по нуклеофильному механизму.
Аналогично происходит присоединение карбенов:
Реакции этинилирования
Реакциями этинилирования называют реакции увеличения углеродного скелета алкинов с сохранением тройной связи. Они могут протекать как по электрофильному, так и нуклеофильному механизму в зависимости от среды и условий реакции, характера субстрата, а также типа используемого катализатора.
Получение ацетиленовых спиртов
В присутствии сильных оснований алкины с концевой тройной связью способны присоединять карбонильные соединения с образованием спиртов[14] («реакция Фаворского»):
Гидрирование алкинов водородом на гетерогенных катализаторах, как правило, приводит к образованию цис-присоединения[6]. Катализаторами гидрирования служат Ni, Pd, Pt, а также оксиды или комплексы Ir, Ru, Rh и некоторых других металлов.
На первой стадии образуется алкен, который практически сразу же гидрируется до алкана:
Для остановки реакции на стадии получения алкена используют катализаторы Линдлара (Pd/PbO/CaCO3) или борид никеля.
При гидрировании ацетилена на никель-кобальтовом катализаторе можно получить изобутилен:
По аналогии с реакциями алкенов, алкины вступают в реакцию восстановительного карбоксилирования.
В зависимости от условий реакции и типов катализаторов, конечными продуктами могут стать спирты, альдегиды или алканы:
Реакции окисления
Реакции окислительного присоединения
Алкины окисляются более трудно чем алкены, однако при контролируемом окислении можно сохранить C-C связь и получить в качестве продуктов реакции карбонильные соединения[16]:
В качестве окислителя может выступать озон (с последующим восстановлением и гидролизом озонида), KMnO4 в слабощелочной или нейтральной среде и некоторые другие вещества[16].
Ацетилен, в зависимости от окислителя может давать три продукта:
В 1887 году А.Е Фаворским была открыта изомеризация алкинов под действием сильных оснований (нуклеофильная атака)[6]. Эта реакция носит название Реакция Фаворского или ацетилен-алленовой перегруппировки:
Реакции олигомеризации, полимеризации и циклообразования
Реакции олигомеризации
В присутствии солей меди(I) и хлорида аммония в водной среде ацетилен вступает в реакцию олигомеризации с образованием винилацетилена:
Реакция может идти дальше с образованием дивинилацетилена:
Реакция была впервые открыта Ю. Ньюлендом и служит первой промышленной стадией для синтеза хлоропрена.
Реакции полимеризации
Впервые полимеризацию ацетилена осуществил Дж. Натта в 1957 году, пропуская газ над раствором катализатора Al(C2H5)3-Ti(OC4H9)4[25]:
В ходе реакции был получен полукристаллический полиацетилен.
Ацетилен под действием катализаторов — раскалённого активированного угля при 500 °С (реакция Зелинского) или органоникелевого катализатора (например, тетракарбонила никеля) при 60 °С и повышенном давлении (реакция Реппе) — достаточно легко циклотримеризуется, образуя бензол, а в других условиях (катализатор — цианид никеля(II) в ТГФ) — циклооктатетраен:
Для подтверждения наличия тройной связи в соединении используют методы спектроскопии. ИК спектры асимметричных алкинов имеют характеристические полосы при 2260—2100 см−1 (валентные колебания тройной связи), 3310-3300 см−1 (колебания С-Н связей) и деформационные колебания C-H при 700—610 см−1[13].
Из всех ацетиленовых углеводородов серьёзное промышленное значение имеет только ацетилен, который является важнейшим химическим сырьём.
Ацетилен используют для синтеза следующих продуктов:
тетрагидрофуран(конденсация ацетилена с формальдегидом с последующим гидрированием и дегидратацией) — важный растворитель, сырьё для уретановых полимеров;
бутадиен(дегидратация бутиленгликоля) — для получения бутадиеновых каучуков;
При горении ацетилена выделяется много тепла, что используется для резки и сварки металлов в ацетилен-кислородной сварке (расходуется до 30 % всего производимого ацетилена)[13].
В конце XIX — начале XX века широкой популярностью пользовались многочисленные ацетиленовые светильники (источником ацетилена служил дешёвый карбид кальция), используемые на железнодорожном и водном транспорте, для освещения улиц, в быту[31]. Несмотря на то, что сегодня массовое использование ацетиленовых фонарей ушло в прошлое, их выпуск и потребление не прекратились. Они производятся в небольших количествах как походное снаряжение[32].
Соловьев Ю. И.История химии: Развитие химии с древнейших времен до конца XIX в. Пособие для учителей.— 2-е изд., перераб.— М.: Просвещение, 1983.— С.208.
Строение тройной связи C≡C (раздел 6.1.)(неопр.).Интерактивный мультимедиа учебник "Органическая химия".Самарский ГУ, Кафедра органической, биорганической и медицинской химии.Дата обращения: 22 июля 2009.Архивировано из оригинала 9 мая 2013 года.
Хейнс А.Методы окисления органических соединений: Алканы, алкены, алкины и арены=Methods for the oxidation of organic compounds: Alkanes, Alkenes, Alkynes and Arenes/Перевод с англ., под редакцией И.П.Белецкой.— М.: Мир, 1988.— 400с.— ISBN 5-03-000149-2.
Марч Дж.Органическая химия. Реакции, механизмы и структура. Углубленный курс для университетов и химических вузов: в 4-х томах=Advanced organic chemistry. Reactions, Mechanisms and Structure/Пер. с англ., под редакцией И.П.Белецкой.— М.: Мир, 1988.— Т.4.— 468с.
Ли Дж.Именные реакции. Механизмы органических реакций=Name reactions/Пер. с англ. В.М.Демьянович.— М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006.— 363с.— ISBN 5-94774-368-X.
Марч Дж.Органическая химия. Реакции, механизмы и структура. Углубленный курс для университетов и химических вузов: в 4-х томах=Advanced organic chemistry. Reactions, Mechanisms and Structure/Пер. с англ., под редакцией И.П.Белецкой.— М.: Мир, 1988.— Т.3.— 173-174с.
Визер С. А., Ержанов К. Б.Синтез гетероциклов каталитической внутримолекулярной циклизацией ацетиленовых соединений// Избранные методы синтеза и модификации гетероциклов: Сборник / Под редакцией В. Г. Карцева.— М.: IBS PRESS, 2003.— Т. 2.— С. 95—96.— ISBN 5-93584-009-X.
Визер С. А.Образование гетероциклов при каталитическом карбонилировании ацетиленовых соединений// Избранные методы синтеза и модификации гетероциклов: Сборник / Под редакцией В. Г. Карцева.— М.: IBS PRESS, 2003.— Т. 2.— С. 63—64.— ISBN 5-93584-009-X.
Великородов А. В.Карбаматы и их производные в синтезе азотсодержащих гетероциклов// Избранные методы синтеза и модификации гетероциклов: Сборник / Под редакцией В. Г. Карцева.— М.: IBS PRESS, 2003.— Т. 2.— С. 37.— ISBN 5-93584-009-X.
Родиновская Л. А., Чунихин К. С., Шестопалов А. М.α-Нитрокарбонильные соединения, их производные и α,β-непредельные нитросоединения в синтезе гетероциклов// Избранные методы синтеза и модификации гетероциклов: Сборник / Под редакцией В. Г. Карцева.— М.: IBS PRESS, 2003.— Т. 2.— С. 414.— ISBN 5-93584-009-X.
Миллер С.Ацетилен, его свойства, получение и применение/Пер. с английского.— М.: «Наука», 1969.— 680с.
Общая органическая химия. Стереохимия, углеводороды, галогенсодержащие соединения=Comprehensive Organic Chemistry/Под ред. Д.Бартона и В.Д.Оллиса.— М.: «Химия», 1981.— Т.1.— С.257—270.
Темкин О.Н., Шестаков Г.К., Трегер Ю.А.Ацетилен: Химия. Механизмы реакций. Технология.— М.: «Химия», 1991.— 416с.— ISBN 5724505746.
Темкин О.Н., Флид Р.М.Каталитические превращения ацетиленовых соединений в растворах комплексов металлов.— М.: «Наука», 1968.— 212с.
Трофимов Б.А.Гетероатомные производные ацетилена.— М.: «Наука», 1981.— 319с.
Henning Hopf.Polyynes, Arynes, Enynes, and Alkynes/Houben-Weyl Methods of Organic Chemistry. Series Science of synthesis (V. 43).— 5.— Thieme Medical Pub, 2008.— 850p.— ISBN 9783131189615.