Alkyner ( acetyleniska kolväten ) är acykliska omättade kolväten som innehåller en trippelbindning mellan kolatomer och bildar en homolog serie med den allmänna formeln C n H 2n-2 .
Kolatomerna vid trippelbindningen är i ett tillstånd av sp-hybridisering och har en bindningsvinkel på 180°. Den enklaste alkynen är acetylen (C 2 H 2 ).
Enligt IUPAC- nomenklaturen bildas namnen på alkyner av namnen på motsvarande alkaner genom att ersätta suffixet " -an " med " -in "; positionen för trippelbindningen indikeras med en arabisk siffra.
Acetylen erhölls först 1836 av den engelske kemisten Edmund Davy (kusin till den berömda engelske kemisten Humphrey Davy ), genom att värma kaliumacetat med träkol och sedan reagera den resulterande kaliumkarbiden med vatten [1] . Davy döpte sin gas till "tvåkolväte".
År 1862 återupptäckte den tyske kemisten och läkaren F. Wöhler acetylen genom att reagera vatten med kalciumkarbid .
År 1863 erhöll den franske kemisten M. Berthelot acetylen genom att passera väte över grafitelektroder som värmdes upp av en elektrisk ljusbåge [2] . Det var han som gav namnet " acetylen " till gasen (från de latinska orden acetum - "vinäger" och det grekiska ile - "träd"). Det ryska namnet "acetylen" användes först av den ryske kemisten D. I. Mendeleev [3] .
En viktig roll i studiet av acetylens kemi och dess derivat i slutet av 1800-talet spelades av den ryska organiska kemisten A. E. Favorsky .
1895 upptäckte den franske kemisten Louis Le Chatelier att acetylen, som brinner i syre , ger en mycket het låga, som sedan utgjorde grunden för acetylenteknologin för svetsning och skärning av eldfasta metaller [4] .
Den enklaste alkynen är etyn (acetylen C 2 H 2 ) . Enligt IUPAC- nomenklaturen bildas namnen på alkyner från namnen på motsvarande alkaner genom att ersätta suffixet "-an" med "-in"; positionen för trippelbindningen anges med arabiska siffror.
Kolväteradikaler härledda från alkyner har suffixet "-inyl", så CH≡C- kallas "etynyl ".
Nedan är några representanter för alkyner och deras namn:
Man skiljer på en intern trippelbindning (exempel: but-2-in) och en terminal (exempel: but-1-in).
Homolog serie av alkyner :
I alkyner är −С≡С−bindningen linjär (vinkel 180°) och ligger i samma plan. Kolatomer är sammanlänkade med en σ- och två π-bindningar, vars maximala elektrondensitet är belägen i två ömsesidigt vinkelräta plan [5] . Längden på trippelbindningen är ungefär 0,121 nm, bindningsenergin är 836 kJ/mol.
Diagrammet ovan visar molekylorbitalerna för eten och acetylen .
Alkyner liknar motsvarande alkener i sina fysikaliska egenskaper . De lägre (upp till C 4 ) är färglösa och luktfria gaser med högre kokpunkter än sina motsvarigheter i alkener. Alkyner är dåligt lösliga i vatten, bättre i organiska lösningsmedel.
Fysikaliska egenskaper hos vissa alkyner [6] [7] | |||||
---|---|---|---|---|---|
Nej. | namn | Formel | T smältning, ° С | Koktemperatur, ° С | Densitet, d 20 4 |
ett | Etin | C2H2 _ _ _ | −81,8 | −75 | 0,565* |
2 | propyn | C3H4 _ _ _ | −101,5 | −23 | 0,670* |
3 | Butin -1 | HC≡C−CH 2 CH 3 | −125,9 | 8.1 | 0,678* |
fyra | Butin -2 | CH3 - C≡C - CH3 | −32.3 | 27,0 | 0,694 |
5 | Pentin-1 | HC≡C − C3H 7 | −90,0 | 39,3 | 0,695 |
6 | Pentin-2 | CH3 - C≡C - C2H 5 | −101,0 | 55,0 | 0,714 |
7 | 3-metylbutin-1 | HC≡C−CH( CH3 ) CH3 | n/a | 28,0 | 0,665 |
åtta | Geksin-1 | HC≡C − C4H 9 | −132,4 | 71,4 | 0,719 |
* Värden uppmätta vid kokpunkten.
Alkyner finns nästan aldrig i naturen. I vissa arter av Basidiomycetes- svampar hittades föreningar innehållande polyacetylenstrukturer i extremt små mängder [8] .
Acetylen har hittats i atmosfären hos Uranus [9] , Jupiter [10] och Saturnus [11] .
Alkyner har en svag bedövningseffekt. Flytande alkyner orsakar kramper [12] .
Den huvudsakliga industriella metoden för att framställa acetylen är elektro- eller termisk krackning av metan , pyrolys av naturgas och karbidmetoden.
Kalcinering av en blandning av kalciumoxid med koks i elektriska ugnar vid 1800–2000°C leder till bildning av kalciumkarbid :
När vatten verkar på den resulterande karbiden, bildas kalciumhydroxid och acetylen :
Kärnan i metoden är att passera en blandning av naturgas med luft över ett speciellt eldfast munstycke , som, när det bränns, höjer temperaturen till 1500 ° C. Sedan sker metanpyrolys på förpackningen [13] :
Metoden består i att med hög hastighet föra metan mellan två metallelektroder. Temperatur 1500-1600°C. Ur en kemisk synvinkel liknar metoden pyrolysmetoden, och skiljer sig endast i teknisk och hårdvarudesign [14] .
Termisk-oxidativ sprickbildningDenna metod använder partiell oxidation av metan på grund av användningen av värme som genereras under dess förbränning [14] :
Interaktionen av kol direkt med väte vid mycket höga temperaturer leder till bildandet av acetylen:
Denna metod är av rent historisk betydelse (framställningen av acetylen 1863 av den franske kemisten M. Berthelot ).
År 1864 fick F.A. Kekule erhöll acetylen genom elektrolys av fumarat och natriummaleat [15] :
På liknande sätt bildas acetylen av natriumakrylat .
Denna metod är rent historisk.
Dehydrohalogeneringsreaktionen utförs genom verkan av en stark bas på dihaloalkaner:
Det är bekvämt att använda natriumamid i flytande ammoniak som ett dehydrohalogeneringsmedel [16] :
Alkylering av alkyner med en terminal trippelbindning utförs enligt följande schema:
Det första steget är bildandet av dibromoalken:
I det andra steget byts brom ut mot litium och alfa-eliminering sker, följt av omvandlingen av vinyliden till alkyn som ett resultat av Fritsch-Buttenberger-Wichel-omlagringen:
Alkyner kännetecknas av additionsreaktioner . Till skillnad från alkener , som kännetecknas av elektrofila additionsreaktioner , kan alkyner också ingå i nukleofila additionsreaktioner . Detta beror på bindningens betydande s-karaktär och, som en konsekvens, den ökade elektronegativiteten hos kolatomen. Dessutom bestämmer den höga rörligheten hos väteatomen i trippelbindningen de sura egenskaperna hos alkyner i substitutionsreaktioner .
Alkyner med en terminal trippelbindning är C-H-syror (starkare än ammoniak och alkener , men svagare än alkoholer ) som kan bilda salter med mycket starka baser - alkynider [6] :
( propynylmagnesiumbromid )
Reaktionen av alkyner med silver eller envärda kopparammoniater är en kvalitativ reaktion för närvaron av en terminal trippelbindning [6] :
Silverpropynid är en vit fällning, kopparpropynid är en gul fällning och slutligen är koppardiacetylenid en röd fällning.
Silveralkynid löser sig lätt vid tillsats av natriumcyanid med frisättning av motsvarande alkyn [8] :
Alkynidnukleofila substitutionsreaktioner
Alkynider är starka nukleofiler och går lätt in i nukleofila substitutionsreaktioner :
Detta, i synnerhet, används ofta för syntes av acetylenhomologer:
Framställning av alkynhalider
Interaktionen av halogen på monosubstituerade acetylener i ett alkaliskt medium leder till produktion av haloalkyner [14] :
Alkynid nukleofil substitutionsreaktion
I den preparativa syntesen används ofta ett komplex av litiumacetylid med etylendiamin som en lämplig källa för acetylenidanjon [8] .
I fallet med en reaktion med sekundära eller tertiära haloalkaner följer reaktionen till stor del en alternativ väg (eliminering):
Andra reaktioner
Klorering av acetylen med koppar(II)klorid i vattenlösningar av CuCl leder till bildning av dikloracetylen [20] :
Acetylenkondensering
Acetylenkondensation , eller på annat sätt Hodkevich-Kadio-reaktionen , består i interaktionen av acetyleniska kolväten med brom eller jodalkyner för att bilda diacetylener [21] :
Kurtz-reaktionen fortskrider på liknande sätt (katalysator är kopparacetylenid):
Framställning av acetylenaminer
Reaktionen äger rum i närvaro av koppar(I)-salter.
Elektrofil addition till alkyner initieras under påverkan av en positivt laddad partikelelektrofil . I allmänhet är syror katalysatorer för sådana reaktioner .
Det allmänna schemat för det första steget av den elektrofila additionsreaktionen:
Halogeneringsreaktioner
Alkyner kan lägga till en eller två halogenmolekyler för att bilda motsvarande halogenderivat:
Halogeneringen av alkyner fortskrider som en transaddition (som regel) och fortsätter i analogi med halogeneringen av alkener .
Samtidigt är addition till en trippelbindning svårare än en dubbelbindning, och därför, om både en dubbel- och en trippelbindning finns i föreningen, är det möjligt att utföra selektiv addition:
Hydrohalogeneringsreaktioner
Tillsatsen av väteklorid och vätebromid till alkyner sker i analogi med alkener. Reaktionen fortskrider i två steg: först bildas en haloalken, som sedan övergår i en dihaloalkan:
Trots den större elektronegativiteten hos halogener fortsätter båda stegen av reaktionen enligt Markovnikovs regel .
HydrationI närvaro av kvicksilversalter tillsätter alkyner vatten för att bilda acetaldehyd (för acetylen ) eller keton (för andra alkyner). Denna reaktion är känd som " Kucherov-reaktionen ".
Man tror att hydreringsprocessen går igenom enolbildningsstadiet :
Karbonyleringsreaktioner
Karbonyleringsreaktioner upptäcktes i laboratoriet av den tyske kemisten W. Reppe 1939 [ 20] .
där X: OH, OR, OCOR, NH2 , etc.
Reaktionen katalyseras av nickel eller palladiumkarbonyler [22] .
Separat är det värt att nämna reaktionen av oxidativ karboklorering:
Andra elektrofila additionsreaktioner
Interaktionen mellan ättiksyra och acetylen bildar vinylacetat :
Acetylenkolväten tillsätter CO 2 och sekundära aminer för att bilda amider :
eller
Nukleofil addition till alkyner initieras under påverkan av en negativt laddad partikel -nukleofil . I allmänhet är baser katalysatorn för sådana reaktioner . Allmänt schema för det första steget av den nukleofila additionsreaktionen:
Typiska nukleofila additionsreaktioner
I analogi reagerar acetylen med ammoniak och bildar etylidenimin [20] :
Vid hög temperatur, i närvaro av en katalysator, dehydreras iminen och omvandlas till acetonitril :
I närvaro av peroxider eller andra tillstånd som främjar bildandet av fria radikaler, fortsätter tillägg till alkyner enligt en radikalmekanism - mot Markovnikov-regeln (" Karash-effekten "):
Enligt mekanismen för fria radikaler * kan reaktionen av alkyner med tioler fortgå:
* - I närvaro av baser fortskrider reaktionen enligt den nukleofila mekanismen.
På liknande sätt sker tillsatsen av karbener:
Etynyleringsreaktioner kallas reaktioner för att öka kolskelettet av alkyner med bevarandet av trippelbindningen. De kan fortsätta med både elektrofila och nukleofila mekanismer, beroende på mediet och reaktionsbetingelserna, substratets natur och typen av katalysator som används.
Erhålla acetylenalkoholerI närvaro av starka baser kan alkyner med en terminal trippelbindning tillsätta karbonylföreningar för att bilda alkoholer [14] (" Favorsky-reaktion "):
Den viktigaste reaktionen från denna grupp är tillsatsen av formaldehyd till acetylen med bildning av propargylalkohol och sedan butyn-2-diol-1,4 * :
* Butyn-2-diol-1,4 är en viktig mellanprodukt för produktionen av butylenglykol, y-butyrolakton , isopren och tetrahydrofuran .
Denna reaktion utvecklades 1925 av V. Reppe (" Favorsky-Reppe reaktion "). Det fortsätter vid högt tryck i närvaro av kopparacetylenid.
Framställning av acetyleniska estrar och syrorAcetylensyror eller deras estrar kan erhållas genom Zuzhi-reaktionen [20] :
Katalysatorer : PdCl2 , CuCl .
Hydrogenering av alkyner med väte på heterogena katalysatorer leder som regel till bildning av cis -addition [6] . Hydrogeneringskatalysatorer är Ni , Pd , Pt , såväl som oxider eller komplex av Ir , Ru , Rh och några andra metaller.
I det första steget bildas en alken , som hydreras nästan omedelbart till en alkan :
För att stoppa reaktionen vid alkenproduktionsstadiet används Lindlar-katalysatorer (Pd/PbO/CaCO 3 ) eller nickelborid.
När acetylen hydreras på en nickel-koboltkatalysator kan isobuten erhållas :
Homogen hydrering
Homogen hydrering utförs med natriumamid i flytande ammoniak eller litiumaluminiumhydrid i tetrahydrofuran . Under reaktionen bildas trans -alkener.
Hydroboration
Alkyner lägger lätt till diboran mot Markovnikovs regel och bildar cis -alkenylboraner:
Reaktionen är intressant genom att ytterligare alkenylboraner lätt omvandlas till motsvarande cis -alkener genom en enkel verkan av ättiksyra [18] :
eller oxidera H 2 O 2 till en aldehyd eller keton [18] :
Reduktiv karboxylering
I analogi med reaktionerna av alkener går alkyner in i en reduktiv karboxyleringsreaktion.
Beroende på reaktionsförhållanden och typer av katalysatorer kan alkoholer , aldehyder eller alkaner vara slutprodukter :
Alkyner är svårare att oxidera än alkener , men med kontrollerad oxidation kan CC-bindningen bevaras och karbonylföreningar kan erhållas som reaktionsprodukter [16] :
Ozon (med efterföljande reduktion och hydrolys av ozonid), KMnO 4 i ett svagt alkaliskt eller neutralt medium, och några andra ämnen kan fungera som ett oxidationsmedel [16] .
Acetylen , beroende på oxidationsmedlet, kan ge tre produkter:
( glyoxal ) — oxidation av utspädd HNO 3 i närvaro av PdCl 2 och NaNO 2 [20] .
( glyoxalsyra ) - oxidation av KClO 3 i substratet vatten + dietyleter [16] .
( oxalsyra ) - oxidation av KMnO 4 i en sur miljö eller HNO 3 i närvaro av PdCl 2 .
En separat typ av reaktioner är oxidativa karboxyleringsreaktioner.
I lösningar av palladiumkomplex bildas estrar av maleinsyra:
Oxidativa klyvningsreaktioner
Under inverkan av starka oxidationsmedel under svåra förhållanden oxideras alkyner med brytandet av trippelbindningen. Under reaktionen bildas karboxylsyror och CO 2 :
Oxidativa kopplingsreaktioner
I närvaro av koppar (II) salter i en alkohollösning av ammoniak , oxideras alkyner av atmosfäriskt syre till diacetylener (" Glaser-reaktion "):
Reaktionen för acetylen kan gå med bildandet av polyiner:
Denna reaktion utgjorde grunden för syntesen av karbin [24] .
År 1887 upptäckte A.E. Favorsky isomeriseringen av alkyner under inverkan av starka baser (nukleofil attack) [6] . Denna reaktion kallas Favorsky-reaktionen eller acetylen-allen-omlagring:
I närvaro av koppar (I) salter och ammoniumklorid i ett vattenhaltigt medium går acetylen in i en oligomeriseringsreaktion för att bilda vinylacetylen :
Reaktionen kan gå längre med bildandet av divinylacetylen:
Reaktionen upptäcktes först av Y. Newland och fungerar som det första industriella steget för syntesen av kloropren .
PolymerisationsreaktionerFör första gången utfördes polymerisation av acetylen av J. Natta 1957 , där gas passerade över en lösning av Al(C 2 H 5 ) 3 -Ti(OC 4 H 9 ) 4 -katalysator [25] :
Reaktionen gav halvkristallin polyacetylen .
Polyacetylen är intressant genom att genom att införa vissa tillsatser i den ( doping ), är det möjligt att erhålla en elektriskt ledande polymer med metalliska egenskaper [25] .
CykloformationsreaktionerAcetylen under inverkan av katalysatorer - varmt aktivt kol vid 500 ° C ( Zelinsky-reaktion ) eller en organokkelkatalysator ( till exempel nickeltetrakarbonyl ) vid 60 ° C och förhöjt tryck ( Reppe-reaktion ) - cyklotrimeriserar ganska lätt och bildar bensen , och under andra förhållanden (katalysator - nickel (II) cyanid i THF) - cyklooktatetraen :
Cykling i närvaro av kol(II)oxid leder till produktion av bensokinon [13] :
En viktig förmåga hos alkyner är deras förmåga att ingå i Diels-Alder-reaktionen :
Reaktioner för bildning av heterocykler Bildning av pyrrolderivatInteraktionen mellan acetylen och ketonoximer i närvaro av en superbas leder till bildandet av en pyrrolring ( Trofimov-reaktion ) [26] :
Heterocyklisering fortskrider vid en temperatur av 70-120°C i ett dimetylsulfoxidmedium .
Det finns också alternativa syntesalternativ [27] :
Bildning av derivat av furan
Behandling av alkyner med vattenånga och CO i närvaro av en rodiumkatalysator vid ett tryck av 10 MPa och 100°C resulterar i bildning av furanderivat [28] :
Bildning av andra heterocykler
Här är några fler exempel på bildandet av heterocykler med hjälp av alkyner [29] [30] :
En kvalitativ reaktion på alkyner med en terminal trippelbindning är växelverkan mellan alkyn och silver- eller kopparammoniak ( för detaljer, se underavsnitt : " Bildning av alkynider ").
För att bekräfta närvaron av en trippelbindning i en förening används spektroskopimetoder . IR-spektra för asymmetriska alkyner har karakteristiska band vid 2260–2100 cm– 1 (trippelbindningssträckningsvibrationer), 3310–3300 cm– 1 (CH-bindningsvibrationer) och CH-böjningsvibrationer vid 700–610 cm– 1 [13] .
Av alla acetyleniska kolväten är endast acetylen , som är den viktigaste kemiska råvaran, av allvarlig industriell betydelse.
Acetylen används för att syntetisera följande produkter:
Vid förbränning av acetylen frigörs mycket värme, som används för skärning och svetsning av metaller vid oxy-acetylensvetsning (upp till 30 % av den totala producerade acetylenen förbrukas) [13] .
I slutet av 1800-talet och början av 1900-talet användes många acetylenlampor (billig kalciumkarbid som källan till acetylen) i stor utsträckning inom järnvägs- och vattentransporter, för gatubelysning och i vardagen [31] . Trots att massanvändningen av acetylenlyktor idag är ett minne blott, har deras produktion och konsumtion inte slutat. De tillverkas i små mängder som campingutrustning [32] .
kolväten | |
---|---|
Alkaner | |
Alkenes | |
Alkyner | |
dienes | |
Andra omättade | |
Cykloalkaner | |
Cykloalkener | |
aromatisk | |
Polycyklisk | Dekalin |
Polycykliska aromater | |
|
Klasser av organiska föreningar | |
---|---|
kolväten | |
Syrehaltig | |
Kvävehaltig | |
Svavel | |
Fosforhaltig | |
haloorganiska | |
organosilikon | |
Organoelement | |
Andra viktiga klasser |