3. Алкины. Методы синтеза и важнейшие свойства алкинов. Ацетилен.

Алкины — алифатические непредельные углеводороды, в молекулах которых между углеродными атомами имеется одна тройная связь.

Углеводороды ряда ацетилена являются еще более непредельными соединениями, чем соответствующие им алкены (с тем же числом углеродных атомов). Это видно из сравнения числа атомов водорода в ряду:

Алкины образуют свой гомологический ряд с общей формулой, как и у диеновых углеводородов СnH2n-2

Первым и основным представителем гомологического ряда алкинов является ацетилен (этин) С2Н2. Строение его молекулы выражается формулами:

Н—С≡С—Н или Н:С:::С:Н

структурная электронная

формула формула

По названию первого представителя этого ряда — ацетилена — эти непредельные углеводороды называют ацетиленовыми.

В алкинах атомы углерода находятся в третьем валентном состоянии (sp-гибридизация). В этом случае между углеродными атомами возникает тройная связь, состоящая из одной s- и двух p-связей. Длина тройной связи равна 0,12 нм, а энергия ее образования составляет 830 кДж/моль. Модели пространственного строения ацетилена представлены на рис. 1.

Номенклатура. По систематической номенклатуре ацетиленовые углеводороды называют, заменяя в алканах суффикс -ан на суффикс -ин. В состав главной цепи обязательно включают тройную связь, которая определяет начало нумерации. Если молекула содержит одновременно и двойную, и тройную связи, то предпочтение в нумерации отдают двойной связи:

СН3

|

Н—С≡С—СН2—СН3 Н3С—С≡С—СН3 Н2С=С—СН2—С≡СН

бутин-1 бутин-2 2-метилпентен-1-ин-4

(этилацетилен) (диметилацетилен)

Получение алкинов

Ацетилен в промышленности и в лаборатории можно получать следующими способами:

1. Высокотемпературным разложением (крекинг) природного газа — метана:

2СН₄ 1500°C= НС≡СН + 3Н₂

или этана:

С₂Н₆ 1200°C= НС≡СН + 2Н₂

2. Разложением водой карбида кальция СаС₂, который получают спеканием негашеной извести СаО с коксом:

СаО + 3C 2500°C= CaC₂ + CO

СаС₂ + 2Н₂O = НС≡СН + Са(ОН)₂

3. В лаборатории производные ацитилена можно синтезировать из дигалогенопроизводных, содержащих два атома галогена при одном или соседних углеродных атомах, действием спиртового раствора щелочи:

Вr

|

Н3С—СН—СН—СН3 + 2КОН = Н3С—С≡С—СН3 + 2KBr + 2Н2О

|

Br

2,3-дибромбутан бутин-2

(диметилацетилен)

Физические свойства. Ацетиленовые углеводороды, содержащие в молекуле от двух до четырех углеродных атомов (при обычных условиях), — газы, начиная с C5H8 — жидкости, а высшие алкины (с С16Н30 и выше) — твердые вещества.

Химические свойства. Химические свойства алкинов определяются тройной связью, особенностями ее строения. Алкины способны вступать в реакции присоединения, замещения, полимеризации и окисления.

Реакции присоединения. Будучи непредельными соединениями, алкины вступают в первую очередь в реакции присоединения. Эти реакции протекают ступенчато: с присоединением одной молекулы реагента тройная связь вначале переходит в двойную, а затем, по мере дальнейшего присоединения, — в одинарную. Казалось бы, алкины, обладая двумя p-связями, гораздо активнее должны вступать в реакции электрофильного присоединения. Но это не совсем так. Углеродные атомы в молекулах алкинов расположены ближе друг к другу, чем в алкенах, и обладают большей электроотрицательностью. Это связано с тем, что электроотрицательность атома углерода зависит от его валентного состояния. Поэтому p-электроны, находясь ближе к ядрам углерода, проявляют несколько меньшую активность в реакциях электрофильного присоединения. Кроме того, сказывается, близость положительно заряженных ядер атомов, способных отталкивать приближающиеся электрофильные реагенты (катионы). В то же время алкины могут вступать в реакции нуклеофильиого присоединения (со спиртами, аммиаком и др.).

1. Гидрирование. Реакция протекает в тех же условиях, что и в случае алкенов (катализаторы Pt, Pd, Ni). При восстановлении алкинов вначале образуются алкены, а затем — алканы:

H2 H2

HC≡CH —® H2C=CH2 —® H3C—CH3

ацетилен этилен этан

2. Галогенирование. Эта реакция протекает с меньшей скоростью, чем в ряду этиленовых углеводородов. Реакция также проходит сту пенчато:

Br2 Br2

HC≡CH —® CHBr=CHBr —® CHBr2—CHBr2

1,2-дибромэтан 1,1,2,2-тетрабромэтан

3. Гидрогалогенирование. Реакции присоединения галогеноводородов, как и галогенов, идут в основном по механизму электрофильного присоединения:

HCl

HC≡CH + HCl —® H₂C=CHCl —® H₃C—CHCl₂

хлорэтен 1,1-дихлорэтан

(хлористый винил)

Вторая молекула галогеноводорода присоединяется в соответствии с правилом Марковникова.

4. Присоединение воды (реакция М.Г.Кучерова,. 1881). Катализатор — соль ртути:

виниловый спирт уксусный альдегид

(промежуточный неустойчивый продукт)

Неустойчивое промежуточное соединение — виниловый спирт — перегруппировывается в уксусный альдегид.

5. Присоединение синильной кислоты:

акрилонитрил

Акрилонитрил — ценный продукт. Он используется в качестве мономера для получения синтетического волокна — нитрон.

6. Присоединение спирта. В результате этой реакции образуются простые виниловые эфиры (реакция А. Е.Фаворского):

НС≡СН + HO—C₂H₅ KOH H₂C=CH—O—C₂H₅

этилвиниловый эфир

Присоединение спиртов в присутствии алкоголятов — типичная реакция нуклеофильного присоединения.

Реакции замещения. Водородные атомы в ацетилене способны замещаться на металлы (реакция металлирования). В результате образуются металлические производные ацетилена — ацетилениды. Такую способность ацетилена можно объяснить следующим образом. Углеродные атомы ацетилена, находясь в состоянии sp-гибридизации, отличаются, как известно, повышенной электроотрицательностью (по сравнению с углеродами в других гибридных состояниях). Поэтому электронная плотность связи С—H несколько смещена в сторону углерода и атом водорода приобретает некоторую подвижность:

d+ d- d- d+

H ® C≡C ¬ H

Но эта "подвижность", конечно, несравнима со "свободой" протона в настоящих кислотах: соляная кислота, например, почти в 1033 раз сильнее по кислотности, чем ацетилен. Но и такая подвижность водорода достаточна, чтобы произошла его замена на металл в щелочной средe. Так, при действии на ацетилен аммиачного раствора оксида серебра образуется ацетиленид серебра:

HC≡CH + 2[Ag(NH₃)₂]OH Ag—C≡C—Ag + 4NH₃ + 2H₂O

ацетиленид серебра

С ацетиленидами в сухом виде следует обращаться очень осторожно: они крайне взрывоопасны.

Реакция изомеризации. Ацетиленовые углеводороды, как алканы и алкены, способны к изомеризации с перемещением тройной связи:

Н₃С—СН₂—С≡СН Na(спирт р-р) Н₃С—С≡С—СН₃

бутин-1 бутин-2

Реакции полимеризации. Ацетилен в зависимости от условий реакции способен образовывать различные продукты полимеризации — линейные или циклические:

Cu2Cl2

НС≡СН + НС≡СН —®НС≡СН—CН=CH2

80°C винилацетилен

(бутен-1-ин-3)

Эти вещества представляют большой интерес. Например, при присоединении к винилацетилену хлороводорода образуется хлоропрен, который в качестве мономера используется в производстве хлоропренового каучука:

Н2С=СН—C≡CH + 2HCl ® Н2С=С—СН==СН2

|

С1

винилацетилен хлоропрен

Реакция окисления. Ацетилены легко окисляются. При этом происходит разрыв молекулы по месту тройной связи. Если ацетилен пропускать через окислитель (водный раствор перманганата калия), то раствор быстро обесцвечивается. Эта реакция является качественной на кратные (двойные и тройные) связи:

3НС≡СН + 10KMnO₄ + 2H₂O ® 6CO₂ + 10КОН + 10MnO₂

При полном сгорании ацетилена на воздухе образуются два продукта оксид углерода (IV) и вода:

2НС≡СН + 5O₂ 4СO₂ + 2Н₂O

При неполном сгорании образуется углерод (сажа):

НС≡СН + O₂ С + СО + Н₂О

Ацетилен (этин) – углеводород состава С₂Н₂, содержащий тройную углерод-углеродную связь. Название этого соединения уже более ста лет знакомо не только химикам. С конца 19 в., когда был разработан дешевый способ получения ацетилена из карбида кальция (СаС₂ + 2Н₂О С₂Н₂ + Са(ОН)₂), этот газ стали использовать для освещения. В пламени при высокой температуре ацетилен, содержащий 92,3% углерода (это своеобразный химический рекорд), разлагается с образованием твердых частичек углерода, которые могут иметь в своем составе от нескольких до миллионов атомов углерода. Сильно накаливаясь во внутреннем конусе пламени, эти частички обуславливают яркое свечение пламени – от желтого до белого, в зависимости от температуры (чем горячее пламя, тем ближе его цвет к белому). Ацетиленовые горелки давали в 15 раз больше света, чем обычные газовые фонари, которыми освещали улицы. Постепенно они были вытеснены электрическим освещением, но еще долго использовались в небольших фонарях на велосипедах, мотоциклах, в конных экипажах.

Впервые ацетилен получил в 1836 Эдмунд Дэви, двоюродный брат знаменитого Гемфри Дэви. Он подействовал водой на карбид калия:

К₂С₂ + Н₂О С₂Н₂ + 2КОН

и получил новый газ, который назвал двууглеродистым водородом. Он был, в основном, интересен химикам с точки зрения теории строения органических соединений. Сначала Бертло получал ацетилен, пропуская пары этилена, метилового и этилового спирта через раскаленную докрасна трубку. В 1862 он сумел синтезировать ацетилен из элементов, пропуская водород через пламя вольтовой дуги между двумя угольными электродами, а в 1867 сделал очень важное для химической теории открытие: показал, что из трех молекул ацетилена можно получить молекулу бензола: 3С2Н2 С6Н6.

Все упомянутые методы синтеза имели только теоретическое значение, и ацетилен был редким и дорогим газом, пока не был разработан дешевый способ получения карбида кальция прокаливанием смеси угля и негашеной извести: СаО + 3С СаС₂ + СО. В течение длительного времени ацетилен для технических нужд (например, на стройках) получали «гашением» карбида водой. Полученный из технического карбида кальция ацетилен имеет неприятный запах из-за примесей аммиака, сероводорода, фосфина РН3, арсина AsH₃. Сейчас широко применяются методы получения ацетилена из природного газа – метана: электрокрекинг 2СН₄ С₂Н₂ + 3Н₂ (струю метана пропускают между электродами при температуре 1600° С и быстро охлаждают, чтобы предотвратить разложение ацетилена); термоокислительный крекинг (неполное окисление) 6СН₄ + 4О₂ С2Н2 + 8Н₂ + 3СО + СО₂ + 3Н₂О (в реакции используют теплоту частичного сгорания ацетилена).

Чистый ацетилен при охлаждении сжижается при –83,8° С, а при дальнейшем понижении температуры быстро затвердевает. Он умеренно растворим в воде (1150 мл в 1 л воды при 15° С и атмосферном давлении) и хорошо в органических растворителях, особенно в ацетоне (25 л в 1 л ацетона при тех же условиях и 300 л под давлением 12 атм). Термодинамически ацетилен неустойчив; он взрывается при нагревании до 500° С, а при обычной температуре – при повышении давления до 2 атм. Поэтому его хранят в баллонах, наполненных пористым инертным материалом, который пропитан ацетоном.

Ацетилен используют для так называемой автогенной сварки и резки металлов. Для этого нужны два баллона с газами – с кислородом (он окрашен в голубой цвет) и с ацетиленом (белого цвета). Газы из баллонов поступают в специальную горелку. Еще в 1895 году было обнаружено, что при сгорании ацетилена в кислороде получается очень горячее пламя; максимальная его температура (3150° С) достигается при содержании ацетилена 45% по объему. В таком пламени очень быстро расплавляются даже толстые куски стали.

Химия ацетилена впервые была детально изучена в работах академика А.Е.Фаворского (1860–1945). Оказалось, что ацетилен может служить исходным продуктом для синтеза многих более сложных органических соединений. Эта область применения ацетилена в настоящее время является самой обширной. Ацетилен – реакционноспособное соединение, вступающее в многочисленные реакции. В 1881 М.Г.Кучеров открыл реакцию присоединения к ацетилену воды в присутствии катализатора – солей ртути, при этом образуется ацетальдегид: С₂Н₂ + Н₂О СН₃СНО. Из ацетальдегида далее получают уксусную кислоту, ацетон, спирт.

В 1949 немецкий химик В.Ю.Реппе открыл важную реакцию карбонилирования (присоединения СО) ацетилена в присутствии никелевого катализатора: С₂Н₂ + СО + Н2О СН₂=СН–СООН. Образующаяся в этой реакции непредельная акриловая кислота используется для получения разнообразных полимеров – акрилатов (к ним относится и органическое стекло – полиметилметакрилат). А присоединение к ацетилену синильной кислоты дает другой важнейший продукт – нитрил акриловой кислоты (акрилонитрил): C₂H₂ + HCN CH₂=CH–CN. Его полимеризацией получают очень важные полиакрилонитрильные полимеры, из которых делают искусственные волокна, пластики, каучуки.

Галогены и гидрогалогены (последние – в присутствии катализаторов) легко присоединяются к ацетилену с образованием сначала замещенных этилена, затем – этана, например: HC≡CH + Cl₂ ClCH=CHCl, ClCH=CHCl + Cl₂ CHCl₂–CHCl₂; HC≡CH + HCl CH₂=CHCl, CH₂=CHCl + HCl CH₃–CHCl₂ (последние две реакции идут по правилу Марковникова). Образующиеся хлорпроизводные широко используются в качестве полупродуктов для дальнейших синтезов, а также как растворители (например, в химчистке).

Ацетилен является слабой кислотой, в присутствии сильных оснований возможна ионизация этой связи с образованием ацетиленид-иона Н≡С–С–. Возможна ионизация и второй связи С–Н, поэтому при пропускании ацетилена в аммиачные растворы солей серебра и меди(I) образуются белый ацетиленид серебра C₂Ag₂ и красно-бурый ацетиленид меди C₂Cu₂. Оба соединения нерастворимы и выпадают в осадок; в сухом виде они они являются взрывчатыми веществами. Карбид кальция СаС₂ также можно рассматривать как ацетиленид. Эти солеобразные соединения имеют ионную кристаллическую решетку, в узлах которой находятся катионы металла и анионы С₂^2–.

В кислой среде в присутствии ионов Cu+ ацетилен димеризуется с образованием винилацетилена СН₂=СН–С≡СН. При его полимеризации образуются продукты, которые используются в производстве лакокрасочных материалов – винил- и дидивинилацетиленовых лаков.

Приведенные примеры далеко не исчерпывают богатую химию ацетилена, из которого можно получить сотни разнообразных соединений. Недаром его годовое производство превышает 5 млн тонн. Из них примерно 70% используют для промышленного органического синтеза, а 30% – для сварки и резки металлов.