Алкины как химические вещества

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Строение ацетиленов

2. Способы получения алкинов

3. Реакции алкинов с участием тройной связи

4. Реакции ацетиленов с сохранением тройной связи

Литература

Введение

Алкинами называют углеводороды, в молекулах которых имеется структурный фрагмент с тройной связью углерод-углерод. К алкинам часто применяют название ацетилены по названию первого члена гомологического ряда. Они образуют гомологический ряд с общей формулой C_nH_2n-2. По номеклатуре IUPAC в названиях алкинов применяется окончание "_ин":

Соответствующие алкинам одновалентные радикалы называются алкинил, пропаргил.

Для ацетиленов характерна структурная изомерия положения тройной связи в углеродной цепи и изомерия алкильных радикалов, связанных с алкинилом.

1. Строение ацетиленов

Атомы углерода в ацетилене имеют sp-гибридизацию и соединены одной s - и двумя p -связями. Поэтому молекула ацетилена линейна (валентный угол 180° ). Длина связи С-С составляет 121 пм (для сравнения - в этане 154 пм, в этилене 134 пм), длина связи С-Н - 106 пм (в этане 110 пм, в этилене 107 пм).

Энергия тройной углерод-углеродной связи равна 833 кДж/моль, что меньше, чем суммарная величина энергии для трех s -связей (339х3=1017 кДж/моль) и комбинации одной s - и двух p -связей (339+2х272=883 кДж/моль). Это можно рассматривать как результат отталкивания связывающих электронов трех связей, которые вынуждены быть сближенными в пространстве. Молекулу ацетилена можно представить себе в виде цилиндра, образованного орбиталями p -связей, из торцов которого выходят s -связи С-Н. Атомы водорода имеют более короткую связь с С-атомами, чем в алкенах и алканах, т.к. углеродный атом в гибридном состоянии sp наиболее электроотрицателен. Причина укорочения связи С-Н в алкинах по сравнению с алкенами и алканами состоит в том, что sp-орбиталь, как имеющая больший вклад s-характера (50%), изначально лежит ниже по энергии, чем sp²- (33.3%) и sp³- (75%) орбитали. Это приводит к увеличению прочности С-Н-связи в ацетиленах (энергия гомолитической диссоциации 502 кДж/моль) относительно прочности С-Н-связей в алканах и алкенах (414 кДж/мол и 439 кДж/моль соответственно). Ацетиленовый протон в значительной степени дезэкранирован, поскольку электронная пара смещена к атому углерода в большей мере, чем к таковым в гибридных состояниях sp² и sp³. Можно рассматривать sp-гибридный С-атом как более электроотрицательный, чем атом углерода в других валентных состояниях.

Две вырожденные ВЗМО ацетилена (Е = -1088,6 кДж/моль) лежат ниже, чем ВЗМО этилена (Е = -963 кДж/моль).

Исходя из этих представлений, можно объяснить основные свойства ацетиленов:

- для ацетиленов характерными являются реакции электрофильного и нуклеофильного присоединения;

- терминальным алкинам свойственная повышенная С-Н-кислотность.

2. Способы получения алкинов

В промышленности ацетилен применяется весьма широко и разработан способ его получения термолизом метана

или гидрированием углерода при 3000 ^оС:

Реакцию проводят, используя электрическую дугу между угольными электродами в токе водорода, т.к. время нагревания должно быть очень коротким во избежание обратного процесса разложения ацетилена на элементы.

Существует также карбидный способ получения некоторых ацетиленов:

Эта реакция представляет собой фактически гидролиз ацетиленидов, которыми по сути являются карбиды металлов.

Среди лабораторных способов получения ацетиленов можно отметить разнообразные реакции элиминирования, среди которых чаще всего используют дегидрогалогенирование виц-дигалогенидов

Нужно иметь в виду, что в щелочной среде алкины склонны к перегруппировкам с перемещением тройной связи:

Поэтому для элиминирования рекомендуется использовать амид натрия в жидком аммиаке. В этих условиях образуются в основном терминальные ацетилениды, причем в качестве исходных можно применять и гем-дигалогениды:

ацетилен алкин термолиз реакция

Другие способы синтеза подразумевают превращения одних алкинов в другие и будут рассмотрены ниже.

3. Реакции алкинов с участием тройной связи

Гидрирование ацетиленов, как и алкенов, чаще всего проводят в условиях гетерогенного катализа:

Несмотря на то, что первая стадия гидрирования протекает более экзотермично, остановить на ней реакцию затруднительно. Однако созданы особые катализаторы, которые позволяют из алкинов получать алкены.

Как и при восстановлении соединений с двойной связью, всегда наблюдается син-присоединение водорода. транс-Алкены образуются в результате восстановления алкинов раствором натрия или лития в жидком аммиаке (до превращения металла в амид).

Алкины присоединяют галогены, галогеноводороды, воду и другие реагенты по электрофильному механизму, однако такие реакции протекают значительно труднее, чем в алкенах. В качестве причин можно привести следующие:

1. Две вырожденные ВЗМО ацетилена (Е = -1088,6 кДж/моль) лежат ниже, чем ВЗМО этилена (Е = -963 кДж/моль).

2. Теплота образования DН⁰_f (СН₃-СН₂⁺) = +917 кДж/моль

DН⁰_f (СН₂=СН⁺) = +1113,7 кДж/моль

Разница составляет 196,7 кДж/моль

3. Энтальпия ионизации в газовой фазе

CH₃CH₂Clа СН₃-СН₂⁺ + Cl^- + DН⁰_f DН⁰_f = + 799,7 кДж/моль

CH₂=CHClа CH₂=CH⁺ + Cl^- + DН⁰_f DН⁰_f = + 933,7 кДж/моль

Разница равна 134,0 кДж/моль

Из приведенных энергетических параметров легко видеть, что образующийся в результате присоединения электрофила к алкину винильный карбокатион более богат энергией (менее стабилен, труднее образуется), чем алкильный катион, возникающий при атаке электрофильной частицы молекулы алкена потому что алкилиденовая группа является более слабым донором, чем алкильная.

Другое объяснение заключается в том, что sp-гибридный С-атом со значительно большим трудом отдает электрофилу пару электронов, чем С-атом в состоянии sp², поскольку вклад s-характера его орбиталей составляет 50%, а не 33%, т.е. электроны лежат ближе к ядру (см. выше энергии ВЗМО).

Отношение скорости реакции бромирования этилена к скорости бромирования ацетилена в уксусной кислоте составляет величину 1,14 * 10⁴.

Это легко видеть на примере реакции несимметричного субстрата:

Практическое значение имеет присоединение хлора, которое позволяет получать полупродукты органического синтеза и растворители, например тетрахлорэтан.

Хлороводород легко присоединяется к алкинам только в присутствии катализаторов. Так, винилхлорид получают действием HCl на ацетилен в присутствии хлорида ртути (II).

Эта реакция имеет большое практическое значение, т.к. винилхлорид является мономером для получения широко применяемого материала - поливинилхлорида.

Дальнейшее присоединение хлороводорода к винилхлориду протекает легко и ориентируется в соответствием с правилом Марковникова - образуется 1,1-дихлорэтан, легко гидролизующийся до ацетальдегида

Для описания реакций электрофильного присоединения к алкинам применяют два механизма - би- и тримолекулярный (Ad_E2 и Ad_E3).

Бимолекулярное присоединение характерно для арил- и арилалкилацетиленов, которые превращаются в смесь цис- и транс-алкенов.

Далкилацетилены присоединяют по тримолекулярному механизму, в пользу чего свидетельствует стереоселективность реакции.

Присоединение воды к алкинам в присутствии кислот и солей ртути (II) называют реакцией Кучерова. С помощью этого превращения из ацетилена получают ацетальдегид, который может быть окислен до уксусной кислоты. Из замещенных алкинов в этих условиях образуются кетоны (правило Марковникова)

Карбоновые кислоты присоединяются к ацетиленам, образуя сложные эфиры винилового спирта.

Данная реакция, как и присоединение воды, облегчается в присутствии катионов ртути. Последние катализируют также присоединение к ацетиленам других нуклеофилов, например, спиртов, что приводит к алкилвиниловым эфирам.

Однако, эти же соединения образуются, если проводить реакцию не в кислой, но в щелочной среде при повышенной температуре (200^оС) и давлении. В этих условиях алкины присоединяют по нуклеофильному механизму, который для алкенов не совсем характерен

Данная реакция ("винилирование") демонстрирует электрофильный характер sp-гибридного атома углерода. Важное промышленное значение имеет присоединение HCN приводящее к ценному полупродукту - акрилонитрилу.

Ацетилен и его гомологи под действием высокой температуры (500° С) и активированного угля претерпевают тримеризацию в производные бензола (Бертло, Зелинский), тогда как при 60° С в присутствии цианида никеля происходит тетрамеризация с образованием циклооктатетраена.

Окисление ацетиленов.

Действием перманганата калия в щелочной среде ацетилены окисляются по месту разрыва тройной связи до карбоновых кислот, в более мягких условиях (OsO₄, нейтральная среда) реакция останавливается на стадии 1,2-дикарбонильных соединений.

4. Реакции ацетиленов с сохранением тройной связи

Полярность связи С-Н возрастает от этана к ацетилену (дипольные моменты 0,3; 0,63 и 1,05 D), что связано с увеличением s-вклада в гибридное состояние орбиталей углерода. Следовательно, связывающая электронная пара смещена к атому углерода, и водород может быть отщеплен в виде протона сильными основаниями. Сравнение величин рК_а показывает, что кислотность ацетилена (25) выше, чем у аммиака (30), но ниже, чем у воды (15,64). Это означает, что амид-ион, как более сильное основание, может превратить ацетилен в анион.

Действительно, при пропускании ацетилена через суспензию амида натрия в жидком аммиаке образуется соответствующий ацетиленид, который, как показывают исследования, имеет ионное строение (например, растворим в полярных растворителях - в аммиаке).

Металлические производные серебра и меди, которые легко получаются при пропускании ацетилена через аммиачные растворы оксида серебра или хлорида меди (I), выпадают в осадок.

Полярность связи С-металл в данном случае намного ниже, поэтому такие ацетилениды рассматривают как ковалентно построенные соединения.

Ацетилениды меди при действии окислителей (красная кровяная соль, ацетат меди (II) в пиридине) претерпевают димеризацию, которая, как полагают, идет с промежуточным образованием свободных радикалов.

Сухие ацетилениды серебра и меди легко взрываются от удара или при нагревании, поэтому их используют в качестве детонаторов.

Терминальные алкины могут образовывать так же смешанные ацетилениды-галогениды магния (реактивы Йоцича) по реакции обмена с алкилмагнийгалогенидами (реактивами Гриньяра)

Металлические производные алкинов находят применение в органическом синтезе, т.к. они проявляют свойства довольно активных нуклеофилов. В частности, с их помощью можно ввести этинильную группу в органическую молекулу (реакция алкилирования алкинов).

Если в данном превращении участвует собственно ацетилен, на двух стадиях можно ввести различные заместители.

Алкилирование ацетиленид-ионов имеет ряд ограничений. В частности, эта реакция неудобна для введения вторичной и третичной алкильной группы из-за склонности трет- и втор-алкилгалогенидов к реакции элиминирования в сильноосновной среде. Поэтому для синтеза алкинов с разветвленными заместителями при тройной связи разработан метод алкилирования дианионов монозамещенных соединений:

Из двух нуклеофильных центров дианиона реагирует тот, который соответствует более слабой С-Н-кислоте.

Теминальные ацетилены в присутствие щелочей присоединяются к карбонильной группе альдегидов и кетонов, превращаясь в соответствующие ацетиленовые спирты, пропаргиловыми спиртами (реакция Фаворского).

Под названием "реакция Реппе" известен другой вариант этого превращения: в присутствии солей тяжелых металлов и в более жестких условиях ацетилены присоединяются к формальдегиду и его гомологам.

Отличительной способностью тройной связи является способность к миграции по углеродной цепи. С именем Фаворского связана изомеризация ацетиленов под действием щелочей при высоких температурах (170° С). Реакция идет с образованием более стабильного термодинамически диалкилацетилена.

Обратное превращение реализуется при обработке алкинов амидом натрия или диизопропиламидом лития, т.е. более сильными основаниями при более низкой температуре. Тройная связь мигрирует на любые расстояния, пока не "доберется" до конца цепи. Тогда образуется стабильный ацетиленид-анион, который дальше не реагирует.

Литература

1. Несмеянов А.Н., Несмеянов Н.А. Начала органической химии. В 2 т. - М.: Химия, 2009.

2. Робертс Дж., Касерио М. Основы органической химии. - М.: Мир, 1978.

3. Берзин Б.Д., Берзин Д.Б. Курс современной органической химии. - М.: Высш. шк., 1999.

4. Неницеску К.Д. Органическая химия. В 2 т. - М.: Изд-во иностранной литературы, 2003.

5. Шабаров Ю.С. Органическая химия. - М.: Химия, 1994.

6. Реутов О.А., Курц А.Я., Бутин К.П. Органическая химия. - М.: МГУ, 2005.

7. Агрономов А.Е. Избранные главы органической химии. - М.: Химия, 2000.

8. Травень В.Ф. Органическая химия. Учебник для вузов. - М.: Академкнига, 2005.

9. Белобородов В.Л., Зурабян С.Э., Лузин А.П., Тюкавкина Н.А. Органическая химия. Основной курс. - М.: Дрофа, 2003.

10. Грандберг И.И. Органическая химия. - М.: Высш. шк., 2001.

11. Степанов В.М. Молекулярная биология. Структура и функции белков. - М.: Высш. шк., 1996.

12. Технология пластических масс / Под ред. В.В. Коршака. - М.: Химия, 2005.

Размещено на Allbest.ru