Az alkinek ( acetilén szénhidrogének ) aciklusos telítetlen szénhidrogének , amelyek szénatomok között egy hármas kötést tartalmaznak , és homológ sorozatot alkotnak a C n H 2n-2 általános képlettel .
A hármas kötés szénatomjai sp hibridizációs állapotban vannak, és kötési szögük 180°. A legegyszerűbb alkin az acetilén (C 2 H 2 ).
Az IUPAC nómenklatúra szerint az alkinok nevei a megfelelő alkánok nevéből jönnek létre, az " -an " utótag helyére " -in "-re cserélve; a hármas kötés helyzetét arab szám jelzi.
Az acetilént először 1836 -ban Edmund Davy angol kémikus (a híres angol kémikus, Humphrey Davy unokatestvére ) nyert úgy , hogy kálium-acetátot szénnel hevítettek , majd a kapott kálium-karbidot vízzel reagáltatták [1] . Davy a gázát „két szénhidrogénnek” nevezte el.
1862 - ben F. Wöhler német kémikus és orvos újra felfedezte az acetilént úgy, hogy vizet kalcium-karbiddal reagált .
1863- ban M. Berthelot francia vegyész acetilént nyert úgy, hogy elektromos ívvel melegített grafitelektródákon hidrogént bocsátott át [ 2] . Ő adta az " acetilén " nevet a gáznak (a latin acetum - "ecet" és a görög ile - "fa" szavakból). Az orosz "acetilén" nevet először D. I. Mengyelejev orosz kémikus használta [3] .
Az acetilén és származékai kémiájának tanulmányozásában a 19. század végén főszerepet az orosz szerves vegyész, A. E. Favorsky játszott .
1895- ben Louis Le Chatelier francia kémikus felfedezte, hogy az acetilén oxigénben égve nagyon forró lángot ad, ami később az acetilén technológia alapját képezte a tűzálló fémek hegesztésére és vágására [4] .
A legegyszerűbb alkin az etin (acetilén C 2 H 2 ) . Az IUPAC - nómenklatúra szerint az alkinok nevei a megfelelő alkánok nevéből jönnek létre úgy, hogy az "-an" utótagot "-in"-re cserélik; a hármas kötés helyzetét arab számok jelzik.
Az alkinokból származó szénhidrogén gyökök „-inil” utótaggal rendelkeznek, ezért a CH≡C- „etinil ” -nek nevezik .
Az alábbiakban az alkinok néhány képviselője és nevük található:
Megkülönböztetik a belső hármas kötést (példa: but-2-in) és a terminálist (példa: de-1-in).
Alkinek homológ sorozata :
Az alkinokban a −С≡С− kötés lineáris (180°-os szög), és ugyanabban a síkban van. A szénatomokat egy σ- és két π-kötés köti össze, amelyek maximális elektronsűrűsége két egymásra merőleges síkban található [5] . A hármas kötés hossza megközelítőleg 0,121 nm, a kötési energia 836 kJ/mol.
A fenti diagram az etilén és az acetilén molekulapályáit mutatja .
Az alkinek fizikai tulajdonságaikban hasonlítanak a megfelelő alkénekre . Az alacsonyabb (legfeljebb C 4 -ig ) színtelen és szagtalan gázok, amelyek forráspontja magasabb, mint az alkénekben lévő társaik. Az alkinek vízben rosszul oldódnak, szerves oldószerekben jobban.
Egyes alkinek fizikai tulajdonságai [6] [7] | |||||
---|---|---|---|---|---|
Nem. | Név | Képlet | T olvadás, ° С | Forráspont, ° С | Sűrűség, d 20 4 |
egy | Etin | C 2 H 2 | −81,8 | −75 | 0,565* |
2 | propilén | C 3 H 4 | −101,5 | −23 | 0,670* |
3 | Butin -1 | HC≡C-CH 2 CH 3 | −125,9 | 8.1 | 0,678* |
négy | Butin -2 | CH3 - C≡C- CH3 | −32.3 | 27.0 | 0,694 |
5 | Pentin-1 | HC≡C- C 3H 7 | −90,0 | 39.3 | 0,695 |
6 | Pentin-2 | CH3 - C≡C - C2H 5 | −101,0 | 55,0 | 0,714 |
7 | 3-metil-butin-1 | HC≡C - CH(CH3 )CH3 | n/a | 28.0 | 0,665 |
nyolc | Geksin-1 | HC≡C− C 4H 9 | −132,4 | 71.4 | 0,719 |
* Forrásponton mért értékek.
Az alkinek szinte soha nem találhatók meg a természetben. Néhány Basidiomycetes gombafajban rendkívül kis mennyiségben találtak poliacetilén szerkezeteket tartalmazó vegyületeket [8] .
Acetilént találtak az Uránusz [9] , a Jupiter [10] és a Szaturnusz [11] légkörében .
Az alkinek gyenge érzéstelenítő hatásúak. A folyékony alkinek görcsöket okoznak [12] .
Az acetilén előállításának fő ipari módszere a metán elektro- vagy termikus krakkolása , a földgáz pirolízise és a karbid módszer.
Kalcium-oxid keverék koksszal történő kalcinálása elektromos kemencékben 1800-2000 °C-on kalcium-karbid képződéséhez vezet :
Amikor a víz a kapott karbidra hat, kalcium-hidroxid és acetilén képződik :
A módszer lényege, hogy földgáz és levegő keverékét egy speciális tűzálló fúvókán vezetik át , amely égéskor 1500 °C-ra emeli a hőmérsékletet. Ezután metán pirolízis megy végbe a csomagoláson [13] :
A módszer abból áll, hogy két fémelektróda között nagy sebességgel metánt vezetnek át. Hőmérséklet 1500-1600°C. Kémiai szempontból a módszer hasonló a pirolízis módszerhez, csupán technológiai és hardverkialakításban tér el [14] .
Termikus-oxidatív krakkolásEz a módszer a metán részleges oxidációját alkalmazza az égés során keletkező hő felhasználása miatt [14] :
A szén hidrogénnel való közvetlen kölcsönhatása nagyon magas hőmérsékleten acetilén képződéséhez vezet:
Ez a módszer pusztán történelmi jelentőségű (az acetilén előállítása 1863 -ban, M. Berthelot francia kémikus által ).
1864- ben F.A. Kekule fumarát és nátrium-maleát elektrolízisével acetilént nyert [15] :
Hasonlóképpen, az acetilént nátrium- akrilátból állítják elő .
Ez a módszer tisztán történelmi.
A dehidrohalogénezési reakciót erős bázis hatására dihalogén-alkánokon hajtják végre:
Dehidrohalogénezőszerként célszerű nátrium-amidot folyékony ammóniában használni [16] :
A terminális hármas kötéssel rendelkező alkinek alkilezését a következő séma szerint hajtjuk végre:
Az első szakasz a dibróm-alkén képződése:
A második szakaszban a bróm lítiumra cserélődik , és megtörténik az alfa elimináció, majd a vinilidén alkinné alakul a Fritsch-Buttenberger-Wichel átrendeződés eredményeként:
Az alkinekre az addíciós reakciók jellemzőek . Ellentétben az alkénekkel , amelyeket elektrofil addíciós reakciók jellemeznek, az alkinek nukleofil addíciós reakciókba is beléphetnek . Ez a kötés jelentős s-karakterének, és ennek következtében a szénatom megnövekedett elektronegativitásának köszönhető. Ezenkívül a hidrogénatom nagy mobilitása a hármas kötésben meghatározza az alkinek savas tulajdonságait a szubsztitúciós reakciókban .
A terminális hármas kötéssel rendelkező alkinek C-H savak (erősebbek az ammóniánál és alkéneknél , de gyengébbek az alkoholoknál ), amelyek nagyon erős bázisokkal - alkinidekkel - sókat képezhetnek [6] :
( propinil-magnézium-bromid )
Az alkinek ezüst- vagy egyértékű réz -ammoniátokkal való reakciója kvalitatív reakció egy terminális hármas kötés jelenlétére [6] :
Az ezüst-propinid fehér csapadék, a réz-propinid sárga csapadék, végül a réz-diacetilenid vörös csapadék.
Az ezüst-alkinid könnyen oldódik nátrium-cianid hozzáadásával a megfelelő alkin felszabadulásával [8] :
Alkinid nukleofil szubsztitúciós reakciók
Az alkinidek erős nukleofilek, és könnyen belépnek nukleofil szubsztitúciós reakciókba :
Ezt különösen széles körben használják acetilén homológok szintézisére:
Alkinhalogenidek előállítása
A halogén kölcsönhatása monoszubsztituált acetiléneken lúgos közegben halogén-alkinek képződéséhez vezet [14] :
Alkinid nukleofil szubsztitúciós reakció
A preparatív szintézisben lítium-acetilid etilén -diaminnal alkotott komplexét gyakran használják az acetilenid anion megfelelő forrásaként [8] .
Másodlagos vagy tercier halogén-alkánokkal történő reakció esetén a reakció nagyrészt egy alternatív utat követ (elimináció):
Egyéb reakciók
Az acetilén réz(II)-kloriddal történő klórozása CuCl vizes oldatában diklór-acetilén képződéséhez vezet [20] :
Acetilén kondenzáció
Az acetilén - kondenzáció vagy másképpen a Hodkevich-Kadio reakció az acetilén szénhidrogének brómmal vagy jódalkinekkel való kölcsönhatásából áll, így diacetilének képződnek [21] :
A Kurtz-reakció hasonlóan megy végbe (katalizátor réz-acetilenid):
Acetilénaminok előállítása
A reakció réz(I)-sók jelenlétében megy végbe.
Az alkinek elektrofil addíciója egy pozitív töltésű részecske - elektrofil hatására indul meg . Általában a savak az ilyen reakciók katalizátorai .
Az elektrofil addíciós reakció első szakaszának általános sémája:
Halogénezési reakciók
Az alkinek egy vagy két halogénmolekulát képesek hozzáadni a megfelelő halogénszármazékok kialakításához:
Az alkinok halogénezése transz -addícióként megy végbe (rendszerint), és az alkének halogénezésével analóg módon megy végbe .
Ugyanakkor a hármas kötés hozzáadása nehezebb, mint a kettős kötés, ezért ha kettős és hármas kötés is jelen van a vegyületben, akkor lehetőség van szelektív addícióra:
Hidrohalogénezési reakciók
A hidrogén-klorid és a hidrogén-bromid alkinekhez való hozzáadása az alkénekhez hasonlóan történik. A reakció két lépésben megy végbe: először halogén-alkén képződik, amely ezután dihalogén-alkánná alakul:
A halogének nagyobb elektronegativitása ellenére a reakció mindkét szakasza Markovnikov szabálya szerint megy végbe .
HidratálásHiganysók jelenlétében az alkinok vizet adnak hozzá, hogy acetaldehidet ( acetilén esetén ) vagy ketont (más alkinek esetében) képezzenek. Ezt a reakciót " Kucserov-reakciónak " nevezik .
Úgy gondolják, hogy a hidratációs folyamat az enolképződési szakaszon megy keresztül :
Karbonilezési reakciók
A karbonilezési reakciókat W. Reppe német kémikus fedezte fel a laboratóriumban 1939 - ben [20] .
ahol X: OH, OR, OCOR, NH 2 stb.
A reakciót nikkel- vagy palládium -karbonilok katalizálják [22] .
Külön érdemes megemlíteni az oxidatív karboklórozás reakcióját:
Egyéb elektrofil addíciós reakciók
Az ecetsav és az acetilén kölcsönhatása vinil-acetátot képez :
Az acetilén szénhidrogének CO 2 - t és szekunder aminokat adnak hozzá amidokká :
vagy
Az alkinokhoz való nukleofil addíció egy negatív töltésű részecske- nukleofil hatására indul meg . Általában a bázisok az ilyen reakciók katalizátorai . A nukleofil addíciós reakció első szakaszának általános sémája:
Tipikus nukleofil addíciós reakciók
Hasonló módon az acetilén ammóniával reagál, és etilidén-imint képez [20] :
Magas hőmérsékleten, katalizátor jelenlétében az imint dehidrogénezzük és acetonitrillé alakítjuk :
Peroxidok vagy más, a szabad gyökök képződését elősegítő körülmények jelenlétében az alkinek hozzáadása egy gyökös mechanizmus szerint történik - a Markovnikov-szabály ellen („ Karas-effektus ”):
A szabadgyök-mechanizmus * szerint az alkinok és a tiolok reakciója végbemehet:
* - Bázisok jelenlétében a reakció a nukleofil mechanizmus szerint megy végbe.
Hasonlóképpen történik a karbének hozzáadása:
Az etinilezési reakciókat olyan reakcióknak nevezzük, amelyek során az alkinok szénvázát növelik a hármas kötés megőrzésével. Mind elektrofil, mind nukleofil mechanizmussal haladhatnak, a közegtől és a reakciókörülményektől, a szubsztrát természetétől és az alkalmazott katalizátor típusától függően.
Acetilénalkoholok beszerzéseErős bázisok jelenlétében a terminális hármas kötéssel rendelkező alkinek képesek karbonilvegyületeket hozzáadni alkoholok képzéséhez [14] (" Favoursky-reakció "):
Ebből a csoportból a legfontosabb reakció a formaldehid hozzáadása acetilénhez propargil-alkohol , majd butin-2-diol-1,4 * képződésével :
* A butin-2-diol-1,4 fontos köztes termék a butilénglikol, a γ-butirolakton , az izoprén és a tetrahidrofurán előállításában .
Ezt a reakciót V. Reppe fejlesztette ki 1925 -ben (" Favorsky-Reppe reakció "). Nagy nyomáson megy végbe réz-acetilenid jelenlétében.
Acetilénészterek és savak előállításaAz acetilénsavak vagy észtereik a Zuzhi-reakcióval állíthatók elő [20] :
Katalizátorok: PdCl 2 , CuCl .
Az alkinek hidrogénnel történő hidrogénezése heterogén katalizátorokon általában cisz -addíció képződéséhez vezet [6] . A hidrogénező katalizátorok a Ni , Pd , Pt , valamint Ir , Ru , Rh és néhány más fém oxidjai vagy komplexei .
Az első szakaszban alkén képződik , amely szinte azonnal alkánná hidrogéneződik :
A reakció leállítására az alkéntermelés szakaszában Lindlar-katalizátorokat (Pd/PbO/CaCO 3 ) vagy nikkel-boridot használnak.
Ha az acetilént nikkel-kobalt katalizátoron hidrogénezzük , izobutilén állítható elő :
Homogén hidrogénezés
A homogén hidrogénezést nátrium-amiddal folyékony ammóniában vagy lítium-alumínium - hidriddel tetrahidrofuránban hajtják végre . A reakció során transz - alkének képződnek.
Hidroboráció
Az alkinek könnyen hozzáadnak diboránt Markovnikov szabálya ellenére, cisz -alkenilboránokat képezve :
A reakció érdekessége, hogy további alkenilboránok könnyen átalakulnak megfelelő cisz -alkénekké ecetsav egyszerű hatására [18] :
vagy H 2 O 2 oxidációja aldehiddé vagy ketonná [18] :
Reduktív karboxilezés
Az alkének reakcióival analóg módon az alkinek reduktív karboxilezési reakcióba lépnek.
A reakciókörülményektől és a katalizátorok típusától függően alkoholok , aldehidek vagy alkánok lehetnek végtermékek :
Az alkinek nehezebben oxidálhatók, mint az alkének , azonban szabályozott oxidációval a CC-kötés megőrizhető, és reakciótermékként karbonilvegyületek állíthatók elő [16] :
Az ózon (az ózonid ezt követő redukciójával és hidrolízisével), a KMnO 4 gyengén lúgos vagy semleges közegben és néhány más anyag oxidálószerként működhet [16] .
Az acetilén az oxidálószertől függően három terméket adhat:
( glioxál ) – híg HNO 3 oxidációja PdCl 2 és NaNO 2 jelenlétében [20] .
( glioxálsav ) - KClO 3 oxidációja a szubsztrátumban víz + dietil-éter [16] .
( oxálsav ) - KMnO 4 oxidációja savas környezetben vagy HNO 3 PdCl 2 jelenlétében .
A reakciók külön típusa az oxidatív karboxilezési reakció.
Palládiumkomplexek oldataiban a maleinsav észterei képződnek:
Oxidatív hasítási reakciók
Erős oxidálószerek hatására durva körülmények között az alkinek a hármas kötés felszakadásával oxidálódnak. A reakció során karbonsavak és CO 2 képződnek :
Oxidatív kapcsolási reakciók
Rézsók jelenlétében alkoholos ammóniaoldatban az alkinek a légköri oxigén hatására diacetilénekké oxidálódnak (" Glaser-reakció "):
Az acetilén reakciója poliinok képződésével járhat:
Ez a reakció képezte a karbin szintézisének alapját [24] .
1887- ben A.E. Favorsky felfedezte az alkinek izomerizációját erős bázisok hatására (nukleofil támadás) [6] . Ezt a reakciót Favorsky-reakciónak vagy acetilén-allén átrendeződésnek nevezik:
Réz(I)-sók és ammónium-klorid jelenlétében vizes közegben az acetilén oligomerizációs reakcióba lép, és vinil -acetilén keletkezik :
A reakció továbbhaladhat divinil-acetilén képződésével:
A reakciót először Y. Newland fedezte fel, és ez a kloroprén szintézisének első ipari lépése .
Polimerizációs reakciókAz acetilén polimerizálását először J. Natta hajtotta végre 1957 -ben , gázt vezetve át Al(C 2 H 5 ) 3 -Ti(OC 4 H 9 ) 4 katalizátor oldatán [25] :
A reakció során félkristályos poliacetilén keletkezett .
A poliacetilén érdekessége, hogy bizonyos adalékanyagok bejuttatásával ( doping ) fémes tulajdonságokkal rendelkező , elektromosan vezetőképes polimert lehet előállítani [25] .
Cikloformációs reakciókAz acetilén katalizátorok hatására - forró aktív szén 500 ° C-on ( Zelinsky reakció ) vagy szerves nikkel katalizátor ( például nikkel tetrakarbonil ) 60 ° C-on és megemelt nyomáson ( Reppe reakció ) - meglehetősen könnyen ciklotrimerizálódik, benzolt képezve egyéb körülmények (katalizátor - nikkel(II)-cianid THF-ben) - ciklooktatetraén :
A szén(II)-oxid jelenlétében végzett kerékpározás benzokinon képződéséhez vezet [13] :
Az alkinok fontos képessége, hogy részt vesznek a Diels-Alder reakcióban :
Heterociklusok képződésének reakciói Pirrol-származékok képződéseAz acetilén kölcsönhatása keton-oximokkal szuperbázis jelenlétében pirrolgyűrű képződéséhez vezet ( Trofimov-reakció ) [26] :
A heterociklizálás 70-120 °C hőmérsékleten megy végbe dimetil-szulfoxid közegben .
Vannak alternatív szintézis lehetőségek is [27] :
Furán származékainak kialakulása
Alkinek vízgőzzel és CO-val történő kezelése ródiumkatalizátor jelenlétében 10 MPa nyomáson és 100°C-on furánszármazékok képződését eredményezi [28] :
Egyéb heterociklusok kialakulása
Íme néhány példa a heterociklusok alkinek felhasználásával történő képződésére [29] [30] :
A terminális hármas kötéssel rendelkező alkinek kvalitatív reakciója az alkin és az ezüst vagy réz ammónia kölcsönhatása ( a részleteket lásd : " Alkinidek képződése " alszakasz ).
Egy vegyületben a hármas kötés jelenlétének igazolására spektroszkópiai módszereket alkalmaznak . Az aszimmetrikus alkinek infravörös spektruma jellemző sávokkal rendelkezik 2260-2100 cm- 1 (hármas kötés nyújtó rezgések), 3310-3300 cm - 1 (CH kötésrezgések) és CH hajlító rezgések 700-610 cm- 1 között [13] .
Az acetilén szénhidrogének közül egyedül az acetilénnek , amely a legfontosabb vegyi alapanyagnak van komoly ipari jelentősége.
Az acetilént a következő termékek szintézisére használják:
Az acetilén elégetésekor sok hő szabadul fel, amelyet az oxi-acetilén hegesztés során fémek vágására és hegesztésére használnak fel (a teljes előállított acetilén akár 30%-a is elfogy) [13] .
A 19. század végén és a 20. század elején számos acetilén lámpát (az acetilén forrásaként olcsó kalcium-karbid szolgált) széles körben alkalmaztak a vasúti és vízi közlekedésben, az utcai világításban és a mindennapi életben [31] . Annak ellenére, hogy ma már az acetilénlámpák tömeges használata a múlté, gyártásuk és fogyasztásuk nem állt le. Kis mennyiségben kempingfelszerelésként gyártják [32] .
szénhidrogének | |
---|---|
Alkánok | |
Alkének | |
Alkinok | |
diének | |
Egyéb telítetlen | |
Cikloalkánok | |
Cikloalkének | |
aromás | |
Policiklikus | Decalin |
Policiklusos aromás vegyületek | |
|
A szerves vegyületek osztályai | |
---|---|
szénhidrogének | |
Oxigén tartalmú | |
Nitrogén tartalmú | |
Kén | |
Foszfor tartalmú | |
haloorganikus | |
szerves szilícium |
|
Szerves elem | |
További fontos osztályok |