Alkyny ( acetylenické uhlovodíky ) jsou acyklické nenasycené uhlovodíky obsahující jednu trojnou vazbu mezi atomy uhlíku , tvořící homologickou řadu s obecným vzorcem C n H 2n-2 .
Atomy uhlíku na trojné vazbě jsou ve stavu sp hybridizace a mají vazebný úhel 180°. Nejjednodušším alkynem je acetylen (C 2 H 2 ).
Podle názvosloví IUPAC jsou jména alkynů tvořena ze jmén odpovídajících alkanů nahrazením přípony " -an " za " -in "; poloha trojné vazby je označena arabskou číslicí.
Acetylen poprvé získal v roce 1836 anglický chemik Edmund Davy (bratranec slavného anglického chemika Humphreyho Davyho ), zahřátím octanu draselného s dřevěným uhlím a poté reakcí vzniklého karbidu draslíku s vodou [1] . Davy pojmenoval svůj plyn „dvouhlíkový vodík“.
V roce 1862 německý chemik a lékař F. Wöhler znovu objevil acetylen reakcí vody s karbidem vápníku .
V roce 1863 získal francouzský chemik M. Berthelot acetylen průchodem vodíku přes grafitové elektrody vyhřívané elektrickým obloukem [2] . Byl to on, kdo dal plynu jméno „ acetylen “ (z latinských slov acetum – „ocet“ a řeckého ile – „strom“). Ruský název „acetylen“ poprvé použil ruský chemik D. I. Mendělejev [3] .
Velkou roli ve studiu chemie acetylenu a jeho derivátů sehrál koncem 19. století ruský organický chemik A. E. Favorskij .
V roce 1895 francouzský chemik Louis Le Chatelier objevil, že acetylen, hořící v kyslíku , dává velmi horký plamen, který následně vytvořil základ acetylenové technologie pro svařování a řezání žáruvzdorných kovů [4] .
Nejjednodušším alkynem je ethyn (acetylen C 2 H 2 ) . Podle IUPAC názvosloví jsou jména alkynů tvořena ze jmén odpovídajících alkanů nahrazením přípony „-an“ za „-in“; poloha trojné vazby je označena arabskými číslicemi.
Uhlovodíkové radikály odvozené od alkynů mají příponu „-inyl“, takže CH≡C- se nazývá „ethynyl “.
Níže jsou uvedeni někteří zástupci alkynů a jejich jména:
Rozlišuje se vnitřní trojná vazba (příklad: but-2-in) a terminální (příklad: but-1-in).
Homologní série alkynů :
V alkynech je vazba −С≡С− lineární (úhel 180°) a je ve stejné rovině. Atomy uhlíku jsou spojeny jednou σ- a dvěma π-vazbami, jejichž maximální elektronová hustota se nachází ve dvou vzájemně kolmých rovinách [5] . Délka trojné vazby je přibližně 0,121 nm, vazebná energie je 836 kJ/mol.
Diagram nahoře ukazuje molekulární orbitaly ethylenu a acetylenu .
Alkyny se svými fyzikálními vlastnostmi podobají odpovídajícím alkenům . Nižší (až C 4 ) jsou bezbarvé plyny bez zápachu s vyššími body varu než jejich protějšky v alkenech. Alkyny jsou špatně rozpustné ve vodě, lépe v organických rozpouštědlech.
Fyzikální vlastnosti některých alkynů [6] [7] | |||||
---|---|---|---|---|---|
Ne. | název | Vzorec | T tání, ° С | Teplota varu, ° С | Hustota, d 20 4 |
jeden | Etin | C2H2 _ _ _ | −81,8 | −75 | 0,565* |
2 | propin | C3H4 _ _ _ | −101,5 | −23 | 0,670* |
3 | Butin -1 | HC≡C − CH2CH 3 | −125,9 | 8.1 | 0,678* |
čtyři | 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 - C2H5 | −101,0 | 55,0 | 0,714 |
7 | 3-methylbutin-1 | HC=C-CH( CH3 ) CH3 | n/a | 28,0 | 0,665 |
osm | Geksin-1 | HC≡C - C4H 9 | −132,4 | 71,4 | 0,719 |
* Hodnoty naměřené při bodu varu.
Alkyny se v přírodě téměř nikdy nevyskytují. U některých druhů hub Basidiomycetes byly sloučeniny obsahující polyacetylenové struktury nalezeny v extrémně malých množstvích [8] .
Acetylen byl nalezen v atmosféře Uranu [9] , Jupiteru [10] a Saturnu [11] .
Alkyny mají slabý anestetický účinek. Kapalné alkyny způsobují křeče [12] .
Hlavní průmyslovou metodou výroby acetylenu je elektro- nebo tepelné krakování metanu , pyrolýza zemního plynu a karbidová metoda.
Kalcinace směsi oxidu vápenatého s koksem v elektrických pecích při 1800–2000 °C vede k tvorbě karbidu vápníku :
Když voda působí na výsledný karbid, tvoří se hydroxid vápenatý a acetylen :
Podstatou metody je průchod směsi zemního plynu se vzduchem přes speciální žáruvzdornou trysku , která při spalování zvýší teplotu na 1500 °C. Poté dojde k pyrolýze metanu na obalu [13] :
Metoda spočívá v průchodu metanu mezi dvěma kovovými elektrodami velkou rychlostí. Teplota 1500-1600°C. Z chemického hlediska je metoda podobná metodě pyrolýzy, liší se pouze technologickým a hardwarovým provedením [14] .
Tepelně-oxidační krakováníTato metoda využívá částečnou oxidaci metanu díky využití tepla vznikajícího při jeho spalování [14] :
Interakce uhlíku přímo s vodíkem při velmi vysokých teplotách vede k tvorbě acetylenu:
Tato metoda má čistě historický význam (příprava acetylenu v roce 1863 francouzským chemikem M. Berthelotem ).
V roce 1864 F.A. Kekule získal acetylen elektrolýzou fumarátu a maleátu sodného [15] :
Podobně se acetylen tvoří z akrylátu sodného .
Tato metoda je čistě historická.
Dehydrohalogenační reakce se provádí působením silné báze na dihalogenalkany:
Jako dehydrohalogenační činidlo je vhodné použít amid sodný v kapalném amoniaku [16] :
Alkylace alkynů s koncovou trojnou vazbou se provádí podle následujícího schématu:
První fází je tvorba dibromoalkenu:
Ve druhé fázi je brom vyměněn za lithium a dochází k eliminaci alfa, po které následuje přeměna vinylidenu na alkyn v důsledku Fritsch-Buttenberger-Wichelova přesmyku:
Alkyny jsou charakterizovány adičními reakcemi . Na rozdíl od alkenů , které jsou charakterizovány elektrofilními adičními reakcemi , mohou alkyny také vstupovat do nukleofilních adičních reakcí . To je způsobeno významným s-charakterem vazby a v důsledku toho zvýšenou elektronegativitou atomu uhlíku. Kromě toho vysoká pohyblivost atomu vodíku v trojné vazbě určuje kyselé vlastnosti alkynů v substitučních reakcích .
Alkyny s koncovou trojnou vazbou jsou C-H kyseliny (silnější než amoniak a alkeny , ale slabší než alkoholy ), které mohou tvořit soli s velmi silnými bázemi - alkynidy [6] :
( propynylmagnesiumbromid )
Reakce alkynů s amoniáty stříbra nebo monovalentní mědi je kvalitativní reakcí na přítomnost koncové trojné vazby [6] :
Propinid stříbrný je bílá sraženina, propinid mědi je žlutá sraženina a nakonec diacetylenid mědi je červená sraženina.
Alkinid stříbrný se snadno rozpouští po přidání kyanidu sodného s uvolněním odpovídajícího alkynu [8] :
Alkynidové nukleofilní substituční reakce
Alkynidy jsou silné nukleofily a snadno vstupují do nukleofilních substitučních reakcí :
To je zvláště široce používáno pro syntézu homologů acetylenu:
Příprava alkynhalogenidů
Interakce halogenu na monosubstituovaných acetylenech v alkalickém prostředí vede k produkci haloalkynů [14] :
Alkynidová nukleofilní substituční reakce
V preparativní syntéze se jako vhodný zdroj acetylenidového aniontu často používá komplex acetylidu lithného s ethylendiaminem [8] .
V případě reakce se sekundárními nebo terciárními halogenalkany probíhá reakce převážně alternativní cestou (eliminace):
Jiné reakce
Chlorace acetylenu chloridem měďnatým ve vodných roztocích CuCl vede k tvorbě dichloracetylenu [20] :
Kondenzace acetylenu
Acetylenová kondenzace nebo jinak Hodkevichova-Kadioova reakce spočívá v interakci acetylenických uhlovodíků s bromem nebo jodalkyny za vzniku diacetylenů [21] :
Kurtzova reakce probíhá podobně (katalyzátorem je acetylenid mědi):
Příprava acetylenaminů
Reakce probíhá v přítomnosti měďných solí.
Elektrofilní adice na alkyny je zahájena vlivem kladně nabité částice - elektrofilu . Obecně platí, že kyseliny jsou katalyzátory takových reakcí .
Obecné schéma prvního stupně elektrofilní adiční reakce:
Halogenační reakce
Alkyny jsou schopny přidat jednu nebo dvě molekuly halogenu za vzniku odpovídajících halogenových derivátů:
Halogenace alkynů probíhá jako trans adice (zpravidla) a probíhá analogicky jako halogenace alkenů .
Současně je adice na trojnou vazbu obtížnější než na dvojnou vazbu, a proto, pokud je ve sloučenině přítomna dvojná i trojná vazba, je možné provést selektivní adici:
Hydrohalogenační reakce
Přidání chlorovodíku a bromovodíku na alkyny probíhá analogicky s alkeny. Reakce probíhá ve dvou fázích: nejprve se vytvoří halogenalken, který pak přechází na dihalogenalkan:
Přes větší elektronegativitu halogenů probíhají oba stupně reakce podle Markovnikovova pravidla .
HydrataceV přítomnosti solí rtuti přidávají alkyny vodu za vzniku acetaldehydu (pro acetylen ) nebo ketonu (pro jiné alkyny). Tato reakce je známá jako " Kucherovova reakce ".
Předpokládá se, že proces hydratace prochází fází tvorby enolu :
Karbonylační reakce
Karbonylační reakce objevil v laboratoři německý chemik W. Reppe v roce 1939 [20] .
kde X: OH, OR, OCOR, NH2 atd .
Reakce je katalyzována karbonyly niklu nebo palladia [22] .
Samostatně stojí za zmínku reakce oxidativní karbochlorace:
Jiné elektrofilní adiční reakce
Interakcí kyseliny octové s acetylenem vzniká vinylacetát :
Acetylenové uhlovodíky přidávají CO2 a sekundární aminy za vzniku amidů :
nebo
Nukleofilní adice na alkyny je iniciována vlivem záporně nabité částice - nukleofilu . Obecně platí, že katalyzátorem takových reakcí jsou báze . Obecné schéma prvního stupně nukleofilní adiční reakce:
Typické nukleofilní adiční reakce
Analogicky acetylen reaguje s amoniakem za vzniku ethylideneiminu [20] :
Při vysoké teplotě, v přítomnosti katalyzátoru, je imin dehydrogenován a přeměněn na acetonitril :
V přítomnosti peroxidů nebo jiných podmínek, které podporují tvorbu volných radikálů, adice k alkynu probíhá podle radikálního mechanismu - proti Markovnikovovu pravidlu („ Karashův efekt “):
Podle mechanismu volných radikálů * může reakce alkynů s thioly probíhat:
* - V přítomnosti bází probíhá reakce podle nukleofilního mechanismu.
Podobně dochází k přidávání karbenů:
Ethynylační reakce se nazývají reakce zvětšování uhlíkového skeletu alkynů se zachováním trojné vazby. Mohou probíhat jak elektrofilním, tak nukleofilním mechanismem v závislosti na médiu a reakčních podmínkách, povaze substrátu a typu použitého katalyzátoru.
Získávání acetylenových alkoholůV přítomnosti silných bází jsou alkyny s koncovou trojnou vazbou schopny přidat karbonylové sloučeniny za vzniku alkoholů [14] (" Favorského reakce "):
Nejdůležitější reakcí z této skupiny je adice formaldehydu do acetylenu za vzniku propargylalkoholu a následně butyn-2-diol-1,4 * :
* Butyn-2-diol-1,4 je důležitý meziprodukt pro výrobu butylenglykolu, y-butyrolaktonu , isoprenu a tetrahydrofuranu .
Tato reakce byla vyvinuta v roce 1925 V. Reppem (" Favorsky-Reppeova reakce "). Probíhá za vysokého tlaku v přítomnosti acetylenidu mědi.
Příprava acetylenových esterů a kyselinAcetylenové kyseliny nebo jejich estery lze získat Zuzhiho reakcí [20] :
Hydrogenace alkynů vodíkem na heterogenních katalyzátorech zpravidla vede ke vzniku cis -adice [6] . Hydrogenačními katalyzátory jsou Ni , Pd , Pt , stejně jako oxidy nebo komplexy Ir , Ru , Rh a některé další kovy.
V první fázi vzniká alken , který se téměř okamžitě hydrogenuje na alkan :
K zastavení reakce ve fázi výroby alkenu se používají Lindlarovy katalyzátory (Pd/PbO/CaCO 3 ) nebo borid niklu.
Když se acetylen hydrogenuje na nikl-kobaltovém katalyzátoru, lze získat isobutylen :
Homogenní hydrogenace
Homogenní hydrogenace se provádí amidem sodným v kapalném amoniaku nebo lithiumaluminiumhydridem v tetrahydrofuranu . Během reakce se tvoří trans- alkeny.
Hydroborace
Alkyny snadno přidávají diboran proti Markovnikovovu pravidlu a tvoří cis -alkenylborany:
Reakce je zajímavá tím, že další alkenylborany se snadno přemění na odpovídající cis -alkeny jednoduchým působením kyseliny octové [18] :
nebo oxidovat H 2 O 2 na aldehyd nebo keton [18] :
Redukční karboxylace
Analogicky s reakcemi alkenů vstupují alkyny do redukční karboxylační reakce.
V závislosti na reakčních podmínkách a typech katalyzátorů mohou být konečnými produkty alkoholy , aldehydy nebo alkany :
Alkyny se oxidují hůře než alkeny , nicméně při řízené oxidaci lze zachovat vazbu CC a získat karbonylové sloučeniny jako reakční produkty [16] :
Jako oxidační činidlo může působit ozon (s následnou redukcí a hydrolýzou ozonidu), KMnO 4 ve slabě alkalickém nebo neutrálním prostředí a některé další látky [16] .
Acetylen , v závislosti na oxidačním činidle, může poskytnout tři produkty:
( glyoxal ) — oxidace zředěné HNO 3 za přítomnosti PdCl 2 a NaNO 2 [20] .
( kyselina glyoxalová ) - oxidace KClO 3 v substrátu voda + diethylether [16] .
( kyselina šťavelová ) - oxidace KMnO 4 v kyselém prostředí nebo HNO 3 v přítomnosti PdCl 2 .
Samostatným typem reakcí jsou oxidační karboxylační reakce.
V roztocích palladiových komplexů se tvoří estery kyseliny maleinové:
Oxidační štěpné reakce
Působením silných oxidačních činidel za drsných podmínek dochází k oxidaci alkynů s porušením trojné vazby. Během reakce se tvoří karboxylové kyseliny a CO2 :
Oxidační kondenzační reakce
V přítomnosti měďných solí v alkoholovém roztoku amoniaku se alkyny oxidují vzdušným kyslíkem na diacetyleny (" Glaserova reakce "):
Reakce na acetylen může probíhat za vzniku polyinů:
Tato reakce vytvořila základ pro syntézu karabiny [24] .
V roce 1887 A.E. Favorsky objevil izomerizaci alkynů působením silných bází (nukleofilní útok) [6] . Tato reakce se nazývá Favorského reakce nebo přesmyk acetylen-allen:
V přítomnosti měďných (I) solí a chloridu amonného ve vodném prostředí vstupuje acetylen do oligomerační reakce za vzniku vinylacetylenu :
Reakce může jít dále s tvorbou divinylacetylenu:
Reakce byla poprvé objevena Y. Newlandem a slouží jako první průmyslový krok pro syntézu chloroprenu .
Polymerizační reakcePoprvé byla polymerace acetylenu provedena J. Nattou v roce 1957 průchodem plynu přes roztok katalyzátoru Al(C 2 H 5 ) 3 -Ti(OC 4 H 9 ) 4 [25] :
Reakcí vznikl semikrystalický polyacetylen .
Polyacetylen je zajímavý tím, že přidáním určitých přísad do něj ( doping ) je možné získat elektricky vodivý polymer s kovovými vlastnostmi [25] .
Cykloformační reakceAcetylen působením katalyzátorů - horké aktivní uhlí při 500 ° C ( Zelinského reakce ) nebo organoniklový katalyzátor ( například tetrakarbonyl nikl ) při 60 ° C a zvýšeném tlaku ( Reppeho reakce ) - cyklotrimeruje poměrně snadno za vzniku benzenu a pod jiné podmínky (katalyzátor - kyanid nikelnatý v THF) - cyklooktatetraen :
Cyklování v přítomnosti oxidu uhelnatého vede k produkci benzochinonu [13] :
Důležitou schopností alkynů je jejich schopnost vstoupit do Diels-Alderovy reakce :
Reakce pro tvorbu heterocyklů Tvorba pyrrolových derivátůInterakce acetylenu s ketonoximy v přítomnosti superbáze vede ke vzniku pyrrolového kruhu ( Trofimovova reakce ) [26] :
Heterocyklizace probíhá při teplotě 70-120 °C v prostředí dimethylsulfoxidu .
Existují také alternativní možnosti syntézy [27] :
Tvorba derivátů furanu
Zpracování alkynů vodní párou a CO v přítomnosti rhodiového katalyzátoru při tlaku 10 MPa a 100 °C vede ke vzniku derivátů furanu [28] :
Vznik dalších heterocyklů
Zde je několik dalších příkladů tvorby heterocyklů pomocí alkynů [29] [30] :
Kvalitativní reakcí na alkyny s koncovou trojnou vazbou je interakce alkynu se stříbrným nebo měděným amoniakem ( podrobnosti viz podsekce : " Tvorba alkynidů ").
K potvrzení přítomnosti trojné vazby ve sloučenině se používají spektroskopické metody . IR spektra asymetrických alkynů mají charakteristické pásy při 2260–2100 cm – 1 (vibrace natahování trojné vazby), 3310–3300 cm – 1 (vibrace vazby CH) a ohybové vibrace CH při 700–610 cm – 1 [13] .
Ze všech acetylenických uhlovodíků má vážný průmyslový význam pouze acetylen , který je nejdůležitější chemickou surovinou.
Acetylen se používá k syntéze následujících produktů:
Při hoření acetylenu se uvolňuje velké množství tepla, které se využívá pro řezání a svařování kovů při svařování kyslíko-acetylenem (spotřebuje se až 30 % z celkového vyrobeného acetylenu) [13] .
Koncem 19. a začátkem 20. století byly četné acetylenové výbojky (jako zdroj acetylenu sloužil levný karbid vápníku) široce používány v železniční a vodní dopravě, pro pouliční osvětlení a v každodenním životě [31] . Přestože je dnes masové používání acetylenových svítilen již minulostí, jejich výroba a spotřeba se nezastavily. Vyrábějí se v malých množstvích jako kempingové vybavení [32] .
uhlovodíky | |
---|---|
Alkanes | |
alkeny | |
alkyny | |
dieny | |
Ostatní nenasycené | |
Cykloalkany | |
Cykloalkeny | |
aromatický | |
Polycyklický | Decalin |
Polycyklické aromáty | |
|
Třídy organických sloučenin | |
---|---|
uhlovodíky | |
Obsahující kyslík | |
Obsahující dusík | |
Síra | |
S obsahem fosforu | |
halogenorganické | |
organokřemičitý | |
Organoelement | |
Další důležité třídy |