§ 7. Ацетиленовые углеводороды

Определения и обозначения

Ацетиленовые углеводороды, или алкины, — непредельные ациклические углеводороды с одной тройной связью между атомами углерода. Их общая формула — CₙH₂ₙ₋₂, где n — число атомов углерода. Определение помогает отличать алкины от алкенов и других классов углеводородов.

Тройная связь обозначается как C≡C и состоит из одной σ-связи и двух π-связей. σ-связь образуется при прямом перекрывании орбиталей, а π-связи — при боковом перекрывании. Наличие двух π-связей объясняет непредельный характер алкинов и их способность присоединять реагенты.

Гомологический ряд алкинов — ряд веществ с общей формулой CₙH₂ₙ₋₂, в котором соседние члены отличаются на группу –CH₂–. Например, после этина C₂H₂ идёт пропин C₃H₄, затем бутин C₄H₆. Такой ряд позволяет сравнивать состав и свойства родственных соединений.

Ацетилен, или этин, — простейший алкин с формулой C₂H₂. Его молекула имеет вид H–C≡C–H, а оба атома углерода и атомы водорода расположены на одной прямой. В гомологическом ряду ацетилен является первым представителем.

Как это устроено

В насыщенном углеводороде с n атомами углерода формула имеет вид CₙH₂ₙ₊₂. Образование одной тройной связи уменьшает число атомов водорода на четыре, потому что по сравнению с одинарными связями появляются две дополнительные связи между атомами углерода. Поэтому формула алкинов становится CₙH₂ₙ₋₂: для этина C₂H₂, пропина C₃H₄, бутина C₄H₆.

У каждого атома углерода в фрагменте C≡C происходит sp-гибридизация. Две гибридные орбитали образуют σ-связи с соседними атомами и направлены противоположно, под углом 180°, а негибридные орбитали создают две π-связи. π-связи легче нарушить при взаимодействии с реагентами, поэтому алкины обычно реакционноспособнее насыщенных углеводородов.

Чтобы назвать алкин, сначала выбирают самую длинную цепь, содержащую тройную связь. Нумерацию начинают с того конца, к которому тройная связь расположена ближе, а её положение обозначают цифрой перед суффиксом «-ин». Например, CH₃–C≡C–CH₂–CH₃ — пент-2-ин, поскольку тройная связь начинается у второго атома углерода.

Изомерия углеродного скелета возникает, когда при одинаковой формуле по-разному соединены атомы углерода: пентин и 3-метилбутин имеют формулу C₅H₈, но разные скелеты. Изомерия положения тройной связи наблюдается у пентинов: пент-1-ин и пент-2-ин отличаются местом связи C≡C. Разные структуры могут иметь неодинаковые физические и химические свойства.

Алкины вступают в реакции присоединения, потому что π-связи тройной связи могут разрываться, а освободившиеся валентности заполняются атомами или группами. При присоединении одной порции реагента тройная связь превращается в двойную, а при второй — в одинарную. Так, при гидрировании алкин последовательно превращается в алкен, а затем в насыщенный алкан.

Строение, свойства и применение алкинов

Таблицу удобно использовать как краткий алгоритм повторения: сначала вспомнить состав и строение, затем номенклатуру и изомерию. После этого легче связать химические свойства с тройной связью и понять практическое значение ацетилена.

Разбор задач

Задача 1

Запишите молекулярную формулу алкина с пятью атомами углерода и назовите его простейший представитель. В условии даны n = 5 и общий класс веществ — алкины. Нужно применить общую формулу и вспомнить первый член ряда.

1. Подставим n = 5 в формулу CₙH₂ₙ₋₂: C₅H₂·₅₋₂.
2. Вычислим число атомов водорода: 2 · 5 − 2 = 8, поэтому формула равна C₅H₈.
3. Простейший представитель ряда имеет два атома углерода и называется ацетиленом, или этином; его формула C₂H₂.

Ответ: алкин с пятью атомами углерода имеет формулу C₅H₈; простейший представитель — ацетилен, C₂H₂.

Задача 2

Назовите соединение CH₃–C≡C–CH₃ и укажите возможный изомер положения тройной связи. Цепь содержит четыре атома углерода, поэтому основа названия — бутин. Тройная связь находится посередине цепи и при нумерации с любого конца получает номер 2.

1. Выбираем главную цепь из четырёх атомов углерода: это бут-.
2. Нумеруем цепь и отмечаем начало тройной связи между вторым и третьим атомами.
3. Получаем название бут-2-ин; возможного другого изомера положения для четырёхуглеродной цепи с сохранением допустимой структуры здесь нет, поскольку положение 3 при обратной нумерации превращается в положение 2.

Ответ: CH₃–C≡C–CH₃ — бут-2-ин. Для этой молекулярной формулы изомер положения тройной связи — бут-1-ин, CH≡C–CH₂–CH₃.

Задача 3

Составьте уравнение полного гидрирования пропина и определите, сколько молей водорода требуется на 1 моль пропина. Пропин имеет формулу CH₃–C≡CH, а при полном насыщении тройная связь должна стать одинарной. Значит, конечным продуктом будет пропан.

1. Записываем схему присоединения водорода: CH₃–C≡CH + H₂ → CH₃–CH=CH₂.
2. Для превращения образовавшегося пропена в пропан присоединяем ещё одну молекулу водорода: CH₃–CH=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₂–CH₃.
3. Объединяем стадии: CH₃–C≡CH + 2H₂ → CH₃–CH₂–CH₃.

Ответ: полное гидрирование пропина описывается уравнением CH₃–C≡CH + 2H₂ → CH₃–CH₂–CH₃. На 1 моль пропина требуется 2 моль водорода.

Типичные ошибки

Для алкинов иногда записывают формулу CₙH₂ₙ, смешивая её с формулой алкенов. Ошибка возникает из-за того, что и алкины, и алкены являются непредельными, но тройная связь даёт две степени ненасыщенности. Проверка проста: при n = 2 формула алкина должна дать C₂H₂, а не C₂H₄.

Некоторые нумеруют цепь с конца, удобного для заместителя, и получают неправильный номер тройной связи. Причина в том, что забывают о главном правиле номенклатуры: кратная связь имеет приоритет. Проверьте оба направления нумерации и выберите меньшее число для C≡C.

Тройную связь иногда представляют как три одинаковые σ-связи. На самом деле в ней одна σ-связь и две π-связи, поэтому такое объяснение не показывает её непредельность. Самопроверка: в записи C≡C нужно назвать один прямой и два боковых типа перекрывания.

При гидрировании алкина записывают только одну молекулу H₂ и сразу получают алкан. Так пропускают промежуточную стадию образования алкена, потому что воспринимают тройную связь как одну «кратную» связь. Проверьте число π-связей: для полного насыщения нужны две молекулы H₂.

Связь с другими темами

Перед изучением алкинов полезно повторить строение атома углерода, ковалентную связь, гомологические ряды и формулы алканов и алкенов. С алкенами тема связана общими реакциями присоединения, но тройная связь позволяет присоединить реагент последовательно дважды. Знания об алкинах нужны при изучении органического синтеза, полимеров и промышленного использования ацетилена.

Что запомнить

• Алкины — ациклические углеводороды с одной тройной связью.
• Общая формула алкинов: CₙH₂ₙ₋₂.
• В тройной связи одна σ-связь и две π-связи.
• Фрагмент C≡C имеет линейное строение.
• Название алкина образуют с суффиксом «-ин», указывая положение тройной связи.
• Для полного гидрирования алкина требуется две молекулы водорода на одну молекулу вещества.