§ 6. Алкины

Определения и обозначения

Алкин — непредельный углеводород, в молекуле которого есть одна тройная связь между атомами углерода. Непредельным называют вещество, способное присоединять другие атомы или группы атомов по кратной связи. Это определение помогает отличать алкины от алканов, где между атомами углерода только одинарные связи.

Тройная связь — связь C≡C, состоящая из одной σ-связи и двух π-связей. Её кратность равна трём, то есть атомы углерода связаны тремя общими электронными парами. Такое строение объясняет, почему алкины могут присоединять реагенты и образовывать соединения с двойной или одинарной связью.

Гомологический ряд алкинов — последовательность веществ, соседние представители которой отличаются на группу –CH₂–. Для ациклических алкинов с одной тройной связью общая формула — CₙH₂ₙ₋₂. По ней можно определить число атомов водорода, если известно число атомов углерода, или проверить, подходит ли формула вещества к этому классу.

Номенклатура алкинов — правила составления названий этих веществ. Главную цепь выбирают так, чтобы она была самой длинной из цепей, содержащих тройную связь, а нумерацию начинают с ближайшего к ней конца. Положение связи обозначают числом и суффиксом «-ин»: например, бутин-1; это позволяет отличить его от бутина-2.

Как это устроено

У атома углерода на внешнем энергетическом уровне четыре электрона, и при образовании тройной связи один из них участвует в формировании связи по иному типу перекрывания орбиталей. Две орбитали смешиваются и становятся sp-гибридными, направленными в противоположные стороны. Поэтому атом углерода при тройной связи образует две σ-связи, расположенные на одной прямой. Участок молекулы вокруг C≡C имеет линейную геометрию и угол около 180°.

Тройная связь образуется из одной σ-связи и двух π-связей. σ-связь возникает при перекрывании орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра атомов; π-связи появляются при боковом перекрывании негибридных орбиталей. Такое боковое перекрывание менее прочное, чем σ-перекрывание, а электронная плотность π-связей доступна для взаимодействия с реагентами. Поэтому при реакции присоединения π-связи разрушаются легче, а σ-связь между атомами углерода сохраняется.

Общая формула помогает быстро записывать состав молекулы: вместо n подставляют число атомов углерода и вычисляют 2n − 2. Например, при n = 5 получается C₅H₈. Чтобы построить структурную формулу, сначала размещают углеродную цепь, затем ставят тройную связь в допустимое положение и добавляют водород так, чтобы каждый атом углерода имел валентность IV. Для пяти атомов углерода возможны, например, пентин-1 и пентин-2.

При назывании алкина необходимо включить тройную связь в главную цепь, даже если другая цепь той же длины выглядит удобнее. Нумерацию ведут от конца, ближайшего к тройной связи, а её номером считают номер первого атома углерода в связи. Например, в CH≡C–CH₂–CH₃ связь начинается у первого атома углерода, поэтому это бутин-1. Суффикс «-ин» показывает принадлежность вещества к алкинам.

Алкины вступают в реакции присоединения потому, что у тройной связи есть две π-связи, которые могут последовательно разрушаться. На первой стадии присоединения одна π-связь исчезает, а тройная связь становится двойной; образуется алкен. На второй стадии реагент присоединяется по оставшейся π-связи, и между атомами углерода остаётся одинарная связь. Поэтому количество реагента и условия позволяют остановить превращение на стадии алкена или довести его до алкана.

Строение и свойства алкинов

Таблица сопоставляет общие признаки класса с конкретным представителем — этином. Сначала найдите нужную характеристику в первом столбце, затем сравните закономерность со свойствами этинa. Так удобно увидеть, какие свойства относятся ко всем алкинам, а какие описывают именно этин.

Разбор задач

Задача 1. Определите молекулярную формулу алкина с пятью атомами углерода и назовите его. Используем общую формулу CₙH₂ₙ₋₂, потому что по условию речь идёт об ациклическом алкине с одной тройной связью. Название зависит от положения тройной связи, поэтому одна молекулярная формула может соответствовать разным изомерам.

1. Подставляем число атомов углерода: n = 5.
2. Вычисляем число атомов водорода: 2 × 5 − 2 = 8, значит, формула C₅H₈.
3. В цепи из пяти атомов углерода тройная связь может начинаться у первого или второго атома. Названия двух изомеров — пентин-1 и пентин-2.

Ответ: C₅H₈; возможные названия — пентин-1 и пентин-2. Если положение связи не задано, единственное название определить нельзя.

Задача 2. Составьте уравнение реакции этена с одной молекулой брома и назовите продукт. Этен — это алкен, поэтому в нём есть двойная, а не тройная связь. Бром присоединяется по этой кратной связи, и атомы брома занимают места у соседних атомов углерода.

1. Записываем формулы реагентов: CH₂=CH₂ и Br₂.
2. Разрываем π-составляющую двойной связи и присоединяем по одному атому Br к каждому атому углерода.
3. Проверяем число атомов: в продукте два атома C, четыре H и два Br, что соответствует исходному составу.

Уравнение: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br. Ответ: образуется 1,2-дибромэтан. В этой задаче реагирует именно двойная связь этена.

Задача 3. Для бутина-1 запишите последовательное присоединение водорода до алкана, укажите условия и назовите промежуточное и конечное вещества. В одной молекуле водорода два атома, поэтому для полного насыщения тройной связи нужны две молекулы H₂. Реакцию проводят при нагревании в присутствии катализатора, например никеля.

1. Формула бутина-1 — CH≡C–CH₂–CH₃. На первой стадии присоединяем одну молекулу водорода: CH≡C–CH₂–CH₃ + H₂ → CH₂=CH–CH₂–CH₃.
2. Промежуточный продукт — бутен-1. Его двойная связь сохраняется, поэтому может присоединить ещё одну молекулу водорода.
3. На второй стадии записываем: CH₂=CH–CH₂–CH₃ + H₂ → CH₃–CH₂–CH₂–CH₃.

Ответ: при гидрировании бутина-1 сначала образуется бутен-1, затем бутан. Для полного превращения суммарно требуется 2H₂; условия — нагревание и катализатор, например Ni.

Типичные ошибки

Общую формулу алкинов иногда путают с формулой алкенов: CₙH₂ₙ вместо CₙH₂ₙ₋₂. Причина — у обоих классов есть кратная связь, но у алкина она тройная, а у алкена двойная. Для проверки подставьте число атомов углерода в обе формулы и сравните с числом водородов в структурной формуле. Например, для n = 5 алкин имеет формулу C₅H₈.

Нередко цепь нумеруют с конца, удалённого от тройной связи. Так делают, если начинают нумерацию механически слева направо, не проверяя положение кратной связи. Сравните расстояние от обоих концов и выберите направление, дающее связи наименьший номер. В названии пентин-1 номер 1 предпочтительнее номера 4.

Тройную связь могут представлять как три одинаковые связи. При этом теряется различие между σ-связью и π-связями, от которого зависит объяснение реакционной способности. Проверьте себя: у C≡C одна σ-связь и две π-связи, а при присоединении сначала разрушаются π-связи. Следовательно, на промежуточной стадии может сохраняться двойная связь.

Ещё одна ошибка — сразу записывать полное насыщение тройной связи при любом присоединении. Её допускают, забывая, что реакция может остановиться после первой стадии и дать алкен. Проверьте, сколько молекул реагента участвует в уравнении и спрашивается ли конечный алкан. Для одной молекулы H₂ на первом этапе у бутина образуется бутен, а для полного гидрирования нужны две молекулы H₂.

Связь с другими темами

Для изучения алкинов нужны знания о валентности углерода, строении органических веществ, гомологическом ряде и правилах номенклатуры углеводородов. Сравнение алкинов с алкенами и алканами показывает, как кратность связи влияет на состав и реакции: алканы содержат одинарные связи, алкены — двойные, алкины — тройные. Позже эти знания помогут разбирать получение и применение ацетилена, а также реакции органического синтеза, где алкин превращается в другие вещества.

Что запомнить

• Алкины — ациклические углеводороды с одной тройной связью.
• Общая формула такого ряда — CₙH₂ₙ₋₂.
• Тройная связь включает одну σ-связь и две π-связи.
• Атомы углерода при тройной связи находятся в состоянии sp-гибридизации.
• При присоединении реагентов тройная связь может превращаться сначала в двойную, затем в одинарную.
• При нумерации цепи тройная связь должна получить наименьший номер.