§ 9. Алкины

Определения и обозначения

Алкины — непредельные углеводороды, молекулы которых содержат одну тройную связь между атомами углерода. Непредельными их называют потому, что они могут присоединять атомы и группы по месту этой связи. Это определение помогает отличать алкины от алканов и алкенов.

Тройная связь обозначается C≡C и состоит из одной σ-связи и двух π-связей. σ-связь образуется при перекрывании орбиталей вдоль линии между ядрами, а π-связи — сбоку от этой линии. Такое строение объясняет химическую активность алкинов.

Ацетилен — простейший алкин состава C₂H₂. Его молекула содержит два атома углерода, соединённых тройной связью, и по одному атому водорода у каждого углерода. Ацетилен важен как горючий газ и исходное вещество для органического синтеза.

Общая формула алкинов — CₙH₂ₙ₋₂ при n ≥ 2. Буква n показывает число атомов углерода в молекуле, а индекс у водорода позволяет быстро проверить состав гомолога. Например, при n = 4 формула алкина равна C₄H₆.

Как это устроено

Тройная связь определяет принадлежность вещества к алкинам, потому что именно она является их главным структурным признаком. В ациклическом углеводороде с одной тройной связью на два атома водорода меньше, чем в соответствующем алкане: двойная связь уменьшает число водородов на два, а тройная — на четыре. Поэтому из формулы алканов CₙH₂ₙ₊₂ получают формулу алкинов CₙH₂ₙ₋₂.

Атомы углерода при тройной связи используют sp-гибридизацию. Одна s- и одна p-орбиталь смешиваются и образуют две sp-орбитали, направленные в противоположные стороны. Поэтому фрагмент C≡C линейный, а угол между связями у каждого такого атома равен 180°.

В тройной связи одна σ-связь прочнее удерживает атомы на общей линии, а две π-связи образуются боковым перекрыванием орбиталей. Такое перекрывание менее прочное, поэтому π-связи легче разрываются при взаимодействии с реагентами. В результате алкины легко вступают в реакции присоединения, причём сначала может присоединиться одна, а затем вторая порция реагента.

Название алкина строят по самой длинной цепи, содержащей тройную связь. Цепь нумеруют с того конца, к которому тройная связь ближе, а её положение обозначают номером первого атома углерода и суффиксом -ин. Например, цепь из четырёх атомов с тройной связью у края называется бут-1-ин, а с тройной связью между вторым и третьим атомами — бут-2-ин.

Ацетилен получают действием воды на карбид кальция: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂. Дигалогеналканы превращают в алкины двойным отщеплением галогеноводорода от соседних или одного и того же атома углерода. После двух отщеплений между углеродами, ранее связанными одинарной связью, формируются одна σ-связь и две π-связи, то есть тройная связь.

Строение, свойства и получение алкинов

В таблице собраны признаки, по которым удобно повторять тему: сначала строение и названия, затем физические и химические свойства, после этого получение и применение. В строках с реакциями смотрите, какая часть молекулы присоединяется к тройной связи и может ли реакция пройти до конца. Уравнения помогают связывать качественное описание свойства с конкретным примером.

Разбор задач

Задача 1. Названия алкинов

Условие: назовите по международной номенклатуре вещества CH≡C–CH₂–CH₃ и CH₃–C≡C–CH₃.

1. В первой формуле самая длинная цепь содержит четыре атома углерода, а тройная связь начинается у первого атома. Название состоит из основы бут-, номера 1 и суффикса -ин: бут-1-ин.
2. Во второй формуле также четыре атома углерода. При нумерации с любого конца тройная связь получает номер 2, поэтому вещество называется бут-2-ин.

Ответ: CH≡C–CH₂–CH₃ — бут-1-ин; CH₃–C≡C–CH₃ — бут-2-ин.

Задача 2. Реакции бут-1-ина

Условие: составьте уравнения реакций бут-1-ина с водородом, бромом и хлороводородом. Покажите присоединение одной и двух молекул реагента.

1. Записываем скелет бут-1-ина: HC≡C–CH₂–CH₃. При присоединении одной молекулы H₂ образуется бут-1-ен, а при полном гидрировании — бутан: HC≡C–CH₂–CH₃ + H₂ → CH₂=CH–CH₂–CH₃; CH₂=CH–CH₂–CH₃ + H₂ → CH₃–CH₂–CH₂–CH₃.
2. Одна молекула Br₂ превращает тройную связь в двойную: HC≡C–CH₂–CH₃ + Br₂ → CHBr=CBr–CH₂–CH₃. При избытке брома присоединяется ещё одна молекула: CHBr=CBr–CH₂–CH₃ + Br₂ → CHBr₂–CBr₂–CH₂–CH₃.
3. Для HCl действует правило Марковникова: водород присоединяется к концевому атому углерода, а хлор — к соседнему. Получаются CH₂=CCl–CH₂–CH₃, а затем CH₃–CCl₂–CH₂–CH₃.

Ответ: продукты неполного и полного присоединения — бут-1-ен и бутан, 1,2-дибромбут-1-ен и 1,1,2,2-тетрабромбутан, 2-хлорбут-1-ен и 2,2-дихлорбутан.

Задача 3. Получение бут-1-ина и расчёт кислорода

Условие: получите бут-1-ин из подходящего дигалогеналкана и найдите объём кислорода для полного сгорания 11,2 л ацетилена при нормальных условиях.

1. Выбираем 1,2-дибромбутан: BrCH₂–CHBr–CH₂–CH₃. Двойное отщепление бромоводорода в спиртовом растворе щёлочи даёт тройную связь: BrCH₂–CHBr–CH₂–CH₃ + 2KOH → HC≡C–CH₂–CH₃ + 2KBr + 2H₂O.
2. Уравниваем горение ацетилена: 2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O. Из уравнения видно, что на 2 моль, или 2 объёма, ацетилена требуется 5 объёмов кислорода.
3. Находим объём: V(O₂) = 11,2 л · 5/2 = 28 л. Используем объёмное отношение газов, поскольку они находятся при одинаковых условиях.

Ответ: бут-1-ин получают из 1,2-дибромбутана двойным отщеплением HBr; для сгорания 11,2 л ацетилена требуется 28 л O₂.

Типичные ошибки

Записывают для алкинов формулу CₙH₂ₙ, путая их с алкенами. Ошибка возникает из-за того, что и двойная, и тройная связь показывают непредельность, но тройная связь уменьшает число водородов ещё на два. Проверьте формулу на ацетилене: при n = 2 должно получиться C₂H₂, а не C₂H₄.

Нумеруют цепь с конца, ближайшего к заместителю, а не к тройной связи. По правилам сначала обеспечивают наименьший номер кратной связи, и только затем учитывают заместители. Для проверки пронумеруйте цепь с обоих концов и сравните номера начала тройной связи.

Считают тройную связь тремя равноправными σ-связями. На самом деле она включает одну σ-связь и две π-связи, образованные боковым перекрыванием орбиталей. В записи строения ищите одну основную линию между атомами и две дополнительные π-связи, а не три одинаковые σ-связи.

При присоединении записывают произвольное положение атомов водорода или галогена. Причина ошибки — игнорирование строения исходного алкина и правила Марковникова для галогеноводородов. Сначала обозначьте концевой и внутренний атомы углерода, затем проверьте, к какому из них присоединяется каждый атом.

Связь с другими темами

Для изучения алкинов нужны знания о строении атома углерода, валентности и типах химических связей. Также пригодятся понятия гомологического ряда и правила номенклатуры органических веществ. Эти основы позволяют выводить формулу и правильно называть соединения.

Алкины связывают тему непредельных углеводородов с органическим синтезом и получением полимеров. Уравнения их горения и присоединения используются в стехиометрических расчётах. Поэтому понимание алкинов помогает решать задачи на состав, объёмы газов и выход продуктов.

Что запомнить

• Алкины содержат тройную связь C≡C.
• Общая формула алкинов — CₙH₂ₙ₋₂.
• Углеродные атомы при тройной связи находятся в состоянии sp-гибридизации, а фрагмент C≡C имеет линейное строение.
• Для алкинов характерны реакции присоединения по тройной связи.
• Простейший представитель алкинов — ацетилен C₂H₂.
• Ацетилен получают действием воды на карбид кальция.
• Алкины горят с образованием углекислого газа и воды.