§ 82. Химические свойства алкинов

Определения и обозначения

Гидрирование алкинов — присоединение водорода H₂ по тройной связи. Если реакцию остановить после присоединения одной молекулы H₂, получится алкен; при присоединении второй молекулы образуется алкан. Это превращение используют, когда нужно изменить степень насыщенности углеводорода.

Галогенирование алкинов — присоединение галогена, например Br₂ или Cl₂, по тройной связи. Обычно процесс идёт в две стадии: сначала образуется дигалогеналкен, затем при дальнейшем присоединении — тетрагалогеналкан. Число атомов галогена в продукте зависит от количества прореагировавшего галогена.

Гидрогалогенирование алкинов — присоединение галогеноводорода HX, например HCl или HBr, по тройной связи. Первая порция реагента даёт галогеналкен, а дальнейшее присоединение может привести к дигалогеналкану. Буква X обозначает атом галогена, а не конкретный элемент.

Гидратация алкинов — присоединение воды по тройной связи с последующим превращением первичного продукта. Сначала возникает енол — соединение с группой OH при атоме углерода двойной связи, — а затем он перегруппировывается в карбонильное соединение. Такая последовательность объясняет, почему конечный продукт не записывают как енол.

Как это устроено

В тройной связи есть одна прочная σ-связь и две π-связи. При присоединении реагента π-связи разрываются, а между атомами углерода возникают новые связи с присоединяемыми атомами или группами. После разрыва одной π-связи сохраняется двойная связь, поэтому реакция может продолжиться и на следующей стадии. Именно этим объясняется возможность получить продукты с разной степенью насыщенности.

При гидрировании первая молекула H₂ превращает тройную связь в двойную, а вторая — двойную в одинарную. В общем виде последовательность выглядит так: алкин + H₂ → алкен; алкен + H₂ → алкан. Катализатор и условия подбирают так, чтобы получить нужный продукт и остановить реакцию на требуемой стадии. Для полного восстановления требуется две молекулы водорода на одну тройную связь.

При присоединении галогенов и галогеноводородов важно считать количество реагента. Одна молекула X₂ расходуется на первую стадию галогенирования, а избыток может обеспечить вторую; аналогично дополнительная порция HX способна превратить галогеналкен в дигалогеналкан. Поэтому по одному названию реакции нельзя определить конечный продукт, не зная соотношения реагентов. В уравнении нужно проверить, сколько атомов каждого элемента оказалось в продукте.

При гидратации к алкину присоединяются водород и группа OH из воды. Первичный продукт — енол — содержит OH у атома углерода двойной связи и обычно менее устойчив, чем карбонильная форма. Поэтому он перегруппировывается: связь и положение водорода меняются, возникает группа C=O. При гидратации ацетилена получается альдегид, а гидратация других алкинов обычно приводит к кетонам.

Окислители могут разрушать не только кратную связь, но и связи между атомами углерода, поэтому углеродный скелет алкина распадается на более простые продукты. Окисление можно распознать по изменению окраски некоторых растворов окислителей или по выпадению осадка — конкретный признак зависит от применённого реагента. При горении происходит полное окисление углерода и водорода. Если кислорода достаточно, конечные продукты — углекислый газ и вода.

Основные химические свойства алкинов

Сначала найдите в таблице реагент, затем проверьте, сколько его молекул участвует в реакции. Последний столбец помогает понять, почему могут образоваться разные продукты или измениться углеродный скелет. Для уравнения отдельно проверьте атомный состав и кратность связи.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение полного гидрирования пропина и назовите продукт.

1. Записываем структурную часть пропина: CH₃–C≡CH. В молекуле одна тройная связь.
2. Для полного гидрирования к ней присоединяются две молекулы H₂: CH₃–C≡CH + 2H₂ → CH₃–CH₂–CH₃.
3. Проверяем: в продукте три атома углерода, а водородов стало восемь. Тройная связь превратилась в одинарную.

Ответ: CH₃–C≡CH + 2H₂ → CH₃–CH₂–CH₃; продукт — пропан.

Задача 2. Определите продукты присоединения одной и двух молей брома к бут-1-ину.

1. Записываем бут-1-ин: HC≡C–CH₂–CH₃. Одна молекула Br₂ присоединяется по тройной связи, и она становится двойной.
2. На первой стадии образуется CHBr=CBr–CH₂–CH₃. Это 1,2-дибромбут-1-ен; для записи достаточно указать, что по одному атому Br присоединилось к каждому атому бывшей тройной связи.
3. При присоединении второй молекулы Br₂ двойная связь становится одинарной, а к тем же атомам углерода добавляются ещё два атома Br: CHBr₂–CBr₂–CH₂–CH₃.

Ответ: одна молекула Br₂ даёт 1,2-дибромбут-1-ен, две молекулы Br₂ — 1,1,2,2-тетрабромбутан.

Задача 3. При гидратации бут-1-ина в присутствии катализатора определите продукт и составьте уравнение реакции.

1. Записываем формулу алкина: HC≡C–CH₂–CH₃. При гидратации к тройной связи присоединяются H и OH из молекулы воды.
2. Сначала образуется енол CH₂=C(OH)–CH₂–CH₃. Он не остаётся конечным продуктом, а перегруппировывается: группа C=O возникает у второго атома углерода.
3. Получается CH₃–CO–CH₂–CH₃. Проверяем формулу: в продукте четыре атома углерода, как в исходном алкине.

Ответ: HC≡C–CH₂–CH₃ + H₂O → CH₃–CO–CH₂–CH₃; продукт — бутан-2-он.

Типичные ошибки

При полном гидрировании иногда записывают только одну молекулу H₂, потому что вспоминают лишь первый этап реакции. Но одна порция водорода превращает алкин в алкен, а не в алкан. Проверьте себя: в продукте должна остаться только одинарная связь, а на тройную связь требуется две молекулы H₂.

Ошибочно считать, что галогенирование всегда даёт продукт с одной молекулой галогена. Так происходит, если учитывают только первую стадию и не замечают избыток реагента. Сверьте число молекул X₂ в условии и проверьте, сохранилась ли в продукте двойная связь: при второй стадии она исчезает.

Ещё одна ошибка — оставлять результат гидратации в форме енола. Его записывают как промежуточное соединение, хотя обычно он перегруппировывается в альдегид или кетон. Чтобы проверить ответ, найдите в конечной формуле группу C=O и убедитесь, что число атомов углерода не изменилось.

Гидрирование и гидратацию легко спутать из-за похожих названий. При гидрировании присоединяется H₂, а при гидратации — H₂O, поэтому различаются и состав продукта, и тип превращения. Перед составлением уравнения выпишите реагент и проверьте, какие именно атомы должны добавиться к исходной молекуле.

Связь с другими темами

Для изучения реакций алкинов нужно знать их строение, природу тройной связи и правила номенклатуры углеводородов. Понадобится умение составлять уравнения реакций присоединения и проверять их по числу атомов каждого элемента. Эти превращения связывают углеводороды с веществами, содержащими функциональные группы, и используются при изучении органического синтеза. Поэтому понимание реакций алкинов помогает проследить, как из одного класса органических веществ получают другой.

Что запомнить

• Тройная связь алкина способна присоединять реагенты в две стадии.
• При полном гидрировании алкин превращается в алкан.
• Количество присоединившегося реагента влияет на состав продукта.
• Гидратация алкинов приводит к карбонильным соединениям после перегруппировки енола.
• При горении алкинов образуются углекислый газ и вода.
• В уравнениях нужно учитывать изменение кратности связи и число молекул реагента.