9.1
مقدمة:
في الطبيعة، تُعرف المركبات التي تحتوي على الكربون والهيدروجين باسم "الهيدروكربونات". الهيدروكربونات الأليفاتية هي مركبات تحتوي جزيئاتها على روا…
الهيدروكربونات غير المشبعة التي تحتوي على روابط ثلاثية بين الكربون والكربون "الألكينات" ويتم تمثيلها هيكليا على أنها CnH2n-2.
الإيثين أو الأسيتيلين هو أبسط الألكين. إنه غاز عديم اللون يخضع للاحتراق في درجات حرارة عالية ويستخدم في اللحام.
تعتبر مجموعة الألكين ذات أهمية كجزء نشط بيولوجيا في الأدوية المستخدمة لعلاج مرض باركنسون ، مثل السيليجينين ، وفي وسائل منع الحمل الفموية مثل الإثينيل استراديول.
تتكون الرابطة الثلاثية بين الكربون والكربون للأسيتيلين من رابطة σ واحدة ورابطتين π. تتداخل مدارات sp للكربون لإنشاء رابطة σ ، بينما يشكل التداخل الجانبي للمدارات 2py و 2pz رابطتين π. يشارك المدار sp الثاني لكل كربون في رابطة σ مع مدار 1s للهيدروجين ، مما يولد روابط الكربون والهيدروجين.
وبالتالي ، يتم تهجين الألكينات sp بهندسة خطية وزاوية رابطة تبلغ 180 درجة ، مما يؤدي إلى الصلابة الهيكلية للجزيئات.
تظهر الألكاينات حرفا بنسبة خمسين بالمائة بالنظر إلى تهجينها sp. نظرا لأن الإلكترونات في المدار s أقرب إلى النواة من المدارات p ، فإن طاقاتها أقل ، وهي أكثر ارتباطا بالنواة. وبالتالي ، فإن زيادة الطابع s ينتج عنه روابط أقوى وأقصر.
ينعكس هذا في طول الرابطة الثلاثية للكربون والكربون الأسيتيلين البالغ 1.21 Å ورابطة الكربون والهيدروجين البالغة 1.06 Å. كلتا الرابطتين أقصر مقارنة بالألكينات والألكانات المقابلة لهما.
بصرف النظر عن الطابع الأعلى ، فإن العدد المتزايد من الروابط بين الكربونين يساهم في الروابط الأقصر والأقوى أيضا.
ومن ثم ، فإن طاقة تفكك الرابطة للألكينات أعلى بكثير من طاقة الألكينات أو الألكانات.
الألكينات هي مركبات غير قطبية غير قابلة للذوبان في الماء ولكنها قابلة للذوبان في المذيبات العضوية غير القطبية مثل البنزين.
الألكينات ذات الوزن الجزيئي المنخفض مثل الأسيتيلين هي غازات ؛ تلك ذات الأوزان الجزيئية المتوسطة ، مثل 1-أوكتين هي سوائل. في المقابل ، توجد الألكاينات ذات الوزن الجزيئي الأعلى كمواد صلبة في درجة حرارة الغرفة.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is the molecular structure of alkynes and how do they differ from alkenes?
Alkynes are unsaturated hydrocarbons with carbon-carbon triple bonds, represented by the formula CnH2n-2. They differ from alkenes, which contain double bonds and follow CnH2n. The triple bond in alkynes consists of one sigma bond and two pi bonds, making them more unsaturated and structurally distinct from alkenes and alkanes.
Q2: Why are alkyne bonds shorter and stronger than those in alkenes and alkanes?
Alkynes are sp hybridized with 50% s character, meaning electrons occupy lower-energy s orbitals closer to the nucleus and are more tightly bound. The increased s character and the presence of three bonds between carbons result in shorter, stronger bonds. Acetylene's C-C triple bond measures 1.21 Å, significantly shorter than alkene (1.34 Å) or alkane (1.53 Å) bonds.
Q3: What is the molecular geometry of alkynes and what determines their shape?
Alkynes have linear geometry with a 180° bond angle due to sp hybridization. The lateral overlap of p orbitals and the sp orbital arrangement create this rigid, linear structure. This linear geometry is a defining structural feature that distinguishes alkynes from other hydrocarbons with different hybridization states.
Q4: How does the physical state of alkynes vary with molecular weight?
Lower molecular weight alkynes like acetylene and propyne exist as gases at room temperature. Medium molecular weight alkynes such as 1-octyne are liquids, while higher molecular weight alkynes exist as solids. This variation in physical state depends on intermolecular forces increasing with molecular weight.
Q5: What are the solubility properties of alkynes and why?
Alkynes are nonpolar compounds that are insoluble in water and polar solvents but soluble in nonpolar organic solvents like benzene. Their nonpolar nature and lower density than water determine these solubility characteristics. This makes alkynes compatible with organic reaction media rather than aqueous systems.
Q6: What are some important applications of alkynes in pharmaceuticals and industry?
Acetylene, the simplest alkyne, is used as a fuel for welding due to its high combustion temperature. Alkyne-containing compounds serve as bioactive moieties in drugs like selegiline for treating Parkinson's disease and ethynylestradiol in oral contraceptives. Natural alkynes also occur in compounds like South American tree frog poisons.
Q7: How can alkynes be converted into other functional groups?
Alkynes undergo various transformations including electrophilic addition to alkynes halogenation, hydrohalogenation, and reduction reactions. They can be reduced to alkenes through catalytic hydrogenation or converted to aldehydes and ketones via acid-catalyzed hydration. These reactions expand the synthetic utility of alkynes in organic synthesis.