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Structure et propriétés physiques des alcynes
Introduction:
Dans la nature, les composés contenant à la fois du carbone et de l’hydrogène sont appelés « hydrocarbures ». Les hydrocarbures aliphati…
Les hydrocarbures insaturés contenant des liaisons triples carbone-carbone sont appelés « alcynes » et sont représentés structurellement par CnH2n-2.
L’éthyne ou l’acétylène est l’alcyne le plus simple. C’est un gaz incolore qui subit une combustion à haute température et qui est utilisé pour le soudage.
Le groupe alcyne est important en tant que fraction bioactive dans les médicaments utilisés pour traiter la maladie de Parkinson, tels que la sélégiline, et dans les contraceptifs oraux comme l'éthynylestradiol.
La triple liaison carbone-carbone de l’acétylène est composée d’une liaison σ et de deux liaisons π. Les orbitales sp du carbone se chevauchent pour créer une liaison σ, tandis que le chevauchement latéral des orbitales 2py et 2pz forme deux liaisons π. La deuxième orbitale sp de chaque carbone participe à une liaison σ avec l’orbitale1 s de l’hydrogène, générant les liaisons carbone-hydrogène.
Ainsi, les alcynes sont hybridés par sp, avec une géométrie linéaire et un angle de liaison de 180°, ce qui entraîne une rigidité structurelle des molécules.
Les alcynes présentent un caractère de cinquante pour cent compte tenu de leur hybridation sp. Comme les électrons de l’orbitale s sont plus proches du noyau que les orbitales p, leurs énergies sont plus faibles et ils sont plus étroitement liés au noyau. Par conséquent, un caractère s accru se traduit par des liens plus forts et plus courts.
Cela se reflète dans la longueur de la triple liaison carbone-carbone de l'acétylène de 1,21 Å et la liaison carbone-hydrogène de 1,06 Å. Les deux liaisons sont plus courtes par rapport à leurs alcènes et alcanes correspondants.
Outre le caractère s plus élevé, le nombre accru de liaisons entre les deux carbones contribue également aux liaisons plus courtes et plus fortes.
Par conséquent, l’énergie de dissociation des liaisons des alcynes est significativement plus élevée que celle des alcènes ou des alcanes.
Les alcynes sont des composés apolaires insolubles dans l’eau, mais qui sont solubles dans les solvants organiques non polaires comme le benzène.
Les alcynes de faible poids moléculaire tels que l’acétylène sont des gaz ; ceux de poids moléculaire moyen, tels que le 1-octyne sont des liquides. En revanche, les alcynes de poids moléculaire plus élevé existent sous forme solide à température ambiante.
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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.