9.1
מבוא:
בטבע, תרכובות המכילות פחמן ומימן ידועות כ"פחמימנים". פחמימנים אליפטיים הם תרכובות שהמולקולות שלהן מכילות קשרים בודדים רוויים (כלומר, אלקנים) או…
פחמימנים בלתי רוויים המכילים קשרים משולשים פחמן-פחמן נקראים "אלקינים" והם מיוצגים מבחינה מבנית כ- CnH2n-2.
אתין או אצטילן הוא האלקין הפשוט ביותר. זהו גז חסר צבע שעובר בעירה בטמפרטורות גבוהות ומשמש לריתוך.
קבוצת אלקין היא בעלת משמעות כמויטי ביו-אקטיבי בתרופות המשמשות לטיפול במחלת פרקינסון, כגון סלגילין, ובגלולות למניעת הריון כמו אתינילאסטרדיול.
הקשר המשולש פחמן-פחמן של אצטילן מורכב מקשר σ אחד ושני קשרי π. אורביטלי ה-sp של הפחמן חופפים ליצירת קשר σ, בעוד שהחפיפה הצידית של אורביטלי 2py ו-2pz יוצרת שני קשרים π. אורביטל sp השני של כל פחמן משתתף בקשר σ עם אורביטל1 s של המימן, ויוצר את קשרי פחמן-מימן.
לפיכך, אלקינים הם הכלאה sp עם גאומטריה ליניארית וזווית קשר של 180°, וכתוצאה מכך הקשיחות המבנית של המולקולות.
אלקינס מראים אופי של חמישים אחוז s בהתחשב בהכלאה sp שלהם. מכיוון שאלקטרונים באורביטל s קרובים יותר לגרעין מאשר אורביטלי p, האנרגיות שלהם נמוכות יותר, והם קשורים באופן הדוק יותר לגרעין. לפיכך, אופי s מוגבר מביא לקשרים חזקים וקצרים יותר.
הדבר בא לידי ביטוי באורך הקשר המשולש פחמן-פחמן של אצטילן של 1.21 Å ובקשר פחמן-מימן של 1.06 Å. שני הקשרים קצרים יותר בהשוואה לאלקנים ולאלקנים המקבילים להם.
מלבד האופי s הגבוה יותר, מספר הקשרים הגדל בין שני הפחמנים תורם גם לקשרים הקצרים והחזקים יותר.
לפיכך, אנרגיית הדיסוציאציה של הקשר של אלקינים גבוהה משמעותית מזו של אלקנים או אלקנים.
אלקינים הם תרכובות לא קוטביות שאינן מסיסות במים, אך מסיסים בממיסים אורגניים לא קוטביים כמו בנזן.
אלקינים בעלי משקל מולקולרי נמוך יותר כגון אצטילן הם גזים; אלה בעלי משקל מולקולרי בינוני, כגון 1-אוקטין הם נוזלים. לעומת זאת, אלקינים בעלי משקל מולקולרי גבוה יותר קיימים כמוצקים בטמפרטורת החדר.
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.