9.1
Структура и физические свойства алкинов
Введение:
В природе соединения, содержащие как углерод, так и водород, известны как «углеводороды». Алифатические углеводороды — это соединения, молек…
Ненасыщенные углеводороды, содержащие тройные связи углерод-углерод, называются «алкинами» и структурно представлены как C, n,H2,n-2.
Этин или ацетилен является простейшим алкином. Это бесцветный газ, который сгорает при высоких температурах и используется для сварки.
Группа алкинов имеет значение как биологически активная группа в препаратах, используемых для лечения болезни Паркинсона, таких как селегилин, и в оральных контрацептивах, таких как этинилэстрадиол.
Углерод-углеродная тройная связь ацетилена состоит из одной σ и двух π связей. Sp-орбитали углерода перекрываются, создавая σ связь, в то время как боковое перекрытие 2py и 2pz орбиталей образует две π связи. Вторая sp орбиталь каждого атома углерода участвует в σ связи с 1s орбитали водорода, порождая углерод-водородные связи.
Таким образом, алкины sp гибридизуются с линейной геометрией и углом связи 180°, что приводит к структурной жесткости молекул.
Алкины демонстрируют пятидесятипроцентный характер с учетом их sp-гибридизации. Поскольку электроны на s-орбитали находятся ближе к ядру, чем на p-орбиталях, их энергии ниже, и они более тесно связаны с ядром. Следовательно, повышенный характер s приводит к более сильным и коротким связям.
Это отражается в длине тройной углерод-углеродной связи ацетилена 1,21 Å и углерод-водородной связи 1,06 Å. Обе связи короче по сравнению с соответствующими алкенами и алканами.
Помимо более высокого s-характера, увеличенное количество связей между двумя атомами углерода также способствует более коротким и сильным связям.
Следовательно, энергия диссоциации связи алкинов значительно выше, чем у алкенов или алканов.
Алкины — это неполярные соединения, которые нерастворимы в воде, но растворимы в неполярных органических растворителях, таких как бензол.
Алкины с более низкой молекулярной массой, такие как ацетилен, являются газами, а алкины со средней молекулярной массой, такие как 1-октин, являются жидкостями. Напротив, алкины с более высокой молекулярной массой существуют в виде твердых тел при комнатной температуре.
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.