Alkyynit ( asetyleeniset hiilivedyt ) ovat asyklisiä tyydyttymättömiä hiilivetyjä , jotka sisältävät yhden kolmoissidoksen hiiliatomien välillä ja muodostavat homologisen sarjan yleiskaavan C n H 2n-2 kanssa .
Kolmoissidoksen hiiliatomit ovat sp-hybridisaatiotilassa ja niiden sidoskulma on 180°. Yksinkertaisin alkyyni on asetyleeni (C 2 H 2 ).
IUPAC - nimikkeistön mukaan alkyynien nimet muodostetaan vastaavien alkaanien nimistä korvaamalla jälkiliite " -an " sanalla " -in "; kolmoissidoksen sijainti on merkitty arabialaisella numerolla.
Asetyleenin hankki ensimmäisen kerran vuonna 1836 englantilainen kemisti Edmund Davy (kuuluisan englantilaisen kemistin Humphrey Davyn serkku ) kuumentamalla kaliumasetaattia hiilellä ja saattamalla tuloksena olevan kaliumkarbidin reagoimaan veden kanssa [1] . Davy antoi kaasulleen nimen "kaksihiilinen vety".
Vuonna 1862 saksalainen kemisti ja lääkäri F. Wöhler löysi asetyleenin uudelleen saattamalla veden reagoimaan kalsiumkarbidin kanssa .
Vuonna 1863 ranskalainen kemisti M. Berthelot sai asetyleenia johtamalla vetyä kaarella kuumennettujen grafiittielektrodien yli [2] . Hän antoi kaasulle nimen " asetyleeni " (latinan sanoista acetum - "etikka" ja kreikan kielestä ile - "puu"). Venäläistä nimeä asetyleeni käytti ensimmäisenä venäläinen kemisti D. I. Mendeleev [3] .
Tärkeä rooli asetyleenin ja sen johdannaisten kemian tutkimuksessa 1800-luvun lopulla oli venäläisellä orgaanisella kemistillä A. E. Favorskylla .
Vuonna 1895 ranskalainen kemisti Louis Le Chatelier havaitsi, että asetyleeni palaessaan hapessa antaa erittäin kuuman liekin, joka myöhemmin muodosti perustan asetyleenitekniikalle tulenkestävän metallin hitsaukseen ja leikkaamiseen [4] .
Yksinkertaisin alkyyni on etyyni (asetyleeni C 2 H 2 ) . IUPAC - nimikkeistön mukaan alkyynien nimet muodostetaan vastaavien alkaanien nimistä korvaamalla pääte "-an" sanalla "-in"; kolmoissidoksen sijainti on merkitty arabialaisilla numeroilla.
Alkyeneistä johdetuilla hiilivetyradikaaleilla on pääte "-inyyli", joten CH≡C- kutsutaan nimellä "etynyyli ".
Alla on joitain alkyynien edustajia ja niiden nimiä:
Tehdään ero sisäisen kolmoissidoksen (esimerkki: but-2-in) ja terminaalin (esimerkki: but-1-in) välillä.
Homologinen alkyynisarja :
Alkyeneissä −С≡С−-sidos on lineaarinen (kulma 180°) ja on samassa tasossa. Hiiliatomeja yhdistää yksi σ- ja kaksi π-sidosta, joiden suurin elektronitiheys sijaitsee kahdessa keskenään kohtisuorassa tasossa [5] . Kolmoissidoksen pituus on noin 0,121 nm, sitoutumisenergia on 836 kJ/mol.
Yllä oleva kaavio esittää eteenin ja asetyleenin molekyyliradat .
Alkyynit muistuttavat vastaavia alkeeneja fysikaalisista ominaisuuksiltaan . Alemmat (C4 asti ) ovat värittömiä ja hajuttomia kaasuja, joiden kiehumispisteet ovat korkeammat kuin niiden alkeenien vastineet. Alkyynit liukenevat huonosti veteen, paremmin orgaanisiin liuottimiin.
Joidenkin alkyynien fysikaaliset ominaisuudet [6] [7] | |||||
---|---|---|---|---|---|
Ei. | Nimi | Kaava | T sulaa, ° С | Kiehumislämpötila, ° С | Tiheys, d 20 4 |
yksi | Etin | C 2 H 2 | −81.8 | −75 | 0,565* |
2 | propyyni | C3H4 _ _ _ | −101.5 | −23 | 0,670* |
3 | Butin -1 | HC≡C - CH2CH3 _ | −125,9 | 8.1 | 0,678* |
neljä | Butin -2 | CH3 - C=C- CH3 | −32.3 | 27.0 | 0,694 |
5 | Pentiini-1 | HC≡C - C3H 7 | -90,0 | 39.3 | 0,695 |
6 | Pentiini-2 | CH3 - C≡C - C2H5 _ | -101,0 | 55,0 | 0,714 |
7 | 3-metyylibutiini-1 | HC≡C-CH( CH3 ) CH3 | n/a | 28.0 | 0,665 |
kahdeksan | Geksin-1 | HC≡C− C 4H 9 | −132.4 | 71.4 | 0,719 |
* Arvot mitattu kiehumispisteessä.
Alkyenejä ei juuri koskaan löydy luonnosta. Joissakin Basidiomycetes - sienilajeissa polyasetyleenirakenteita sisältäviä yhdisteitä löydettiin erittäin pieninä määrinä [8] .
Asetyleeniä on löydetty Uranuksen [9] , Jupiterin [10] ja Saturnuksen [11] ilmakehästä .
Alkyeneillä on heikko anestesiavaikutus. Nestemäiset alkyynit aiheuttavat kouristuksia [12] .
Pääasiallinen teollinen menetelmä asetyleenin valmistamiseksi on metaanin sähkö- tai lämpökrakkaus , maakaasun pyrolyysi ja karbidimenetelmä.
Kalsiumoksidiseoksen kalsinointi koksin kanssa sähköuuneissa 1800–2000 °C:ssa johtaa kalsiumkarbidin muodostumiseen :
Kun vesi vaikuttaa tuloksena olevaan karbidiin, muodostuu kalsiumhydroksidia ja asetyleeniä :
Menetelmän ydin on viedä maakaasun ja ilman seos erityisen tulenkestävän suuttimen yli , joka palaessaan nostaa lämpötilan 1500 °C:seen. Sitten pakkauksessa tapahtuu metaanipyrolyysi [13] :
Menetelmä koostuu metaania ohjaamisesta kahden metallielektrodin välillä suurella nopeudella. Lämpötila 1500-1600°C. Kemiallisesti menetelmä on samanlainen kuin pyrolyysimenetelmä eroten vain teknisesti ja laitteistoltaan [14] .
Lämpöhapettava krakkausTämä menetelmä käyttää metaanin osittaista hapetusta, joka johtuu sen palamisen aikana syntyneen lämmön käytöstä [14] :
Hiilen vuorovaikutus suoraan vedyn kanssa erittäin korkeissa lämpötiloissa johtaa asetyleenin muodostumiseen:
Tällä menetelmällä on puhtaasti historiallinen merkitys ( ranskalaisen kemistin M. Berthelot'n asetyleenin valmistus vuonna 1863 ).
Vuonna 1864 F.A. Kekule sai asetyleenia fumaraatin ja natriummaleaatin elektrolyysillä [15] :
Samoin asetyleeni muodostuu natriumakrylaatista .
Tämä menetelmä on puhtaasti historiallinen.
Dehydrohalogenointireaktio suoritetaan vahvan emäksen vaikutuksesta dihalogeenialkaaneihin:
On kätevää käyttää natriumamidia nestemäisessä ammoniakissa dehydrohalogenointiaineena [16] :
Alkyenien alkylointi terminaalisella kolmoissidoksella suoritetaan seuraavan kaavion mukaisesti:
Ensimmäinen vaihe on dibromialkeenin muodostuminen:
Toisessa vaiheessa bromi vaihdetaan litiumiin ja tapahtuu alfaeliminaatio, minkä jälkeen vinylideeni muuttuu alkyyniksi Fritsch-Buttenberger-Wichel-uudelleenjärjestelyn seurauksena:
Alkyeneille on tunnusomaista additioreaktiot . Toisin kuin alkeenit , joille on ominaista elektrofiiliset additioreaktiot , alkyynit voivat myös osallistua nukleofiilisiin additioreaktioihin . Tämä johtuu sidoksen merkittävästä s-luonteesta ja sen seurauksena hiiliatomin lisääntyneestä elektronegatiivisuudesta. Lisäksi kolmoissidoksessa olevan vetyatomin suuri liikkuvuus määrää alkyynien happamat ominaisuudet substituutioreaktioissa .
Alkyynit, joissa on terminaalinen kolmoissidos, ovat CH-happoja (vahvempia kuin ammoniakki ja alkeenit , mutta heikompia kuin alkoholit ), jotka voivat muodostaa suoloja erittäin vahvojen emästen kanssa - alkynideja [6] :
( propynyylimagnesiumbromidi )
Alkyynien reaktio hopean tai yksiarvoisten kupariammoniaattien kanssa on kvalitatiivinen reaktio terminaalisen kolmoissidoksen läsnäololle [6] :
Hopeapropynidi on valkoinen sakka, kuparipropynidi on keltainen sakka ja lopuksi kuparidiasetylenidi on punainen sakka.
Hopeaalkynidi liukenee helposti lisättäessä natriumsyanidia vastaavan alkyynin vapautuessa [8] :
Alkynidinukleofiiliset substituutioreaktiot
Alkynidit ovat vahvoja nukleofiilejä ja pääsevät helposti nukleofiilisiin substituutioreaktioihin :
Erityisesti tätä käytetään laajalti asetyleenihomologien synteesissä:
Alkynihalidien valmistus
Halogeenin vuorovaikutus monosubstituoitujen asetyleenien kanssa alkalisessa väliaineessa johtaa halogeenialkyenien tuotantoon [14] :
Alkynidinukleofiilinen substituutioreaktio
Preparatiivisessa synteesissä litiumasetylidin kompleksia etyleenidiamiinin kanssa käytetään usein sopivana asetylenidianionilähteenä [8] .
Kun kyseessä on reaktio sekundääristen tai tertiääristen halogeenialkaanien kanssa, reaktio seuraa suurelta osin vaihtoehtoista reittiä (eliminaatio):
Muut reaktiot
Asetyleenin klooraus kupari(II)kloridilla CuCl :n vesiliuoksissa johtaa diklooriasetyleenin muodostumiseen [20] :
Asetyleenikondensaatio
Asetyleenin kondensaatio tai muuten Hodkevich-Kadio-reaktio koostuu asetyleenisten hiilivetyjen vuorovaikutuksesta bromin tai jodalkyenien kanssa, jolloin muodostuu diasetyleeniä [21] :
Kurtzin reaktio etenee samalla tavalla (katalyyttinä on kupariasetylenidi):
Asetyleeniamiinien valmistus
Reaktio tapahtuu kupari(I)-suolojen läsnä ollessa.
Elektrofiilinen lisäys alkyyneihin käynnistyy positiivisesti varautuneen hiukkasen - elektrofiilin vaikutuksesta . Yleensä hapot ovat tällaisten reaktioiden katalyyttejä .
Elektrofiilisen additioreaktion ensimmäisen vaiheen yleinen kaavio:
Halogenointireaktiot
Alkyynit pystyvät lisäämään yhden tai kaksi halogeenimolekyyliä vastaavien halogeenijohdannaisten muodostamiseksi:
Alkyynien halogenointi etenee (yleensä) transadditiona ja etenee analogisesti alkeenien halogenoinnin kanssa .
Samanaikaisesti kolmoissidoksen lisääminen on vaikeampaa kuin kaksoissidos, ja siksi, jos yhdisteessä on sekä kaksois- että kolmoissidos, on mahdollista suorittaa valikoiva lisäys:
Hydrohalogenointireaktiot
Kloorivedyn ja vetybromidin lisääminen alkyyneihin tapahtuu analogisesti alkeenien kanssa. Reaktio etenee kahdessa vaiheessa: ensin muodostuu halogeenialkeeni, joka sitten muuttuu dihalogeenialkaaniksi:
Halogeenien suuremmasta elektronegatiivisuudesta huolimatta reaktion molemmat vaiheet etenevät Markovnikovin säännön mukaan .
NesteytysElohopeasuolojen läsnä ollessa alkyynit lisäävät vettä muodostaen asetaldehydiä ( asetyleenille ) tai ketonia (muille alkyyneille). Tämä reaktio tunnetaan nimellä " Kucherovin reaktio ".
Uskotaan, että hydraatioprosessi kulkee enolin muodostumisvaiheen läpi :
Karbonylaatioreaktiot
Karbonylaatioreaktiot löysi laboratoriossa saksalainen kemisti W. Reppe vuonna 1939 [20] .
jossa X: OH, OR, OCOR, NH2 jne .
Reaktiota katalysoivat nikkeli- tai palladiumkarbonyylit [22] .
Erikseen on syytä mainita oksidatiivisen karbokloorauksen reaktio:
Muut elektrofiiliset additioreaktiot
Etikkahapon vuorovaikutus asetyleenin kanssa muodostaa vinyyliasetaattia :
Asetyleenihiilivedyt lisäävät CO 2 :ta ja sekundäärisiä amiineja muodostaen amideja :
tai
Nukleofiilinen lisäys alkyyneihin käynnistyy negatiivisesti varautuneen hiukkasen- nukleofiilin vaikutuksesta . Yleensä emäkset ovat tällaisten reaktioiden katalyytti . Nukleofiilisen additioreaktion ensimmäisen vaiheen yleinen kaavio:
Tyypillisiä nukleofiilisiä additioreaktioita
Analogisesti asetyleeni reagoi ammoniakin kanssa muodostaen etylideeni-imiiniä [20] :
Korkeassa lämpötilassa, katalyytin läsnä ollessa, imiini dehydrataan ja muunnetaan asetonitriiliksi :
Peroksidien tai muiden vapaiden radikaalien muodostumista edistävien olosuhteiden läsnäollessa alkyynien lisääminen tapahtuu radikaalimekanismin mukaisesti - vastoin Markovnikov-sääntöä (" Karash-ilmiö "):
Vapaaradikaalimekanismin * mukaan alkyynien reaktio tiolien kanssa voi edetä:
* - Emästen läsnä ollessa reaktio etenee nukleofiilisen mekanismin mukaisesti.
Samalla tavalla karbeeneja lisätään:
Etynylaatioreaktioita kutsutaan reaktioksi, jossa alkyynien hiilirunkoa lisätään kolmoissidoksen säilyttämisellä. Ne voivat edetä sekä elektrofiilisten että nukleofiilisten mekanismien avulla riippuen väliaineesta ja reaktio-olosuhteista, substraatin luonteesta ja käytetyn katalyytin tyypistä.
Asetyleenialkoholien saaminenVahvojen emästen läsnä ollessa alkyynit, joissa on terminaalinen kolmoissidos, voivat lisätä karbonyyliyhdisteitä muodostaen alkoholeja [14] (" Favorskyn reaktio "):
Tämän ryhmän tärkein reaktio on formaldehydin lisääminen asetyleeniin , jolloin muodostuu propargyylialkoholia ja sitten butyn-2-dioli-1,4 * :
* Butyn-2-dioli-1,4 on tärkeä välituote butyleeniglykolin, γ-butyrolaktonin , isopreenin ja tetrahydrofuraanin tuotannossa .
Tämän reaktion kehitti vuonna 1925 V. Reppe (" Favorsky-Reppe -reaktio "). Se etenee korkeassa paineessa kupariasetylenidin läsnä ollessa.
Asetyleeniesterien ja -happojen valmistusAsetyleenihappoja tai niiden estereitä voidaan saada Zuzhi-reaktiolla [20] :
Alkyynien hydraus vedyllä heterogeenisillä katalyyteillä johtaa pääsääntöisesti cis - additioon [6] . Hydrauskatalyyttejä ovat Ni , Pd , Pt sekä Ir- , Ru- , Rh- ja eräiden muiden metallien oksidit tai kompleksit .
Ensimmäisessä vaiheessa muodostuu alkeeni , joka hydrataan lähes välittömästi alkaaniksi :
Reaktion pysäyttämiseksi alkeenin tuotantovaiheessa käytetään Lindlar-katalyyttejä (Pd/PbO/CaCO 3 ) tai nikkeliboridia.
Kun asetyleenia hydrataan nikkeli-kobolttikatalyytillä, voidaan saada isobuteenia :
Homogeeninen hydraus
Homogeeninen hydraus suoritetaan natriumamidilla nestemäisessä ammoniakissa tai litiumalumiinihydridillä tetrahydrofuraanissa . Reaktion aikana muodostuu trans - alkeeneja.
Hydroboraatio
Alkyynit lisäävät helposti diboraania Markovnikovin sääntöä vastaan muodostaen cis - alkenyyliboraaneja:
Reaktio on mielenkiintoinen siinä mielessä, että muut alkenyyliboraanit muuttuvat helposti vastaaviksi cis - alkeeneiksi yksinkertaisella etikkahapon vaikutuksella [18] :
tai hapettaa H 2 O 2 aldehydiksi tai ketoniksi [18] :
Pelkistävä karboksylaatio
Analogisesti alkeenien reaktioiden kanssa alkyynit osallistuvat pelkistävään karboksylaatioreaktioon.
Reaktio-olosuhteista ja katalyyttityypeistä riippuen alkoholit , aldehydit tai alkaanit voivat olla lopputuotteita :
Alkyynejä on vaikeampi hapettaa kuin alkeeneja , mutta hallitulla hapetuksella CC-sidos voidaan säilyttää ja karbonyyliyhdisteitä voidaan saada reaktiotuotteina [16] :
Otsoni (sekä otsonidin pelkistys ja hydrolyysi), KMnO 4 heikosti emäksisessä tai neutraalissa väliaineessa ja jotkut muut aineet voivat toimia hapettimena [16] .
Asetyleeni voi hapettimesta riippuen tuottaa kolme tuotetta:
( glyoksaali ) — laimean HNO 3 :n hapetus PdCl 2 :n ja NaNO 2 :n läsnä ollessa [20] .
( glyoksaalihappo ) - KClO 3 :n hapetus substraatissa vesi + dietyylieetteri [16] .
( oksaalihappo ) - KMnO 4 :n hapetus happamassa ympäristössä tai HNO 3 :n hapetus PdCl2 : n läsnä ollessa .
Erillinen reaktiotyyppi on oksidatiiviset karboksylaatioreaktiot.
Palladiumkompleksien liuoksissa muodostuu maleiinihapon estereitä:
Oksidatiiviset pilkkoutumisreaktiot
Voimakkaiden hapettimien vaikutuksesta ankarissa olosuhteissa alkyynit hapetetaan kolmoissidoksen katketessa. Reaktion aikana muodostuu karboksyylihappoja ja CO 2 :ta :
Oksidatiiviset kytkentäreaktiot
Kun ammoniakin alkoholiliuoksessa on kuparisuoloja , alkyynit hapetetaan ilmakehän hapen vaikutuksesta diasetyleeneiksi (" Glaser-reaktio "):
Asetyleenin reaktio voi tapahtua polyiinien muodostumisen kanssa:
Tämä reaktio muodosti perustan karbiinin synteesille [24] .
Vuonna 1887 A.E. Favorsky löysi alkyynien isomeroitumisen vahvojen emästen vaikutuksesta (nukleofiilinen hyökkäys) [6] . Tätä reaktiota kutsutaan Favorsky-reaktioksi tai asetyleeni-alleeni uudelleenjärjestelyksi:
Kupari(I)-suolojen ja ammoniumkloridin läsnä ollessa vesipitoisessa väliaineessa asetyleeni alkaa oligomerointireaktiossa muodostaen vinyyliasetyleeniä :
Reaktio voi mennä pidemmälle divinyyliasetyleenin muodostumisen myötä:
Reaktion löysi ensimmäisenä Y. Newland, ja se toimii ensimmäisenä teollisena vaiheena kloropreenin synteesille .
PolymerointireaktiotEnsimmäistä kertaa asetyleenin polymeroinnin suoritti J. Natta vuonna 1957 johtaen kaasua Al(C 2 H 5 ) 3 -Ti(OC 4 H 9 ) 4 -katalyyttiliuoksen yli [25] :
Reaktiossa muodostui puolikiteinen polyasetyleeni .
Polyasetyleeni on mielenkiintoinen siinä mielessä, että lisäämällä siihen tiettyjä lisäaineita ( doping ), on mahdollista saada sähköä johtava polymeeri , jolla on metallisia ominaisuuksia [25] .
SykloformaatioreaktiotAsetyleeni katalyyttien vaikutuksesta - kuuma aktiivihiili 500 °C:ssa ( Zelinsky-reaktio ) tai organonikkelikatalyytti (esim. nikkelitetrakarbonyyli ) 60 °C:ssa ja korotetussa paineessa ( Reppe-reaktio ) - syklotrimeroituu melko helposti muodostaen bentseeniä ja alle muut olosuhteet (katalyytti - nikkeli(II)syanidi THF:ssä) - syklo- oktatetraeeni :
Pyöräily hiili(II)oksidin läsnä ollessa johtaa bentsokinonin tuotantoon [13] :
Tärkeä alkyynien kyky on niiden kyky osallistua Diels-Alder-reaktioon :
Heterosyklien muodostumisen reaktiot Pyrrolijohdannaisten muodostuminenAsetyleenin vuorovaikutus ketonioksiimien kanssa superemäksen läsnä ollessa johtaa pyrrolirenkaan muodostumiseen ( Trofimovin reaktio ) [26] :
Heterosyklisointi etenee lämpötilassa 70-120 °C dimetyylisulfoksidiväliaineessa .
On myös vaihtoehtoisia synteesivaihtoehtoja [27] :
Furaanin johdannaisten muodostuminen
Alkyynien käsittely vesihöyryllä ja CO:lla rodiumkatalyytin läsnä ollessa 10 MPa:n paineessa ja 100 °C:ssa johtaa furaanijohdannaisten muodostumiseen [28] :
Muiden heterosyklien muodostuminen
Tässä on vielä muutama esimerkki heterosyklien muodostumisesta alkyyneillä [29] [30] :
Kvalitatiivinen reaktio alkyyneihin, joissa on terminaalinen kolmoissidos, on alkyynin vuorovaikutus hopean tai kuparin ammoniakin kanssa ( katso lisätietoja alakohdasta : " Alkynidien muodostuminen ").
Kolmoissidoksen läsnäolon vahvistamiseksi yhdisteessä käytetään spektroskopiamenetelmiä . Epäsymmetristen alkyynien IR-spektreillä on ominaiskäyrät 2260–2100 cm– 1 (kolmoissidoksen venytysvärähtelyt), 3310–3300 cm – 1 (CH-sidosvärähtelyt) ja CH-taivutusvärähtelyt 700–610 cm– 1 [13] .
Kaikista asetyleenisista hiilivedyistä vain asetyleenilla , joka on tärkein kemiallinen raaka-aine, on vakava teollinen merkitys.
Asetyleeniä käytetään seuraavien tuotteiden syntetisoimiseen:
Asetyleenia poltettaessa vapautuu paljon lämpöä, jota käytetään metallien leikkaamiseen ja hitsaukseen happiasetyleenihitsauksessa (jopa 30 % tuotetun asetyleenin kokonaismäärästä kuluu) [13] .
1800-luvun lopulla ja 1900-luvun alussa lukuisia asetyleenilamppuja (halpa kalsiumkarbidi toimi asetyleenin lähteenä) käytettiin laajalti rautatie- ja vesiliikenteessä, katuvalaistuksessa ja jokapäiväisessä elämässä [31] . Huolimatta siitä, että asetyleenilyhtyjen massakäyttö on nykyään menneisyyttä, niiden tuotanto ja kulutus eivät ole pysähtyneet. Niitä valmistetaan pieniä määriä retkeilyvarusteina [32] .
Orgaanisten yhdisteiden luokat | |
---|---|
hiilivedyt | |
Happipitoinen | |
Typpeä sisältävä | |
Rikki | |
Fosforia sisältävä | |
haloorgaaninen | |
organopiitä | |
Organoelementti | |
Muut tärkeät luokat |