В органической химии алкин — ненасыщенный углеводород , содержащий по крайней мере одну тройную связь углерод - углерод . [1] Простейшие ациклические алкины только с одной тройной связью и без других функциональных групп образуют гомологический ряд с общей химической формулой C n H 2 n −2 . Алкины традиционно известны как ацетилены, хотя название ацетилен также относится конкретно к C 2 H 2 , формально известному как этин по номенклатуре ИЮПАК . Как и другие углеводороды, алкины, как правило, гидрофобны . [2]
В ацетилене углы связи H–C≡C составляют 180°. Благодаря этому углу связи алкины имеют стержневидную форму. Соответственно, циклические алкины редки. Бензин не может быть изолирован. Расстояние связи C≡C в 118 пикометров (для C 2 H 2 ) намного короче расстояния C=C в алкенах (132 пм, для C 2 H 4 ) или связи C–C в алканах (153 пм). [3]
Тройная связь очень прочная, ее прочность составляет 839 кДж/моль. Сигма-связь дает 369 кДж/моль, первая пи-связь дает 268 кДж/моль, а вторая пи-связь — 202 кДж/моль. Связи обычно обсуждаются в контексте теории молекулярных орбиталей , которая признает тройную связь возникающей в результате перекрытия s- и p-орбиталей. На языке теории валентных связей атомы углерода в алкиновой связи sp-гибридизованы : каждый из них имеет две негибридизованные p-орбитали и две sp-гибридные орбитали . Перекрытие sp-орбитали каждого атома образует одну sp–sp- сигма-связь . Каждая p-орбиталь одного атома перекрывает одну на другом атоме, образуя две пи-связи, что в общей сложности дает три связи. Оставшаяся sp-орбиталь каждого атома может образовывать сигма-связь с другим атомом, например, с атомами водорода в исходном ацетилене. Две sp-орбитали выступают на противоположные стороны атома углерода.
Внутренние алкины имеют заместители углерода на каждом ацетиленовом углероде. Симметричные примеры включают дифенилацетилен и 3-гексин . Они также могут быть асимметричными, например, в 2-пентине .
Терминальные алкины имеют формулу RC≡CH , где по крайней мере один конец алкина представляет собой атом водорода. Примером является метилацетилен (пропин по номенклатуре ИЮПАК). Их часто получают путем алкилирования мононатриевого ацетилида . [4] Терминальные алкины, как и сам ацетилен , являются умеренно кислыми, со значениями p K a около 25. Они гораздо более кислые, чем алкены и алканы, которые имеют значения p K a около 40 и 50 соответственно. Кислотный водород на терминальных алкинах может быть заменен различными группами, что приводит к образованию галоген-, силил- и алкоксоалкинов. Карбанионы, образующиеся при депротонировании терминальных алкинов, называются ацетиленидами . [5] Внутренние алкины также значительно более кислые, чем алкены и алканы, хотя и не такие кислые, как терминальные алкины. Связи C–H в α-положении алкинов (пропаргиловые связи C–H) также могут быть депротонированы с использованием сильных оснований с расчетным значением p K a 35. Эта кислотность может быть использована для изомеризации внутренних алкинов в терминальные алкины с использованием реакции алкиновой молнии .
В систематической химической номенклатуре алкины называются с использованием греческой префиксной системы без дополнительных букв. Примерами служат этин или октин. В родительских цепях с четырьмя или более атомами углерода необходимо указать, где расположена тройная связь. Для октина можно написать 3-октин или окт-3-ин, когда связь начинается с третьего атома углерода. Тройной связи присваивается наименьшее возможное число . Если нет высших функциональных групп, родительская цепь должна включать тройную связь, даже если это не самая длинная возможная углеродная цепь в молекуле. Этин обычно называют его тривиальным названием ацетилен.
В химии суффикс -ин используется для обозначения наличия тройной связи. В органической химии суффикс часто следует номенклатуре ИЮПАК . Однако неорганические соединения, характеризующиеся ненасыщенностью в форме тройных связей, могут быть обозначены заместительной номенклатурой с использованием тех же методов, которые используются для алкинов (т. е. название соответствующего насыщенного соединения изменяется путем замены окончания " -ан " на "-ин"). " -диин " используется, когда есть две тройные связи, и так далее. Положение ненасыщенности указывается числовым локантом, непосредственно предшествующим суффиксу "-ин", или "локантами" в случае нескольких тройных связей. Локанты выбираются таким образом, чтобы числа были как можно меньше. "-ин" также используется в качестве суффикса для обозначения групп заместителей, которые трижды связаны с исходным соединением.
Иногда перед ним вставляется число между дефисами, чтобы указать, между какими атомами находится тройная связь. Этот суффикс возник как свернутая форма окончания слова « ацетилен ». Конечный «-e» исчезает, если за ним следует другой суффикс, начинающийся с гласной. [6]
Алкины, имеющие четыре или более атомов углерода, могут образовывать различные структурные изомеры , имея тройную связь в разных положениях или имея некоторые атомы углерода в качестве заместителей, а не части родительской цепи. Возможны также другие неалкиновые структурные изомеры.
Классически ацетилен получали гидролизом (протонированием) карбида кальция (Ca 2+ [:C≡C:] 2– ):
который в свою очередь был синтезирован путем соединения негашеной извести и кокса в электродуговой печи при температуре 2200 °C:
Это был промышленно важный процесс, который обеспечивал доступ к углеводородам из угольных ресурсов для таких стран, как Германия и Китай. Однако энергоемкий характер этого процесса является основным недостатком, и его доля в мировом производстве ацетилена неуклонно снижалась по сравнению с крекингом углеводородов. [7]
В коммерческом отношении доминирующим алкином является сам ацетилен, который используется в качестве топлива и предшественника других соединений, например, акрилатов . Ежегодно производятся сотни миллионов килограммов путем частичного окисления природного газа : [8]
Пропин, также используемый в промышленности, также получают путем термического крекинга углеводородов.
Терминальные алкины (RC≡CH, включая сам ацетилен) могут быть депротонированы основаниями, такими как NaNH2 , BuLi или EtMgBr , с образованием ацетилид- анионов (RC≡C: – M + , M = Na, Li, MgBr), которые могут быть алкилированы путем присоединения к карбонильным группам ( реакция Фаворского ), раскрытия кольца эпоксидов или замещения типа S N 2 незатрудненных первичных алкилгалогенидов.
В присутствии катализаторов на основе переходных металлов, классически представляющих собой комбинацию Pd(PPh 3 ) 2 Cl 2 и CuI , терминальные ацетилены (RC≡CH) могут реагировать с арилиодидами и бромидами (ArI или ArBr) в присутствии вторичного или третичного амина, такого как Et 3 N, с образованием арилацетиленов (RC≡CAr) в реакции Соногаширы .
Доступность этих надежных реакций делает терминальные алкины полезными строительными блоками для получения внутренних алкинов.
Алкины получают из 1,1- и 1,2- дигалогеналканов путем двойного дегидрогалогенирования . Реакция позволяет получать алкины из алкенов, которые сначала галогенируются , а затем дегидрогалогенируются. Например, фенилацетилен может быть получен из стирола путем бромирования с последующей обработкой полученного 1,2-дибром-1-фенилэтана амидом натрия в аммиаке : [9] [10]
Алкины получаются из винилбромидов с помощью перегруппировки Фрича-Буттенберга-Вихеля . Алкины могут быть получены из альдегидов с помощью реакции Кори-Фукса и из альдегидов или кетонов с помощью гомологизации Сейферта-Гилберта .
Винилгалогениды подвержены дегидрогалогенированию.
Имея реактивную функциональную группу , алкины участвуют во многих органических реакциях . Такое использование было впервые предложено Ральфом Рафаэлем , который в 1955 году написал первую книгу, описывающую их универсальность в качестве промежуточных продуктов в синтезе . [11] Несмотря на свою кинетическую стабильность (стойкость) из-за их сильных тройных связей, алкины являются термодинамически нестабильной функциональной группой, о чем можно судить по высокоположительным теплотам образования малых алкинов. Например, ацетилен имеет теплоту образования +227,4 кДж/моль (+54,2 ккал/моль), что указывает на гораздо более высокое содержание энергии по сравнению с его составными элементами. Высокоэкзотермическое горение ацетилена используется в промышленности в ацетилено-кислородных горелках, используемых при сварке. Другие реакции с участием алкинов часто являются высокотермодинамически выгодными (экзотермическими/экзергоническими) по той же причине.
Будучи более ненасыщенными , чем алкены, алкины характерно вступают в реакции, которые показывают, что они «дважды ненасыщены». Алкины способны присоединять два эквивалента H 2 , тогда как алкен присоединяет только один эквивалент. [12] В зависимости от катализаторов и условий алкины присоединяют один или два эквивалента водорода. Частичное гидрирование , останавливающееся после добавления только одного эквивалента для получения алкена , обычно более желательно, поскольку алканы менее полезны:
Крупнейшим применением этой технологии является конверсия ацетилена в этилен на нефтеперерабатывающих заводах (паровой крекинг алканов дает несколько процентов ацетилена, который селективно гидрируется в присутствии палладиевого / серебряного катализатора). Для более сложных алкинов широко рекомендуется использовать катализатор Линдлара , чтобы избежать образования алкана, например, при конверсии фенилацетилена в стирол . [13] Аналогично, галогенирование алкинов дает дигалогениды алкенов или тетрагалогениды алкилов:
Добавление одного эквивалента H2 к внутренним алкинам дает цис-алкены.
Алкины характеризуются способностью присоединять два эквивалента галогенов и галогеноводородов.
Добавление неполярных связей E−H через C≡C является общим для силанов, боранов и родственных гидридов. Гидроборирование алкинов дает виниловые бораны, которые окисляются до соответствующего альдегида или кетона. В реакции тиол-ин субстратом является тиол.
Добавление галогеноводородов давно представляет интерес. В присутствии хлорида ртути в качестве катализатора ацетилен и хлористый водород реагируют, давая винилхлорид . Хотя этот метод был заброшен на Западе, он остается основным методом производства в Китае. [14]
Реакция гидратации ацетилена дает ацетальдегид . Реакция протекает путем образования винилового спирта , который таутомеризуется с образованием альдегида. Эта реакция когда-то была основным промышленным процессом, но была вытеснена процессом Ваккера . Эта реакция происходит в природе, катализатором является ацетиленгидратаза .
Гидратация фенилацетилена дает ацетофенон : [15]
(Ph3P)AuCH3 катализирует гидратацию 1,8-нонадиина в 2,8-нонандион: [16]
Алкины могут быть изомеризованы сильными основаниями или переходными металлами в аллены . Благодаря их сопоставимой термодинамической стабильности константа равновесия изомеризации алкина/аллена обычно находится в пределах нескольких порядков величины единицы. Например, пропин может быть изомеризован с образованием равновесной смеси с пропадиеном :
Алкины подвергаются различным реакциям циклоприсоединения . Реакция Дильса-Альдера с 1,3- диенами дает 1,4-циклогексадиены . Эта общая реакция была широко разработана. Электрофильные алкины являются особенно эффективными диенофилами . «Циклоаддукт», полученный при присоединении алкинов к 2-пирону, устраняет диоксид углерода , давая ароматическое соединение. Другие специализированные циклоприсоединения включают многокомпонентные реакции, такие как тримеризация алкинов , давая ароматические соединения, и [2+2+1]-циклоприсоединение алкина, алкена и оксида углерода в реакции Паусона-Ханда . Неуглеродные реагенты также подвергаются циклизации, например, циклоприсоединение азида к алкину по Хьюзгену, давая триазолы . Процессы циклоприсоединения с участием алкинов часто катализируются металлами, например, метатезис енинов и метатезис алкинов , что позволяет перемешивать карбиновые (RC) центры:
Окислительное расщепление алкинов происходит через циклоприсоединение к оксидам металлов. Наиболее известно, что перманганат калия преобразует алкины в пару карбоновых кислот .
Терминальные алкины легко преобразуются во многие производные, например, путем реакций сочетания и конденсации. В результате конденсации с формальдегидом и ацетиленом получается бутиндиол : [8] [17]
В реакции Соногаширы терминальные алкины соединяются с арил- или винилгалогенидами:
Эта реакционная способность основана на том факте, что терминальные алкины являются слабыми кислотами, типичные значения pKa которых составляют около 25, что помещает их между значениями аммиака (35) и этанола (16):
где MX = NaNH 2 , LiBu или RMgX .
Реакции алкинов с некоторыми катионами металлов, например, Ag + и Cu +, также дают ацетилиды. Так, несколько капель гидроксида диамминсеребра(I) ( Ag(NH 3 ) 2 OH ) реагируют с терминальными алкинами, что подтверждается образованием белого осадка ацетилида серебра. Эта реакционная способность лежит в основе реакций сочетания алкинов , включая сочетание Кадио-Ходкевича , сочетание Глазера и сочетание Эглинтона , показанное ниже: [18]
В реакции Фаворского и в алкинилировании в целом терминальные алкины присоединяются к карбонильным соединениям, образуя гидроксиалкин .
Алкины образуют комплексы с переходными металлами. Такие комплексы также встречаются в катализируемых металлами реакциях алкинов, таких как тримеризация алкинов . Терминальные алкины, включая сам ацетилен, реагируют с водой, давая альдегиды. Превращение обычно требует металлических катализаторов, чтобы дать этот результат присоединения анти-Марковникова. [19]
По словам Фердинанда Больмана , первое встречающееся в природе ацетиленовое соединение, эфир дегидроматрикарии, было выделено из вида Artemisia в 1826 году. За почти два последующих столетия было обнаружено и описано более тысячи встречающихся в природе ацетиленов. Полиины , подмножество этого класса природных продуктов, были выделены из самых разных видов растений, культур высших грибов, бактерий, морских губок и кораллов. [20] Некоторые кислоты, такие как дегтярная кислота, содержат алкиновую группу. Диины и триины, виды со связью RC≡C–C≡CR′ и RC≡C–C≡C–C≡CR′ соответственно, встречаются в некоторых растениях ( Ichthyothere , Chrysanthemum , Cicuta , Oenanthe и других представителях семейств Asteraceae и Apiaceae ). Некоторые примеры - цикутоксин , оэнантотоксин и фалькаринол . Эти соединения обладают высокой биоактивностью, например, как нематоциды . [21] 1-фенилгепта-1,3,5-триин является примером встречающегося в природе триина. Биосинтетически природные продукты энедиина также получаются из предшественника полиина.
Алкины встречаются в некоторых фармацевтических препаратах, включая контрацептив норэтинодрел . Тройная связь углерод-углерод также присутствует в продаваемых препаратах, таких как антиретровирусный эфавиренз и противогрибковый тербинафин . Молекулы, называемые ендиинами, имеют кольцо, содержащее алкен («ен») между двумя алкиновыми группами («диин»). Эти соединения, например, калихеамицин , являются одними из самых агрессивных известных противоопухолевых препаратов, настолько, что субъединицу ендиина иногда называют «боеголовкой». Энидиины подвергаются перегруппировке посредством циклизации Бергмана , образуя высокореактивные радикальные промежуточные соединения, которые атакуют ДНК внутри опухоли. [22]