Definiția și structura alchinelor

Alchinele sunt hidrocarburi aciclice nesaturate care conțin o triplă legătură între doi atomi de carbon. Formula lor generală este C₂H₂ₙ₋₂ (unde n≥2), iar denumirea se formează prin înlocuirea sufixului "-an" cu "-in" în numele alcanului corespunzător.

Structura unei alchine include o legătură triplă formată prin hibridizarea sp a atomilor de carbon implicați. Fiecare carbon din legătura triplă formează două legături: o legătură σ (sigma) și două legături π (pi). Din punct de vedere electronic, atomul de carbon folosește orbitali hibridizați sp și orbitali p pentru a realiza legăturile chimice.

Alchinele pot fi terminale (cu tripla legătură la capătul catenei) sau interne (cu tripla legătură în interiorul catenei). Denumirea radicalilor derivați se face înlocuind sufixul "-in" cu "-inil", iar pentru catenele ramificate se folosesc reguli similare cu cele pentru alchene.

Știai că? Prima alchină din seria omoloagă, etina (C₂H₂), este cunoscută și sub numele de acetilenă și are numeroase aplicații industriale, inclusiv în sudură datorită temperaturii înalte a flăcării sale.

Proprietățile alchinelor

Legătura triplă din alchine are o geometrie liniară, cu atomi de carbon care formează legături la un unghi de 180°. Legătura C≡C măsoară aproximativ 1,204 Å, fiind mai scurtă decât legătura simplă sau dublă dintre atomii de carbon.

Alchinele terminale au un caracter slab acid, datorită polarizării legăturii dintre carbon și hidrogen de la capătul triplei legături. Această proprietate permite alchinelor să formeze compuși precum acetilurile metalice, care sunt foarte importanți în sinteza organică.

Din punct de vedere al izomeriei, alchinele prezintă:

• Izomerie de poziție (pentru alchine cu cel puțin 4 atomi de carbon)
• Izomerie de catenă (pentru alchine cu mai mult de 4 atomi de carbon)

Proprietățile fizice ale alchinelor includ puncte de fierbere și topire ușor mai mari decât ale alcanilor și alchenelor corespunzătoare. Acetilena este solubilă în apă (1,7 volume în 1 volum de apă la 0°C), iar în acetonă solubilitatea crește dramatic - 1 volum de acetonă poate dizolva până la 300 volume de acetilenă la presiune de 12 atm.

Important! Acetilena este un gaz, dar termenii superiori ai seriei (începând cu propina) sunt lichizi, iar cei cu mase moleculare mai mari sunt solizi la temperatura camerei.

Obținerea acetilenei și reacțiile sale

Acetilena (etina) este cea mai importantă alchină datorită multiplelor sale utilizări industriale. Industrial, aceasta se obține prin reacția carbidului de calciu cu apa, carbid care se formează în urma reacției:

CaO + 3C → CaC₂ + CO

Acetilena participă la trei tipuri principale de reacții chimice:

• Reacții de adiție
• Reacții de substituție
• Reacții de oxidare

Aceste reacții sunt posibile datorită structurii electronice a acetilenei, care conține o legătură triplă foarte reactivă. În urma acestor reacții, se pot obține compuși valoroși pentru industria chimică.

Aplicație practică: Acetilena este folosită în sudura și tăierea metalelor datorită flăcării oxiacetilenică care poate atinge temperaturi de până la 3000°C, mult mai mari decât ale altor gaze combustibile.

Reacțiile de adiție ale alchinelor

Reacțiile de adiție sunt caracteristice alchinelor, datorită prezenței legăturii triple care le face reactive. Aceste reacții pot fi controlate pentru a obține produse valoroase în industria chimică.

Adiția hidrogenului (hidrogenarea) poate fi:

• Totală - folosind catalizatori ca nichel, platină sau paladiu și exces de hidrogen, rezultând alcanul corespunzător
• Parțială - utilizând paladiu otrăvit cu săruri de plumb $Pd/Pb$, rezultând alchena corespunzătoare

Adiția halogenilor are loc în două etape. Acetilena adiționa halogenul (X₂) formând inițial un 1,2-dihalogenoalcan, care ulterior, cu exces de halogen, se transformă în 1,1,2,2-tetrahalogenoetan. Reacția acetilenei cu clorul gazos este violentă și puternic exotermă.

Adiția hidroacizilor (HX) are loc la temperaturi de 140-200°C, în prezența clorurii de mercur (HgCl₂). Se obține inițial o monohalogenoalchenă, care poate adiționa un al doilea mol de hidroacid, formând un 1,1-dihalogenoetan.

Important pentru industrie: Prin adiția acidului clorhidric la acetilenă se obține cloroetena (clorura de vinil), un monomer esențial în industria polimerilor, utilizat la producerea PVC-ului.

Reacții de adiție și ardere

Adiția apei la acetilenă (Reacția Kucherov) are loc în prezența sulfatului de mercur și a acidului sulfuric. Inițial se formează alcoolul vinilic, care este instabil și suferă o transformare tautomeră, rezultând etanal (acetaldehida):

HC≡CH + H₂O → $H₂C=CH-OH$ → H₃C-CHO

Această reacție este foarte importantă din punct de vedere industrial, fiind o metodă de obținere a acetaldehidei, un intermediar valoros în sinteza organică.

Reacția de ardere a acetilenei este caracterizată printr-o flacără foarte luminoasă cu temperatură ridicată. Ecuația reacției este:

HC≡CH + 5/2O₂ → 2CO₂ + H₂O + Q

La temperaturi înalte, o parte din acetilenă se descompune termic în carbon și hidrogen:

C₂H₂ → 2C + H₂

Particulele fine de carbon devin incandescente, dând flăcării o luminozitate intensă. Această proprietate face acetilena potrivită pentru sudura și tăierea metalelor.

Știai că? Flacăra oxiacetilenică atinge temperaturi de circa 3000°C, fiind una dintre cele mai fierbinți flăcări folosite în industrie, ceea ce permite tăierea și sudarea chiar și a metalelor cu punct de topire ridicat.

Reacțiile de substituție ale alchinelor

Atomii de hidrogen din acetilenă și cei de la capătul catenei alchinelor terminale au un caracter slab acid, ceea ce permite înlocuirea lor cu ioni metalici, formând compuși numiți acetiluri metalice.

Acetilurile metalelor din grupele IA și IIA se obțin prin reacții cu schimb de electroni. De exemplu, acetilena reacționează cu sodiul metalic la 150°C formând acetilura monosodică:

HC≡CH + Na → HC≡C-Na + 1/2H₂

La temperatură mai ridicată (220°C), acetilura monosodică poate reacționa în continuare cu sodiul pentru a forma acetilura disodică:

HC≡C-Na + Na → Na-C≡C-Na + 1/2H₂

Aceste acetiluri sunt compuși ionici, stabili la temperatura obișnuită, dar reacționează energic cu apa, regenerând alchina corespunzătoare. Această proprietate le face utile în sinteza organică pentru protejarea sau modificarea grupelor funcționale.

Atenție! Acetilurile metalelor alcaline și alcalino-pământoase sunt compuși destul de reactivi și trebuie manipulați cu grijă, deoarece reacționează violent cu apa, eliberând acetilena.

Acetiluri ale metalelor tranziționale

Acetilena reacționează cu complecși ai metalelor tranziționale precum Cu(I) și Ag(I), formând acetiluri metalice care sunt greu solubile în soluții apoase. Aceste reacții sunt folosite pentru identificarea și caracterizarea alchinelor.

Pentru obținerea acetilurii de argint, reacția implică mai multe etape:

1. Prepararea reactivului Tollens: 2AgNO₃ + 2NaOH → Ag₂O↓ + H₂O + 2NaNO₃
2. Formarea complexului de argint-amoniac: Ag₂O + 4NH₃ + H₂O → 2$Ag(NH₃)₂$OH
3. Reacția cu acetilena: HC≡CH + 2$Ag(NH₃)₂$OH → Ag-C≡C-Ag↓ + 4NH₃ + 2H₂O

Similar, se poate obține și acetilura de dicupru prin reacția cu un complex de cupru: HC≡CH + 2$Cu(NH₃)₂$Cl → Cu-C≡C-Cu↓ + 4NH₃ + 2NH₄Cl

Spre deosebire de acetilurile metalelor alcaline, acetilurile metalelor tranziționale sunt stabile în prezența apei, dar în stare uscată, prin lovituri sau la încălzire, devin puternic explozive.

Important pentru laborator! Formarea precipitatelor colorate de acetiluri de cupru $roșu-brun$ și de argint $alb-gălbui$ se folosește ca metodă analitică de identificare a acetilenei și a alchinelor terminale.