Најважније из лекције
Алкини (\(\text{C}_n\text{H}_{2n-2}\)) су незасићени ациклични угљоводоници са једном троструком везом (\(sp\)-хибридизација, линеарни облик, угао \(180^\circ\)).
Добијање: Етин се индустријски добија из кречњака преко калцијум-карбида (\(\text{CaC}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \to \text{C}_2\text{H}_2 + \text{Ca(OH)}_2\)), а остали алкини дехидрохалогеновањем дихалогеналкана са \(\text{KOH}\).
Реакције адиције:
Добијање: Етин се индустријски добија из кречњака преко калцијум-карбида (\(\text{CaC}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \to \text{C}_2\text{H}_2 + \text{Ca(OH)}_2\)), а остали алкини дехидрохалогеновањем дихалогеналкана са \(\text{KOH}\).
Реакције адиције:
- Хидрогенизација (\(+\text{H}_2\)): даје алкене (непотпуна) или алкане (потпуна).
- Халогеновање (\(+\text{X}_2\)): обезбојава бромну воду (доказ незасићености), даје ди- или тетрахалогениде.
- Хидрохалогеновање (\(+\text{HX}\)): тече по Марковниковљевом правилу; адицијом \(1\text{ mol } \text{HCl}\) на етин настаје винил-хлорид (\(\text{CH}_2=\text{CHCl}\)).
- Хидратација (\(+\text{H}_2\text{O}\)): у присуству \(\text{HgSO}_4/\text{H}_2\text{SO}_4\) преко нестабилних енола и кето-енолне таутомерије даје етанал (из етина) или кетоне (из свих осталих алкина).
Алкини су ациклични незасићени угљоводоници који у свом молекулу садрже једну троструку ковалентну везу (\(-\text{C}\equiv\text{C}-\)). Називају се још и ацетилени по првом члану низа.
Општа формула алкина је \(\text{C}_n\text{H}_{2n-2}\) (за \(n \ge 2\)).
Атоми угљеника повезани троструком везом су \(sp\)-хибридизовани, а угао између веза износи \(180^\circ\) (линеарна геометрија). Трострука веза се састоји од једне постојане \(\sigma\) (сигма) везе и две релативно слабе \(\pi\) (пи) везе. Остали угљеникови атоми у молекулу су \(sp^3\)-хибридизовани.
\[ \text{H}-\text{C}\equiv\text{C}-\text{H} \]
Структурна формула најједноставнијег алкина: етин (ацетилен)
Одредити молекулску формулу алкина који садржи 6 атома угљеника.
Применом опште формуле \(\text{C}_n\text{H}_{2n-2}\) за \(n = 6\):
\[ \text{C}_6\text{H}_{2\cdot 6 - 2} = \text{C}_6\text{H}_{10} \]
Одговор: Молекулска формула је \(\text{C}_6\text{H}_{10}\) (хексин).
Имена алкина по IUPAC номенклатури изводе се из имена одговарајућег алкана тако што се одбија наставак -ан и додаје наставак -ин. Главни угљоводонични низ мора да садржи троструку везу и нумерише се са оног краја који је ближи трострукој вези.
Терминални алкини: Трострука веза се налази на самом крају низа (на C-1 атому), нпр. пропин (\(\text{CH}\equiv\text{C}-\text{CH}_3\)) или 1-бутин (\(\text{CH}\equiv\text{C}-\text{CH}_2-\text{CH}_3\)).
Унутрашњи алкини: Трострука веза се налази унутар угљеничног низа, нпр. 2-бутин (\(\text{CH}_3-\text{C}\equiv\text{C}-\text{CH}_3\)) или 4,4-диметил-2-пентин.
Алкини се могу именовати и као деривати ацетилена тако што се наводе називи везаних алкил-група уз реч ацетилен:
- \(\text{CH}\equiv\text{C}-\text{CH}_2-\text{CH}_3\) — етил-ацетилен (1-бутин)
- \(\text{CH}_3-\text{C}\equiv\text{C}-\text{CH}_3\) — диметил-ацетилен (2-бутин)
Написати рационалну структурну формулу за 4-метил-2-пентин. Да ли је то терминални или унутрашњи алкин?
Формула је:
\[ \text{CH}_3-\text{C}\equiv\text{C}-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_3 \]
Пошто се трострука веза налази између другог и трећег C-атома (не на крају низа), ово је унутрашњи алкин.
Индустријски се етин добија из кречњака (\(\text{CaCO}_3\)) у три фазе:
\[ \text{CaCO}_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{CaO} + \text{CO}_2 \]
\[ \text{CaO} + 3\text{C} \xrightarrow{2000-2800^\circ\text{C}} \text{CaC}_2 + \text{CO} \]
\[ \text{CaC}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{CH}\equiv\text{CH} + \text{Ca(OH)}_2 \]
Калцијум-карбид (\(\text{CaC}_2\)) у реакцији са водом даје етин и калцијум-хидроксид.
Реакцијом вициналних (халогени на суседним C-атомима) или геминалних (халогени на истом C-атому) дихалогеналкана са концентрованим алкохолним раствором калијум-хидроксида уз загревање настају алкини:
\[ \text{R-CHX-CHX-R'} + 2\text{KOH} \xrightarrow{t^\circ, \text{ алкохол}} \text{R-C}\equiv\text{C-R'} + 2\text{KX} + 2\text{H}_2\text{O} \]
\[ \text{R-CX}_2\text{-CH}_2\text{-R'} + 2\text{KOH} \xrightarrow{t^\circ, \text{ алкохол}} \text{R-C}\equiv\text{C-R'} + 2\text{KX} + 2\text{H}_2\text{O} \]
Добијање 1-бутина из 1,1-дихлорбутана:
\[ \text{CHCl}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_3 + 2\text{KOH} \xrightarrow{t^\circ} \text{CH}\equiv\text{C}-\text{CH}_2-\text{CH}_3 + 2\text{KCl} + 2\text{H}_2\text{O} \]
Који алкин настаје дехидрохалогеновањем 2,2-дихлорпропана дејством вишка \(\text{KOH}\)?
Елиминацијом два молекула \(\text{HCl}\) из 2,2-дихлорпропана настаје пропин:
\[ \text{CH}_3-\text{CCl}_2-\text{CH}_3 + 2\text{KOH} \xrightarrow{t^\circ} \text{CH}\equiv\text{C}-\text{CH}_3 + 2\text{KCl} + 2\text{H}_2\text{O} \]
Агрегатно стање: Алкини са 2 до 4 C-атома (\(\text{C}_2-\text{C}_4\)) су гасови, од \(\text{C}_5\) до \(\text{C}_{16}\) су течности, а виши алкини су чврсте супстанце.
Растворљивост: Као неполарна једињења, не растварају се у води и поларним растварачима, већ у неполарним органским растварачима.
Температуре кључања: Више су од температура кључања одговарајућих алкана и алкена због линеарне структуре и лакшег паковања молекула.
Потпуно сагоревање алкина: Као и сви угљоводоници, алкини сагоревају до \(\text{CO}_2\) и \(\text{H}_2\text{O}\) уз ослобађање велике количине топлоте:
\[ 2\text{C}_n\text{H}_{2n-2} + (3n - 1)\text{O}_2 \longrightarrow 2n\text{CO}_2 + (2n - 2)\text{H}_2\text{O} \]
Етин сагорева блештавим пламеном чија температура достиже и до \(3100^\circ\text{C}\), због чега се користи за аутогено заваривање и сечење метала (окси-ацетиленски пламен).
Због присуства две \(\pi\) везе, адиција на алкине се може одвијати у два степена:
- Непотпуна адиција: раскида се једна \(\pi\) веза и настаје дериват алкена.
- Потпуна адиција: (уз вишак реагенса) раскидају се обе \(\pi\) везе и настаје засићено једињење (дериват алкана).
У присуству стандардних катализатора (\(\text{Pt}, \text{Ni}\)) адиција тече до потпуног засићења:
\[ \text{CH}\equiv\text{C}-\text{CH}_2-\text{CH}_3 + 2\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Pt}} \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_3 \quad (\text{\textit{n}-бутан}) \]
Адицијом хлора или брома настају дихалогеналкени, а потом тетрахалогеналкани:
\[ \text{-C}\equiv\text{C-} \xrightarrow{\text{X}_2} \text{-CX}=\text{CX-} \xrightarrow{\text{X}_2} \text{-CX}_2-\text{CX}_2- \]
Алкини обезбојавају бромну воду (као и раствор калијум-перманганата), што представља квалитативну реакцију за доказивање незасићености.
Адиција \(\text{HX}\) на несиметричне алкине тече према Марковниковљевом правилу (водоник се везује за C-атом који већ има више везаних водоникових атома):
\[ \text{CH}\equiv\text{C}-\text{CH}_3 \xrightarrow{+\text{HCl}} \text{CH}_2=\text{CCl}-\text{CH}_3 \xrightarrow{+\text{HCl}} \text{CH}_3-\text{CCl}_2-\text{CH}_3 \]
Од пропина као крајњи производ потпуне адиције настаје 2,2-дихлорпропан.
Непотпуном адицијом \(\text{HCl}\) на етин добија се хлоретен (винил-хлорид), значајан мономер за производњу пластичних маса (PVC):
\[ \text{CH}\equiv\text{CH} + \text{HCl} \longrightarrow \text{CH}_2=\text{CHCl} \]
Адиција воде на алкине врши се у присуству жива(II)-сулфата и сумпорне киселине (\(\text{HgSO}_4 / \text{H}_2\text{SO}_4\)) као катализатора.
1. Адицијом једног молекула воде прво настаје нестабилан међупроизвод - енол (једињење са \(-\text{OH}\) групом на \(sp^2\)-угљенику).
2. Енол се спонтано прегрупише у стабилније карбонилно једињење премештањем протона (\(\text{H}^+\)) и двоструке везе. Ова појава назива се кето-енолна таутомерија.
2. Енол се спонтано прегрупише у стабилније карбонилно једињење премештањем протона (\(\text{H}^+\)) и двоструке везе. Ова појава назива се кето-енолна таутомерија.
\[ \text{-C}\equiv\text{C-} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{HgSO}_4/\text{H}_2\text{SO}_4} \underbrace{[\text{-CH}=\text{C(OH)-}]}_{\text{нестабилни енол}} \rightleftharpoons \underbrace{\text{-CH}_2-\text{C(=O)-}}_{\text{карбонилно једињење}} \]
- Хидратацијом етина као крајњи производ настаје етанал (ацеталдехид) - једини алдехид добијен овом реакцијом: \[ \text{CH}\equiv\text{CH} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Hg}^{2+}/\text{H}^+} [\text{CH}_2=\text{CH-OH}] \rightleftharpoons \text{CH}_3-\text{CHO} \]
- Хидратацијом свих осталих алкина (према Марковниковљевом правилу) као крајњи производи настају кетони: \[ \text{CH}\equiv\text{C}-\text{CH}_3 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Hg}^{2+}/\text{H}^+} [\text{CH}_2=\text{C(OH)}-\text{CH}_3] \rightleftharpoons \text{CH}_3-\text{CO}-\text{CH}_3 \quad (\text{пропанон / ацетон}) \]
Водоников атом везан за \(sp\)-хибридизован угљеников атом код терминалних алкина показује слаба кисела својства према протолитичкој теорији и може се заменити јонима метала.
Унутрашњи алкини немају водоников атом везан за троструку везу, па не показују киселост нити граде ацетилиде!
Терминални алкини у реакцији са амонијачним раствором сребро-нитрата (\(\text{AgNO}_3/\text{NH}_3\)) или бакар(I)-солима граде карактеристичне, у води слабо растворне талоге - ацетилиде:
\[ \text{HC}\equiv\text{CH} \xrightarrow{\text{AgNO}_3/\text{NH}_3} \text{AgC}\equiv\text{CAg}\downarrow \quad (\text{дисребро-ацетилид, жућкасто-бели талог}) \]
\[ \text{HC}\equiv\text{C}-\text{CH}_3 \xrightarrow{\text{AgNO}_3/\text{NH}_3} \text{AgC}\equiv\text{C}-\text{CH}_3\downarrow \quad (\text{сребро-пропинид}) \]
Ова реакција се користи за разликовање терминалних од унутрашњих алкина, као и за разликовање алкина од алкана и алкена. Суви сребро-ацетилид је изразито експлозиван!
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Која од наведених једињења реагују са амонијачним раствором сребро(I)-нитрата дајући талог:
а) 1-пентин б) 2-пентин в) пентан г) етин д) 2-бутен?
а) 1-пентин б) 2-пентин в) пентан г) етин д) 2-бутен?
Са амонијачним раствором сребро-нитрата граде талог само терминални алкини (они који имају \(-\text{C}\equiv\text{C}-\text{H}\) групу).
Тачан одговор: а) 1-пентин и г) етин.
Тачан одговор: а) 1-пентин и г) етин.
Задатак 2 (средњи): Написати једначине реакција хидратације етина и пропина у присуству \(\text{HgSO}_4/\text{H}_2\text{SO}_4\). Навести називе интермедијера и крајњих органских производа.
1. Хидратација етина:
\[ \text{CH}\equiv\text{CH} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{HgSO}_4/\text{H}_2\text{SO}_4} [\text{CH}_2=\text{CH-OH}] \rightleftharpoons \text{CH}_3-\text{CH=O} \]
Интермедијер: етенол (винил-алкохол, енол); Крајњи производ: етанал (ацеталдехид, алдехид).
2. Хидратација пропина: \[ \text{CH}\equiv\text{C}-\text{CH}_3 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{HgSO}_4/\text{H}_2\text{SO}_4} [\text{CH}_2=\text{C(OH)}-\text{CH}_3] \rightleftharpoons \text{CH}_3-\text{CO}-\text{CH}_3 \] Интермедијер: пропен-2-ол (енол); Крајњи производ: пропанон (ацетон, кетон).
2. Хидратација пропина: \[ \text{CH}\equiv\text{C}-\text{CH}_3 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{HgSO}_4/\text{H}_2\text{SO}_4} [\text{CH}_2=\text{C(OH)}-\text{CH}_3] \rightleftharpoons \text{CH}_3-\text{CO}-\text{CH}_3 \] Интермедијер: пропен-2-ол (енол); Крајњи производ: пропанон (ацетон, кетон).
Задатак 3 (средњи): Колико је \(\text{dm}^3\) водоника (при н.у.) потребно за потпуну каталитичку хидрогенизацију \(0{,}15\text{ mol}\) 1-бутина до бутана?
Једначина реакције:
\[ \text{C}_4\text{H}_6 + 2\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Pt}} \text{C}_4\text{H}_{10} \]
Однос количина је \(n(\text{H}_2) = 2 \cdot n(\text{1-бутин})\).
\[ n(\text{H}_2) = 2 \cdot 0{,}15\text{ mol} = 0{,}30\text{ mol} \]
Запремина водоника при нормалним условима (\(V_m = 22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol}\)):
\[ V(\text{H}_2) = n(\text{H}_2) \cdot V_m = 0{,}30\text{ mol} \cdot 22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol} = 6{,}72\text{ dm}^3 \]
Одговор: Потребно је \(6{,}72\text{ dm}^3\) водоника.
Задатак 4 (тежак): Узорку од \(5{,}4\text{ g}\) алкина отвореног низа са једном троструком везом потпуно се адира \(32\text{ g}\) брома (\(\text{Br}_2\)).
а) Одредити молекулску формулу тог алкина (\(M_r(\text{Br}) = 80, M_r(\text{C}) = 12, M_r(\text{H}) = 1\)).
б) Ако узорак не даје талог са амонијачним раствором сребро-нитрата, написати његов IUPAC назив и структурну формулу.
а) Одредити молекулску формулу тог алкина (\(M_r(\text{Br}) = 80, M_r(\text{C}) = 12, M_r(\text{H}) = 1\)).
б) Ако узорак не даје талог са амонијачним раствором сребро-нитрата, написати његов IUPAC назив и структурну формулу.
а) Одређивање молекулске формуле:
Количина утрошеног брома: \[ n(\text{Br}_2) = \frac{m}{M} = \frac{32\text{ g}}{160\text{ g/mol}} = 0{,}2\text{ mol} \] За потпуну адицију на алкин троши се \(2\text{ mol } \text{Br}_2\) по молу алкина (\(\text{C}_n\text{H}_{2n-2} + 2\text{Br}_2 \to \text{C}_n\text{H}_{2n-2}\text{Br}_4\)): \[ n(\text{алкина}) = \frac{n(\text{Br}_2)}{2} = \frac{0{,}2\text{ mol}}{2} = 0{,}1\text{ mol} \] Моларна маса алкина: \[ M(\text{алкина}) = \frac{m}{n} = \frac{5{,}4\text{ g}}{0{,}1\text{ mol}} = 54\text{ g/mol} \] Општа моларна маса: \[ M(\text{C}_n\text{H}_{2n-2}) = 12n + 1(2n-2) = 14n - 2 \] \[ 14n - 2 = 54 \implies 14n = 56 \implies n = 4 \] Молекулска формула је \(\text{C}_4\text{H}_6\) (бутин).
б) Идентификација изомера:
Пошто једињење не реагује са амонијачним раствором сребро-нитрата, то значи да није терминални алкин (није 1-бутин), већ унутрашњи алкин:
IUPAC назив: 2-бутин
Структурна формула: \(\text{CH}_3-\text{C}\equiv\text{C}-\text{CH}_3\)
Количина утрошеног брома: \[ n(\text{Br}_2) = \frac{m}{M} = \frac{32\text{ g}}{160\text{ g/mol}} = 0{,}2\text{ mol} \] За потпуну адицију на алкин троши се \(2\text{ mol } \text{Br}_2\) по молу алкина (\(\text{C}_n\text{H}_{2n-2} + 2\text{Br}_2 \to \text{C}_n\text{H}_{2n-2}\text{Br}_4\)): \[ n(\text{алкина}) = \frac{n(\text{Br}_2)}{2} = \frac{0{,}2\text{ mol}}{2} = 0{,}1\text{ mol} \] Моларна маса алкина: \[ M(\text{алкина}) = \frac{m}{n} = \frac{5{,}4\text{ g}}{0{,}1\text{ mol}} = 54\text{ g/mol} \] Општа моларна маса: \[ M(\text{C}_n\text{H}_{2n-2}) = 12n + 1(2n-2) = 14n - 2 \] \[ 14n - 2 = 54 \implies 14n = 56 \implies n = 4 \] Молекулска формула је \(\text{C}_4\text{H}_6\) (бутин).
б) Идентификација изомера:
Пошто једињење не реагује са амонијачним раствором сребро-нитрата, то значи да није терминални алкин (није 1-бутин), већ унутрашњи алкин:
IUPAC назив: 2-бутин
Структурна формула: \(\text{CH}_3-\text{C}\equiv\text{C}-\text{CH}_3\)
