Unter den organischen chemischen Verbindungen, die zu den ungesättigten Kohlenwasserstoffen zählen, können wir eine Gruppe namens Alkine unterscheiden. Die Zugehörigkeit zu dieser Gruppe von Verbindungen verdanken sie ihrer Struktur - das Molekül enthält nur Kohlenstoff- und Wasserstoffatome, und eine der Bindungen zwischen den Kohlenstoffen ist ungesättigt. Im Falle der Alkine ist dies eine Dreifachbindung C≡C. Viele Vertreter dieser Gruppe sind in Alltagsprodukten zu finden, zum Beispiel in Benzin, Tinte, Pestiziden, aber auch in Kosmetika, wo sie als Antioxidantien wirken.
Struktur der Alkine
Die allgemeine Formel der Alkine lautet CnH2n-2, und jedes von ihnen enthält mindestens eine Dreifachbindung. Strukturell sind es Isomere von Dienen, Cycloalkenen und Bicycloalkenen. Alkine haben, ähnlich wie Alkane oder Alkene, eine Kettenstruktur, die entweder unverzweigt oder verzweigt ist. Neben der Dreifachbindung, die eine kovalente Bindung ist, gibt es nur noch einfache, aber ebenfalls kovalente Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen C-C und Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen C-H. Eine Dreifachbindung entsteht nur dann, wenn zwei aufeinanderfolgende Kohlenstoffatome räumlich in einer linearen Hybridisierung sp liegen. Die Länge dieser Bindung beträgt etwa 0,120 nm. In Ethin beispielsweise bindet ein Kohlenstoffhybrid an das Orbital eines Wasserstoffatoms, wodurch eine kovalente Bindung Sigma sp-s (δsp-s) entsteht. Das andere wiederum bindet mit einer analogen Bindung Sigma sp-sp (δ sp-sp), wobei eine weitere Hybridbindung an ein Wasserstoffatom entsteht. Solche Umwandlungen führen zur Bildung eines linearen Skeletts des Moleküls. Aufgrund der daraus resultierenden Hybridisierung sp sind auch zwei p-Orbitale senkrecht zur Bindungsachse vorhanden, wodurch letztlich zwei π-Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen entstehen. Es wird keine Rotation um die Dreifachbindung beobachtet.
Nomenklatur der Alkine
Bei der Benennung dieser chemischen Stoffe sind einige grundlegende Prinzipien zu beachten:
- Das bloße Vorhandensein einer ungesättigten Dreifachbindung in der Struktur wird durch das Suffix „-yn“ oder „-in“ nach den Konsonanten ch, f, g, k, l angezeigt, wodurch das Suffix „-an“ im Namen des entsprechenden homologen Alkans ersetzt wird. In Fällen, in denen mehr als ein Ort einer solchen Bindung möglich ist, wird der Endung „-yn“ immer eine entsprechende Zahl vorangestellt, die den Ort der Bindung angibt, zum Beispiel Hept-2-in oder Hept-1-in. Der Lokant kann auch am Anfang des Namens verwendet werden, zum Beispiel 1-Butin.
- Bei Strukturen, die mehr als eine Dreifachbindung enthalten, wird der Endung noch ein Präfix vorangestellt, um die Anzahl der Dreifachbindungen anzugeben. Diese können jeweils -di, -tri usw. sein.
- De Nummerierung der Kohlenstoffatome muss so sein, dass die Hauptkette möglichst viele Kohlenstoffatome und die Dreifachbindung enthält.
- Wenn die einzige ungesättigte Bindung eine Dreifachbindung ist, werden die Kohlenstoffatome so nummeriert, dass sie den kleinstmöglichen Lokanten hat. Dies gilt nicht, wenn andere ungesättigte Bindungen – Doppelbindungen – vorhanden sind. In diesem Fall müssen ihre Lokanten so niedrig wie möglich sein.
- Im Namen einer Verbindung mit einer Dreifachbindung, die sich am ersten Lokant befindet, kann die Ziffer weggelassen werden, d.h. wir können den Namen Prop-1-in verwenden, aber auch Propin.
Physikalisch-chemische Eigenschaften von Alkinen
Alkine sind von Natur aus unpolar, sie sind hydrophob und reagieren mit Wasser. Am besten lösen sie sich in ähnlichen unpolaren Lösungsmitteln, wie z.B. Alkanen. Mit zunehmender Kohlenstoffkette steigen ihr Schmelzpunkt, ihr Siedepunkt und ihre Dichte. Gleichzeitig nimmt ihre Aktivität jedoch ab. Am reaktionsfreudigsten sind solche mit einer geringen Anzahl von Kohlenstoffatomen in der Kette. Im Vergleich zu den Alkanen und Alkenen sind sie etwas reaktiver, was auf die geringere Stabilität der Dreifachbindung im Vergleich zur Einfach- oder Doppelbindung zurückzuführen ist. Aufgrund ihrer Molekularstruktur sind diese Verbindungen auch leicht entflammbar. Eine der charakteristischen Reaktionen, die Alkine eingehen, ist die Verbrennung. Sie sind in der Lage, ein elektrophiles Reagenz an einer ungesättigten Bindungsstelle hinzuzufügen. Sie gehen eine Polymerisationsreaktion ein.
Homologe Reihe von Alkinen
Wie Alkane und Alkene verfügen auch Alkine über eine eigene homologe Reihe, d.h. eine eigene Hierarchie grundlegender Verbindungen mit genau einer Dreifachbindung, die nach der zunehmenden Zahl der Kohlenstoffatome in der Struktur geordnet sind. Die erste Verbindung in der homologen Reihe der Alkine ist Ethin, auch bekannt als Acetylen, das in seiner Struktur zwei Kohlenstoffatome und zwei Wasserstoffatome enthält.
| Anzahl der in der Kette vorhandenen Kohlenstoffatome | Formel des Alkan | Name des Alkans | Formel des Alkins | Name des Alkins |
| 2 | C2H6 | Ethan | C2H2 | Ethin |
| 3 | C3H8 | Propan | C3H4 | Propin |
| 4 | C4H10 | Butan | C4H6 | Butin |
| 5 | C5H12 | Pentan | C5H8 | Pentin |
| 6 | C6H14 | Hexan | C6H10 | Hexin |
| 7 | C7H16 | Heptan | C7H12 | Heptin |
| 8 | C8H18 | Oktan | C8H14 | Octin |
| 9 | C9H20 | Nonan | C9H16 | Nonin |
| 10 | C10H22 | Dekan | C10H18 | Decin |
Gewinnung von Alkinen am Beispiel von Ehtin
- Reaktion von Karbid mit Wasser
- Pyrolyse
- Synthese unter Verwendung hoher Temperaturen
- Teilweise Oxidation von Erdgas
Höhere Alkine werden in industriellem Maßstab mit Ethin als Reaktant und z.B. Formaldehyd in einer Kondensationsreaktion gewonnen. Eine weitere Methode ist die zweimalige Elimination von Halogenwasserstoff aus entsprechenden Alkylhalogeniden, die zwei Halogenatome enthalten, die entweder an ein Kohlenstoffatom oder an benachbartes Atom gebunden sind. Im zweiten Fall sind zwei Produkte möglich – ein Alken und ein Dien. Ein Beispiel für die Reaktion zur Bildung von Propin:
Charakteristische Reaktionen von Alkinen
- Vollständige Verbrennung mit Bildung von Kohlendioxid
- Teilweise Verbrennung mit Bildung von Kohlenmonoxid oder Ruß
- Hydrierungsreaktion in Gegenwart von metallischen Katalysatoren Pd, Pt, Fe, Ni, die zur Bildung von Alkenen führt. Sie kann schrittweise erfolgen, indem einzelne Wasserstoffmoleküle nacheinander hinzugefügt werden, oder vollständig, indem ein Alkan gebildet wird.
- Die Kutscherov-Reaktion, die für Alkine charakteristisch ist, beruht auf der Addition eines Wassermoleküls in der Nähe der Dreifachbindung, die in zwei Schritten abläuft. Zunächst bildet sich ein instabiles Enol, das eine Verbindung aus einem Alken und einem Alkohol ist. Es unterliegt dann der Keto-Enol-Tautomerie, d.h. der Umgruppierung unter Bildung von Aldehyden oder Ketonen. Die Umwandlung erfolgt nach einem elektrophilen Mechanismus.
- Elektrophile Additionsreaktion mit HCl oder HBr, die nach der Markownikow-Regel abläuft. Kann vollständig oder in mehreren Schritten erfolgen.
- Elektrophile Addition von Brom unter Bildung von Di- oder Tetra-Bromderivaten. Aufgrund ihrer Reaktionen mit Brom entfärben Alkine das Bromwasser. Sie reagieren auch in gleicher Weise mit Chlormolekülen.
- Freiradikalische Additionsreaktion von Halogenen unter dem Einfluss von Lichtenergie
- Substitutionsreaktionen, bei denen ein Wasserstoffatom am Kohlenstoffatom einer Dreifachbindung durch ein Metallatom verdrängt wird.
- Trimerisierung, d.h. die Polymerisation mit Beteiligung von drei Molekülen, unter Verwendung von Acetylen, die Synthese von Benzol ermöglicht.