ALKYNES: EIGENSCHAPPEN, STRUCTUUR, TOEPASSINGEN EN VOORBEELDEN - CHEMIE - 2025

De alkynen zijn koolwaterstoffen of organische verbindingen die in hun structuur een drievoudige binding tussen twee koolstofatomen bevatten. Deze drievoudige binding (≡) wordt als een functionele groep beschouwd omdat het een actieve plaats van het molecuul vertegenwoordigt en daarom verantwoordelijk is voor hun reactiviteit.

Hoewel alkynen niet veel verschillen van alkanen of alkenen, vertonen ze een grotere zuurgraad en polariteit vanwege de aard van hun bindingen. De exacte term om dit kleine verschil te beschrijven, is wat bekend staat als onverzadiging.

Door jason.kaechler (Flickr: Oxygen / Acetylene Torch), via Wikimedia Commons

Alkanen zijn verzadigde koolwaterstoffen, terwijl alkynen het meest onverzadigd zijn met betrekking tot de oorspronkelijke structuur. Wat betekent dit? Dat een alkaan H ₃ C-CH ₃ (ethaan) gedehydrogeneerd kan worden tot H ₂ C = CH ₂ (etheen) en vervolgens tot HC≡CH (ethyn, of beter bekend als acetyleen).

Merk op hoe naarmate er extra bindingen worden gevormd tussen de koolstofatomen, het aantal waterstofatomen dat eraan wordt gebonden afneemt. Koolstof tracht, vanwege zijn elektronische eigenschappen, vier eenvoudige bindingen te vormen, dus hoe hoger de onverzadiging, hoe groter de neiging tot reageren (met uitzondering van aromatische verbindingen).

Aan de andere kant is de drievoudige binding veel sterker dan de dubbele binding (=) of de enkele binding (-), maar tegen hoge energiekosten. Daarom kunnen de meeste koolwaterstoffen (alkanen en alkenen) drievoudige bindingen vormen bij verhoogde temperaturen.

Als gevolg van de hoge energieën hiervan, en wanneer ze breken, geven ze veel warmte af. Een voorbeeld van dit fenomeen wordt gezien wanneer acetyleen wordt verbrand met zuurstof en de intense hitte van de vlam wordt gebruikt om metalen te lassen of te smelten (bovenste afbeelding).

Acetyleen is de eenvoudigste en kleinste alkyn van allemaal. Andere koolwaterstoffen kunnen worden uitgedrukt aan de hand van de chemische formule door de H te vervangen door alkylgroepen (RC≡CR '). Hetzelfde gebeurt in de wereld van organische synthese door een groot aantal reacties.

Dit alkyn wordt geproduceerd door de reactie van calciumoxide uit kalksteen en cokes, een grondstof die de nodige koolstof levert in een elektrische oven:

CaO + 3C => CaC ₂ + CO

CaC ₂ is calciumcarbide, een anorganische verbinding die uiteindelijk reageert met water om acetyleen te vormen:

CaC ₂ + 2H ₂ O => Ca (OH) ₂ + HC≡CH

Fysische en chemische eigenschappen van alkynen

Polariteit

De drievoudige binding onderscheidt alkynen van alkanen en alkenen. De drie soorten koolwaterstoffen zijn apolair, onoplosbaar in water en zeer zwakke zuren. De elektronegativiteit van de koolstofatomen met dubbele en drievoudige binding is echter groter dan die van de enkele koolstofatomen.

Volgens dit geven de koolstofatomen grenzend aan de drievoudige binding het een negatieve ladingsdichtheid door inductief effect. Om deze reden, waar de C≡C- of C = C-bindingen zijn, zal er een hogere elektronendichtheid zijn dan in de rest van het koolstofskelet. Als gevolg hiervan is er een klein dipoolmoment waarbij moleculen interageren door dipool-dipoolkrachten.

Deze interacties zijn erg zwak als hun dipoolmomenten worden vergeleken met die van het watermolecuul of een alcohol. Dit komt tot uiting in hun fysische eigenschappen: alkynen hebben over het algemeen hogere smelt- en kookpunten in vergelijking met hun minder onverzadigde koolwaterstoffen.

Evenzo zijn ze vanwege hun lage polariteit minder onoplosbaar in water, maar ze zijn oplosbaar in niet-polaire organische oplosmiddelen zoals benzeen.

Zuurgraad

Evenzo zorgt deze elektronegativiteit ervoor dat de waterstof HC ≡CR zuurder is dan aanwezig in andere koolwaterstoffen. Daarom zijn alkynen zure soorten dan alkenen en veel zuurder dan alkanen. De zuurgraad is echter nog steeds verwaarloosbaar in vergelijking met die van carbonzuren.

Omdat alkynen zeer zwakke zuren zijn, reageren ze alleen met zeer sterke basen, zoals natriumamide:

HC≡CR + NaNH ₂ => HC≡CNa + NH ₃

Uit deze reactie wordt een oplossing van natriumacetylide verkregen, grondstof voor de synthese van andere alkynen.

Reactiviteit

De reactiviteit van alkynen wordt verklaard door de toevoeging van kleine moleculen aan hun drievoudige binding, waardoor hun onverzadiging afneemt. Dit kunnen waterstofmoleculen, waterstofhalogeniden, water of halogenen zijn.

Hydrogenering

Het kleine molecuul H ₂ is zeer ongrijpbaar en snel, zodat de waarschijnlijkheid te verhogen dat ze worden toegevoegd aan de drievoudige binding van de alkynen katalysatoren worden gebruikt.

Dit zijn meestal metalen (Pd, Pt, Rh of Ni) die fijn verdeeld zijn om het oppervlak te vergroten; en dus het contact tussen waterstof en alkyn:

RC≡CR '+ 2H ₂ => RCH ₂ CH ₂ R'

Het resultaat is dat waterstof wordt "verankerd" aan de koolstofatomen door een binding te verbreken, enzovoort, totdat het overeenkomstige alkaan, RCH ₂ CH ₂ R ', wordt geproduceerd. Dit verzadigt niet alleen de oorspronkelijke koolwaterstof, maar wijzigt ook de moleculaire structuur ervan.

Waterstofhalogeniden toevoegen

Hier wordt het anorganische molecuul HX toegevoegd, waarbij X een van de halogenen kan zijn (F, Cl, Br of I):

RC≡CR '+ HX => RCH = CXR'

Hydratatie

De hydratatie van alkynen is wanneer ze een watermolecuul toevoegen om een ​​aldehyde of een keton te vormen:

RC≡CR '+ H ₂ O => RCH ₂ COR'

Als R 'een H is, is het een aldehyde; als het een alkyl is, dan is het een keton. In de reactie wordt een verbinding gevormd die bekend staat als enol (RCH = C (OH) R ') als tussenproduct.

Dit ondergaat een omzetting van de enolvorm (C - OH) naar de ketonische vorm (C = O) in een evenwicht dat tautomerisatie wordt genoemd.

Halogenen toevoegen

En wat betreft de toevoegingen, de diatomische moleculen van halogenen (X ₂ = F ₂ , Cl ₂ , Br ₂ of I ₂ ) kunnen ook worden verankerd aan de koolstofatomen van de drievoudige binding :

RC≡CR '+ 2X ₂ => RCX ₂ –CX ₂ R'

Acetyleen-alkylering

Andere alkynen kunnen worden bereid uit de natriumacetylide-oplossing met behulp van een alkylhalogenide:

HC≡CNa + RX => HC≡CR + NaX

Als het bijvoorbeeld methyljodide was, dan zou het resulterende alkyn zijn:

HC≡CNa + CH ₃ I => HC≡CCH ₃ + NaX

HC≡CCH ₃ is propyn, ook wel methylacetyleen genoemd .

Chemische structuur

Door Ben Mills, van Wikimedia Commons

Wat is de structuur van alkynen? Een acetyleenmolecuul wordt weergegeven in de bovenste afbeelding. Hieruit kan de lineaire geometrie van de C≡C-binding duidelijk worden waargenomen.

Daarom moet, waar er een drievoudige binding is, de structuur van het molecuul lineair zijn. Dit is weer een van de opmerkelijke verschillen tussen hen en de rest van de koolwaterstoffen.

Alkanen worden meestal weergegeven als zigzaggen, omdat ze sp ^3- hybridisatie hebben en hun bindingen 109º uit elkaar liggen. Ze zijn eigenlijk een ketting van covalent verbonden tetraëders. Hoewel alkenen vlak zijn vanwege sp ^2- hybridisatie van hun koolstofatomen, vormen ze meer in het bijzonder een trigonaal vlak met bindingen gescheiden door 120º.

In alkynen is de orbitale hybridisatie sp, dat wil zeggen, ze hebben 50% s karakter en 50% p karakter. Twee sp-hybride orbitalen zijn gebonden aan H-atomen in acetyleen of aan alkylgroepen in alkynen.

De afstand tussen de twee H of R is 180º, naast het feit dat alleen op deze manier de zuivere p-orbitalen van de koolstofatomen de drievoudige binding kunnen vormen. Om deze reden is de binding –C≡C– lineair. Kijkend naar de structuur van een molecuul, valt –C≡C– op in die gebieden waar het skelet erg lineair is.

Afstand van de links en terminale alkynen

De koolstofatomen in de drievoudige binding zijn dichter bij elkaar dan in de dubbele of enkele binding. Met andere woorden, C≡C is korter dan C = C en C - C. Het resultaat is dat de binding sterker is omdat de twee π-bindingen de enkele σ-binding helpen stabiliseren.

Als de drievoudige binding zich aan het einde van een ketting bevindt, is het een terminale alkyn. Daarom moet de formule van genoemde verbinding HC = CR zijn, waarbij H het einde of begin van de keten markeert.

Als het daarentegen een interne drievoudige binding is, is de formule RC≡CR ', waarbij R en R' de rechter- en linkerkant van de ketting zijn.

Nomenclatuur

Hoe worden alkynen genoemd volgens de regels die worden opgelegd door de IUPAC? Op dezelfde manier als alkanen en alkenen zijn genoemd. Om dit te doen, wordt het achtervoegsel –ano of –eno gewijzigd in het achtervoegsel –ino.

Bijvoorbeeld: HC≡CCH ₃ wordt propyn genoemd, omdat het drie koolstofatomen heeft, zoals propaan (CH ₃ CH ₂ CH ₃ ). HC≡CCH ₂ CH ₃ is 1-butyn, wat een terminale alkyn is. Maar bij CH ₃ C≡CCH ₃ is 2-butyn, en wordt de drievoudige binding niet eindstandig maar intern.

CH ₃ C≡CCH ₂ CH ₂ (CH ₃ ) ₂ is 5-methyl-2-hexyne. De koolstofatomen worden geteld vanaf de zijde die zich het dichtst bij de drievoudige binding bevindt.

Een ander type alkynen zijn cycloalkinen. Voor hen is het voldoende om het achtervoegsel –ano te vervangen door –ino van het overeenkomstige cycloalkaan. Cyclopropaan dat een drievoudige binding heeft, wordt dus cyclopropino genoemd (dat niet bestaat).

Als er twee drievoudige links zijn, wordt het voorvoegsel di- aan de naam toegevoegd. Voorbeelden zijn HC≡C-C≡H, diacetyleen of propadino; en HC≡C - C - C≡H, butadiino.

Toepassingen

Acetyleen of ethyn

De kleinste van de alkynen verdikt het mogelijke aantal toepassingen voor deze koolwaterstoffen. Daaruit kunnen via alkyleringen andere organische verbindingen worden gesynthetiseerd. Evenzo ondergaat het oxidatieve reacties om onder andere ethanol, azijnzuur en acrylzuur te verkrijgen.

Een ander van zijn toepassingen is het verschaffen van de warmtebron om de elektronen van de atomen te exciteren; meer specifiek van metaalkationen bij atomaire absorptie-emissiebepalingen, een veel gebruikte spectroscopische techniek.

Natuurlijke alkynen

De enige bestaande methoden voor het bereiden van alkynen zijn niet alleen synthetisch of met het toepassen van warmte in afwezigheid van zuurstof, maar ook biologisch.

Deze gebruiken enzymen die acetylenasen worden genoemd, die een dubbele binding kunnen dehydrogeneren. Hierdoor worden veel natuurlijke bronnen van alkynen verkregen.

Als resultaat kunnen gifstoffen, tegengiffen, medicijnen of elke andere verbinding die enig voordeel biedt uit deze bronnen worden gewonnen; vooral als het om gezondheid gaat. Er zijn veel alternatieven bij het wijzigen van hun oorspronkelijke structuren en als ondersteuning voor nieuwe alkynen.

Voorbeelden van alkynen

Tot dusver zijn er talloze voorbeelden van alkynen genoemd. Sommige komen echter uit zeer specifieke bronnen of hebben bepaalde moleculaire structuren: het zijn polyacetylenen.

Dit betekent dat er meer dan één drievoudige binding kan zijn die deel uitmaakt van een zeer grote structuur, en niet slechts één koolstofketen.

Tariric zuur

Door Yikrazuul, van Wikimedia Commons

Taririnezuur is afkomstig van een plant in Guatemala genaamd Picramnia tariri. Het wordt specifiek gewonnen uit de olie van zijn zaden.

In zijn moleculaire structuur kan een enkele drievoudige binding worden waargenomen die een apolaire staart van een polaire kop scheidt; daarom kan het worden beschouwd als een amfipatisch molecuul.

Histrionicotoxine

Door Meodipt en Rolf Kolasch
op en.wikipedia, van Wikimedia Commons

Histrionicotoxine is een gif dat wordt afgescheiden door de huid van kikkers die in Colombia, Brazilië en andere Latijns-Amerikaanse landen wonen. Het heeft twee drievoudige bindingen geconjugeerd tot één dubbele binding. Beide zijn terminaal en worden gescheiden door een ring met zes koolstofatomen en een cyclisch amine.

Cicutoxine

Door Giorgiogp2, van Wikimedia Commons

Van de moleculaire structuur van cicutoxine, waar zijn de drievoudige bindingen? Als de dubbele bindingen vlak zijn, zoals aan de rechterkant te zien, en de enkele bindingen tetraëdrisch zijn, zoals aan de uiteinden, zijn de triples lineair en op de helling (\).

Deze verbinding bestaat uit een neurotoxine dat voornamelijk wordt aangetroffen in de waterhennepplant.

Capillina

Door Klever, van Wikimedia Commons

Het is een alkyn dat aanwezig is in de etherische olie van bijvoetplanten en dat wordt gebruikt als antischimmelmiddel. Twee opeenvolgende drievoudige bindingen kunnen worden waargenomen, correcter geconjugeerd.

Wat betekent het? Die drievoudige bindingen resoneren door de hele koolstofketen en omvatten de C = O dubbele binding die opent naar C - O ^- .

Pargyline

Door Harbin, van Wikimedia Commons

Het is een alkyn met antihypertensieve werking. Als we de structuur in delen analyseren, hebben we: een benzylgroep aan de linkerkant, een tertiair amine in het midden en een propynyl aan de rechterkant; dat wil zeggen, een terminale propyngroep.

Referenties

1. Francis A. Carey. Organische chemie. Carbonzuren. (zesde ed., pagina's 368-397). Mc Graw Hill.
2. Brennan, John. (10 maart 2018). Voorbeelden van Alkynes. Wetenschappelijk. Genomen uit: sciencing.com
3. BYJU'S. (2018). Triple Bond in Alkynes. Genomen van: byjus.com
4. Encyclopedie van voorbeelden (2017). Alkynes. Hersteld van: voorbeelden.co
5. Kevin A. Boudreaux. Alkynes. Genomen uit: angelo.edu
6. Robert C. Neuman, Jr. Alkenes en Alkynes. . Genomen uit: chem.ucr.edu