Алкіни – вуглеводні, в молекулах яких є два атоми вуглецю, сполучені потрійним зв’язком - -. Алкіни називають також ацетиленовими вуглеводнями

Ацетилен та його гомологічний ряд. Найпростішим алкіном є ацетилен, або етин:

.

Розглянемо природу зв’язків у молекулі ацетилену згідно з електронною теорією. Під час утворення хімічних зв’язків у молекулі ацетилену гібридизації зазнають тільки дві орбіталі зовнішнього енергетичного рівня атома вуглецю: одна s- і одна p- орбіталі. Цей тип гібридизації називається sp- гібридизацією. Дві p- орбіталі вуглецевого атома залишаються в незмінному вигляді.

Потрійний зв’язок у молекулі ацетилену складається з одного - і двох π- зв’язків. Потрійний зв’язок міцніший наж подвійний, а відстань між вуглецевими атомами в ацетилені менша, ніж в етилені.

Ацетилен – перший член гомологічного ряду. Формули наступних алкінів одержують додаванням до формули ацитилену гомологічної різниці

Назви алкінів за міжнародною номенклатурою утворюють з назв алканів з тим самим числом атомів вуглецю, замінюючи закінчення –ан на – ін (-ин). Приклади:

Назви алкінів з розгалуженим ланцюгом і структурних ізомерів алканів, які утворюються внаслідок різного положення потрійного зв’язку в ланцюгу і бічних замісників, будують аналогічно до назв складних алкенів; цифра в кінці назви означає найменший номер атома вуглецю ланцюга, який знаходиться біля потрійного зв’язку.

Приклади:

Загальна формула гомологічного ряду алканів -, де n = 2,3,4,5….

Властивості. Ацетилен – це безбарвний газ без запаху, температура кипіння – 83,8 . Розчинний у воді. Технічний ацетилен має неприємний запах, зумовлений наявністю домішок.

Як і алкени, ацетилен легко вступає в реакції приєднання і окислення. Крім, того для алкінів характерні реакції заміщення водню, сполученого з атомом вуглецю біля потрійного зв’язку.

1. Гідрування. Алкіни приєднують водень при наявності каталізатора з утворенням алканів або алкенів (неповне гідрування). Так, якщо як каталізатор застосовують нікель або платин, то при гідруванні ацетилену утворюється насичена сполука етан, а з каталізатором паладій або залізо – етилен.

2. Галогенування. Алкіни легко приєднують хлор і бром. Реакція відбувається в дві стадії:

Як і етилен, ацетилен знебарвлює бромну воду. Ця реакція є якісною на ацетилен на інші алкіни.

3. Гідрогалогенування. Процес приєднання галогеноводнів до алканів відбувається легко в дві розділимі стадії. На першій стадії утворюється галогенопохідна алкену, на другій до цієї похідної приєднується друга молекула галоген оводню згідно з правилом Морковникова:

4. Гідратація. Ацетилен та його гомологи гідруються при наявності каталізаторів – солей ртуті (ІІ) . При гідратації ацетилену утворюється оцтовий альдегід:

Взаємодія відбувається через стадію утворення нестійкої сполуки – вінілового спирту, який піддається ізомеризації і утворює стійку сполуку – оцтовий альдегід. Цю реакцію відкрив російський вчений М.Г.Кучеров у 1881 р. вона лежить в основі промислового добування оцтового альдегіду.

5. Окислення. Алкіни легко окислюються. Так, вони знебарвлюють розчин перманганату калію:

Цю реакцію використовують як якісну на потрійний зв’язок.

6. Реакції зміщення. Водень, сполучений з атомом вуглецю біля потрійного зв’язку, дуже рухливий, внаслідок чого для ацетилену та його гомологів характерні реакції зміщення. Наприклад, ацетилен та його гомологи, які містять потрійний зв’язок біля першого атома вуглецю, взаємодіє з аміачними розчинами гідроксидів або солей срібла і міді (І):

До похідних ацетилену – ацителинідів металів – належать карбід кальцію структура якого містить потрійні зв’язки вуглець – вуглець.

Добування. Для добування ацетилену в лабораторних умовах використовують реакцію карбіду кальцію з водою:

У промисловості ацетилен добувають з технічного карбіду карбіду кальцію або метану при нагріванні:

Гомологи ацетилену можна добути з дигалогенопохідних алканів, діючи на них спиртовим розчином лугу, наприклад:

Застосування. Ацетилен є вихідною сировиною для багатьох органічних синтезів. У хімічній промисловості його застосовують для добування оцтового альдегіду і оцтової кислоти, вінілхлориду та інших речовин.

Ацетилен використовують для автогенного зварювання і різання металів, він згоряє в кисні, виділяючи велику кількість теплоти (температура полум’я досягає 3500 ).

Ароматичними вуглеводнями називаються сполуки, молекули яких містять стійкі циклічні структури – бензольні ядра. Термін “ароматичні сполуки” виник у початковий період розвитку органічної хімії, коли встановили, що речовини ряду бензолу виділяються з природних ароматичних речовин.

Бензол. Бензол є найпростішим ароматичним вуглеводнем. Його склад відповідає формулі .

Будова молекули бензолу. Перша найбільша вдала структурна формула бензолу була запропонована в 1865 р. німецьким хіміком Кекуле. Ця формула показує рівноцінність усіх атомів вуглецю і водню, які входять молекулу бензолу, що було доведено експериментально (див. формулу 1). Використовуючи формулу 1, слід врахувати, що бензол не можна відносити до звичайних ненасичених сполук, оскільки він значно відрізняється від них за властивостями, наприклад, не приєднує бром.

Для позначення бензолу прийнято також формулу 2 і спрощено формулу Кекуле 3. Остання формула використовується при подальшому викладенні матеріалу:

1 2 3

Згідно з сучасними електронними уявленнями будова молекули бензолу пояснюється так. У цій молекулі орбіталі зовнішнього енергетичного рівня кожного атома вуглецю перебувають у стані – гібридизації. Електрони, що перебувають на гібридизованих орбіта лях, утворюють – зв’язки між сусідніми атомами вуглецю і – зв’язки вуглець – вуглець. – Гібридизовані орбіталі розміщуються під кутом одна до одної, тому в молекулі бензолу атоми вуглецю розміщуються в кутах правильного шестикутника.

Р-Орбіталі шести атомів вуглецю в бензолі, які не беруть участь в гібридизації, розміщуються перпендикулярно до площини бензольного кільця і перекриваються одна з одною зверху і знизу цієї площини. Електрони, що перебувають на них орбіталях, утворюють єдину стійку π-електронну систему. Так виникає хімічний зв’язок, який об’єднує всі шість атомів вуглецю в молекулі бензолу.

Молекула плоска, всі атоми вуглецю розміщені на однакових віддалях один від одного, утворюючі правильний шестикутник.

Властивості. Бензол – це безбарвна рідина, що має характерний запах. Легко переходить у твердий стан: температура плавлення бензолу становить +5,5 , температура кипіння +80,1 . У воді бензол практично не розчиняється але є хорошим розчинником багатьох органічних речовин.

Хімічні властивості бензолу та інших ароматичних сполук характеризується рядом особливостей. Для бензолу характерні реакції заміщення атомів водню в бензольному кільці. Ці рекції відбуваються за механізмом електрофільного заміщеня. Електрофільна частинка взаємодіє з π – електронами молекули бензолу, утворюючи π-комплекс, який переходить у – комплекс. В – комплексі частинка сполучена з одним з атомів вуглецю, в результаті ароматичний характер молекули порушується. Далі від – комплексу відщеплюється протон і відновлюється ароматичний характер ядра. Механізм цієї реакції можна проілюструвати такою схемою:

На відміну від ненасичених сполук типу алкенів і алкінів, бензол дуже стійкий проти окислення, важко вступає в реакції приєднання. Розглянемо найбільш характерні для ароматичних вуглеводів реакції.

1. Нітрування. При дії на бензол нітруючої суміші (суміш концентрованих азотної і сірчаної кислот) відбувається заміщення водню в ядрі бензолу на групу ; цей процес називається нітруванням:

Реакція відбувається за механізмом електрофільного заміщення. Роль електрофільної частинки відіграє іон , який утворюється в результаті реакції:

2. Сульфування. Водень в бензольному ядрі може бути заміщений на сульфогрупу під дією концентрованої сірчаної кислоти; цей процес називається сульфування:

3. Алкілування. В молекулу бензолу замість водню можна ввести алкільний радикал. Процес алкілування можна здійснити дією на бензол галогенопохідної алкану чи олефіну при наявності каталізатора (хлорид алюмінію ):

4. Галогенування. Заміщення водню в бензольному ядрі на хлор чи бром здійснюється при взаємодії бензолу з галогенами за участю каталізатора. Реакцію можуть каталізувати (або ) I , при цьому утворюються різні продукти:

Під час інтенсивного опромінення реакційної системи світлом бензол може приєднувати хлор:

На відміну від наведених вище реакцій галогенування, в який атом хлору чи брому заміщує водень в бензольному ядрі, в цій реакції атоми хлору приєднуються до всіх атомів вуглецю. В результаті руйнується π-електронна система бензолу і утворюється галогенопохідна алкану циклоалкану.

5. Гідрування. Одна з небагатьох реакцій приєднання, в яку може вступати бензол, - реакція гідрування при наявності платинових або нікелевих каталізаторів:

С₆Н₆ + 3Н₂ C₆H₁₂

Добування. Бензол виділяють переважно з нафти та кам’яного вугілля при виробництві коксу.

Бензол можна добути з циклогексану за реакцією дегідрування з участю платини як каталізатора або шляхом циклізації і дегідрування нормального гексану при наявності :

C₆H₁₂ C₆H₆ + H₂

CH₃ – (CH₂) – CH₃ C₆H₆ + 4H₂

Бензол утворюється також під час пропускання ацетилену над розжареним активним вугіллям:

3CH =CH→C₆H₆

Застосування. Бензол є важливою сировиною для органічного синтезу, його використовують при добуванні багатьох інших ароматичних сполук. Бензол застосовують в виробництві барвників, пластмас, пестицидів, вибухових речовин, ліків; його використовують як розчинник лаків, фарб.

Бензол входить до складу палива, яке використовується в двигунах внутрішнього згорання.

Гомологи бензолу – це ароматичні вуглеводні, в бензольному кільці яких один чи кілька атомів водню заміщені на алкільні радикали. Загальна формула сполук гомологічного ряду бензолу , де n = 6, 7, 8, 9….

Найпростішим гомологом бензолу, який відрізняється від нього на одну групу , є метилбензол, або толуон .

Ізомерія та номенклатура. Наступний за толуолом гомолог бензолу має склад , якому відповідають чотири сполуки:

C₆H₅ - C₂H₅ C₆H₄(CH₃)₂

Етилбензол 1,2 - диметилбензол

Як видно з наведених формул, гомологи бензолу, що мають у ядрі два однакових замісника, розрізняються розміщенням цих замісників один відносно одного, тобто є ізомерами.

Назви гомологів бензолу складаються з назви замісника з додаванням кореня бензол, наприклад етилбензол. Якщо гомолог містить кілька замісників, то їхнє положення позначають цифрами, що означають номери атомів вуглецю в бензольному ядрі, біля яких знаходяться ці замісники, наприклад 1,2-диметилбензол. Нумерацію починають з одного з атомів вуглецю, біля якого є замісник.

Для багатьох гомологів широко використовують тривіальні назви (толуол, ксилол).

Для позначення ізомерів з двома однаковими замісниками використовують префікси: орто-, мета-, пара-. В орто-ізомері замісники мають положення 1,2 в мета-ізомері – положення 1,3 і в пара-ізомері – положення 1,4.

Ароматичні вуглеводні утворюють радикали, які є складовими частинами складніших сполук, наприклад:

С₆H₅ C₆H₅ – CH₂

Феніл бензіл

Загальна назва радикалів ароматичних вуглеводнів – арил.

Властивості. Найпростіші гомологи бензолу за звичайних умов – це рідини з характерним запахом, вищі гомологи – тверді речовини.

Для гомологів характерні ті самі реакції, що і для самого бензолу.

1. Нітрування, сульфування та алкілування. Ці реакції відбуваються як і для бензолу, за механізмом електрофільного заміщення.

Особливості перебігу цих реакцій для гомологів бензолу виявляється в тому, що замісник, який є в ядрі, впливає на положення другого замісника.

Звичайно при зміщені водню в ядрі гомологів бензолу утворюється суміш орто-, мета-, і пара- замісників, у якій переважають орто- і пара- сполуки. Наприклад, при нітруванні толуолу реакція йде таким шляхом:

С₆H₅ – CH₃ + HNO₃ →C₆H₄ – CH₃ – NO₂

2. Галогенування. Підчас галогенування гомологів бензолу з участю каталізаторів утворюються продукти заміщення водню в бензольному ядрі.

Якщо хлорування здійснюють на світлі, то можуть заміщуватися на хлор атоми водню в бічному ланцюгу, наприклад:

C₆H₅ – CH₃ + Cl₂→C₆H₅CH₂Cl + HCl

Можливе також утворення сполук і .

3. Окислення. Толуол, етилбензол, ксилоли та інші гомологи бензолу окислюються легше, ніж сам бензол. Окислення зазнають бічні замісники, наприклад:

C₆H₅CH₃ + 3[O]→C₆H₅COOH + H₂O

C₆H₅ – C ₂H₅ + 6[O]→C₆H₅COOH + CO₂ + 2H₂O

Добування. У промислових масштабах гомологи бензолу виділяють переважно з нафти та кам’яного вугілля.

Ці сполуки можна добути синтетичним шляхом, наприклад за реакцією алкілування бензолу:

C₆H₆ + CH₃Cl C₆H₅ – CH₃ + HCl

Алкіл бензоли можна добути під час циклізації алканів:

CH₃-(CH₂)₅-CH₃→ C₆H₅ – CH₃ + 4H₂

гептан

Застосування. Гомологи бензолу використовують у промисловому органічному синтезі. Толуол, наприклад, застосовують для синтезу бензойної кислоти. З пара- кислоти добувають терефталеву кислоту, яка використовується в виробництві хімічних волокон. Багато гомологів бензолу застосовують як розчинник органічних речовин та полімерів.