فرادرسآلکین ها — به زبان ساده
در مطالب قبلی مجله فرادرس، به بررسی آلکان‌ها و آلکن‌ها پرداختیم. در این مطلب، به دسته دیگری از هیدروکربن‌ها موسوم به آلکینها خواهیم پرداخت. در شیمی آلی، آلکین به هیدروکربن سیرنشده‌ای (غیراشباع) می‌گویند که دارای حداقل یک پیوند سه‌گانه کربن-کربن باشد. آلکین‌های ساده خطی و بدون گروه عاملی، ترکیباتی با فرمول هیدروکربنی $$C _ n H _ {2n - 2}$$ می‌سازند. همانند سایر هیدروکربن‌ها، آلکینها خاصیتی «آبگریز» (Hydrophobic) دارند.
ساختار و خواص آلکین ها
ساده‌ترین آلکین با فرمول شیمیایی $$C _ 2 H _ 2$$ را به طور معمول با نام استیلن میشناسند. البته با توجه به انتهای نام این ترکیب، ممکن است تصور کنیم که این ترکیب، دارای پیوند دوگانه است. به همین دلیل، آیوپاک روشی را برای نامگذاری این ترکیبات ارائه داد که در این مطلب به بیان آن خواهیم پرداخت.
طبقه بندی آلکین ها
گروه‌های آلکین، محدودیت بیش‌تری نسبت به آلکن‌ها دارند زیرا تنها یک گروه آلکیل در آن‌ها می‌تواند با اتم کربن هیبرید شده $$sp$$، پیوند سه‌گانه تشکیل دهد. در صورتیکه یک گروه آلکیل به یکی از اتم‌های کربن با پیوند سه‌گانه متصل شود، «آلکین تک‌استخلافی» (Monosubstituted Alkyne) نام دارد که نمایش آن به صورت $$R - C \equiv C - H $$ است. به این نوع از آلکین، آلکین ترمینال نیز می‌گویند زیرا پیوند سه‌گانه در انتهای زنجیره کربنی قرار دارد. زمانیکه گروه‌های آلکیل به هر دو اتم کربن با پیوند سه‌گانه متصل شوند، آلکین دواستخلافی یا یک آلکین داخلی نام دارد و نمایش آن به شکل $$R - C \equiv C - R$$ است.
هیبریداسیون، طول و انرژی پیوند در آلکین ها
اوربیتال‌های هیبرید $$sp$$، دارای ۵۰ درصد خاصیت s هستند که این مقدار، از خاصیت $$sp^2$$ اوربیتال‌های هیبرید در آلکن‌ها و $$sp^3$$ در آلکان‌ها بیش‌تر است. درصد خاصیت s در اوربیتال‌های هیبرید، الکترون‌های نزدیک به هسته را افزایش می‌دهد. در نتیجه، الکترون‌های پیوندی در اوربیتال هیبرید پیوند $$C-H$$ اتین نسبت به الکترون‌ها در اوربیتال هیبرید پیوند $$C-H$$ اتن یا اتان به هسته نزدیک‌تر هستند. این خاصیت بیش‌تر s در پیوندهای سیگما موجود در استیلن و آلکینها بر خواص فیزیکی آن‌ها تاثیرگذار خواهد بود.
پیوند بین دو اتم کربن با اوربیتال‌های هیبرید $$sp$$، کوتاه‌ترین طول پیوند را شامل می‌شود. طول پیوند کربن-هیدروژن برای اتین برابر با 105 پیکومتر است. این مقدار برای اتن و اتان به ترتیب برابر با 109 و 111 پیکومتر خواهد بود. همچنین، انرژی پیوند کربن-هیدروژن در اتین، بیش‌تر از اتن و اتان ذکر می‌شود.
طول پیوند کربن-کربن سیگما، به هیبریداسیون هر دو اتم کربن بستگی دارد. به طور مثال، پیوند کربن-کربن $$sp-sp^3$$ در پروپین، کوتاه‌تر از پیوند $$sp^2 - sp^3$$ در پروپن و $$sp^3 - sp^3$$ در پروپان است. در تصویر زیر، پیوندها و ساختار مولکول اتین را به همراه نقشه‌های پتانسیل الکترواستاتیک، مشاهده می‌کنید.
خواص فیزیکی آلکین ها
فرمول مولکولی کلی برای یک آلکین، همانطور که گفته شد به صورت $$C _ n H _ {2n - 2}$$ است چراکه یک آلکین با تعداد برابر اتم کربن، ، چهار اتم هیدروژن کمتر از آلکان متناظر با خود دارد. خواص فیزیکی سری‌های همولوگ آلکینها، همانند سری های آلکن‌ها و آلکان‌ها ذکر می‌شود. این نوع از هیدروکربن‌های سیرنشده، ناقطبی هستند.
آلکین‌هایی که کمتر از ۵ اتم کربن داشته باشند، در دمای اتاق به شکل گاز وجود دارند. هرقدر تعداد اتم کربن در آلکینها افزایش پیدا کند، نقطه جوش آن‌ها نیز افزایش می‌یابد چرا که با افزایش تعداد اتم کربن، نیروهای لاندن، افزایش پیدا می‌کنند. همچنین، شاخه‌دار شدن آلکینها، نقطه جوش را کاهش می‌دهد.
خواص شیمیایی آلکین ها
پیوند پای در آلکینها با الکتروفیل‌ها (الکترون‌دوست‌ها)، عوامل اکسنده و کاهنده، به شکل خاصی واکنش می‌دهد. آلکین‌هایی که دو پیوند پای داشته باشند، واکنش‌هایی با «جهت ویژه» (Regiospecific) خواهند داشت. البته، هر دو پیوند پای در آلکین ها واکنش‌پذیر هستند و این امر بدان معنی است که باید به هنگام بررسی آلکین ها، به شرایط آزمایشگاهی نیز توجه داشته باشیم.
نامگذاری آلکین ها به روش آیوپاک
نحوه نامگذاری آلکینها، مشابه با نامگذاری آلکن‌ها است با این تفاوت که در آلکین‌های ساده، به انتهای نام هیدروکربن، پسوند «-ین» اضافه می‌شود.
آلکینها، ایزومرهای E و Z نخواهند داشت و در نتیجه، نامگذاری آن‌ها ساده‌تر از آلکن‌ها خواهد بود. در جدول زیر، فرمول‌های مولکولی به همراه نام ده آلکین خطی آورده شده است:
| نام | فرمول مولکولی |
| اتین | $$C _ 2 H 2 $$ |
| پروپین | $$C _ 3 H _ 4$$ |
| ۱-بوتین | $$C _ 4 H _ 6$$ |
| ۱-پنتین | $$C _ 5 H _ 8$$ |
| ۱-هگزین | $$C _ 6 H _ {10}$$ |
| ۱-هپتین | $$C _ 7 H _ {12}$$ |
| ۱-اوکتین | $$C _ 8 H _ {14}$$ |
| ۱-نونین | $$C _ 9 H _ {16}$$ |
| ۱-دکین | $$C _ {10} H _ {18}$$ |
لازم به ذکر است که در صنعت، از نام استیلن به جای اتین استفاده می‌کنند. در ادامه، به بررسی قوانین نامگذاری آلکین ها بر اساس روش آیوپاک می‌پردازیم.
قانون اول نامگذاری آلکین ها
طولانی‌ترین زنجیر کربنی را پیدا کنید که شامل هر دو اتم کربن با پیوند سه‌گانه باشد.
قانون دوم نامگذاری آلکین ها
شماره‌گذاری را از سمتی آغاز کنید که به پیوند سه‌گانه نزدیک‌تر باشد. ۱-آلکین را با نام آلکین ترمینال (آلکین انتهایی) میشناسند و سایر آلکینها در محل‌های دیگر، آلکین داخلی (اینترنال) نام دارند. زنجیر کربن «والد» (Parent) را همانند یک آلکان نامگذاری کنید اما به جای عبارت «-ان» از «-ین» بهره بگیرید. شماره اتم کربن اول با پیوند سه‌گانه را به شکل پیش‌وند با یک خط فاصله بنویسید. به طور مثال، نام ترکیب زیر، ۲-هگزین خواهد بود.
قانون سوم نامگذاری آلکین ها
شماره و نام محل گروه‌های آلکیل، همچون قانون دوم تعیین می‌شوند. به طور مثال، نام ترکیب زیر، ۴-متیل-۲-پنتین خواهد بود.
قانون چهارم نامگذاری آلکین ها
ترکیبات شامل پیوندهای چندگانه، به صورت «دین» (Diyen) و «ترین» (Triynes) و ... نامگذاری می‌شوند. شماره‌گذاری را از سمتی آغاز کنید که به پیوند چندگانه نزدیک‌تر باشد، در صورت امکان، شماره‌گذاری به گونه‌ای باشد که به پیوند دوگانه، عدد کمتری نسبت به پیوند سه‌گانه اختصاص پیدا کند. به طور مثال، نام ترکیب زیر، ۱-پنتن-۴-ین است و نامگذاری آن به صورت ۴-پنتن-۱-ین، غلط خواهد بود.
مثال
نام هیدروکربن تصویر زیر را بنویسید.
پاسخ: ۴-کلرو-۶-دی‌یدو-۷-متیل-۲-نونین
نکات مهم به هنگام نامگذاری آلکین ها
پس از شماره‌گذاری طولانی‌ترین زنجیر کربنی به ترتیبی که گفته شد، شماره‌گذاری هریک از گروه‌های استخلافی (جانشین) را به کمک کربن متناظر با آن انجام دهید. به هنگام نوشتن نام مولکول، گروه‌های استخلافی را بر اساس ترتیب الفبا (انگلیسی) مرتب کنید. اگر بیش از یک گروه جانشین داشتید، از پیش‌وندهای دی، تری و تترا استفاده کنید. این پیش‌وندها، در ترتیب الفبایی دخالتی ندارند. به طور مثال، نام ترکیب زیر، ۱-تری‌یدو-۴-دی‌متیل-۲-نونین است.
اگر در مولکول مورد نظر، الکل داشته باشیم، شماره‌گذاری را از سمتی آغاز کنید که به گروه $$OH$$ نزدیک‌تر باشد و به کمک آن، ادامه نامگذاری را انجام دهید. البته پسوند به «-ینول» تغییر نام پیدا خواهد کرد چراکه گروه الکل، نسبت به پیوند سه‌گانه، اولویت بیش‌تری دارد.
زمانیکه دو پیوند سه‌گانه در یک مولکول داشته باشیم، طولانی‌ترین زنجیر کربنی را به گونه‌ای انتخاب کنید که شامل هر دو پیوند سه‌گانه باشد. شماره‌گذاری را از طرفی آغاز کنید که کمترین عدد به پیوند سه‌گانه برسد. به هنگام نامگذاری، از پسوند «دین» (Diyne) بهره می‌گیریم. به طور مثال، نام ترکیب زیر، ۴-متیل-۱و۵-اکتادین خواهد بود.
قانون پنجم نامگذاری آلکین ها
گروه‌های جانشینی که شامل پیوند سه‌گانه باشند، موسوم به «آلکینیل» (Alkynyl) هستند. به طور مثال، نام ترکیب تصویر زیر، ۱-کلرو-۱-اتینیل-۴-بروموسیکلوهگزان است.
در جدول زیر، نام برخی از گروه‌های استخلافی آلکینیل را مشاهده می‌کنید:
| نام | مولکول |
| اتینیل | $$-C \equiv C H $$ |
| ۲-پروپینیل | $$-C H _ 2 C \equiv C H$$ |
| ۲-بوتینیل | $$-C H _ 3 C \equiv C H _ 2 C H _ 3$$ |
مثال برای نامگذاری آلکین ها
با توجه به تصویر زیر، چرا نام ۲-برمو-۴هگزین برای مولکول زیر اشتباه است؟
با توجه به این‌که در نامگذاری این مولکول، شماره‌گذاری از پیوند سه‌گانه انجام نگرفته و اولویت با برم در نظر گرفته شده، در نهایت، نام بدست آمده اشتباه است. با شروع شماره‌گذاری از سمت راست، عدد ۲ به کربن با پیوند سه‌گانه و عدد ۵ به برم اختصاص پیدا می‌کند. در نتیجه، نام این ترکیب، ۵-برمو-۲-هگزین خواهد بود.
خاصیت اسیدی آلکین های ترمینال
آلکین‌های ترمینال، اسیدهای ضعیفی هستند اما یک باز بسیار قوی می‌تواند با حذف یک پروتون از کربن ترمینال، یک کربانیون موسوم به یون آلکینید تولید کند. نام معمول یون آلکینید، «یون استیلید» (Acetylide Ion) است.
تشکیل کربانیون‌ها که باز مزدوج هیدروکربن‌ها به شمار می‌آیند، نسبت به یونش اسیدها کمتر اتفاق می‌افتد. یونش اسیدها شامل پیوند اتم هیدروژن به اتمی الکترونگاتیو همچون اکسیژن یا نیتروژن است. از آن‌جایی که کربن نسبت به این دو عنصر، الکترونگاتیوی کمتری دارد، مقدار ثابت تفکیک اسید $$pK_a$$ برای هیدروکربن‌ها، عدد بسیار کوچکی است.
ثابت تفکیک اسید $$C-H$$ با هیبریداسیون اتم کربن متناسب است. این مقدار با ترتیب زیر افزایش پیدا می‌کند.
$$sp ^ 3 < s p ^ 2 < sp$$
این ترتیب خاصیت اسیدی، موازی با خاصیت s اوربیتال‌های هیبرید است. از آن‌جایی که یک اوربیتال هیبرید، خاصیت s بیش‌تری نسبت به اوربیتال $$sp^ 2$$ یا $$sp^3$$ دارد، الکترون‌های آن به هسته نزدیک‌تر هستند و اتم هیدروژن (پروتون) پیوندی به اتم کربن sp هیبرید شده، ساده‌تر جدا می‌شود.
با وجود این‌که اتین و آلکین‌های ترمینال، اسیدهایی بسیار قوی‌تر از سایر هیدروکربن‌ها هستند، اما همچنان به عنوان اسیدهای بسیار ضعیف شناخته می‌شوند و یون هیدروکسید، قدرت کافی برای تبدیل آلکین ترمینال به باز مزدوج خود را ندارد.
در حقیقت، باز مزدوج یک آلکینید زماینکه با ترکیبی شامل گروه هیدروکسیل همچون آب، الکل‌ها و کربوکسیلیک اسیدها واکنش دهد، به سرعت به آلکین تبدیل می‌شود.
با توجه به روندهای تناوبی خاصیت اسیدی که در مطلب «عوامل موثر بر قدرت اسید و باز — به زبان ساده» بیان شدند، می‌دانیم که پیوند $$N-H$$ نسبت به یک پیوند $$O - H$$، اسید ضعیف‌تری به شمار می‌آید. بنابراین، $$N H _ 2 ^ -$$، یعنی باز مزدوج آمونیاک، باز قوی‌تری نسبت به $$O H ^ - $$ - باز مزدوج آب - به شمار می‌آید. $$K_a$$ آمونیاک برابر با $$10 ^ {-36}$$ است. بنابراین، یون آمید، پروتون را از یک آلکین ترمینال با $$K_a$$ برابر با $$10 ^ {-25}$$ حذف می‌کند.
واکنش های آلکین
آلکین ها با داشتن گروه عاملی واکنش‌پذیر، در بسیاری از واکنش‌های آلی شرکت می‌کنند که همین امر سبب بوجود آمدن منابع مختلفی در زمینه سنتزهای آلی شده است.
هیدروژناسیون آلکین ها
همچون آلکن‌ها، آلکینها با گاز هیدروژن واکنش می‌دهند تا ترکیباتی سیرشده (اشباع) تولید کنند. آلکین ها در صورت وجود مقدار اکی‌والان ۲ مول و در حضور کاتالیزور پالادیوم به یک آلکان کاهش پیدا می‌کنند.
مکانیسم واکنش بالا به صورت مرحله‌ای اتفاق می‌افتد. در مرحله اول، اضافه کردن هیدروژن، سبب تولید آلکن خواهد شد. مرحله دوم، سریع‌تر از مرحله اول انجام می‌شود و بنابراین، هیدروژناسیون کاتالیستی که در آن از فلزات واسطه به عنوان کاتالیزور استفاده کرده باشیم نمی‌تواند جهت تولید آلکن مورد استفاده قرار بگیرد و در نهایت، به یک آلکن ختم می‌شود.
اضافه کردن هیدروژن هالیدها
با اضافه کردن هیدروژن برمید به یک آلکین، واکنشی موسوم به «افزایش مارکونیکوف» (Markonikov Addition) شکل می‌گیرد که در نهایت به تولید یک آلکن منجر می‌شود.
اضافه کردن هالوژن ها
آلکین ها در واکنش با کلر یا برم، «تترا هالوآلکان‌ها» (Tetrahaloalkanes) را تولید می‌کنند که شامل دو اتم هالوژن بر روی هر کدام از پیوندهای سه‌گانه هستند. همانند آلکن‌ها، در اثر این اتفاق، فرآورده‌هایی هالوژنه (هالوژن‌دار شده) خواهیم داشت.
هیدراسیون آلکین ها
با اضافه شدن آب به یکی از پیوندهای پایِ پیوند سه‌گانه در محیطی اسیدی (سولفویک اسید به همراه کاتالیزور سولفات جیوه)، از طریق واکنش افزایش مارکونیکوف، یک «انول» (Enol) تولید می‌شود. در این ترکیب، الکل با گروه OH، به پیوند دوگانه یک آلکن متصل شده است. نام انول نیز در حقیقت، ترکیبی از پسوندهای «-ول» $$(-ol)$$ برای الکل و «-ان» $$(-ene)$$ برای پیوند دوگانه ذکر می‌شود.
انول‌ها ترکیباتی ناپایدار هستند که به سرعت به ترکیبات کربونیل تبدیل می‌شوند. بنابراین، فرآورده آب‌دهی (هیدراسیون) یک آلکین، یک کتون خواهد بود که این تبدیل به همراه محیط اسیدی در تصویر زیر آورده شده است.
واکنش های حذفی دی‌آلدهیدها
آلکینها را در شرایطی مشابه با تشکیل آلکن‌ها، به کمک واکنش‌های حذفی می‌توان تهیه کرد. با توجه به این‌که آلکینها شامل دو پیوند پای هستند، دو اکی‌والان مولی $$HX$$ باید از ماده اولیه حذف شود. واکنش‌دهنده مناسب برای فراهم آمدن این شرایط، «ویسینال دی‌هالید» (Vicinal Dihalide) خواهد بود.
آلکیلاسیون آلکین ها
آلکیلاسیون آلکینها در دو مرحله صورت می‌گیرد. مرحله اول یک واکنش اسید باز است. یون آمید در تصویر زیر به عنوان یک باز برای حذف هیدروژن ترمینال عمل می‌کند تا یک یون استیلید تشکیل شود که یک کربن هسته‌دوست است.
در مرحله دوم، یک واکنش جانشینی هسته‌دوست داریم. کربانیون با کربن الکتروفیل (الکترون دوست) در آلکیل هالید واکنش می‌دهد و یک پیوند کربن-کربن جدید تشکیل می‌شود.
سلام
خیلی عالی تشکر