炔烃(alkyne)是指分子中含有碳碳三键的 不饱和烃 ,分子通式为C n H 2n-2 (其中n为非1正整数)。 最简单的炔烃是乙炔, 分子式 为C 2 H 2 。乙炔是最重要的一种炔烃,在工业中可用以照明、焊接及切断金属(氧炔焰),也是制造乙醛、醋酸、苯、合成橡胶、合成纤维等的基本原料。炔烃分子中的三键均为 sp 杂化,由一个σ键和两个π键组成。炔烃没有顺反异构体,同相应 烯烃 相比,炔烃同分异构体数目较少。
常温下,C 2 ~C 4 的炔烃为气体,C 5 ~C 15 的炔烃为液体,C 16 以上的炔烃为固体。炔烃和 烷烃 、烯烃相似, 熔点 和 沸点 随相对分子质量的增加而升高,在水中的 溶解度 很小,但易溶于有机 溶剂 。 炔烃三键 碳 上的氢原子具有一定的酸性,可被金属取代生成金属 炔化物 ,还可发生亲电加成、亲核加成、氧化反应、 催化 加氢以及聚合反应。
在工业上,炔烃是 有机合成 的基础原料、可以合成 聚氯乙稀 没药树 等重要化工产品;还可用于焊接和切割、照明等。 在医药领域,许多合成药物中含有炔基结构, 炔雌醇 、 依法韦仑 、 帕吉林 (优降宁)、 炔诺酮 、特比萘[nài]芬等。 此外部分炔烃类物质,如炔呋[fū] 氯氟醚菊酯 等还具有防治 仙客来菌蝇 的作用。
相关历史
1826年,第一个被发现的天然 炔类 ——脱氢母菊 (dehydromatricaria ester)是从 菊科植物 中分离出的。 除从天然物质中分离得到,炔类物质也由人工合成出。
1836年,戴维·爱德蒙德在加热木炭和 碳酸钾 以制取 钾 过程中,将残渣(碳化钾)投进水中,产生一种气体,发生爆炸,分析确定这一气体的 化学 组成是“C 2 H”(当时采用碳的 相对原子质量 等于6计算),称它为“一种新的氢的二 碳化物 ”。之后在1867年, 德国 有机化学家埃伦迈尔确定 乙炔 的 分子式 ,并指出碳 碳 间存在三键。
在1885年,德国有机化学家阿道夫·冯贝耶尔首次提出碳炔的概念,他将其描述为一种无限长的碳碳 单键 和三键交替而成的碳链。
1892年,从塔日美洲苦树(Picrammia tariri DC.)中分得塔日酸(tariric acid,十八炔酸)。随着新的分离与分析方法的应用,又在植物中发现许多 炔类 化合物,如五炔一烯、镰叶芹醇、 茵陈蒿 炔、蚕豆 酮酸 及α- 甲基 三联噻吩 等。
结构
最简单的炔烃是 乙炔 , 分子式 为C 2 H 2 。 电子衍射 、微波、红外或拉曼光谱等物理方法 表征 表明,乙炔是一直线分子,三键键长为0.120 nm,C—H键长为0.106 nm,三键与 碳氢 键间夹角为180°。
结构理论认为:乙炔分子中, 碳 为 sp 杂化,两个碳原子各以一个 sp 杂化轨道 沿轴向互相 重叠 ,形成“C—C”σ键,又各用一个 sp 杂化轨道分别与氢原子的1 s 轨道形成“C—C”σ键,得到乙炔分子的分子 BOBBIN 。未杂化的两个p轨道与另一个碳的两个p轨道相互平行、肩并肩地重叠,形成两个彼此相垂直的π键。
其它炔烃分子中三键的结构和 乙炔 相似,均为 sp 杂化,直线型,三键由一个σ键和两个π键组成,和碳碳双键类似,也是不饱和键。实际上,炔烃分子中2对π 电子 呈圆桶型分布在σ键的四周。
乙炔和 丙炔 没有同分异构体。炔烃有碳架异构和 官能团 异构,是碳链不同和三键位置不同所引起。由于炔烃是直线分子,三键的 碳 上不能连有支链,所以炔烃的异构体没有顺反异构体,这就比相同碳原子的 烯烃 异构体数要少。例如: 戊烯 有五个构造异构体,而戊炔只有三个构造异构体。如:
命名
普通命名法
炔烃的普通命名法是以 乙炔 为母体的 衍生物 命名法,用于简单炔烃的命名,例如:
系统命名法
(1)选择含有三键的最长碳链作为主链,称为“某炔”;
(2)从靠近三键的一端开始,给主链 碳 编号,将三键的位号标在“某炔”的前面,中间用一短线隔开,若三键的位号在正中央,则从靠近 取代基 的一端开始编号。
(3)把取代基的位置、数目和名称写在三键位号的前面。例如:
(4)若分子中同时含有三键和 双键 时,应选取同时含有双键和三键的最长碳链作为主链,称为“某 烯炔 ”,编号从最先遇到双键或三键的一端开始,使双键和三键的位号之和为最小数值,命名时以 烯烃 优先,炔烃在后的原则。例如:
(5)当双键和三键处于相同位次时,要从靠近双键的一端开始编号,并以烯烃优先,炔烃在后的原则命名。例如:
理化性质
物理性质
常温下,C 2 ~C 4 的炔烃为气体,C 5 ~C 15 的炔烃为液体,C 16 以上的炔烃为固体。炔烃和 烷烃 、烯烃相似, 熔点 和 沸点 随相对分子质量的增加而升高,但由于炔键中π 电子 增多,同时炔键呈直线型结构,分子间较易靠近,分子间作用略增大,其沸点、熔点、密度均比 烃和烯烃略高。炔烃在水中的 溶解度 很小,但易溶于有机 溶剂 。
参考资料
化学性质
端炔氢的酸性
由于 碳 的 电负性 随着杂化时s成分的增加而增大,所以三键碳原子上的氢原子具有微弱的酸性,可被金属取代,生成金属 炔化物 。
(1)与 钠 反应: 乙炔 及端炔与金属钠,或在 液氨 中与 氨基钠 作用可以得到炔钠。例如:
金属炔化物与 卤代烷 发生 取代反应 ,可在炔烃中引人 烷基 ,这是增长炔烃碳链的重要方法。例如:
(2)与重金属离子的反应:将 乙炔 及端炔通入 硝酸银 或 氯化亚铜 的氨溶液中,可分别析出灰白色或砖红色沉淀。由于此反应非常灵敏,现象明显,可用来鉴别乙炔和其他端炔。例如:
干燥的炔化银及炔化亚铜不稳定,受热或撞击时易发生爆炸,所以实验完毕后,应立即用 硝酸 处理,以免发生危险。
亲电加成
炔烃同 烯烃 一样,能与 卤族元素 、 卤化氢 、水等亲电试剂发生 加成反应 ,但反应一般较烯烃困难。三键中的 碳 为 sp 杂化,与 sp 2 和 sp 3 杂化比较,含有较多的s成分,成键电子更靠近 原子核 ,原子核对成键电子的约束力较大,所以三键的π电子比 双键 的π电子难以 极化 。即 sp 杂化的碳原子 电负性 较强,不容易给出 电子 与亲电试剂结合,因此三键的亲电加成反应比双键的加成反应困难。
(1)与X 2 的加成:炔烃可与氯和溴发生亲电加成反应, 反应机理 与 烯烃 和卤素的加成类似,例如:
由于炔烃也能使溴的 四氯化碳 溶液褪色,所以此反应也可用于炔烃的定性鉴定。
烯烃可使溴的四氯化碳溶液立即褪色,炔烃的反应活性比烯怪的小,因此,炔烃使溴的四氯化碳溶液褪色速度更慢。当分子中含有碳碳 双键 和三键时, 卤族元素 优先与双键加成,三键不反应,如果卤素过量,则碳碳双键和三键都被加成。例如:
(2)与HX的加成:炔烃可以和 卤化氢 HX(X=Cl、Br、I)进行 加成反应 ,并遵循马氏规则,但不如 烯烃 容易。反应也是分两步进行,控制HX用量,可使反应停留在加一分子HX阶段。例如:
(3)与H 2 O的加成:炔烃与水的加成也遵循马氏规则,但需在 催化剂 硫酸汞 和 硫酸 的存在下进行,炔烃首先与一分子的水加成,生成的产物称为 烯醇 。由于该烯醇结构中 羟基 直接连在 双键 碳上,很不稳定,立即发生分子内重排,即羟基上的氢原子转移到相邻的双键碳上,原来的碳碳双键转变为 一水碳酸钠 双键,形成醛或 。例如:
端炔与水加成生成 甲基酮 。例如:
亲核加成
乙炔 能与HCN、ROH、RSH、RNH₂、含=NH结构的亚胺类化合物、RCONH₂、RCOOH等含有活泼氢的化合物发生 加成反应 。反应的结果可以看作是这些试剂中的氢原子被 乙烯基 (CH 2 =CH—)取代,因此这类反应统称为乙烯基化反应。例如:
氧化反应
炔烃的碳碳三键较活泼,易发生氧化反应。当 氧化剂 不同时,氧化反应的产物也不同。
(1)完全氧化(燃烧反应):炔烃可以在 氧气 中充分燃烧,生成CO 2 和H 2 O。例如:
(2) 强氧化剂 氧化:炔烃可以和强氧化剂,若用 高锰酸钾 溶液氧化炔烃,三键断裂,最后得到完全氧化的产物。反应后高锰酸钾的紫红色褪色,可用于炔烃的鉴定。与 烯烃 类似,炔烃的结构不同,年化产物也不相同。例如:
因此,由 氧化产物 的结构也可推知原炔烃的结构。
催化加氢
炔烃在铂、钯或镍等金属催化下与2mol 氢气 加成,反应无法停留在中间生成 烯烃 的阶段,最终得到 烷烃 。例如:
如果只希望得到烯烃,可使用活性较低的 催化剂 ,如林德拉(Lindlar)催化剂(沉积BaSO 4 或CaCO 3 上的金属钯,经 醋酸铅 或 喹啉 使钯部分中毒,降低其活性)。在其 催化 下,反应可以停留在烯烃的阶段,且主要得到顺式烯烃。例如:
若用 钠 或锂在 液氨 中还原炔烃,则主要得到 反式,反式-己二烯二酸 烯烃 。例如:
聚合反应
炔烃与烯烃相似,也能通过自身加成发生聚合反应,但较烯烃困难,仅能生成有几个分子聚合起来的低聚物。例如,将 乙炔 通入 氯化亚铜 和 氯化铵 的 盐酸 溶液中,得到二聚或三聚产物。例如:
其他反应
应用领域
工业
炔烃被广泛用于合成 有机化合物 , 乙炔 、 丙炔 等是 有机合成 的基础原料。例如,乙炔可以合成 聚氯乙稀 没药树 、 维纶 等,还可聚合为苯。丙炔可以用于制备 丙酮 等。 炔烃易燃烧,炔氧焰温度高达3500 ℃,可以作为燃料用于熔融及焊接。其还可以用于制作炸药,例如,一般燃料空气炸药的原料就是含有乙炔、丙炔等均质的 混合物 。 炔烃还可用作 染料 ,例如,由乙炔制成的“乙炔黑”可作黑色燃料,用于制造中国墨、 彩釉玻璃 、油漆等。 此外,炔烃还可用于照明、橡胶的补强剂等等。
医药
许多合成药物中含有炔基结构,例如 炔雌醇 、 依法韦仑 、 帕吉林 (优降宁)、 炔诺酮 、特比萘芬等。 炔雌醇可作为口服避孕药中常用的雌激素成分,用于 子宫 发育不全、月经紊乱、绝经期综合征、避孕药引起的突破性出血及退乳等。 炔诺酮用于女性口服避孕, 月经失调 、 异常子宫出血 、 子宫内膜异位症 等。 在用于避孕时,还可以将炔雌醇与炔诺酮配伍使用。 依法韦仑为 逆转录酶抑制剂 ,是一种抵抗 艾滋病 的特效药物。 帕吉林 为白色结晶性粉末,有特异臭,临床上主要用于重度高血压,尤其是对其他降压药疗效不理想者以及对利血平有较严重副作用者。 特比萘芬作为一种广谱抗真菌药物,主要用于 甲癣 、手癣,体股癣、头癣和 足癣 的治疗。
其他
炔呋 氯氟醚菊酯 加工成蚊香对防治 仙客来菌蝇 效果很好。用作气雾剂或喷射剂,对飞翔害虫具有快速杀灭作用,适用于室内防治卫生害虫,对 家蝇 和 淡色库蚊 的(成虫)的 毒力 ,比 丙烯菊酯 分别高7~8倍和3~4倍,亦比 胺菊酯 和 除虫菊素 高。
自然分布
制备方法
二元卤代烷脱卤化氢
邻二 卤代烷 和偕二卤代烷失去两分子卤化氢生成炔烃。常用的脱水试剂有KOH(NaOH)的醇溶液或NaNH 2 在 矿物油 中加热等。
二卤代烷脱去第一分子卤化氢是比较容易的,是制备不饱和 卤代烃 的一个有用的方法。脱去第二分子卤化氢较困难,需要高温加热。例如:
醇脱水形成 烯烃 ,接着与 卤族元素 作用形成二 卤代烷 ,再脱二分子 卤代烃 形成炔烃:
四卤代烷脱卤素也可以制备炔烃,例如:
该反应可用来保护三键,将三键转变为四 卤代烷 ,之后再用 锌 处理,使三键再生。
金属有机化合物制备
端基炔烃可与 碘化甲基镁 或 有机锂化合物 反应,制得含有三键的格氏试剂或锂化物,后者与一级 卤代烷 在醚溶液中发生S N 2反应,制备出二元取代的高级炔烃。例如:
安全事宜
火灾危害
炔烃类物质大多数易燃易爆,例如, 乙炔 、 丙炔 等与空气形成易爆炸的 混合物 ,在没有 氧气 的情况下也可能发生爆炸。 尤其是液态乙炔,稍有震动就会爆炸,而乙炔的 丙酮 溶液却很稳定,商业上为安全地处理乙炔,一般在压力为1013.25~2026.50 kPa下,将乙炔压入盛有丙酮饱和的多孔物质(如硅藻土、浮石或木炭)的钢瓶中。 还有 乙炔银 、 乙炔亚铜 等重金属 炔化物 ,在干燥时受撞击或受热,容易发生爆炸生成金属和碳。因此在实验室中,当实验完毕后,这些重金属炔化物必须用 无机酸 加以处理,使之分解,以保证安全。
灭火措施
消防人员防护:须佩戴空气呼吸器、穿全身防火 防毒服 ,站在上风向灭火。
灭火方法:切断气源,如对周围环境无危险,让火自行燃烧完全。尽可能将容器从火场移至空旷处。喷雾状水保持容器冷却,但避免该物质与水接触。喷水保持火场冷却,直至灭火结束。
健康危害
炔烃的生理作用与 烷烃 和 烯烃 相似,仍是以麻醉 催眠 作用为主,但作用强度较相应的烷烃和烯烃为强。 例如,当乙炔与40%或更多比例的 氧气 混合时,它可作为一种麻醉剂,吸入后可能会出现头痛,头晕和意识丧失等症状,如果 乙炔 含量过高,可能会窒息死亡。但深度麻醉时需要60%(容量)以上的浓度,在这样的浓度下爆炸的危险性很大,所以实际上并未应用。 丙炔 可强烈地刺激 神经系统 ,也具有麻醉作用。
一些植物毒素是聚 炔类 物质,例如, 毒芹 (Cicutauirosa)中的主要成分毒芹毒素就是具有神经性毒害作用的聚炔类化合物,可引起人和牲畜中毒。在 菊科 、 芸香科 、 桑科 一些植物中存在的聚炔类化合物,含有速发性光敏毒素,可迅速引发 皮炎 。
急救措施
吸入:迅速撤离现场至空气新鲜处,保持 呼吸道 通畅。保持安静,休息。若 呼吸困难 ,应给予输氧,必要时进行人工呼吸。若呼吸、心跳停止,应立即进行心肺复苏术并及时就医。密切接触者即使无症状,亦应观察24~48 h。
眼睛接触:立即分开眼睑,用流动清水或 生理盐水 彻底冲洗5~10 min并及时就医。
常见的炔
乙炔
乙炔是无色略带酯味的气体,其 化学性质 活泼,能与铜、银、汞等生成极易爆炸的 乙炔 化合物,因此,应尽量避免其与这些金属接触,以免发生危险。乙炔还是重要的有机化工原料,是塑料、 合成橡胶 、 合成纤维 、医药、农药、 染料 、树脂和 溶剂 等有机产品的基础原料,可用于产生高温火焰,还可用于制造乙炔 碳黑 。
丙炔
丙炔又称甲基乙炔,无色气体,不易溶于水,而易溶于 乙醚 、 石油醚 、四氯化碳等有机溶剂。丙炔可加氢而成为丙烷,容易氧化为醇醛或酸,在 紫外线 作用下可发生聚合作用,在 催化剂 的作用下可异构化而生成 丙二烯 。丙炔是较弱的麻醉剂,可以导致 肌肉痉挛 ,也是重要的 化工原料 ,可用来制备 丙酮 。