Alkyn

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới điều hướng Bước tới tìm kiếm
Đèn khí acetylen (tiếng Anh: carbide lamp) là một loại đèn được thắp bởi ngọn lửa từ phản ứng cháy của acetylen với khí oxy, trong đó acetylen được sinh ra từ phản ứng giữa đất đèn (thành phần chính là calci carbide, CaC2) với nước.

Trong hóa học hữu cơ, alkyn (tiếng Anh: alkyne /ˈæl.kaɪn/) là một hydrocarbon không no có chứa liên kết ba giữa các nguyên tử carbon (CC). Một số alkyn tiêu biểu acetylen (CHCH), propin (CHC-CH3), but-1-in (CHC-CH2CH3)... tạo thành dãy đồng đẳng alkyn với công thức tổng quát CnH2n-2 (n 2).

Khái quát chung[sửa | sửa mã nguồn]

Dãy đồng đẳng và danh pháp của alkyn có một liên kết ba[sửa | sửa mã nguồn]

Dãy đồng đẳng của alkyn bao gồm acetylen, propin, but-1-in, but-2-in... với công thức tổng quát như đã đề cập ở trên. Tên thông thường của alkyn là tên gốc của hydrocarbon kết hợp với hậu tố "acetylen). Thí dụ: CHCH (acetylen), CH3CCH (metylacetylen), CH3CCCH2CH3 (etylmetylacetylen), v.v..

Ngoài ra, tên của alkyn còn được xác định bởi danh pháp thay thế (theo quy ước của IUPAC) như sau: tên của alkyn xuất phát từ tên của ankan tương ứng (gốc ankyl) chỉ đổi hậu tố -an thành -in và có thêm số chỉ vị trí của liên kết ba (ở giữa gốc ankyl và hậu tố -in, gốc ankyl-số chỉ vị trí-in) khi cần thiết. Ví dụ: CHCH (etin), CHC-CH3 là propin, CHCCH2CH3 (but-1-in), CH3CCCH3 (but-2-in)... Sở dĩ thêm số chỉ vị trí vì but-1-in và but-2-in là hai chất khác nhau (hai chất đồng phân vị trí liên kết bội của nhau) có tính chất khác nhau hoàn toàn như but-1-in có thể tham gia phản ứng thế với AgNO3 trong môi trường NH3 trong khi but-2-in thì không.

Công thức cấu tạo của phân tử (trừ trên xuống): acetylen, but-1-in, but-2-in, công thức tổng quát của ank-1-in.

Đồng phân[sửa | sửa mã nguồn]

Hai hợp chất alkyn đầu dãy là C2H2 (acetylen) và C3H4 (propin) không có đồng phân. Các alkyn từ C4H6 trở lên có đồng phân vị trí liên kết ba và từ C5H8 có thêm cả đồng phân mạch carbon (tương tự anken).

Ví dụ minh họa cho đồng phân vị trí liên kết bội: but-1-in và but-2-in là hai đồng phân vị trí liên kết ba của nhau trong đó ở but-1-in (CHC-CH2CH3) thì vị trí liên kết ba nằm giữa carbon thứ nhất và carbon thứ hai, còn but-2-in (CH3-CC-CH3) vị trí liên kết ba nằm giữa carbon thứ hai và carbon thứ ba.

Ví dụ minh họa cho đồng phân mạch carbon: pent-1-in (CHC-CH2CH2CH3) và 3-metylbut-1-in (CHC-CH(CH3)-CH3), cả hai chất này đều có vị trí liên kết ba giữa nguyên tử carbon 1 và 2 của mạch chính, trong khi đó mạch của pen-1-in là mạch thẳng còn mạch của 3-metylbut-1-in là mạch nhánh (với nhánh ở vị trí carbon số 3).

Không giống như anken, alkyn không có đồng phân hình học (cis-trans). Ngoài ra, alkyn cũng không có đồng phân loại nhóm chức, đồng phân vị trí nhóm chức hay thậm chí cũng không có đồng phân quang học.

Cấu hình không gian và liên kết ba[sửa | sửa mã nguồn]

Mô hình phân tử (mô hình rỗng) biểu diễn cấu trúc không gian của acetylen (HCCH) với hydroquả cầu trắng còn carbon là quả cầu đen. Ta thấy, các nguyên tử thẳng hàng với nhau.

Trong phân tử acetylen, góc hóa trị H-CC là 180o. Do đó khi nhìn trực diện, các phân tử alkyn có dạng thẳng chứ không gấp khúc như của ankan. Hệ quả là alkyn vòng rất hiếm xuất hiện.

Chiều dài của liên kết ba CC khoảng 121 picômét ngắn hơn so với C=C trong anken (khoảng 134 pm) và C-C trong ankan (153 pm). Liên kết ba khá mạnh với năng lượng liên kết là 839 kJ/mol trong đó liên kết sigma (σ) là 369 kJ/mol, liên kết pi (π) thứ nhất chiếm 268 kJ/mol, liên kết pi thứ hai là 202 kJ/mol. Theo thuyết liên kết hóa trị, trong liên kết C1C2, một obitan lai hóa sp của nguyên tử carbon số 1 sẽ xen phủ với một obitan lai hóa của nguyên tử carbon số 2 tạo một liên kết sigma (ở giữa), obitan lai hóa sp còn lai của cả C1, C2 tham gia hình thành liên kết sigma với nguyên tử khác như carbon, hydro. Còn lại hai obitan chưa lai hóa 2p của C1 có trục thẳng góc với nhau và cùng thẳng góc với trục chung của hai obitan lai hóa sp, dùng để xen phủ bên với obitan 2p chưa lai hóa của C2 tạo ra hai liên kết pi. Như vậy, trong liên kết ba CC của alkyn, có một liên kết sigma (bền) nằm giữa hai hai liên kết pi (yếu).

Công thức cấu tạo (dạng khai triển) của vinylacetylen

Alkyn có nhiều liên kết bội[sửa | sửa mã nguồn]

Alkyn có thể có nhiều liên kết ba trong phân tử, khi đó để gọi tên hợp chất, ta chỉ cần thay hậu tố -in thành -ađiin, -atriin... Ví dụ: CHCCH2CH2CCH (hexa-1,5-điin). Ngoài ra, alkyn còn có thể có cả nối đôi và nối ba trong phân tử. Với tình huống này, ta sử dụng cả hậu tố "en" và "in", trong đó sau viết liên kết đôi ta sẽ viết liên kết ba. Ví dụ: CHCCH2CH2CH=CH2 (hex-5-en-1-in), CHC-CH=CH2 (but-3-en-1-in, vinylacetylen)...

Tính chất của alkyn[sửa | sửa mã nguồn]

Tính chất vật lý[sửa | sửa mã nguồn]

Alkyn là một loại hydrocarbon không phân cực (thể hiện ở các liên kết trong alkyn bao gồm CC và CH là những liên kết cộng hóa trị không phân cực) do đó chúng cũng giống như anken, ankan đều không tan trong nước (một loại dung môi phân cực). Bên cạnh đó, alkyn có khối lượng riêng nhẹ hơn nước. Nhìn chung, các alkyn có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và khối lượng riêng tăng theo chiều tăng của phân tử khối. Các alkyn thường có nhiệt độ sôi cao hơn và khối lượng riêng lớn hơn các anken tương ứng (cùng số nguyên tử carbon trong phân tử).

Một số thông số vật lý của alkyn (Từ C2H2 đến C10H18)
Danh pháp alkyn Nhiệt độ nóng chảy (oC) Nhiệt độ sôi (oC) Khối lượng riêng (g/cm3) ở 20oC
Etin -82 -75
Propin -101,5 -23
But-1-in -122 8
pent-1-in -98 40 0,695
hex-1-in -124 72 0,716
hept-1-in -80 100 0,733
oct-1-in -70 126 0,746
non-1-in 151 0,757
dec-1-in 174 0,766

Tính chất hóa học[sửa | sửa mã nguồn]

Phản ứng cộng[sửa | sửa mã nguồn]

Phản ứng cộng với hydro (phản ứng hydro hóa)[sửa | sửa mã nguồn]

Khi có mặt chất xúc tác niken hoặc platin, alkyn tác dụng với hydro sinh ra anken rồi ankan tương ứng. Thí dụ: .

Tuy nhiên, khi có mặt chất xúc tác là palađi, nhất là có mặt PbCO3 (chì cacbonat) hoặc BaSO4 (bari sunfat) thì hoạt tính xúc tác của niken, platin bị giảm đi và phản ứng dừng lại ở anken: .

Phản ứng hydro hóa chỉ làm đứt liên kết pi.

Phản ứng cộng với halogen (Br2, Cl2)[sửa | sửa mã nguồn]

Alkyn cũng tham gia phản ứng cộng với halogen (như brom, clo...) tạo ra dẫn xuất halogen của hydrocarbon. Tương tự như phản ứng hydro hóa, brom và clo cũng cộng vào alkyn và làm đứt liên kết pi trong phân tử: . Nói chung,alkyn làm mất màu nước chậm hơn anken và giai đoạn sau xảy ra khó khăn hơn so với giai đoạn đầu.

Phản ứng cộng với HX và quy tắc Markovnikov[sửa | sửa mã nguồn]

X có thể là gốc hydroxyl (-OH), halogenua (như bromide, chloride), muối của axit carboxylic (như axetat).

Quy tắc Markonikov[sửa | sửa mã nguồn]

Trước khi xét quy tắc phản ứng cộng, ta cần hiểu rõ khái niệm bậc của nguyên carbon (C). Bậc nguyên tử carbon C trong phân tử hydrocarbon được tính bằng số liên kết của nó với các nguyên tử carbon khác, ví dụ: trong phân tử propin: C(a)HC(b)-C(c)H3, nguyên tử carbon ở vị trí (a) và (c) có bậc carbon là 1 do chúng chỉ liên kết với một carbon khác (ở vị trí (b)) trong khi bậc của nguyên tử C ở vị trí (b) là 2 do nó liên kết với hai carbon khác (ở vị trí (a) và (c). Vậy có thể hiểu nôm na, carbon bậc càng cao thì liên kết với nguyên tử carbon khác (nguyên tử hydro) càng nhiều (ít).

Đối với alkyn mà các carbon tham gia nối ba có cùng bậc cabon (bậc 1) thì sản phẩm phản ứng cộng HX của nó trong nhiều trường hợp tạo ra sản phẩm duy nhất. Ví dụ phản ứng cộng giữa CHCH với HCl chỉ tạo ra một sản phẩm duy nhất là vinyl chloride (CH2=CH-Cl) hay giữa but-2-en (CH3-CC-CH3) thì cũng tạo ra sản phẩm duy nhất là CH3CCl=CHCH3.

Đối với alkyn mà các carbon tham gia vào nối ba có bậc carbon khác nhau thì sẽ tạo ra cùng lúc hai loại sản phẩm là sản phẩm chính và sản phẩm phụ. Để xác định đâu là sản phẩm chính, đâu là sản phẩm phụ ta sử dụng quy tắc Maccôpnhicôp (Markonikov). Theo quy tắc này, trong phản ứng cộng giữa alkyn và HX, proton H sẽ có xu hướng cộng vào carbon bậc thấp (nhiều hydro hơn/ carbon âm hơn) trong khi phần tử tích điện âm X có xu hướng cộng vào carbon bậc cao (liên kết với nhiều carbon hơn/ carbon dương hơn). Ví dụ: xét propin (C(1)HC(2)-CH3), carbon (1) có bậc 1 trong khi carbon (2) có bậc (2) nên khi tham gia phản ứng cộng với HBr, cation H+ có xu hướng cộng với carbon bậc thấp hơn là carbon C1 (bậc 1) trong khi anion Br- cộng với carbon bậc cao hơn (ở đây là carbon C2), do đó sản phẩm chính sẽ là CH2=CBr-CH3. Thêm ví dụ nữa: phản ứng cộng giữa but-1-in (CHC-CH2CH3) với axit clohydric sẽ tạo ra sản phẩm chính là CH2=CClCH2CH3.

Ngoại trừ HCl, khi bổ sung peroxide (có công thức tổng quát là R - O - O - R', với R, R' có thể là hydrocarbon) thì phản ứng sẽ diễn ra theo nguyên tắc ngược lại quy tắc trên (gọi là quy tắc anti-Markonikov). Ví dụ: phản ứng cộng giữa propin (CHC-CH3) và HBr (axit bromhydric), thông thường sản phẩm chính là CH2=CBr-CH3), nhưng khi bổ sung peroxide thì sản phẩm chính sẽ là CHBr-CH-CH3.

Phản ứng cộng với halide[sửa | sửa mã nguồn]
Nhựa PVC (poly(vinyl chloride)) là một loại nhựa tổng hợp phổ biến được sử dụng để làm ống dẫn nước thải vì chi phí thấp, bền. Poly(vinyl chloride) là sản phẩm phản ứng trùng hợp vinyl chloride (CH2=CH-Cl).

Với phản ứng cộng halide cũng xảy ra hai giai đoạn như phản ứng cộng với halogen và giai đoạn sau khó hơn giai đoạn trước. Thí dụ: . Trong phản ứng trên, acetylen tham gia phản ứng cộng HCl làm đứt một liên kết pi, tạo ra vinyl chloride (CH2=CH-Cl), nếu tiếp tục cho vinyl chloride tiếp tục phản ứng cộng với HCl thì sẽ tạo ra dẫn xuất halogen no CH3CHCl2 (1,1-đicloroetan). Vinyl chloride là hợp chất được ứng dụng trong công nghiệp để tổng sản xuất chất poly(vinyl chloride), thường viết tắt là nhựa PVC. Trong kỹ thuật, để điều chế vinyl chloride, người ta cho hỗn hợp acetylen và axit clohydric (HCl) với tỉ lệ thể tích (hoặc số mol) 1: 1 đi qua chất xúc tác HgCl2 ở nhiệt độ từ 150 - 200oC.

Với Thuốc tím (KMnO4)

+, Trong môi trường không axít: 3C2H2 + 8KMnO4 ----> 3KOOC-COOK + 2KOH + 8MnO2 + 2H2O

+, Trong môi trường có axít H2SO4: 5C2H2 + 8KMnO4 + 12H2SO4 ---> 5(COOH)2 + 4K2SO4 + 8MnSO4 + 12H2O

Phản ứng đime hóa và trime hóa[sửa | sửa mã nguồn]

2C2H2 → vinyl acetylen (ĐK: CuCl, 150 độ C)

3C2H2 → C6H6 (ĐK: than hoạt tính, 600 độ C)

Phản ứng cháy[sửa | sửa mã nguồn]

CnH2n-2 + O2 ----> nCO2 + (n-1)H2O

Phản ứng thế với ion kim loại

CH≡CH + 2AgNO3 +2NH3 → CAg≡CAg + 2NH4NO3

Điều chế[sửa | sửa mã nguồn]

Trong công nghiệp[sửa | sửa mã nguồn]

- Từ mêtan (CH4)

2 CH4 → C2H2 + 3 H2

Trong phòng thí nghiệm[sửa | sửa mã nguồn]

- Từ đất đèn (CaC2)

CaC2 + 2 H2O → C2H2 + Ca(OH)2

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]