آلکین‌ها؛ نام‌گذاری، ساختار پیوند سه‌گانه و واکنش‌های افزایشی

پیوند سه‌گانه ویژگی اصلی آلکین‌هاست

آلکین هیدروکربنی سیرنشده است که دست‌کم یک پیوند سه‌گانه کربن‌ـ‌کربن دارد. در یک پیوند سه‌گانه، یک پیوند سیگما و دو پیوند پی میان دو اتم کربن برقرار است. وجود دو پیوند π سبب می‌شود آلکین بتواند واکنش افزایشی را در دو مرحله انجام دهد؛ در هر مرحله یکی از پیوندهای π شکسته و پیوندهای سیگمای تازه‌ای با اتم‌های افزوده‌شده تشکیل می‌شود.

دو اتم کربنِ درگیر در پیوند سه‌گانه آرایش خطی دارند و زاویه پیوندی پیرامون هرکدام نزدیک ۱۸۰ درجه است. این توصیف فقط به همان بخش مولکول مربوط می‌شود؛ اگر زنجیر بلند یا شاخه‌دار باشد، همه اتم‌های آن الزاماً روی یک خط قرار نمی‌گیرند. چرخش آزاد حول پیوند سه‌گانه نیز مانند یک پیوند یگانه معمولی ممکن نیست.

• پیوند C≡C شامل یک پیوند σ و دو پیوند π است
• کربن‌های پیوند سه‌گانه هندسه خطی دارند
• آلکین‌ها به علت داشتن پیوند π سیرنشده‌اند
• پیوند سه‌گانه می‌تواند دو مرحله واکنش افزایشی داشته باشد

فرمول عمومی را با دامنه کاربردش به کار ببر

برای آلکین زنجیر باز که فقط یک پیوند سه‌گانه دارد و حلقه یا پیوند چندگانه دیگری در آن نیست، فرمول عمومی CₙH₂ₙ₋₂ است. کوچک‌ترین مقدار n برابر ۲ است؛ بنابراین اتین C₂H₂ نخستین عضو این خانواده است. پروپین C₃H₄ و بوتین‌ها C₄H₆ نیز از همین رابطه پیروی می‌کنند.

این فرمول یک ابزار تشخیصی مفید است، اما اثبات قطعی وجود پیوند سه‌گانه نیست. برای مثال یک هیدروکربن حلقوی یا ترکیبی با دو پیوند دوگانه نیز ممکن است نسبت CₙH₂ₙ₋₂ داشته باشد. پس اگر ساختار در اختیار است، خود پیوندها را ببین و اگر فقط فرمول مولکولی داده شده، نتیجه را همراه با فرض «آلکین زنجیر باز با یک پیوند سه‌گانه» بیان کن.

• فرمول CₙH₂ₙ₋₂ برای آلکین تک‌پیوندسه‌گانه و زنجیر باز است
• اتین با دو اتم کربن آغازگر این خانواده است
• هر پیوند سه‌گانه نسبت به آلکان هم‌کربن چهار هیدروژن کمتر ایجاد می‌کند
• فرمول مولکولی به‌تنهایی همیشه نوع ساختار را یکتا تعیین نمی‌کند

زنجیر اصلی و شماره پیوند سه‌گانه را درست انتخاب کن

در نام‌گذاری، بلندترین زنجیر پیوسته‌ای را انتخاب کن که پیوند سه‌گانه حتماً در آن باشد. سپس زنجیر را از سمتی شماره‌گذاری کن که نخستین کربن پیوند سه‌گانه عدد کوچک‌تری بگیرد. جایگاه پیوند با شماره کربنی مشخص می‌شود که عدد کوچک‌تر آن دو را دارد؛ برای نمونه CH₃–C≡C–CH₃ «بوت-۲-ین» و CH≡C–CH₂–CH₃ «بوت-۱-ین» نام دارد.

پسوند «ـین» در این نام‌ها نشانه پیوند سه‌گانه است و نباید با پسوند آلکن اشتباه شود. پس از تعیین شماره پیوند، شاخه‌ها را با شماره و نامشان پیش از نام زنجیر اصلی می‌آوریم. اولویت شماره کمتر برای پیوند چندگانه است؛ بنابراین زنجیر را صرفاً برای کوچک‌شدن شماره یک شاخه از جهت مخالف شماره‌گذاری نمی‌کنیم.

• زنجیر اصلی باید C≡C را دربر بگیرد
• شماره‌گذاری از سمت نزدیک‌تر به پیوند سه‌گانه آغاز می‌شود
• عدد جایگاه، شماره کربن نخست پیوند سه‌گانه است
• پس از تثبیت زنجیر و جهت، شاخه‌ها را نام‌گذاری کن

در افزایشی هیدروژن، سیرشدن را مرحله‌به‌مرحله دنبال کن

افزودن یک مول H₂ به یک مول آلکین، با حضور کاتالیزگر مناسب، یکی از پیوندهای π را از بین می‌برد و آلکن می‌سازد. افزودن مول دوم H₂ پیوند π باقی‌مانده را نیز حذف می‌کند و آلکان می‌دهد. برای اتین می‌توان نوشت HC≡CH + H₂ → H₂C=CH₂ و سپس H₂C=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃.

در نتیجه برای هیدروژنه‌کردن کامل یک مول آلکین دارای یک پیوند سه‌گانه، دو مول هیدروژن لازم است. این نسبت از شمار پیوندهای π به دست می‌آید، نه از حفظ‌کردن واکنش تک‌تک اعضا. اگر سؤال توقف در مرحله آلکن را مطرح کند، شرایط و کاتالیزگر باید چنین گزینش‌پذیری‌ای را ممکن کنند؛ در مدل ساده درسی مقدار ماده افزوده‌شده را نیز باید دقیق خواند.

• یک مول H₂: آلکین به آلکن
• دو مول H₂: آلکین به آلکان
• برای هر پیوند π یک مول H₂ مصرف می‌شود
• کاتالیزگر سرعت و مسیر عملی واکنش را تسهیل می‌کند و در معادله خالص مصرف نمی‌شود

افزایش هالوژن و آزمون برم، سیرنشدگی را نشان می‌دهد

آلکین می‌تواند با برم واکنش افزایشی دهد. در مرحله نخست، یک مول Br₂ به دو کربن پیوند سه‌گانه افزوده می‌شود و ترکیبی با پیوند دوگانه می‌سازد؛ با افزودن مول دوم Br₂، فرآورده سیرشده‌ای تشکیل می‌شود که روی هر یک از آن دو کربن دو اتم برم دارد. پس یک مول آلکین تک‌پیوندسه‌گانه برای واکنش افزایشی کامل با دو مول Br₂ واکنش می‌دهد.

از بین‌رفتن رنگ محلول برم می‌تواند شاهدی برای وجود پیوند چندگانه باشد، زیرا برم در واکنش افزایشی مصرف می‌شود. بااین‌حال این مشاهده به‌تنهایی نمی‌گوید ماده آلکن است یا آلکین؛ هر دو خانواده می‌توانند رنگ برم را از بین ببرند. برای تشخیص ساختار دقیق‌تر باید اطلاعات دیگری مانند فرمول، مقدار برم مصرفی یا فرآورده واکنش نیز داده شود.

• برم به کربن‌های پیوند چندگانه افزوده می‌شود
• افزایش کامل به یک C≡C دو مول Br₂ مصرف می‌کند
• بی‌رنگ‌شدن برم نشانه سیرنشدگی است، نه اثبات قطعی آلکین‌بودن
• معادله و مقدار واکنش‌دهنده مشخص می‌کند افزایش یک‌مرحله‌ای است یا کامل

سوختن کامل آلکین را با شمار اتم‌ها موازنه کن

در سوختن کامل، کربن‌های آلکین به CO₂ و هیدروژن‌های آن به H₂O تبدیل می‌شوند. برای یک آلکین با فرمول CₙH₂ₙ₋₂ ابتدا nCO₂ و سپس (n−1)H₂O می‌نویسیم. تعداد اتم‌های اکسیژن در فرآورده‌ها 2n + (n−1) = 3n−1 است؛ بنابراین ضریب O₂ برابر (3n−1)÷2 خواهد بود.

برای نمونه واکنش پروپین C₃H₄ چنین موازنه می‌شود: C₃H₄ + 4O₂ → 3CO₂ + 2H₂O. کنترل نهایی نشان می‌دهد دو طرف سه اتم کربن، چهار اتم هیدروژن و هشت اتم اکسیژن دارند. اگر ضریب اکسیژن کسری شد، می‌توان همه ضرایب را در ۲ ضرب کرد تا ضرایب صحیح به دست آید.

• ابتدا کربن، سپس هیدروژن و در پایان اکسیژن را موازنه کن
• از هر مول CₙH₂ₙ₋₂، مقدار n مول CO₂ در سوختن کامل ساخته می‌شود
• مقدار آب برابر n−1 مول به ازای هر مول آلکین است
• کمبود اکسیژن می‌تواند فرآورده‌های سوختن ناقص ایجاد کند

مثال حل‌شده: از نام‌گذاری تا مقدار هیدروژن

ساختار CH₃–CH₂–C≡C–CH₃ را بررسی کن. بلندترین زنجیر دارای پیوند سه‌گانه پنج کربن دارد. اگر از چپ شماره‌گذاری کنیم، پیوند از کربن ۳ آغاز می‌شود؛ از راست، از کربن ۲. پس نام درست «پنت-۲-ین» است و فرمول مولکولی آن بر پایه CₙH₂ₙ₋₂ برابر C₅H₈ خواهد بود.

اکنون اگر ۰٫۳۰ مول از این آلکین کاملاً هیدروژنه شود، به ازای هر مول آلکین دو مول H₂ نیاز داریم؛ پس مقدار هیدروژن مصرفی ۰٫۳۰×۲ = ۰٫۶۰ مول است و ۰٫۳۰ مول پنتان تولید می‌شود. در صورت کافی‌نبودن هیدروژن یا توقف کنترل‌شده پس از یک مرحله، نمی‌توان تولید کامل پنتان را فرض کرد.

تمرین روشن و نکات کلیدی

تمرین: آلکینی زنجیر باز با یک پیوند سه‌گانه، شش اتم کربن دارد. فرمول مولکولی آن چیست و ۰٫۲۰ مول از آن برای واکنش افزایشی کامل با برم چند مول Br₂ لازم دارد؟ با n=6 از CₙH₂ₙ₋₂ به C₆H₁₀ می‌رسیم. هر پیوند سه‌گانه دو پیوند π دارد و در افزایش کامل دو مول Br₂ مصرف می‌کند؛ بنابراین مقدار برم لازم ۰٫۲۰×۲ = ۰٫۴۰ مول است.

برای حل منظم، نخست دامنه فرمول عمومی را کنترل کن، سپس پیوند سه‌گانه را در زنجیر اصلی قرار بده و از سمت نزدیک‌تر شماره بزن. در واکنش افزایشی، به‌جای حدس‌زدن فرآورده تعداد پیوندهای π و مقدار ماده افزوده‌شده را دنبال کن. در سوختن نیز فرمول واقعی ماده را در معادله بگذار و شمار اتم‌های دو طرف را در پایان دوباره بشمار.

• C≡C را پیش از انتخاب زنجیر و شماره‌گذاری پیدا کن
• فرمول عمومی را فقط با فرض‌های آن به کار ببر
• پیوند سه‌گانه دارای دو پیوند π و ظرفیت دو مرحله افزایش است
• یک مول آلکین برای هیدروژنه‌شدن کامل دو مول H₂ می‌خواهد
• آزمون برم آلکن و آلکین را به‌تنهایی از هم جدا نمی‌کند
• پاسخ استوکیومتری را با نسبت ضرایب معادله کنترل کن