炔烃

引入

乙炔为什么能用于气焊和切割金属?

碳碳三键和碳碳双键相比,反应活性是更高还是更低?

炔烃能使溴水和酸性高锰酸钾褪色吗?

炔烃含有碳碳三键 $\mathrm{C}\equiv \mathrm{C}$,是不饱和度更高的烃类。三键由一根 $\sigma$ 键和两根 $\pi$ 键组成,$\pi$ 电子云呈圆柱形对称分布,使得炔烃的化学性质既有与烯烃相似之处,又有自己的特点。

正文

定义

炔烃是分子中含有碳碳三键 $\mathrm{C}\equiv \mathrm{C}$ 的链烃,通式为 $\mathrm{C}{}_n\mathrm{H}{}_{2n-2}$（$n\ge 2$）。

结构特点

• 三键碳原子为 $sp$ 杂化,键角 $180^{\circ }$,呈直线型
• 三键由一根 $\sigma$ 键和两根 $\pi$ 键组成
• $\pi$ 电子云围绕键轴呈圆柱形对称分布

三键的键参数:

键型	键长 $/\mathrm{nm}$	键能 $/\mathrm{kJ}\cdot \mathrm{mo}{\mathrm{l}}^{-1}$
$\mathrm{C}-\mathrm{C}$ 单键	$0.154$	$348$
$\mathrm{C}=\mathrm{C}$ 双键	$0.134$	$615$
$\mathrm{C}\equiv \mathrm{C}$ 三键	$0.120$	$812$

注意:三键键能（$812$）不是单键键能（$348$）的三倍,两根 $\pi$ 键的总键能约为 $464kJ/mol$,平均每根 $\pi$ 键约 $232kJ/mol$,比烯烃的 $\pi$ 键略弱,但由于电子云更靠近核,实际上炔烃的亲电加成活性比烯烃略低。

物理性质

炔烃的物理性质与同碳数烯烃相近。

名称	分子式	沸点 ${/}^{\circ }\mathrm{C}$	常温状态
乙炔	$\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_2$	$-84$	气态
丙炔	$\mathrm{C}{}_3\mathrm{H}{}_4$	$-23$	气态
1-丁炔	$\mathrm{C}{}_4\mathrm{H}{}_6$	$8$	气态

化学性质

加成反应

炔烃能发生加成反应,可以加成一分子或两分子试剂。

与氢气加成:

$\mathrm{CH}\equiv \mathrm{CH}+\mathrm{H}{}_2\stackrel{催化剂}{\to }\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CH}{}_2$

$\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CH}{}_2+\mathrm{H}{}_2\stackrel{催化剂}{\to }\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}{}_3$

使用不同催化剂可控制加成程度:用 $\mathrm{Pd}$ 催化可完全加氢;用 Lindlar 催化剂（部分中毒的 $\mathrm{Pd}$）可停留在烯烃阶段。

与卤素加成:

$\mathrm{CH}\equiv \mathrm{CH}+\mathrm{Br}{}_2\to \mathrm{CHBr}=\mathrm{CHBr}$

$\mathrm{CHBr}=\mathrm{CHBr}+\mathrm{Br}{}_2\to \mathrm{CHBr}{}_2\mathrm{CHBr}{}_2$

乙炔能使溴水褪色。

与卤化氢加成:

$\mathrm{CH}\equiv \mathrm{CH}+\mathrm{HCl}\stackrel{催化剂}{\to }\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CHCl}$

产物氯乙烯是聚氯乙烯（PVC）的单体。

与水加成:

$\mathrm{CH}\equiv \mathrm{CH}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\underset{\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4}{\overset{\mathrm{Hg}{}^{2+}}{\to }}\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CHO}$

乙炔水化生成乙醛,这是工业制乙醛的经典方法（因汞污染已逐步被替代）。

氧化反应

燃烧:

$2\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_2+5\mathrm{O}{}_2\stackrel{点燃}{\to }4\mathrm{CO}{}_2+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

乙炔在氧气中燃烧温度可达 $3000{}^{\circ }\mathrm{C}$ 以上,用于氧炔焰切割和焊接金属。

被酸性高锰酸钾氧化:

炔烃也能使酸性 $\mathrm{KMnO}{}_4$ 溶液褪色。

端炔的特殊性质

含有 $-\mathrm{C}\equiv \mathrm{CH}$ 结构的端炔,三键碳上的氢有一定酸性,能与某些金属离子反应。

与银氨溶液反应:

$\mathrm{CH}\equiv \mathrm{CH}+2[\mathrm{Ag}(\mathrm{NH}{}_3){}_2]\mathrm{OH}\to \mathrm{AgC}\equiv \mathrm{CAg}\downarrow +2\mathrm{NH}{}_3+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

生成白色乙炔银沉淀,可用于鉴别端炔。

与亚铜氨溶液反应:

$\mathrm{CH}\equiv \mathrm{CH}+2[\mathrm{Cu}(\mathrm{NH}{}_3){}_2]\mathrm{Cl}\to \mathrm{CuC}\equiv \mathrm{CCu}\downarrow +2\mathrm{NH}{}_3$

生成红棕色乙炔亚铜沉淀。

乙炔

乙炔是最简单的炔烃,也是重要的化工原料。

**物理性质:**无色、无味（纯品）的气体,微溶于水。工业用乙炔因含 $\mathrm{PH}{}_3$、$\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}$ 等杂质而有难闻气味。

实验室制法:

$\mathrm{CaC}{}_2+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to \mathrm{Ca}(\mathrm{OH}){}_2+\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_2\uparrow$

碳化钙（电石）与水反应,反应剧烈,常用饱和食盐水代替纯水以减缓反应速率。

用途:

• 氧炔焰焊接和切割金属
• 制取氯乙烯（PVC 单体）
• 制取乙醛、乙酸
• 有机合成原料

引出

烯烃和炔烃都能使溴水褪色,如何区分它们?

芳香烃含有不饱和键,为什么化学性质反而比较稳定?

乙炔的端炔氢为什么有酸性?

参考:烯烃、芳香烃、烷烃