Etyn (acetylen)etynEtyn (acetylen) należy do szeregu homologicznegoszereg homologicznyszeregu homologicznego alkinów, czyli alifatycznych węglowodorów nienasyconych o wzorze ogólnym ${\text{C}}_n{\text{H}}_{2n-2}$, które posiadają w swojej budowie jedno wiązanie potrójne.

R1HR8WhVZUWQ2

Ilustracja przedstawiająca cząsteczkę etynu, który to ma budowę liniową i składa się z dwóch atomów węgla połączonych za pomocą wiązania potrójnego, z których każdy łączy się z jednym atomem wodoru. Wszystkie cztery atomy tworzące cząsteczkę znajdują się w jednej linii, zatem kąty pomiędzy nimi wynoszą 180 stopni.

W cząsteczce etynu każdy z atomów węgla ulega hybrydyzacjihybrydyzacjahybrydyzacji $sp$, w związku z czym cała cząsteczka jest płaska i wszystkie atomy leżą w jednej linii. Kąt pomiędzy wiązaniami to $180°$. Wiązanie potrójne składa się z jednego silnego wiązania typu $\sigma$ oraz dwóch słabych (łatwo ulegających rozerwaniu) wiązań typu $\pi$, które w znaczący sposób wpływają na reaktywność etynu oraz wszystkich pozostałych alkinów.

Jak myślisz, jakie właściwości fizyczne i chemiczne etynu mogą wynikać z jego budowy?

• bezbarwny gaz;

• lżejszy od powietrza (nieznacznie);

• dobrze rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych (np. w acetonie/ toluenie);

• nierozpuszczalny w wodzie;

• słaby, eteryczny zapach.

Jego główną właściwością jest to, że jest palny.

Reakcje spalania

Etyn, w związku z powyższą cechą, tworzy z powietrzem mieszaninę wybuchową i spala się silnie kopcącym, żółtym płomieniem. Powyżej ciśnienia $\mathrm{1,5} \text{MPa}$ rozkłada się do węgla i wodoru. Następnie wodór tworzy z tlenem mieszaninę wybuchową i powstaje woda. Reakcja spalania, w której powstaje węgiel (w postaci sadzy), zachodzi na powietrzu i nazywa się spalaniem niecałkowitym. Równanie reakcji zapisuje się w następujący sposób:

Ten proces w kontekście transportu etynu jest problematyczny, dlatego przewozi się go w formie rozpuszczonej w acetonie (rozpuszczalniku organicznym).

Jeżeli w reakcji spalania bierze udział czysty tlen lub jest dostęp do nadmiaru powietrza, to produktem reakcji jest tlenek węgla($\text{IV}$) oraz woda, a reakcja nosi nazwę spalania całkowitego. Równanie reakcji zapisuje się w następujący sposób:

Reakcje addycji

Etyn oraz wszystkie pozostałe alkiny ulegają reakcjom addycji – przyłączania – na dwa omówione poniżej sposoby.

1. Addycja elektrofilowaaddycja elektrofilowaAddycja elektrofilowa, czyli łączenie substratów, w której ważną rolę odgrywa elektrofilelektrofilelektrofil.

2. Addycja na katalizatorzeaddycja na katalizatorzeAddycja na katalizatorze ($\text{Ni}$, $\text{Pd}$ lub $\text{Pt}$).

Addycja cząsteczek ${\text{X}}_2$, gdzie $\text{X}$ to $\text{Cl}$ lub $\text{Br}$

Addycja cząsteczki chlorowca może prowadzić do różnych produktów, w zależności od ilości użytego w reakcji reagenta w stosunku do alkinu. Przy reakcji zachodzącej w stosunku molowym $1:1$ powstaje dichlorowcopochodna alkenu, a przy stosunku $1:2$ tetrachlorowcopochodna alkanu, tak jak pokazano na poniższych przykładach.

RApbGLvPpcK0O

Ilustracja przedstawiająca dwa schematy reakcji addycji cząsteczki chloru ${\text{Cl}}_2$ do etynu w stosunku molowym jeden do jednego oraz w nadmiarze. Pierwszy schemat. Cząsteczka etynu zbudowana z dwóch grup $\text{CH}$ połączonych za pomocą wiązania potrójnego. Dodać cząsteczka chloru ${\text{Cl}}_2$. Strzałka w prawo, za strzałką znajduje się cząsteczka $1$,$2$-dichloroetenu zbudowanego z dwóch połączonych za pomocą wiązania podwójnego grup $\text{CH}$, z których każda połączona jest z jednym atomem chloru $\text{Cl}$. Drugi schemat. Cząsteczka etynu zbudowana z dwóch grup $\text{CH}$ połączonych za pomocą wiązania potrójnego. Dodać dwie cząsteczki chloru ${\text{Cl}}_2$. Strzałka w prawo, za strzałką znajduje się cząsteczka $1$,$1$,$2$,$2$-tetrachloroetanu zbudowanego z dwóch połączonych za pomocą wiązania pojedynczego grup $\text{CH}$, z których każda połączona jest z dwoma atomami chloru $\text{Cl}$.

ReZ68Jjqy56oT

Ilustracja przedstawiająca dwa schematy reakcji addycji cząsteczki bromu ${\text{Br}}_2$ do etynu w stosunku molowym jeden do jednego oraz w nadmiarze. Schemat pierwszy. Cząsteczka etynu zbudowana z dwóch grup $\text{CH}$ połączonych za pomocą wiązania potrójnego. Dodać cząsteczka bromu ${\text{Br}}_2$. Strzałka w prawo, za strzałką znajduje się cząsteczka $1$,$2$-dibromoetenu zbudowanego z dwóch połączonych za pomocą wiązania podwójnego grup $\text{CH}$, z których każda połączona jest z jednym atomem bromu $\text{Br}$, Drugi schemat. Cząsteczka etynu zbudowana z dwóch grup $\text{CH}$ połączonych za pomocą wiązania potrójnego. Dodać dwie cząsteczki bromu ${\text{Br}}_2$. Strzałka w prawo, za strzałką znajduje się cząsteczka $1$,$1$,$2$,$2$-tetrabromoetanu zbudowanego z dwóch połączonych za pomocą wiązania pojedynczego grup $\text{CH}$, z których każda połączona jest z dwoma atomami bromu $\text{Br}$

Addycja cząsteczek $\text{HX}$, gdzie $\text{X}$ to $\text{Cl}$ lub $\text{Br}$

Addycja $\text{HCl}$ lub $\text{HBr}$ również prowadzi do różnych produktów, w zależności od ilości użytego w reakcji chlorowcowodoru. Przy reakcji zachodzącej w stosunku molowym $1:1$ powstaje chlorowcopochodna alkenu, a przy stosunku $1:2$ – dichlorowcopochodna alkanu.

Rd1vCLbdlrHFp

Ilustracja przedstawiająca dwa schematy reakcji addycji chlorowodoru $\text{HCl}$ do etynu w stosunku molowym jeden do jednego oraz w nadmiarze. Pierwszy. Cząsteczka etynu zbudowana z dwóch grup $\text{CH}$ połączonych za pomocą wiązania potrójnego. Dodać cząsteczka chlorowodoru $\text{HCl}$. Strzałka w prawo, za strzałką znajduje się cząsteczka $1$-chloroetenu zbudowanego z dwóch połączonych za pomocą wiązania podwójnego grup $\text{CH}$, z których pierwsza połączona jest z jednym atomem chloru $\text{Cl}$, a druga z atomem wodoru $\text{H}$. Drugi schemat. Cząsteczka etynu zbudowana z dwóch grup $\text{CH}$ połączonych za pomocą wiązania potrójnego. Dodać dwie cząsteczki chlorowodoru $\text{HCl}$. Strzałka w prawo, za strzałką znajduje się cząsteczka $1$,$1$-dichloroetanu zbudowanego z dwóch połączonych za pomocą wiązania pojedynczego grup $\text{CH}$, z których pierwsza połączona jest z dwoma atomami chloru $\text{Cl}$, a druga z dwoma atomami wodoru $\text{H}$.

RfmbecWwCB03j

Ilustracja przedstawiająca schematy reakcji addycji chlorowodoru do propynu w niedomiarze oraz nadmiarze $\text{HCl}$. Pierwszy schemat. Cząsteczka propynu zbudowana z atomu węgla połączonego za pomocą wiązania pojedynczego z grupą ${\text{CH}}_3$ oraz za pomocą wiązania potrójnego z grupą $\text{CH}$. Dodać cząsteczka chlorowodoru $\text{HCl}$. Strzałka w prawo, za strzałką znajduje się cząsteczka $2$-chloropropenu, który to zbudowany jest z atomu węgla połączonego za pomocą wiązań pojedynczych z atomem chloru $\text{Cl}$ oraz z grupą ${\text{CH}}_3$, a także za pomocą wiązania podwójnego z grupą ${\text{CH}}_2$. Drugi schemat. Cząsteczka propynu zbudowana z atomu węgla połączonego za pomocą wiązania pojedynczego z grupą ${\text{CH}}_3$ oraz za pomocą wiązania potrójnego z grupą $\text{CH}$. Dodać dwie cząsteczki chlorowodoru $\text{HCl}$. Strzałka w prawo, za strzałką znajduje się cząsteczka $2$,$2$-dichloropropanu, który to zbudowany jest z atomu węgla połączonego za pomocą wiązań pojedynczych z dwoma atomami chloru $\text{Cl}$ oraz z dwiema grupami ${\text{CH}}_3$.

RlgXNfVqBKGfN

Ilustracja przedstawiająca dwa schematy reakcji addycji bromowodoru $\text{HBr}$ do etynu w stosunku molowym jeden do jednego oraz w nadmiarze, to jest w stosunku jeden do dwóch. Pierwszy schemat. Cząsteczka etynu zbudowana z dwóch grup $\text{CH}$ połączonych za pomocą wiązania potrójnego. Dodać cząsteczka bromowodoru $\text{HBr}$; Strzałka w prawo, za strzałką znajduje się cząsteczka $1$-bromoetenu zbudowanego z dwóch połączonych za pomocą wiązania podwójnego grup $\text{CH}$, z których pierwsza połączona jest z jednym atomem bromu $\text{Br}$, a druga z atomem wodoru $\text{H}$. Drugi schemat. Cząsteczka etynu zbudowana z dwóch grup $\text{CH}$ połączonych za pomocą wiązania potrójnego. Dodać dwie cząsteczki bromowodoru $\text{HBr}$; Strzałka w prawo, za strzałką znajduje się cząsteczka $1$,$1$-dibromoetanu zbudowanego z dwóch połączonych za pomocą wiązania pojedynczego grup $\text{CH}$, z których pierwsza połączona jest z dwoma atomami bromu $\text{Br}$, a druga z dwoma atomami wodoru $\text{H}$.

Należy tutaj zwrócić uwagę na regułę Markownikowa, odnoszącą się do niesymetrycznych wiązań wielokrotnych, która mówi o tym, że atom wodoru, pochodzący z cząsteczki, która się przyłącza, zawsze atakuje atom węgla przy wiązaniu wielokrotnym, który jest bardziej uwodorniony (posiada więcej atomów wodoru).

Addycja wody

Reakcja addycji cząsteczki wody do etynu (bądź innego alkinu) to tzw. reakcja Kuczerowa. Zachodzi w specyficznych warunkach, a powstający produkt pośredni jest zgodny z regułą Markownikowa. Reguła ta odnosi się do reakcji addycji wody oraz chlorowcowodorów do wiązania wielokrotnego węglowodorów nienasyconych. W wyniku addycji atom wodoru przyłącza się do tego atomu węgla związanego wiązaniem wielokrotnym, przy którym znajduje się więcej atomów wodoru. Z kolei grupa $—\text{OH}$ (lub atom chlorowca) do tego atomu węgla, połączonego wiązaniem wielokrotnym, przy którym znajduje się mniej atomów wodoru. Powstające związki pośrednie to tzw. enole, które charakteryzują się dużą nietrwałością, dlatego bardzo szybko ulegają przegrupowaniu do aldehydu (w przypadku etynu) lub ketonów (w przypadku pozostałych alkinów). Takie przegrupowanie nazywamy tautomerią.

Addycja wodoru

Przebieg addycji wodoru do nienasyconych węglowodorów (w tym etynu) różni się od typowej addycji elektrofilowej halogenów, halogenowodorów czy wody. Reakcja uwodornienia zachodzi na katalizatorze, najczęściej rozdrobnionym niklu, palladzie lub platynie. W przypadku uwodornienia etynu, przy reakcji z wodorem w stosunku molowym $1:1$, powstaje eten, natomiast przy stosunku $1:2$ – etan.

Równanie reakcji z wodorem w stosunku molowym $1:1$ – eten (etylen)

Równanie reakcji z wodorem w stosunku molowym $1:2$ – etan

Reakcje polimeryzacji

W odpowiednich warunkach zachodzi również polimeryzacjapolimeryzacjapolimeryzacja acetylenu, w wyniku której powstaje polietyn, tzw. poliacetylen (skróty: PA lub PAC), charakteryzujący się dużym przewodnictwem prądu elektrycznego. Stosowany jest m.in. do wyrobu nici chirurgicznych.

R8vIPq1SBQZ2D

Ilustracja przedstawiająca schemat reakcji polimeryzacji acetylenu. $\text{n}$ cząsteczek etynu, strzałka w prawo, za strzałką w nawiasie kwadratowym znajdują się dwie połączone za pomocą wiązania podwójnego grupy $\text{CH}$, od każdej z nich odchodzi po jednym wiązaniu pojedynczym wychodzącym poza nawias kwadratowy, względem którego w indeksie dolnym znajduje się litera $\text{n}$.

Reakcje trimeryzacji

Etyn, w odpowiednich warunkach ($500°\text{C}$), ulega trimeryzacji do benzenu, a równanie tej reakcji zapisuje się w następujący sposób:

RbVYxYregkrzV

Ilustracja przedstawiająca schemat reakcji trimeryzacji acetylenu. Trzy cząsteczki etynu, strzałka w prawo, za strzałką cząsteczka benzenu, który to zbudowany jest sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego o wzorze sumarycznym ${\text{C}}_6{\text{H}}_6$ (co drugie wiązanie w zaznaczono jako podwójne, zatem pomiędzy atomami węgla w pierścieniu występują trzy wiązania podwójne i trzy pojedyncze).

Jest to szczególny rodzaj polimeryzacji, w której zamiast $n$ cząsteczek monomerów, tylko trzy z nich biorą udział w reakcji.

Zachowanie etynu wobec wodnego roztworu ${\text{KMnO}}_4$

1. Rozcieńczony roztwór manganianu($\text{VII}$) potasu powoduje utlenienie etynu do kwasu szczawiowego, występującego w mieszaninie reakcyjnej w postaci soli – szczawianu potasu – ze względu na zasadowy odczyn środowiska po reakcji.

2. Z kolei w środowisku kwasowym ma miejsce rozerwanie łańcucha węglowodorowego i utworzenie tlenku węgla($\text{IV}$) jako produktu utlenienia etynu. Produktami są również sole, m.in. sól manganu na $\text{II}$ stopniu utlenienia (bezbarwny/ bladoróżowy roztwór), charakterystyczna dla reakcji redukcji manganianu($\text{VII}$) potasu w środowisku kwasowym.

Słownik

Bibliografia

Dudek‑Różycki K., Płotek  M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.