9.1 : Struktur und physikalische Eigenschaften von Alkinen

Einführung:

In der Natur werden Verbindungen, die sowohl Kohlensubstanz als auch Wassersubstanz enthalten, als „Kohlenwassersubstanze“ bezeichnet. Aliphatische Kohlenwassersubstanze sind Verbindungen, deren Moleküle gesättigte Einfachbindungen (also Alkane) oder ungesättigte Doppel- oder Dreifachbindungen enthalten. Alkene enthalten Kohlensubstanz-Kohlensubstanz-Doppelbindungen und haben die Strukturformel C_nH_2n. Ungesättigte Kohlenwassersubstanze mit Kohlensubstanz-Kohlensubstanz-Dreifachbindungen werden „Alkine“ genannt und werden strukturell durch die Formel C_nH_2n-2 dargestellt.

Das einfachste Alkin ist Ethin oder Acetylen, ein farbloses Gas, das bei hohen Temperaturen verbrennt und als Brennsubstanz zum Schweißen verwendet wird. Alkine kommen in einer Vielzahl von Substanzen natürlichen und synthetischen Ursprungs vor. Natürliche Alkine finden sich beispielsweise im Gift südamerikanischer Laubfrösche. Andererseits spielen synthetische alkinhaltige Verbindungen eine wichtige Rolle in Arzneimitteln wie oralen Kontrazeptiva wie Ethinylestradiol. Andere Medikamente auf Alkinbasis wie Selegilin werden in Kombination mit synthetischem Dopamin oder L-Dopa zur Behandlung der Parkinson-Krankheit eingesetzt.

Hybridisierung von Alkinen:

Die Dreifachbindung in Alkinen entsteht durch die Überlappung der sp-Orbitale der Kohlensubstanz-Kohlensubstanz-Bindung (C-C), die eine Sigma-Bindung (σ) bilden, und durch die seitliche Überlappung der 2p_y- und 2p_z-Orbitale, die die beiden Pi-Bindungen (π) bilden. Die Überlappung des Kohlensubstanz-sp-Orbitals mit dem 1s-Orbital des Wassersubstanzatoms führt zur Kohlensubstanz-Wassersubstanz-(C-H)-sp-1s-Sigma-Bindung des Alkins. Alkine zeigen eine sp-Hybridisierung mit 50 % s-Charakter. Da die Elektronen im s-Orbital niedrigere Energien aufweisen als die p-Orbitale, erhöht eine Verbesserung des s-Charakters des Atoms seine Elektronegativität.

Molekulare Geometrie: Bindungslänge, Bindungswinkel und Bindungsstärken

Aufgrund der sp-Hybridisierung, die eine seitliche Überlappung der Orbitale beinhaltet, haben Alkine eine lineare Geometrie mit einem Bindungswinkel von 180°. Die Länge der C-C-Dreifachbindung in Acetylen wird mit 121 pm bzw. 1,21 Å gemessen und ist damit geringer als die von Alkenen (134 pm bzw. 1,34 Å) und Alkanen (153 pm bzw. 1,53 Å), was auf die größere Anzahl von Bindungen zurückzuführen ist, die die beiden Kohlensubstanze zusammenhalten.

Die C-H-Bindung in Alkinen (1,06 Å in Acetylen) ist ebenfalls kürzer als die in Alkenen und Alkanen, was auf den verstärkten s-Charakter des sp-hybridisierten Kohlensubstanzorbitals zurückzuführen ist, das die sp-1s σ-Bindung mit dem Wassersubstanz bildet. Die Elektronen im s-Orbital haben nicht nur niedrigere Energien, sondern sind auch näher am Atomkern und enger gebunden als die Elektronen in den p-Orbitalen. Infolgedessen erhöht ein größerer s-Charakter die Stärke der Bindung. Daher sind C-C-Dreifachbindungen und C-H-Bindungen in Alkinen kürzer und stärker als die von Alkenen und Alkanen, was vor allem auf ihren erhöhten s-Charakter zurückzuführen ist. Die Bindungsdissoziationsenergie von Alkinen ist mit 966 kJ oder 231 kcal/mol höher als die von Alkanen und Alkenen, was auf das Vorhandensein dieser kürzeren und stärkeren Bindungen zurückzuführen ist.

Physikalische Eigenschaften von Alkinen:

Alkine weisen ähnliche physikalische Eigenschaften auf wie ihre Stamm-Alkane oder Alkene. Sie sind unpolare Verbindungen, die eine geringere Dichte als Wasser haben und in Wasser und polaren Lösungsmitteln unlöslich sind. Sie zeigen jedoch eine gute Löslichkeit in unpolaren organischen Lösungsmitteln. Die niedermolekularen Alkine wie Ethin und Propin liegen bei Raumtemperatur als Gase vor, während Alkine mit höherem Molekulargewicht wie 1-Octin und 1-Decyn flüssig sind.