Alkine

Definition und Grundstruktur

Alkine sind organische Verbindungen mit mindestens einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung, R–C≡C–R. Nach IUPAC heißen Verbindungen mit C≡C-Bindungen allgemein Acetylene; „Alkine“ bezeichnet streng genommen nur acyclische Kohlenwasserstoffe mit genau einer Dreifachbindung und der Summenformel CₙH₂ₙ₋₂. Im allgemeinen Sprachgebrauch umfasst der Begriff auch Diine, Polyine und Cycloalkine.

Sind beide Substituenten der Dreifachbindung Wasserstoffatome, liegt Ethin (Acetylen) vor. Terminale Alkine besitzen an mindestens einem Dreifachbindungs-Kohlenstoff ein Wasserstoffatom, interne Alkine besitzen dort auf beiden Seiten Kohlenstoffreste. Die Einheit einer terminalen Dreifachbindung mit einer zusätzlichen Methylengruppe heißt Propargylgruppe.

Alkine sind unpolar und ähneln Alkenen in vielen physikalischen Eigenschaften und Reaktionen. Ihre Dreifachbindungen machen sie jedoch energiereich; besonders Verbindungen mit mehreren Dreifachbindungen können polymerisieren oder explodieren. Terminale Alkine sind deutlich saurer als Alkane und Alkene.

Bindung, Eigenschaften und Benennung

Die C≡C-Dreifachbindung besteht aus einer σ-Bindung und zwei zueinander senkrechten π-Bindungen. Die beiden Kohlenstoffatome und die unmittelbar daran gebundenen Atome sind linear angeordnet. Der C–C-Abstand beträgt 120,3 pm; zum Vergleich: Eine C=C-Doppelbindung ist 133 pm lang. Die Bindungsenergie der Dreifachbindung beträgt etwa 958 kJ/mol, gegenüber 724 kJ/mol bei Doppel- und 377 kJ/mol bei Einfachbindungen.

Bei terminalen Alkinen erklärt der hohe s-Anteil der sp-Hybridorbitale von 50 % die vergleichsweise hohe CH-Acidität: Die negative Ladung nach Abgabe eines Protons wird stabilisiert. Der pKₛ-Wert der Protonen beträgt bei Acetylen etwa 25, bei Ethylen 44 und bei Ethan 50. Starke Basen können daher terminale Alkine deprotonieren und Acetylide bilden.

Lineare Alkine mit einer Dreifachbindung bilden eine homologe Reihe. Ab vier Kohlenstoffatomen gibt es Positionsisomere. Ethin, Propin und 1-Butin sind bei Raumtemperatur gasförmig; 2-Butin siedet bei 27 °C. Pentine bis Decine sind bei Raumtemperatur flüssig. Terminale Alkine haben bei gleicher Kettenlänge meist niedrigere Schmelz- und Siedepunkte als interne.

Für die Namen wird bei Alkinen die Endung -an des entsprechenden Alkans durch -in ersetzt. Die längste Kette mit Dreifachbindung bestimmt den Stammnamen; die Positionszahl der Dreifachbindung soll möglichst klein sein, etwa 1-Butin und 2-Pentin. Mehrere Dreifachbindungen werden mit -diin, -triin oder -tetraiin bezeichnet, zum Beispiel 1,4-Pentadiin. Bei gleicher Zahlenkombination erhält eine Doppelbindung die kleinere Ziffer: Pent-1-en-4-in.

Vorkommen und besondere Formen

Alkine sind als Naturstoffe nicht sehr verbreitet, aber weit über Pflanzen, Tiere, Pilze und Mikroorganismen verteilt. 2013 waren etwa 1000, 2019 bereits über 2000 Verbindungen bekannt. Beispiele aus Pflanzen sind Crepeninsäure, Ximeninsäure, das Toxin Cicutoxin und Avocadin. Aus Pfeilgiftfröschen wurden Histrionicotoxine isoliert; viele Alkine stammen auch aus Schwämmen. Pilze bilden unter anderem Mycomycin, Biformin, Siccain und Hexatriin.

Marine Cyanobakterien liefern Peptide mit terminalen Dreifachbindungen, etwa Onchidin und Dragonamide. Endiin-Antibiotika besitzen eine Endiin-Einheit und wirken häufig cytotoxisch gegenüber menschlichen Tumorzelllinien. Ihr Mechanismus beruht auf der Bergman-Cyclisierung. Zu etwa 40 natürlichen Endiin-Verbindungen gehören Neocarzinostatin, Calicheamicine, Esperamicine und Dynemicin.

Auch im Weltall wurden Alkine nachgewiesen: in den protoplanetaren Nebeln CRL 618 und CRL 2688, in der Atmosphäre des Titan und im interstellaren Raum. Genannt werden unter anderem Ethin, Propin, Diacetylen, 1,3-Pentadiin, Hexatriin, Cyanoacetylen und Cyanopolyine.

Polyine enthalten mehrere Dreifachbindungen und werden mit zunehmender Kettenlänge reaktiver und instabiler. Hexatriin explodiert bereits unter Raumtemperatur, während große endständige Substituenten stabilisieren können. Cycloalkine kleiner Ringe sind stark gespannt. Cyclooctin ist das kleinste unter normalen Bedingungen isolierbare Cycloalkin; sein Siedepunkt liegt bei 157,5–158 °C. Die Ringspannung wird unterschiedlich mit 9–19 kcal/mol angegeben.

Herstellung und wichtige Reaktionen

Alkine werden häufig durch Eliminierung hergestellt, besonders durch Dehydrohalogenierung von Dihalogenalkanen oder Alkenylhalogeniden mit Basen. Bei einer zweifachen Eliminierung, etwa aus 1,2-Dibrompropan mit Lithiumdiisopropylamid, entsteht Propin. Auch Carbonylverbindungen können in Alkine überführt werden, beispielsweise durch Corey-Fuchs-Reaktion, Colvin-Umlagerung oder Seyferth-Gilbert-Homologisierung. Bei diesen Methoden wird ein Kohlenstoffatom eingeführt.

Bei der Hydrierung entstehen mit Palladium oder Platin auf Kohle Alkane. Der Lindlar-Katalysator stoppt die Reaktion beim (Z)-Alken: Beide Wasserstoffatome addieren von derselben Seite. Eine Reduktion mit elementarem Natrium in flüssigem Ammoniak kann selektiv (E)-Alkene liefern.

Elektrophile können an die Dreifachbindung addieren. Bei Hydrohalogenierungen mit Bromwasserstoff oder Iodwasserstoff entstehen Produkte, die meist nicht stereoselektiv sind. Bei der Hydratisierung liefert Oxymercurierung zunächst Enole, die sich rasch zu Ketonen umlagern; terminale Alkine ergeben dabei Methylketone. Hydroborierung kann Alkenylborane liefern, aus denen je nach Bedingungen unter anderem Alkenylboronsäuren, Alkenylbromide, Ketone oder (Z)-Alkene entstehen.

Die Alkin-Zipper-Reaktion isomerisiert interne zu terminalen Alkinen. Kalium-(3-aminopropylamid) ermöglicht die Wanderung einer Dreifachbindung über bis zu zehn Bindungen, teils innerhalb von Sekunden bei 0 °C. Die Bildung und Ausfällung eines Acetylid-Salzes treibt die eigentlich thermodynamisch ungünstige Bildung des terminalen Alkins an.

Weitere wichtige Umsetzungen sind Cyclotrimerisierungen zu aromatischen Ringen, Diels-Alder-Reaktionen, die Pauson-Khand-Reaktion zu Cyclopentenonen und die Dötz-Reaktion zu Chinonen. Bei der Bergman-Cyclisierung wird eine Endiin-Struktur zu einem Benzol-1,4-Diradikal umgelagert. Oxidationen können zu Dionen führen oder die Dreifachbindung oxidativ spalten, meist zu Carbonsäuren. Bei der Alkinmetathese werden die Enden zweier Dreifachbindungen ausgetauscht.

Reaktionen terminaler Alkine

Terminale Alkine lassen sich wegen ihres abspaltbaren Wasserstoffatoms zu Acetyliden deprotonieren. Diese wirken als Nucleophile und können beispielsweise mit Epoxiden, Aldehyden, Ketonen oder Alkylhalogeniden reagieren. Mit Methyl- und primären Alkylhalogeniden gelingt die Alkylierung meist gut; bei sekundären und tertiären Alkylhalogeniden wirkt das Alkinyl-Anion meist als Base. Kupfer- und Silberacetylide können als roter beziehungsweise weißer Niederschlag entstehen und dienen als Nachweisreaktion, sind aber brisant.

Die Sonogashira-Kupplung verbindet ein terminales Alkin palladiumkatalysiert mit einem Aryl- oder Vinylhalogenid zu Arylalkinen oder Eninen. Ein Kupfer-Katalysator ermöglicht die Reaktion bei Raumtemperatur, erfordert jedoch Luftausschluss, damit keine Glaser-Kupplung als Nebenreaktion abläuft.

Bei der Glaser-Kupplung werden zwei terminale Alkine unter Kupfer-Katalyse und Luftsauerstoff zu einem 1,3-Diin gekoppelt. Die Cadiot-Chodkiewicz-Reaktion koppelt dagegen ein terminales Alkin mit einem Bromalkin zu einem Diin. Die kupfer(I)-katalysierte Click-Reaktion setzt ein terminales Alkin mit einem Azid zu einem Triazol um. Sie ist meist hochselektiv, praktisch quantitativ, oft bei Raumtemperatur und auch in Wasser möglich. Sie wird unter anderem zur Markierung und Verknüpfung von Biomolekülen sowie zur Polymerfunktionalisierung eingesetzt.

Terminale Alkine können mit einer Trimethylsilylgruppe geschützt werden. Nach Deprotonierung wird dazu Trimethylsilylchlorid umgesetzt; Kaliumfluorid und [18]Krone-6 entfernen diese Schutzgruppe selektiv.

Technische, medizinische und biologische Bedeutung

Technisch bedeutsam sind vor allem Acetylen und Propin. Etwa drei Viertel beider Verbindungen werden für Synthesen, besonders Polymerisationsreaktionen, genutzt. Vinylchlorid, Vinylacetat und Acrylsäure können noch aus Acetylen hergestellt werden, werden aber überwiegend günstiger aus Ethylen beziehungsweise bei Acrylsäure aus Propylen produziert. China ist der größte Acetylenproduzent und mit 80 % der weltweiten Produktion auch der größte Verbraucher. Acetylen ist außerdem ein Ausgangsstoff für Butindiol und damit für Tetrahydrofuran (THF).

Acetylen-Sauerstoff-Flammen erreichen bis zu 3100 °C und dienen zum Schweißen und Schneiden. Je nach Sauerstoff-Acetylen-Verhältnis wirken sie oxidierend oder reduzierend. Aus Calciumcarbid erzeugtes Acetylen wird teilweise als Reifungsbeschleuniger, etwa bei Bananen, verwendet.

Ethinylgruppen helfen im Wirkstoffdesign, Moleküleigenschaften sowie Bioverfügbarkeit, Target-Selektivität und metabolische Stabilität zu steuern. Bei Steroidhormonen am C-17 verhindert die Ethinylgruppe die schnelle Oxidation der 17-OH-Gruppe zum Keton und verlangsamt dadurch den Abbau, etwa bei Ethinylestradiol. Selegilin und Rasagilin hemmen bei Parkinson die Monoaminoxidase B irreversibel durch eine kovalente Bindung über ihre Ethinylgruppe. Alkinhaltige Wirkstoffe werden außerdem gegen Krebs, HIV, Mykosen, Diabetes mellitus Typ 2 und andere Erkrankungen verwendet.

In Endiin-haltigen Antikörper-Wirkstoff-Konjugaten kann ein Calicheamicin-Derivat durch Bergman-Cyclisierung einen DNA-Doppelstrangbruch und damit Apoptose auslösen. Gemtuzumab-Ozogamicin ist gegen akute lymphatische Leukämie zugelassen, Inotuzumab-Ozogamicin gegen akute myeloische Leukämie.

Auch Pflanzenschutzmittel können Alkingruppen enthalten. Mehrere Herbizide hemmen die Protoporphyrinogen-IX-Oxidase; dadurch sammelt sich Protoporphyrin IX an, das unter Sonnenlicht Singulett-Sauerstoff bildet und Blätter schädigt. Propargylgruppen ähneln dabei vermutlich den Vinylgruppen des natürlichen Substrats. Als Fungizide werden unter anderem Mepanipyrim und Capillin, als Insektizide unter anderem Prallethrin, Imiprothrin, Furamethrin, Kikuthrin und Empenthrin genannt.