Номер 6, страница 271 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

6. Неизвестное соединение имеет формулу $C_4H_8O$. Оно реагирует с хлоридом фосфора(V) и образует вещество состава $C_4H_8Cl_2$, восстанавливается водородом до соединения $C_4H_{10}O$, но не вступает в реакцию с аммиачным раствором оксида серебра. Назовите неизвестное вещество и предложите метод его синтеза из бутана.

Решение

1. Определение строения неизвестного вещества

Проанализируем данные задачи для установления строения соединения с формулой $C_4H_8O$.

1. Общая формула предельных одноатомных спиртов и простых эфиров - $C_nH_{2n+2}O$. Для $n=4$ это была бы формула $C_4H_{10}O$. В нашем случае формула $C_4H_8O$ содержит на два атома водорода меньше, что указывает на наличие одной двойной связи или одного цикла в молекуле. Это может быть альдегид, кетон, ненасыщенный спирт или циклический эфир/спирт.

2. Реакция с хлоридом фосфора(V) ($PCl_5$) приводит к образованию вещества состава $C_4H_8Cl_2$. В этой реакции один атом кислорода замещается на два атома хлора. Такая реакция характерна для карбонильных соединений (альдегидов и кетонов), где карбонильная группа $C=O$ превращается в дихлорпроизводное $-CCl_2-$.
$R-C(=O)-R' + PCl_5 \rightarrow R-CCl_2-R' + POCl_3$
Это позволяет нам сделать вывод, что неизвестное соединение является альдегидом или кетоном.

3. Неизвестное вещество не вступает в реакцию с аммиачным раствором оксида серебра (реактивом Толленса). Эта реакция (реакция "серебряного зеркала") является качественной на альдегидную группу. Поскольку реакции не происходит, можно заключить, что соединение не является альдегидом. Следовательно, это кетон.

4. Единственно возможным кетоном с формулой $C_4H_8O$ является бутанон-2 (метилэтилкетон): $CH_3-CO-CH_2-CH_3$.

5. Проверим остальные свойства. Восстановление водородом кетонов приводит к образованию вторичных спиртов. При восстановлении бутанона-2 образуется бутанол-2:
$CH_3-CO-CH_2-CH_3 + H_2 \xrightarrow{Ni, Pt} CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3$
Формула бутанола-2 - $C_4H_{10}O$, что полностью соответствует условию задачи.

Таким образом, неизвестное вещество — это бутанон-2.

Ответ: Неизвестное вещество - бутанон-2 (метилэтилкетон).

2. Метод синтеза из бутана

Синтез бутанона-2 из бутана можно провести в несколько стадий.

Стадия 1. Хлорирование бутана.
Проводим реакцию свободно-радикального хлорирования бутана на свету. В результате образуется смесь 1-хлорбутана и 2-хлорбутана. 2-хлорбутан образуется преимущественно, так как вторичный атом углерода более реакционноспособен.
$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CHCl-CH_2-CH_3 + HCl$

Стадия 2. Получение вторичного спирта (бутанола-2).
2-хлорбутан подвергаем щелочному гидролизу (реакция нуклеофильного замещения) при нагревании с водным раствором щелочи, например, $NaOH$.
$CH_3-CHCl-CH_2-CH_3 + NaOH(aq) \xrightarrow{t^\circ} CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3 + NaCl$

Стадия 3. Окисление вторичного спирта.
Окисление полученного вторичного спирта (бутанола-2) сильным окислителем, например, дихроматом калия в кислой среде, приводит к образованию кетона — бутанона-2.
$3CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3 + K_2Cr_2O_7 + 4H_2SO_4 \rightarrow 3CH_3-CO-CH_2-CH_3 + Cr_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 7H_2O$

Ответ: Синтез бутанона-2 из бутана можно осуществить по следующей схеме:

1. Хлорирование бутана на свету с получением 2-хлорбутана.
2. Гидролиз 2-хлорбутана водным раствором щелочи с получением бутанола-2.
3. Окисление бутанола-2 подкисленным раствором дихромата калия до бутанона-2.