Номер 36, страница 11 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

1.36. Изобразите структурные формулы углеводородов, удовлетворяющие следующим условиям:

а

Решение

Согласно условию, углеводород является ациклическим алканом (нет кратных связей и циклов). Общее число атомов углерода составляет $8$ (первичные) + $0$ (вторичные) + $0$ (третичные) + $3$ (четвертичные) = $11$ атомов углерода. Общая формула такого алкана $C_{11}H_{24}$. Отсутствие вторичных и третичных атомов углерода означает, что углеродный скелет состоит только из четвертичных атомов, к которым присоединены первичные углеродные атомы (метильные группы). Три четвертичных атома углерода должны быть соединены друг с другом. Единственный способ соединить их без образования вторичных или третичных атомов — это линейная цепь $C_q-C_q-C_q$. Чтобы каждый из этих атомов стал четвертичным, к ним необходимо присоединить метильные группы.

• К концевым атомам углерода нужно добавить по три метильные группы.
• К центральному атому углерода нужно добавить две метильные группы.

Таким образом, мы получаем структуру, в которой самая длинная углеродная цепь состоит из 5 атомов (пентан), а у атомов C-2, C-3 и C-4 находятся по две метильные группы. Название этого соединения: 2,2,3,3,4,4-гексаметилпентан. Проверим количество атомов углерода разного типа:

• Первичные: 2 атома в основной цепи (C-1 и C-5) и 6 атомов в метильных группах, итого 8.
• Вторичные: 0.
• Третичные: 0.
• Четвертичные: 3 (атомы C-2, C-3, C-4).

Все условия выполняются.

Ответ: 2,2,3,3,4,4-гексаметилпентан. Структурная формула:
$CH_3 - C(CH_3)_2 - C(CH_3)_2 - C(CH_3)_2 - CH_3$

б

Решение

Углеводород содержит цикл и кратную связь (вероятно, двойную), значит, это циклоалкен. Общее число атомов углерода: $2$ (первичные) + $4$ (вторичные) + $2$ (третичные) + $0$ (четвертичных) = $8$ атомов. Наличие двух первичных атомов углерода, скорее всего, указывает на две метильные группы ($-CH_3$). Следовательно, в цикле должно быть $8 - 2 = 6$ атомов углерода. Это производное циклогексена. Сам по себе циклогексен содержит 6 вторичных атомов углерода (2 при двойной связи и 4 при одинарных). Нам нужно получить 4 вторичных и 2 третичных атома. Присоединение метильной группы к вторичному атому углерода в цикле превращает его в третичный. Чтобы получить 2 третичных атома, нужно присоединить две метильные группы к двум разным атомам углерода в цикле циклогексена. Существует несколько изомеров, удовлетворяющих этому условию. Например, 3,4-диметилциклогексен.

• Атомы C-1 и C-2 (при двойной связи) - вторичные.
• Атомы C-5 и C-6 - вторичные.
• Атомы C-3 и C-4 (соединены с метильными группами) - третичные.
• Атомы углерода в метильных группах - первичные.

Итого: 2 первичных, 4 вторичных, 2 третичных, 0 четвертичных. Условия выполнены. Другие подходящие изомеры: 1,2-диметилциклогексен, 4,5-диметилциклогексен.

Ответ: 3,4-диметилциклогексен.

в

Решение

Это циклический углеводород без кратных связей (циклоалкан). Общее число атомов углерода: $0 + 4 + 0 + 1 = 5$. Молекула состоит из одного четвертичного и четырех вторичных атомов углерода. Отсутствие первичных и третичных атомов является ключевым условием. Четвертичный атом углерода должен быть связан с четырьмя другими атомами углерода. В простом моноциклическом соединении это невозможно без заместителей. Такая структура характерна для спироциклических соединений, где один атом (спироатом) является общим для двух циклов. Этот спироатом является четвертичным. Оставшиеся 4 вторичных атома ($CH_2$-группы) должны образовывать два цикла со спироатомом. Единственный разумный способ распределить 4 атома на два цикла - это по 2 атома на каждый. Таким образом, получаются два трехчленных цикла (циклопропановых), соединенных через один общий спироатом. Это соединение - спиро[2.2]пентан.

• Центральный спироатом - четвертичный.
• Четыре атома в циклах - вторичные.

Условия выполнены.

Ответ: Спиро[2.2]пентан.

г

Решение

Это циклический углеводород без кратных связей. Общее число атомов углерода: $0 + 10 + 2 + 0 = 12$. Молекула не содержит первичных и четвертичных атомов, а состоит только из 10 вторичных и 2 третичных атомов углерода. Такая структура характерна для бициклических алканов, где два третичных атома являются узловыми (в месте соединения циклов). Структура представляет собой бицикло[x.y.z]додекан, где общее число атомов углерода $x+y+z+2 = 12$, следовательно, сумма атомов в мостиках $x+y+z = 10$. Существует много комбинаций для $x, y, z$. Например, $x=4, y=4, z=2$ (бицикло[4.4.2]додекан). Другой вариант - конденсированная (fused) система двух циклов. В этом случае $z=0$. Нам нужно, чтобы $x+y=10$. Это соответствует, например, слиянию двух колец - циклогексанового ($x = 6-2=4$) и циклооктанового ($y = 8-2=6$). Такое соединение называется бицикло[6.4.0]додекан.

• Узловые атомы (в месте слияния) - третичные (2 атома).
• Остальные атомы в циклах - вторичные ($4$ от циклогексанового и $6$ от циклооктанового фрагмента, итого 10).

Условия выполнены.

Ответ: Бицикло[6.4.0]додекан.

д

Решение

Это циклический алкан. Общее число атомов углерода: $0 + 5 + 2 + 0 = 7$. Как и в предыдущем случае, молекула состоит только из вторичных (5) и третичных (2) атомов углерода. Это указывает на бициклическую структуру. Это бицикло[x.y.z]гептан, где $x+y+z+2=7$, значит, $x+y+z=5$. Существует несколько вариантов, удовлетворяющих этому условию:

• Бицикло[4.1.0]гептан (норкан): слитые циклогексан и циклопропан.
• Бицикло[3.2.0]гептан: слитые циклопентан и циклобутан.
• Бицикло[2.2.1]гептан (норборнан): мостиковый бицикл.

Возьмем классический пример - норборнан. В его структуре:

• Два узловых атома (C-1, C-4) - третичные.
• Пять атомов в трех мостиках ($2+2+1=5$) - вторичные.

Все условия выполнены.

Ответ: Бицикло[2.2.1]гептан (норборнан).

е

Решение

Это углеводород, содержащий цикл(ы) и кратную связь. Общее число атомов углерода: $3 + 4 + 1 + 2 = 10$. Присутствуют атомы всех четырех типов. Молекулярная формула $C_{10}H_{16}$, что соответствует степени ненасыщенности, равной 3. Это может быть бициклическое соединение с одной двойной связью (2 кольца + 1 двойная связь = 3). Многие природные терпены имеют такую структуру. Попробуем подобрать структуру среди производных бицикло[2.2.1]гептена (норборнена). Сам норборнен ($C_7H_{10}$) имеет 5 вторичных и 2 третичных атома углерода. Нам нужно добавить 3 метильные группы, чтобы получить $C_{10}$ соединение. Стартовые атомы (норборнен): 0 первичных, 5 вторичных, 2 третичных, 0 четвертичных. Целевые атомы: 3 первичных, 4 вторичных, 1 третичный, 2 четвертичных. При добавлении 3-х метильных групп мы получаем 3 первичных атома. Нам нужно:

• Уменьшить число вторичных атомов на 1.
• Уменьшить число третичных атомов на 1.
• Создать 2 четвертичных атома.

Рассмотрим структуру 1,7,7-триметилбицикло[2.2.1]гепт-2-ен:

• Присоединяем две метильные группы к атому C-7 (вторичный в норборнене). C-7 становится четвертичным, а число вторичных атомов уменьшается на 1. Текущий счет: 2 перв., 4 втор., 2 трет., 1 четв.
• Присоединяем одну метильную группу к атому C-1 (третичный в норборнене). C-1 становится четвертичным, а число третичных атомов уменьшается на 1.

Итоговая структура 1,7,7-триметилбицикло[2.2.1]гепт-2-ен имеет:

• Первичные: 3 (три метильные группы).
• Вторичные: 4 (C-2, C-3, C-5, C-6).
• Третичные: 1 (C-4).
• Четвертичные: 2 (C-1, C-7).

Все условия выполнены.

Ответ: 1,7,7-триметилбицикло[2.2.1]гепт-2-ен.