Номер 137, страница 43 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.137. Почему в качестве катализаторов реакции гидратации алкенов используют серную кислоту, но не используют соляную кислоту?

Реакция гидратации алкенов, то есть присоединение воды к двойной связи с образованием спирта, является реакцией электрофильного присоединения и катализируется сильными кислотами. Механизм реакции включает в себя стадию образования промежуточного карбкатиона. Выбор катализатора зависит от того, как его компоненты будут взаимодействовать с этим карбкатионом.

Рассмотрим механизм на примере гидратации пропена ($CH_3-CH=CH_2$):

1. Протонирование алкена кислотой ($H^+$) с образованием наиболее стабильного карбкатиона (согласно правилу Марковникова):
$CH_3-CH=CH_2 + H^+ \rightleftharpoons CH_3-\stackrel{+}{C}H-CH_3$

2. Атака нуклеофила на карбкатион. В реакционной смеси присутствуют два потенциальных нуклеофила: молекула воды ($H_2O$) и анион кислоты-катализатора.

3. Отщепление протона от присоединившейся молекулы воды с образованием спирта и регенерацией катализатора.

Ключевое различие между использованием серной ($H_2SO_4$) и соляной ($HCl$) кислот заключается в нуклеофильной силе их анионов, образующихся при диссоциации: гидросульфат-иона ($HSO_4^-$) и хлорид-иона ($Cl^-$).

При использовании соляной кислоты ($HCl$), в растворе присутствует хлорид-ион ($Cl^-$). Хлорид-ион является достаточно сильным нуклеофилом и может успешно конкурировать с молекулами воды за атаку на карбкатион. Это приводит к протеканию побочной реакции присоединения хлора и образованию значительного количества хлоралкана в качестве побочного продукта:
$CH_3-\stackrel{+}{C}H-CH_3 + Cl^- \rightarrow CH_3-CHCl-CH_3$ (побочный продукт - 2-хлорпропан)
Таким образом, вместо целевого продукта (спирта) получается смесь спирта и галогеналкана, что снижает выход и усложняет очистку.

При использовании серной кислоты ($H_2SO_4$), в растворе присутствует гидросульфат-ион ($HSO_4^-$). Этот ион является очень слабым нуклеофилом. Его отрицательный заряд эффективно делокализован (распределен) по нескольким атомам кислорода за счет резонансных структур, что делает его очень стабильным и не склонным к атаке на карбкатион. В результате гидросульфат-ион не может конкурировать с водой (которая обычно находится в большом избытке), и единственной протекающей реакцией является присоединение воды с последующим образованием спирта:
$CH_3-\stackrel{+}{C}H-CH_3 + H_2O \rightarrow CH_3-CH(OH_2^+)-CH_3 \rightarrow CH_3-CH(OH)-CH_3 + H^+$ (основной продукт - пропанол-2)

Таким образом, серную кислоту используют потому, что ее анион является слабым нуклеофилом и не вступает в побочные реакции с карбкатионом, что обеспечивает селективное протекание реакции гидратации и высокий выход спирта.

Ответ: Серную кислоту используют в качестве катализатора гидратации алкенов, а не соляную, потому что анион серной кислоты (гидросульфат-ион $HSO_4^-$) является очень слабым нуклеофилом и не вступает в побочные реакции с образующимся в ходе реакции карбкатионом. В то же время анион соляной кислоты (хлорид-ион $Cl^-$) — достаточно сильный нуклеофил, который конкурирует с водой, атакуя карбкатион, что приводит к образованию побочного продукта — хлоралкана — и снижению выхода целевого продукта (спирта).