Номер 247, страница 60 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.247. Некоторый углеводород X при действии избытка брома образует тетрабромпроизводное, содержащее 73,4% брома (по массе). При кипячении углеводорода X с подкисленным раствором перманганата калия образуются две одноосновные карбоновые кислоты. Установите структурную формулу углеводорода X и запишите уравнения описанных реакций.

Дано:

Углеводород X

Продукт реакции с избытком $Br_2$ — тетрабромпроизводное $XBr_4$

Массовая доля брома в $XBr_4$, $w(Br) = 73,4\% = 0,734$

Продукты реакции с $KMnO_4$ в кислой среде — две разные одноосновные карбоновые кислоты.

Найти:

1. Структурную формулу углеводорода X.

2. Уравнения описанных реакций.

Решение:

1. Установление молекулярной и структурной формулы углеводорода X

Образование тетрабромпроизводного при реакции с избытком брома указывает на то, что в молекуле углеводорода X содержится либо одна тройная связь ($C≡C$), либо две двойные связи ($C=C$). В обоих случаях к молекуле присоединяются 4 атома брома (2 молекулы $Br_2$).

Обозначим общую формулу углеводорода X как $C_n H_m$. Тогда формула его тетрабромпроизводного — $C_n H_m Br_4$.

Массовая доля брома в соединении $C_n H_m Br_4$ рассчитывается по формуле:

$w(Br) = \frac{4 \cdot Ar(Br)}{M(C_n H_m Br_4)}$

где $Ar(Br) \approx 80 \text{ г/моль}$ — атомная масса брома, а $M(C_n H_m Br_4)$ — молярная масса тетрабромпроизводного.

Выразим молярную массу тетрабромпроизводного:

$M(C_n H_m Br_4) = \frac{4 \cdot 80}{0,734} \approx 436 \text{ г/моль}$

Теперь найдем молярную массу исходного углеводорода X:

$M(C_n H_m) = M(C_n H_m Br_4) - 4 \cdot Ar(Br) = 436 - 4 \cdot 80 = 436 - 320 = 116 \text{ г/моль}$

Молярная масса углеводорода $C_n H_m$ связана с $n$ и $m$ соотношением:

$12n + m = 116$

Так как углеводород X содержит одну тройную или две двойные связи, его общая формула для ациклического строения — $C_n H_{2n-2}$. Подставим это в уравнение:

$12n + (2n - 2) = 116$

$14n = 118$

$n = \frac{118}{14} \approx 8,43$

Полученное значение $n$ не является целым числом, что указывает на наличие в структуре X циклического фрагмента, скорее всего, бензольного кольца, которое не реагирует с бромом в данных условиях.

Переберем целочисленные значения $n$, начиная с $n \ge 7$ (для бензольного кольца нужно минимум 6 атомов C). Из уравнения $m = 116 - 12n$:

• При $n=7$: $m = 116 - 12 \cdot 7 = 116 - 84 = 32$. Формула $C_7 H_{32}$ невозможна.
• При $n=8$: $m = 116 - 12 \cdot 8 = 116 - 96 = 20$. Формула $C_8 H_{20}$ — это октан, предельный углеводород, который не может присоединять бром.
• При $n=9$: $m = 116 - 12 \cdot 9 = 116 - 108 = 8$. Формула — $C_9 H_8$.
• При $n=10$: $m = 116 - 12 \cdot 10 = -4$. Невозможно.

Таким образом, молекулярная формула углеводорода X — $C_9 H_8$.

Степень ненасыщенности для $C_9 H_8$ равна:

$d = \frac{2n + 2 - m}{2} = \frac{2 \cdot 9 + 2 - 8}{2} = \frac{12}{2} = 6$

Высокая степень ненасыщенности (6) и наличие 9 атомов углерода предполагают наличие бензольного кольца (степень ненасыщенности 4) и еще одной кратной связи. Так как к молекуле присоединяются 4 атома брома, то в боковой цепи должна быть тройная связь (степень ненасыщенности 2). $4 + 2 = 6$, что соответствует расчету.

Возможные структуры с бензольным кольцом и тройной связью для формулы $C_9 H_8$:

1. 1-фенил-1-пропин: $C_6 H_5 - C \equiv C - CH_3$
2. 3-фенил-1-пропин: $C_6 H_5 - CH_2 - C \equiv CH$

Для определения точной структуры используем второе условие задачи: при окислении X подкисленным раствором $KMnO_4$ образуются две одноосновные карбоновые кислоты. При жестком окислении происходит разрыв тройной связи.

• Окисление 1-фенил-1-пропина: $C_6 H_5 - C \equiv C - CH_3 \xrightarrow{[O]} C_6 H_5-COOH (\text{бензойная кислота}) + CH_3-COOH (\text{уксусная кислота})$ В результате образуются две разные одноосновные карбоновые кислоты, что соответствует условию задачи.
• Окисление 3-фенил-1-пропина: $C_6 H_5 - CH_2 - C \equiv CH \xrightarrow{[O]} C_6 H_5 - CH_2 - COOH (\text{фенилуксусная кислота}) + CO_2 (\text{углекислый газ})$ В результате образуется одна карбоновая кислота и углекислый газ. Это не соответствует условию.

Следовательно, искомый углеводород X — это 1-фенил-1-пропин.

Структурная формула углеводорода X:

$C_6 H_5 - C \equiv C - CH_3$

2. Уравнения описанных реакций

а) Реакция с избытком брома (бромирование):

$C_6 H_5 - C \equiv C - CH_3 + 2Br_2 \rightarrow C_6 H_5 - CBr_2 - CBr_2 - CH_3$

Продукт — 1,1,2,2-тетрабром-1-фенилпропан.

б) Реакция с подкисленным раствором перманганата калия (окисление):

$5C_6 H_5 - C \equiv C - CH_3 + 6KMnO_4 + 9H_2 SO_4 \rightarrow 5C_6 H_5 - COOH + 5CH_3 - COOH + 3K_2 SO_4 + 6MnSO_4 + 4H_2 O$

Ответ:

Структурная формула углеводорода X — 1-фенил-1-пропин:

$C_6 H_5 - C \equiv C - CH_3$

Уравнения реакций:

$C_6 H_5 - C \equiv C - CH_3 + 2Br_2 \rightarrow C_6 H_5 - CBr_2 - CBr_2 - CH_3$

$5C_6 H_5 - C \equiv C - CH_3 + 6KMnO_4 + 9H_2 SO_4 \rightarrow 5C_6 H_5 - COOH + 5CH_3 - COOH + 3K_2 SO_4 + 6MnSO_4 + 4H_2 O$