Номер 260, страница 65 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.260. Какой гомолог бензола подвергли окислению, если в результате получились следующие продукты: а) бензойная кислота; б) бензойная кислота и уксусная кислота; в) терефталевая (бензол-1,4-дикарбоновая) кислота; г) бензойная кислота и ацетон; д) бензойная кислота, ацетон и углекислый газ.

Дано:

Продукты жесткого окисления (например, раствором $KMnO_4$) гомологов бензола:

а) бензойная кислота;

б) бензойная кислота и уксусная кислота;

в) терефталевая (бензол-1,4-дикарбоновая) кислота;

г) бензойная кислота и ацетон;

д) бензойная кислота, ацетон и углекислый газ.

Найти:

Установить строение исходного гомолога бензола для каждого случая.

Решение:

При жестком окислении гомологов бензола (например, подкисленным раствором перманганата калия при нагревании) происходит окисление боковых алкильных цепей, в то время как бензольное кольцо остается незатронутым. Продукты реакции зависят от строения алкильного радикала:

• Любая алкильная цепь, у которой атом углерода, связанный с бензольным кольцом (бензильный атом), имеет хотя бы один атом водорода, окисляется до карбоксильной группы (–COOH).
• Остальная часть алкильной цепи отщепляется и окисляется до более простых соединений: карбоновых кислот, кетонов или углекислого газа.
• Если бензильный атом углерода является третичным (не имеет атомов водорода), то боковая цепь в этих условиях, как правило, не окисляется.

Исходя из этих правил, определим строение исходных веществ.

а) бензойная кислота

Образование в качестве единственного органического продукта бензойной кислоты ($C_6H_5COOH$) означает, что исходное вещество имело одну алкильную цепь, связанную с бензольным кольцом. При окислении вся боковая цепь превратилась в одну карбоксильную группу. Самым простым гомологом бензола, удовлетворяющим этому условию, является толуол (метилбензол). Другие гомологи, например, этилбензол или изопропилбензол, также дали бы бензойную кислоту, но их побочными продуктами были бы $CO_2$ и вода, которые часто не указываются в условии.

Уравнение реакции для толуола: $C_6H_5-CH_3 + 3[O] \rightarrow C_6H_5-COOH + H_2O$

Ответ: толуол (метилбензол), $C_6H_5-CH_3$.

б) бензойная кислота и уксусная кислота

Образование бензойной кислоты ($C_6H_5COOH$) указывает на наличие фенильной группы, соединенной с боковой цепью. Образование уксусной кислоты ($CH_3COOH$) говорит о том, что в результате окисления отщепился и окислился двух-углеродный фрагмент. Такое возможно, если исходное вещество — н-пропилбензол. При его окислении бензильный атом углерода ($CH_2$) окисляется до карбоксильной группы, а оставшийся фрагмент (этил, $-CH_2CH_3$) окисляется до уксусной кислоты.

Уравнение реакции: $C_6H_5-CH_2-CH_2-CH_3 + 5[O] \rightarrow C_6H_5-COOH + CH_3COOH + H_2O$

Ответ: н-пропилбензол, $C_6H_5-CH_2-CH_2-CH_3$.

в) терефталевая (бензол-1,4-дикарбоновая) кислота

Продукт реакции — дикарбоновая кислота, в которой две карбоксильные группы находятся в пара-положении (1,4). Это означает, что исходный гомолог имел две алкильные цепи в 1 и 4 положениях бензольного кольца. Простейшим таким соединением является n-ксилол (1,4-диметилбензол), у которого обе метильные группы окисляются до карбоксильных.

Уравнение реакции: $p-CH_3-C_6H_4-CH_3 + 6[O] \rightarrow p-HOOC-C_6H_4-COOH + 2H_2O$

Ответ: n-ксилол (1,4-диметилбензол), $p-CH_3-C_6H_4-CH_3$.

г) бензойная кислота и ацетон

Образование бензойной кислоты ($C_6H_5COOH$) и ацетона ($CH_3COCH_3$) указывает на то, что боковая цепь имела разветвленное строение. Чтобы получился ацетон, в цепи должен быть фрагмент, который при окислении дает кетон, а именно изопропильный фрагмент $-CH(CH_3)_2$. Чтобы одновременно получилась и бензойная кислота, этот фрагмент должен быть соединен с бензольным кольцом через группу $-CH_2-$. Таким образом, исходное вещество — изобутилбензол (2-метил-1-фенилпропан).

Уравнение реакции: $C_6H_5-CH_2-CH(CH_3)_2 + 4[O] \rightarrow C_6H_5-COOH + CH_3COCH_3 + H_2O$

Ответ: изобутилбензол (2-метил-1-фенилпропан), $C_6H_5-CH_2-CH(CH_3)_2$.

д) бензойная кислота, ацетон и углекислый газ

Образование трех продуктов — бензойной кислоты ($C_6H_5COOH$), ацетона ($CH_3COCH_3$) и углекислого газа ($CO_2$) — указывает на еще более сложную структуру боковой цепи. Бензильный атом углерода должен быть вторичным, то есть связанным с двумя другими углеродными заместителями. При окислении он сам превращается в карбоксильную группу, а два заместителя отщепляются и окисляются независимо. Чтобы продуктами были ацетон и $CO_2$, заместителями должны быть изопропильная группа ($-CH(CH_3)_2$), дающая при окислении ацетон, и метильная группа ($-CH_3$), дающая углекислый газ.

Структура исходного вещества: $C_6H_5-CH(CH_3)-CH(CH_3)_2$ (2,3-диметил-1-фенилбутан).

Уравнение реакции: $C_6H_5-CH(CH_3)-CH(CH_3)_2 + 7[O] \rightarrow C_6H_5-COOH + CH_3COCH_3 + CO_2 + 2H_2O$

Ответ: 2,3-диметил-1-фенилбутан, $C_6H_5-CH(CH_3)-CH(CH_3)_2$.