Номер 284, страница 68 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.284. Как можно получить следующие вещества, используя бензол в качестве источника углерода: а) циклогексен; б) ангидрид янтарной (бутандиовой) кислоты; в) адипиновая (гександиовая) кислота; г) бутан?

а) циклогексен

Решение

Для получения циклогексена из бензола можно осуществить следующую последовательность реакций:

1. Гидрирование бензола до циклогексана. Реакция проводится на катализаторе (Ni, Pt или Pd) при нагревании и повышенном давлении.

$C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow{Ni, 150-200^\circ C, p} C_6H_{12}$

2. Галогенирование циклогексана. Реакция свободно-радикального замещения, инициируемая светом, приводит к образованию галогенциклогексана (например, бромциклогексана).

$C_6H_{12} + Br_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_{11}Br + HBr$

3. Дегидрогалогенирование. Отщепление бромоводорода от бромциклогексана при действии спиртового раствора щелочи приводит к образованию двойной связи и получению циклогексена.

$C_6H_{11}Br + KOH_{(спирт.)} \xrightarrow{t} C_6H_{10} + KBr + H_2O$

Ответ: Схема синтеза: Бензол $\rightarrow$ Циклогексан $\rightarrow$ Бромциклогексан $\rightarrow$ Циклогексен.

б) ангидрид янтарной (бутандиовой) кислоты

Решение

Для синтеза ангидрида янтарной кислоты из бензола необходимо разрушить ароматическое кольцо с потерей двух атомов углерода.

1. Каталитическое окисление бензола. В промышленных условиях бензол окисляют кислородом воздуха над катализатором (оксид ванадия(V)) при высокой температуре. При этом образуется малеиновый ангидрид.

$2C_6H_6 + 9O_2 \xrightarrow{V_2O_5, 400-450^\circ C} 2C_4H_2O_3 + 4CO_2 + 4H_2O$

2. Каталитическое гидрирование малеинового ангидрида. Восстановление двойной связи в малеиновом ангидриде водородом на катализаторе (например, палладий на угле) приводит к образованию янтарного ангидрида.

$C_4H_2O_3 + H_2 \xrightarrow{Pd/C} C_4H_4O_3$

Ответ: Схема синтеза: Бензол $\rightarrow$ Малеиновый ангидрид $\rightarrow$ Янтарный ангидрид.

в) адипиновая (гександиовая) кислота

Решение

Синтез адипиновой кислоты из бензола включает сохранение всех шести атомов углерода с последующим разрывом цикла.

1. Получение циклогексена из бензола. Эта последовательность описана в пункте а).

$C_6H_6 \xrightarrow{+3H_2, Ni} C_6H_{12} \xrightarrow{+Br_2, h\nu} C_6H_{11}Br \xrightarrow{+KOH(спирт.)} C_6H_{10}$

2. Окисление циклогексена. Жесткое окисление циклогексена сильным окислителем (например, перманганатом калия в кислой среде) приводит к разрыву двойной связи и образованию дикарбоновой кислоты — адипиновой.

$5C_6H_{10} + 8KMnO_4 + 12H_2SO_4 \rightarrow 5HOOC-(CH_2)_4-COOH + 4K_2SO_4 + 8MnSO_4 + 12H_2O$

Альтернативным промышленным методом является прямое окисление циклогексана до смеси циклогексанола и циклогексанона, которую затем окисляют азотной кислотой до адипиновой кислоты.

Ответ: Схема синтеза: Бензол $\rightarrow$ Циклогексан $\rightarrow$ Бромциклогексан $\rightarrow$ Циклогексен $\rightarrow$ Адипиновая кислота.

г) бутан

Решение

Получение бутана требует разрыва бензольного кольца с образованием четырех-углеродной цепи и последующего восстановления функциональных групп.

1. Получение янтарной кислоты из бензола. Сначала, как в пункте б), получают малеиновый ангидрид, который затем гидрируют до янтарного ангидрида и гидролизуют.

$C_6H_6 \xrightarrow{O_2, V_2O_5} C_4H_2O_3$ (Малеиновый ангидрид)

$C_4H_2O_3 + H_2 \xrightarrow{Pd/C} C_4H_4O_3$ (Янтарный ангидрид)

$C_4H_4O_3 + H_2O \rightarrow HOOC-(CH_2)_2-COOH$ (Янтарная кислота)

2. Восстановление янтарной кислоты до бутандиола-1,4. Карбоксильные группы восстанавливают до спиртовых с помощью сильного восстановителя, такого как алюмогидрид лития ($LiAlH_4$).

$HOOC-(CH_2)_2-COOH \xrightarrow{1. LiAlH_4 \quad 2. H_2O} HO-(CH_2)_4-OH$

3. Получение 1,4-дигалогенбутана. Гидроксильные группы замещают на атомы галогена (например, брома) при реакции с бромоводородной кислотой.

$HO-(CH_2)_4-OH + 2HBr \rightarrow Br-(CH_2)_4-Br + 2H_2O$

4. Восстановление 1,4-дибромбутана до бутана. Галогеналкан восстанавливают до алкана, например, с помощью цинка в кислой среде.

$Br-(CH_2)_4-Br + 2Zn + 2HCl \rightarrow CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + 2ZnBrCl$

Ответ: Схема синтеза: Бензол $\rightarrow$ Малеиновый ангидрид $\rightarrow$ Янтарный ангидрид $\rightarrow$ Янтарная кислота $\rightarrow$ Бутандиол-1,4 $\rightarrow$ 1,4-Дибромбутан $\rightarrow$ Бутан.