Номер 288, страница 68 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.288. Используя в качестве исходного вещества бензол или его гомологи, получите меma-бромбензойную кислоту.

Дано:

Исходные вещества: бензол ($C_6H_6$) или его гомологи (например, толуол $C_6H_5CH_3$).

Найти:

Получить мета-бромбензойную кислоту ($m\text{-}Br\text{-}C_6H_4\text{-}COOH$).

Решение:

Для получения мета-бромбензойной кислоты необходимо провести последовательность химических превращений. Порядок введения заместителей в бензольное кольцо имеет решающее значение, так как он определяет их взаимное расположение (ориентацию).

Анализ ориентирующего действия заместителей:
– Атом брома (-Br) является ориентантом I рода, то есть направляет новые заместители в орто- и пара-положения.
– Карбоксильная группа (-COOH) является ориентантом II рода, то есть направляет новые заместители в мета-положение.

Чтобы получить целевой продукт с мета-расположением заместителей, необходимо сначала ввести в бензольное кольцо ориентант II рода, а затем проводить реакцию со вторым реагентом. Следовательно, правильная последовательность действий — это сначала получить бензойную кислоту, а затем провести ее бромирование. Бензойную кислоту можно получить окислением толуола, который, в свою очередь, синтезируется из бензола.

Таким образом, общая схема синтеза выглядит следующим образом: Бензол → Толуол → Бензойная кислота → мета-Бромбензойная кислота.

Стадия 1. Получение толуола (алкилирование бензола по Фриделю-Крафтсу)

Бензол реагирует с хлорметаном в присутствии катализатора — кислоты Льюиса (например, хлорида алюминия $AlCl_3$). В результате образуется гомолог бензола — толуол.

$C_6H_6 + CH_3Cl \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5CH_3 + HCl$

Стадия 2. Окисление толуола до бензойной кислоты

Метильная группа в толуоле окисляется до карбоксильной группы под действием сильных окислителей, например, перманганата калия ($KMnO_4$) при нагревании. Реакцию обычно проводят в щелочной среде, получая соль (бензоат калия), которую затем обрабатывают сильной кислотой для выделения свободной бензойной кислоты.

$C_6H_5CH_3 + 2KMnO_4 \xrightarrow{H_2O, t^\circ, OH^-} C_6H_5COOK + 2MnO_2\downarrow + KOH + H_2O$

Затем полученный бензоат калия подкисляют:

$C_6H_5COOK + HCl \rightarrow C_6H_5COOH + KCl$

Стадия 3. Бромирование бензойной кислоты

Бензойная кислота вступает в реакцию электрофильного замещения (бромирования). Карбоксильная группа (-COOH), будучи ориентантом II рода, направляет атом брома в мета-положение бензольного кольца. Реакция катализируется кислотой Льюиса, например, бромидом железа(III) ($FeBr_3$).

$C_6H_5COOH + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} m\text{-}Br\text{-}C_6H_4\text{-}COOH + HBr$

В результате трехстадийного синтеза из бензола получена целевая мета-бромбензойная кислота.

Ответ:

Для получения мета-бромбензойной кислоты из бензола необходимо провести следующую последовательность реакций:
1. Алкилирование бензола хлорметаном в присутствии $AlCl_3$ для получения толуола:
$C_6H_6 + CH_3Cl \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5CH_3 + HCl$
2. Окисление толуола перманганатом калия с последующим подкислением для получения бензойной кислоты:
$C_6H_5CH_3 \xrightarrow{1. KMnO_4, OH^-, t^\circ; 2. H^+} C_6H_5COOH$
3. Бромирование бензойной кислоты в присутствии катализатора $FeBr_3$ для получения мета-бромбензойной кислоты:
$C_6H_5COOH + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} m\text{-}Br\text{-}C_6H_4\text{-}COOH + HBr$