Номер 52, страница 31 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.52. Приведите формулу наименьшего алкана, при радикальном монобромировании которого возможно получение рацемической смеси оптических изомеров.

Решение

Для того чтобы при радикальном монобромировании алкана образовалась рацемическая смесь оптических изомеров (энантиомеров), продукт реакции — бромпроизводное — должен быть хиральной молекулой. Хиральность в данном случае будет обусловлена наличием асимметрического атома углерода (хирального центра), то есть атома углерода, связанного с четырьмя различными заместителями.

Рассмотрим последовательно алканы, начиная с наименьших, чтобы найти тот, который удовлетворяет этому условию.

1. Метан ($CH_4$), этан ($C_2H_6$) и пропан ($C_3H_8$) не подходят. Продукты их монобромирования — бромметан ($CH_3Br$), бромэтан ($CH_3CH_2Br$), 1-бромпропан ($CH_3CH_2CH_2Br$) и 2-бромпропан ($CH_3CH(Br)CH_3$) — являются ахиральными, то есть не содержат хиральных центров. Например, в 2-бромпропане атом углерода, связанный с бромом, соединен с двумя одинаковыми метильными группами.

2. Рассмотрим следующий гомолог — бутан ($C_4H_{10}$). У него есть два изомера: н-бутан и изобутан (2-метилпропан).

При монобромировании н-бутана ($CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$) по второму атому углерода образуется 2-бромбутан:
$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + Br_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CH(Br)-CH_2-CH_3 + HBr$

Атом углерода $C_2$ в молекуле 2-бромбутана является хиральным центром, так как он связан с четырьмя различными заместителями:
1. Атом водорода ($-H$)
2. Атом брома ($-Br$)
3. Метильная группа ($-CH_3$)
4. Этильная группа ($-CH_2CH_3$)

Так как исходный алкан (н-бутан) и реагент ($Br_2$) являются ахиральными, а реакция протекает через стадию образования плоского sp²-гибридизованного радикала, атака атомом брома на этот радикал с двух сторон равновероятна. Это приводит к образованию эквимолярного количества двух энантиомеров — (R)-2-бромбутана и (S)-2-бромбутана, то есть к образованию рацемической смеси.

Продукты монобромирования второго изомера, изобутана ($(CH_3)_3CH$), — 1-бром-2-метилпропан и 2-бром-2-метилпропан — не являются хиральными.

Поскольку алканы с 1, 2 и 3 атомами углерода не дают хиральных продуктов при монобромировании, а 4-углеродный алкан (н-бутан) дает, то н-бутан и является наименьшим алканом, удовлетворяющим условию задачи.

Ответ: Наименьшим алканом, при радикальном монобромировании которого возможно получение рацемической смеси оптических изомеров, является н-бутан. Его структурная формула: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$.