Номер 98, страница 39 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.98. Определите неизвестные вещества в цепочках превращений:

а) этан ⟶ ${\mathrm{X}}_1$ ⟶ этилен;

б) этанол ⟶ ${\mathrm{X}}_2$ ⟶ 1,2-дибромэтан;

в) циклогексан ⟶ ${\mathrm{X}}_3$ ⟶ ${\mathrm{X}}_4$ ⟶ циклогександиол-1,2;

г) бромэтан ⟶ ${\mathrm{X}}_5$ ⟶ ${\mathrm{X}}_6$ ⟶ бутен-2;

д) бутан ⟶ ${\mathrm{X}}_7$ ⟶ ${\mathrm{X}}_8$ ⟶ 2-метилпропен;

е) метан ⟶ ${\mathrm{X}}_9$ ⟶ ${\mathrm{X}}_{10}$ ⟶ полиэтилен;

ж) бутанол-2 ⟶ ${\mathrm{X}}_{11}$ ⟶ уксусная (этановая) кислота.

а) этан → X₁ → этилен;

Для получения этилена (алкена) из этана (алкана) необходимо провести две стадии. Сначала этан подвергают реакции галогенирования (например, хлорирования) для получения галогеналкана. Затем из галогеналкана действием спиртового раствора щелочи отщепляют галогеноводород, получая алкен.

1. Хлорирование этана на свету (реакция свободно-радикального замещения). Неизвестное вещество $X_1$ – хлорэтан.

$CH_3-CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CH_2Cl + HCl$

2. Дегидрогалогенирование хлорэтана действием спиртового раствора щелочи с образованием этилена.

$CH_3-CH_2Cl + KOH_{(спирт.)} \xrightarrow{t} CH_2=CH_2 + KCl + H_2O$

Ответ: $X_1$ – хлорэтан ($CH_3-CH_2Cl$).

б) этанол → X₂ → 1,2-дибромэтан;

1,2-дибромэтан получают путем присоединения брома к этилену. Следовательно, вещество $X_2$ – это этилен. Этилен можно получить из этанола реакцией внутримолекулярной дегидратации.

1. Дегидратация этанола при нагревании с концентрированной серной кислотой. Неизвестное вещество $X_2$ – этилен.

$CH_3-CH_2OH \xrightarrow{H_2SO_4, t > 140°C} CH_2=CH_2 + H_2O$

2. Присоединение брома к этилену (реакция бромирования).

$CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CH_2Br$

Ответ: $X_2$ – этилен ($CH_2=CH_2$).

в) циклогексан → X₃ → X₄ → циклогександиол-1,2;

Циклогександиол-1,2 (двухатомный спирт) получают мягким окислением циклогексена. Циклогексен, в свою очередь, получают из циклогексана через стадию галогенирования с последующим дегидрогалогенированием.

1. Галогенирование (например, бромирование) циклогексана на свету. Неизвестное вещество $X_3$ – бромциклогексан.

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

2. Дегидробромирование бромциклогексана спиртовым раствором щелочи. Неизвестное вещество $X_4$ – циклогексен.

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

3. Мягкое окисление циклогексена водным раствором перманганата калия (реакция Вагнера).

$3C_6H_{10} + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3C_6H_{10}(OH)_2 + 2MnO_2\downarrow + 2KOH$

Ответ: $X_3$ – бромциклогексан ($C_6H_{11}Br$); $X_4$ – циклогексен ($C_6H_{10}$).

г) бромэтан → X₅ → X₆ → бутен-2;

Для перехода от соединения с двумя атомами углерода (бромэтан) к соединению с четырьмя (бутен-2) необходимо удлинить углеродную цепь. Это можно сделать с помощью реакции Вюрца.

1. Реакция Вюрца. Взаимодействие бромэтана с металлическим натрием приводит к образованию бутана. Неизвестное вещество $X_5$ – бутан.

$2CH_3-CH_2Br + 2Na \rightarrow CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + 2NaBr$

2. Галогенирование (бромирование) бутана. Преимущественно образуется 2-бромбутан. Неизвестное вещество $X_6$ – 2-бромбутан.

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + Br_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CH_2-CH(Br)-CH_3 + HBr$

3. Дегидробромирование 2-бромбутана по правилу Зайцева приводит к образованию бутена-2.

$CH_3-CH_2-CH(Br)-CH_3 + KOH_{(спирт.)} \xrightarrow{t} CH_3-CH=CH-CH_3 + KBr + H_2O$

Ответ: $X_5$ – бутан ($C_4H_{10}$); $X_6$ – 2-бромбутан ($CH_3-CH_2-CHBr-CH_3$).

д) бутан → X₇ → X₈ → 2-метилпропен;

Чтобы из бутана (линейного строения) получить 2-метилпропен (разветвленного строения), необходимо провести реакцию изомеризации.

1. Изомеризация н-бутана в изобутан (2-метилпропан) в присутствии катализатора. Неизвестное вещество $X_7$ – изобутан.

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 \xrightarrow{AlCl_3, t} (CH_3)_3CH$

2. Галогенирование (бромирование) изобутана. Происходит замещение у третичного атома углерода. Неизвестное вещество $X_8$ – 2-бром-2-метилпропан.

$(CH_3)_3CH + Br_2 \xrightarrow{h\nu} (CH_3)_3CBr + HBr$

3. Дегидробромирование 2-бром-2-метилпропана.

$(CH_3)_3CBr + KOH_{(спирт.)} \xrightarrow{t} (CH_3)_2C=CH_2 + KBr + H_2O$

Ответ: $X_7$ – изобутан (2-метилпропан, $(CH_3)_3CH$); $X_8$ – 2-бром-2-метилпропан ($(CH_3)_3CBr$).

е) метан → X₉ → X₁₀ → полиэтилен;

Полиэтилен получают полимеризацией этилена. Этилен можно получить из метана через ацетилен.

1. Пиролиз метана при высокой температуре ($1500°C$) с образованием ацетилена. Неизвестное вещество $X_9$ – ацетилен.

$2CH_4 \xrightarrow{1500°C} C_2H_2 + 3H_2$

2. Каталитическое гидрирование ацетилена до этилена (с использованием катализатора Линдлара для остановки реакции на стадии алкена). Неизвестное вещество $X_{10}$ – этилен.

$C_2H_2 + H_2 \xrightarrow{Pd/Pb^{2+}, CaCO_3} C_2H_4$

3. Полимеризация этилена.

$nCH_2=CH_2 \xrightarrow{p, t, kat.} (-CH_2-CH_2-)_n$

Ответ: $X_9$ – ацетилен ($C_2H_2$); $X_{10}$ – этилен ($C_2H_4$).

ж) бутанол-2 → X₁₁ → уксусная (этановая) кислота.

Получение уксусной кислоты (C₂) из бутанола-2 (C₄) требует разрыва углерод-углеродной связи. Это можно осуществить жестким окислением алкена, полученного из спирта.

1. Внутримолекулярная дегидратация бутанола-2 с образованием бутена-2 (по правилу Зайцева). Неизвестное вещество $X_{11}$ – бутен-2.

$CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3 \xrightarrow{H_2SO_4, t} CH_3-CH=CH-CH_3 + H_2O$

2. Жесткое окисление бутена-2. Двойная связь разрывается, и каждая часть молекулы окисляется до карбоновой кислоты. В данном случае образуются две молекулы уксусной кислоты.

$5CH_3-CH=CH-CH_3 + 8KMnO_4 + 12H_2SO_4 \xrightarrow{t} 10CH_3COOH + 8MnSO_4 + 4K_2SO_4 + 12H_2O$

Ответ: $X_{11}$ – бутен-2 ($CH_3-CH=CH-CH_3$).