Номер 99, страница 40 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.99. Составьте уравнения реакций, с помощью которых в несколько стадий можно осуществить следующие превращения: а) метан ⟶ этанол; б) циклогексан ⟶ циклогексанол; в) этан ⟶ бутен-2; г) пропан ⟶ пропанол-2; д) этилен ⟶ бутанол-2; е) уголь ⟶ этандиол-1,2.

а) метан → этанол

Решение

Для получения этанола из метана необходимо увеличить углеродную цепь. Это можно сделать в несколько стадий:

1. Провести реакцию Вюрца для удвоения цепи. Для этого сначала получим из метана хлорметан путем радикального хлорирования:

$CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl$

2. Проведем реакцию Вюрца с натрием для получения этана:

$2CH_3Cl + 2Na \rightarrow C_2H_6 + 2NaCl$

3. Получим из этана его галогенпроизводное, например, бромэтан:

$C_2H_6 + Br_2 \xrightarrow{h\nu} C_2H_5Br + HBr$

4. Проведем щелочной гидролиз бромэтана для получения этанола:

$C_2H_5Br + KOH(водн.) \rightarrow C_2H_5OH + KBr$

Ответ: $CH_4 \xrightarrow{+Cl_2, h\nu} CH_3Cl \xrightarrow{+Na} C_2H_6 \xrightarrow{+Br_2, h\nu} C_2H_5Br \xrightarrow{+KOH, H_2O} C_2H_5OH$.

б) циклогексан → циклогексанол

Решение

Для получения циклогексанола из циклогексана нужно ввести в цикл гидроксильную группу. Это можно осуществить через стадию галогенирования.

1. Проведем реакцию радикального замещения (галогенирование) циклогексана, например, с хлором при УФ-облучении, для получения хлорциклогексана:

$C_6H_{12} + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_{11}Cl + HCl$

2. Заместим атом хлора на гидроксильную группу путем реакции с водным раствором щелочи:

$C_6H_{11}Cl + NaOH(водн.) \rightarrow C_6H_{11}OH + NaCl$

Ответ: $C_6H_{12} \xrightarrow{+Cl_2, h\nu} C_6H_{11}Cl \xrightarrow{+NaOH(водн.)} C_6H_{11}OH$.

в) этан → бутен-2

Решение

Этот синтез включает удвоение углеродной цепи и введение двойной связи.

1. Получим из этана бромэтан:

$C_2H_6 + Br_2 \xrightarrow{h\nu} C_2H_5Br + HBr$

2. Удвоим цепь с помощью реакции Вюрца, получив бутан:

$2C_2H_5Br + 2Na \rightarrow CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + 2NaBr$

3. Получим из бутана 2-бромбутан (основной продукт при бромировании):

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

4. Проведем реакцию дегидробромирования с помощью спиртового раствора щелочи. По правилу Зайцева, основным продуктом будет бутен-2:

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

Ответ: $C_2H_6 \xrightarrow{+Br_2, h\nu} C_2H_5Br \xrightarrow{+Na} C_4H_{10} \xrightarrow{+Br_2, h\nu} CH_3CH_2CH(Br)CH_3 \xrightarrow{+KOH(спирт.), t} CH_3CH=CHCH_3$.

г) пропан → пропанол-2

Решение

Для получения вторичного спирта пропанола-2 из пропана необходимо ввести функциональную группу ко второму атому углерода.

1. Проведем бромирование пропана. В соответствии с правилом, замещение у вторичного атома углерода происходит преимущественно, образуя 2-бромпропан:

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

2. Проведем щелочной гидролиз 2-бромпропана для получения пропанола-2:

$CH_3-CH(Br)-CH_3 + NaOH(водн.) \rightarrow CH_3-CH(OH)-CH_3 + NaBr$

Ответ: $CH_3-CH_2-CH_3 \xrightarrow{+Br_2, h\nu} CH_3-CH(Br)-CH_3 \xrightarrow{+NaOH(водн.)} CH_3-CH(OH)-CH_3$.

д) этилен → бутанол-2

Решение

Для синтеза бутанола-2 из этилена нужно увеличить углеродную цепь с двух до четырех атомов и ввести гидроксильную группу в положение 2.

1. Присоединим к этилену бромоводород для получения бромэтана:

$CH_2=CH_2 + HBr \rightarrow CH_3-CH_2Br$

2. С помощью реакции Вюрца получим бутан:

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

3. Проведем каталитическое дегидрирование бутана для получения бутена-2 (в смеси с другими продуктами, но это возможный путь):

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 \xrightarrow{Cr_2O_3, t} CH_3-CH=CH-CH_3 + H_2$

4. Проведем гидратацию бутена-2 в кислой среде. Присоединение воды к симметричному алкену дает единственный продукт - бутанол-2:

$CH_3-CH=CH-CH_3 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH_2-CH(OH)-CH_3$

Ответ: $CH_2=CH_2 \xrightarrow{+HBr} C_2H_5Br \xrightarrow{+Na} C_4H_{10} \xrightarrow{kat, -H_2} CH_3CH=CHCH_3 \xrightarrow{+H_2O, H^+} CH_3CH_2CH(OH)CH_3$.

е) уголь → этандиол-1,2

Решение

Исходным веществом является уголь (углерод). Необходимо построить молекулу с двумя атомами углерода и двумя гидроксильными группами.

1. Из угля (кокса) и оксида кальция в электропечи получают карбид кальция:

$CaO + 3C \xrightarrow{2000-2500^\circ C} CaC_2 + CO$

2. Гидролизом карбида кальция получают ацетилен:

$CaC_2 + 2H_2O \rightarrow CH\equiv CH + Ca(OH)_2$

3. Каталитическим гидрированием ацетилена получают этилен (используя катализатор Линдлара для остановки реакции на стадии алкена):

$CH\equiv CH + H_2 \xrightarrow{Pd/PbCO_3} CH_2=CH_2$

4. Окислим этилен слабым раствором перманганата калия (реакция Вагнера) для получения этандиола-1,2 (этиленгликоля):

$3CH_2=CH_2 + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3HO-CH_2-CH_2-OH + 2MnO_2\downarrow + 2KOH$

Ответ: $C \xrightarrow{+CaO, t} CaC_2 \xrightarrow{+H_2O} C_2H_2 \xrightarrow{+H_2, kat} C_2H_4 \xrightarrow{[O], H_2O} HO-CH_2-CH_2-OH$.