Номер 113, страница 103 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.113. Приведите механизм взаимодействия ацетона с этанолом в кислой среде. Какую роль в данном процессе выполняет кислота?

Приведите механизм взаимодействия ацетона с этанолом в кислой среде.

Взаимодействие ацетона (пропан-2-она) с этанолом в кислой среде представляет собой реакцию нуклеофильного присоединения, приводящую к образованию сначала полукеталя, а затем, при избытке спирта, кеталя. Реакция катализируется кислотой и является обратимой.

Общее уравнение реакции: $$ \text{CH}_3\text{COCH}_3 + 2 \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \rightleftharpoons_{\text{H}^+} (\text{CH}_3)_2\text{C}(\text{OCH}_2\text{CH}_3)_2 + \text{H}_2\text{O} $$

Механизм реакции включает две основные стадии: образование полукеталя и его превращение в кеталь.

Стадия 1: Образование полукеталя (2-этоксипропан-2-ола)

1. Протонирование карбонильного атома кислорода ацетона. Катион водорода $ \text{H}^+ $ (из кислоты) присоединяется к атому кислорода карбонильной группы, что значительно увеличивает электрофильность карбонильного атома углерода за счет образования резонансно-стабилизированного катиона. $$ (\text{CH}_3)_2\text{C=O} + \text{H}^+ \rightleftharpoons [(\text{CH}_3)_2\text{C=}\overset{+}{\text{O}}\text{H} \leftrightarrow (\text{CH}_3)_2\overset{+}{\text{C}}\text{-OH}] $$
2. Нуклеофильная атака молекулы этанола. Молекула этанола, будучи слабым нуклеофилом, атакует активированный карбонильный атом углерода. $$ [(\text{CH}_3)_2\overset{+}{\text{C}}\text{-OH}] + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \rightleftharpoons (\text{CH}_3)_2\text{C(OH)}\text{-}\overset{+}{\text{O}}\text{H(CH}_2\text{CH}_3) $$
3. Депротонирование. Молекула-основание (например, вода или другая молекула спирта) отщепляет протон, образуя нейтральный полукеталь и регенерируя катализатор. $$ (\text{CH}_3)_2\text{C(OH)}\text{-}\overset{+}{\text{O}}\text{H(CH}_2\text{CH}_3) + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons (\text{CH}_3)_2\text{C(OH)(OCH}_2\text{CH}_3) + \text{H}_3\text{O}^+ $$

Стадия 2: Превращение полукеталя в кеталь (2,2-диэтоксипропан)

1. Протонирование гидроксильной группы полукеталя. Кислота протонирует гидроксильную группу полукеталя, превращая её в хорошую уходящую группу (молекулу воды). $$ (\text{CH}_3)_2\text{C(OH)(OCH}_2\text{CH}_3) + \text{H}^+ \rightleftharpoons (\text{CH}_3)_2\text{C}(\overset{+}{\text{O}}\text{H}_2)(\text{OCH}_2\text{CH}_3) $$
2. Отщепление воды. Молекула воды отщепляется, образуя резонансно-стабилизированный карбокатион (оксокарбениевый ион). $$ (\text{CH}_3)_2\text{C}(\overset{+}{\text{O}}\text{H}_2)(\text{OCH}_2\text{CH}_3) \rightleftharpoons [(\text{CH}_3)_2\overset{+}{\text{C}}\text{-OCH}_2\text{CH}_3 \leftrightarrow (\text{CH}_3)_2\text{C=}\overset{+}{\text{O}}\text{CH}_2\text{CH}_3] + \text{H}_2\text{O} $$
3. Нуклеофильная атака второй молекулы этанола. Вторая молекула этанола атакует карбокатион. $$ [(\text{CH}_3)_2\overset{+}{\text{C}}\text{-OCH}_2\text{CH}_3] + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \rightleftharpoons (\text{CH}_3)_2\text{C(OCH}_2\text{CH}_3)\text{-}\overset{+}{\text{O}}\text{H(CH}_2\text{CH}_3) $$
4. Депротонирование. Отщепление протона приводит к образованию конечного продукта — кеталя, и регенерации катализатора. $$ (\text{CH}_3)_2\text{C(OCH}_2\text{CH}_3)\text{-}\overset{+}{\text{O}}\text{H(CH}_2\text{CH}_3) + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons (\text{CH}_3)_2\text{C(OCH}_2\text{CH}_3)_2 + \text{H}_3\text{O}^+ $$

Ответ: Механизм взаимодействия ацетона с этанолом в кислой среде представляет собой последовательность обратимых реакций. Сначала происходит катализируемое кислотой присоединение одной молекулы этанола к ацетону с образованием промежуточного продукта — полукеталя. Затем, также при участии кислоты, гидроксильная группа полукеталя замещается на этокси-группу от второй молекулы этанола, что приводит к образованию конечного продукта — кеталя (2,2-диэтоксипропана) и молекулы воды.

Какую роль в данном процессе выполняет кислота?

Кислота в данной реакции выполняет роль катализатора. Её функции заключаются в следующем:

• Активация карбонильной группы: Кислота протонирует атом кислорода карбонильной группы ацетона. Это приводит к увеличению положительного заряда на атоме углерода карбонильной группы ($ \delta^+ $), делая его значительно более сильным электрофилом. Без этой активации атака слабого нуклеофила, каким является этанол, была бы затруднена или протекала бы очень медленно.
• Превращение плохой уходящей группы в хорошую: На второй стадии механизма кислота протонирует гидроксильную группу ($ \text{-OH} $) полукеталя. Гидроксид-ион ($ \text{OH}^- $) является плохой уходящей группой. Протонирование превращает её в группу $ \text{-OH}_2^+ $, которая является хорошей уходящей группой в виде нейтральной молекулы воды ($ \text{H}_2\text{O} $). Это облегчает образование карбокатиона, необходимого для присоединения второй молекулы спирта.

Таким образом, кислота ускоряет реакцию, участвуя в промежуточных стадиях, но регенерируется в конце, то есть не расходуется в ходе суммарного процесса.

Ответ: Кислота выступает в роли катализатора, который, во-первых, активирует карбонильную группу ацетона для нуклеофильной атаки спиртом (повышает электрофильность карбонильного углерода) и, во-вторых, превращает гидроксильную группу промежуточного продукта (полукеталя) в хорошую уходящую группу (воду), облегчая образование конечного продукта (кеталя).