Номер 136, страница 106 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.136. При окислительном расщеплении азотной кислотой карбонильного соединения X образовались уксусная и пропионовая кислоты, а при аналогичном расщеплении карбонильного соединения Y образовались уксусная, пропионовая и масляная кислоты. Определите структуры соединений X и Y.

Решение

Окислительное расщепление кетонов под действием сильных окислителей, таких как азотная кислота, происходит с разрывом углерод-углеродных связей, прилегающих к карбонильной группе ($C=O$). В результате этого процесса образуются карбоновые кислоты. Анализируя набор полученных кислот, можно установить строение исходного кетона. Механизм реакции включает образование енольных форм кетона с последующим окислительным разрывом двойной связи $C=C$.

Определение структуры соединения X

При окислительном расщеплении соединения X образуются уксусная кислота ($CH_3COOH$) и пропионовая кислота ($CH_3CH_2COOH$). Образование только двух кислот свидетельствует о том, что исходный кетон X, вероятнее всего, имеет симметричное строение. У симметричных кетонов существует только один возможный путь расщепления, что ведет к образованию определенного набора продуктов.

Общее число атомов углерода в исходном кетоне X можно оценить, сложив число атомов углерода в продуктах. В данном случае это $2$ (в уксусной кислоте) + $3$ (в пропионовой кислоте) = $5$ атомов углерода. Следовательно, соединение X является пентаноном.

Единственный симметричный изомер пентанона — это пентан-3-он (диэтилкетон) со структурой: $CH_3CH_2-C(=O)-CH_2CH_3$.

Рассмотрим его окисление. Так как молекула симметрична, расщепление по любую сторону от карбонильной группы приводит к одинаковым продуктам. При разрыве связи, например, между вторым и третьим атомами углерода, образуются два фрагмента: $CH_3CH_2-C(=O)-$ и $-CH_2CH_3$.

Первый фрагмент, содержащий карбонильную группу, окисляется до пропионовой кислоты: $CH_3CH_2-C(=O)- \xrightarrow{[O]} CH_3CH_2COOH$

Второй фрагмент, этильная группа, окисляется по атому углерода, который был связан с карбонилом, образуя уксусную кислоту: $-CH_2CH_3 \xrightarrow{[O]} HOOC-CH_3$

Следовательно, продукты окисления пентан-3-она — это уксусная и пропионовая кислоты, что точно соответствует условию задачи.

Уравнение реакции: $CH_3CH_2C(O)CH_2CH_3 \xrightarrow{HNO_3, t} CH_3COOH + CH_3CH_2COOH$

Ответ: Соединение X – это пентан-3-он. Его структурная формула: $CH_3-CH_2-C(=O)-CH_2-CH_3$.

Определение структуры соединения Y

При окислении соединения Y образуется смесь трех кислот: уксусной ($CH_3COOH$), пропионовой ($CH_3CH_2COOH$) и масляной ($CH_3CH_2CH_2COOH$).

Образование более двух кислот указывает на то, что исходный кетон Y является несимметричным. У таких кетонов возможно образование двух разных енольных форм, и окислительное расщепление может происходить по двум направлениям, что приводит к образованию сложной смеси продуктов.

Рассмотрим в качестве кандидата несимметричный пентанон — пентан-2-он (метилпропилкетон): $CH_3-C(=O)-CH_2CH_2CH_3$.

Этот кетон может образовывать две енольные формы, окисление которых приводит к разным продуктам:

1. Расщепление по связи $C_2-C_3$ (через енол $CH_3-C(OH)=CH-CH_2CH_3$): $CH_3-C(OH)=CH-CH_2CH_3 \xrightarrow{[O]} CH_3COOH \text{ (уксусная кислота)} + CH_3CH_2COOH \text{ (пропионовая кислота)}$

2. Расщепление по связи $C_1-C_2$ (через енол $CH_2=C(OH)-CH_2CH_2CH_3$): $CH_2=C(OH)-CH_2CH_2CH_3 \xrightarrow{[O]} CO_2 + H_2O + CH_3CH_2CH_2COOH \text{ (масляная кислота)}$

Таким образом, в результате окисления пентан-2-она в реакционной смеси будут присутствовать все три кислоты, указанные в условии: уксусная, пропионовая и масляная (а также углекислый газ, который обычно не упоминается в таких задачах как органический продукт). Это полностью соответствует данным задачи.

Уравнение реакции, показывающее основные продукты: $CH_3C(O)CH_2CH_2CH_3 \xrightarrow{HNO_3, t} CH_3COOH + CH_3CH_2COOH + CH_3CH_2CH_2COOH (+ CO_2)$

Ответ: Соединение Y – это пентан-2-он. Его структурная формула: $CH_3-C(=O)-CH_2-CH_2-CH_3$.