Номер 147, страница 109 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.147. Классическим методом органического синтеза является осуществление превращений на основе 1,3-дикарбонильных соединений. Почему подобные соединения обладают очень высокой С–Н-кислотностью? Используя в качестве исходного реагента ацетоуксусный эфир (этилацетоацетат), предложите синтез: а) пентанона-2; б) пентановой кислоты; в) 3-этилпентанона-2; г) гексен-5-овой кислоты.

1,3-дикарбонильные соединения, такие как ацетоуксусный эфир, обладают очень высокой C–H-кислотностью из-за стабилизации образующегося сопряженного основания (енолят-иона) за счет резонанса. Атомы водорода метиленовой группы ($–CH_2–$), находящейся между двумя карбонильными группами, являются подвижными. При отщеплении протона основанием (например, этилат-ионом $C_2H_5O^−$) образуется карбанион.

Отрицательный заряд в этом карбанионе эффективно делокализован между тремя атомами: центральным атомом углерода и двумя атомами кислорода карбонильных групп. Эта делокализация значительно стабилизирует анион, что, согласно теории Брёнстеда-Лоури, повышает кислотность исходного соединения. Чем стабильнее сопряженное основание, тем сильнее кислота.

Резонансные структуры енолят-иона ацетоуксусного эфира:

$CH_3–CO–\stackrel{\ominus}{C}H–COOC_2H_5 \leftrightarrow CH_3–C(\stackrel{\ominus}{O})=CH–COOC_2H_5 \leftrightarrow CH_3–CO–CH=C(\stackrel{\ominus}{O})–OC_2H_5$

Благодаря высокой стабильности этого енолят-иона, он легко образуется и может быть использован в качестве нуклеофила в реакциях алкилирования, что лежит в основе синтезов на основе ацетоуксусного эфира.

Решение

Синтезы на основе ацетоуксусного эфира (АУЭ) обычно включают три стадии:
1. Образование енолят-иона под действием основания (например, $NaOC_2H_5$).
2. Алкилирование енолят-иона алкилгалогенидом (реакция $S_N2$). Эту стадию можно повторить для введения второго заместителя.
3. Гидролиз и декарбоксилирование полученного продукта. В зависимости от условий гидролиза можно получить либо кетон (кетонное расщепление), либо карбоновую кислоту (кислотное расщепление).

а) пентанона-2

Для синтеза пентанона-2 ($CH_3COCH_2CH_2CH_3$) необходимо ввести в молекулу АУЭ этильный радикал ($–CH_2CH_3$), а затем провести кетонное расщепление.

1. Получение енолята АУЭ действием этилата натрия:
$CH_3COCH_2COOC_2H_5 + NaOC_2H_5 \rightarrow [CH_3COCHCOOC_2H_5]^-Na^+ + C_2H_5OH$

2. Алкилирование енолята этилбромидом:
$[CH_3COCHCOOC_2H_5]^-Na^+ + CH_3CH_2Br \rightarrow CH_3COCH(CH_2CH_3)COOC_2H_5 + NaBr$

3. Кетонное расщепление (гидролиз в мягких условиях с последующим декарбоксилированием):
$CH_3COCH(CH_2CH_3)COOC_2H_5 \xrightarrow{1. H_2O, OH^-, t} \xrightarrow{2. H_3O^+, \Delta} CH_3COCH_2CH_2CH_3 + CO_2 + C_2H_5OH$

Ответ: Общая схема синтеза:
$CH_3COCH_2COOC_2H_5 \xrightarrow{1. NaOC_2H_5} \xrightarrow{2. CH_3CH_2Br} CH_3COCH(CH_2CH_3)COOC_2H_5 \xrightarrow{H_3O^+, \Delta} CH_3COCH_2CH_2CH_3$

б) пентановой кислоты

Для синтеза пентановой кислоты ($CH_3CH_2CH_2CH_2COOH$) необходимо ввести пропильный радикал ($–CH_2CH_2CH_3$) с последующим кислотным расщеплением.

1. Получение енолята АУЭ:
$CH_3COCH_2COOC_2H_5 + NaOC_2H_5 \rightarrow [CH_3COCHCOOC_2H_5]^-Na^+ + C_2H_5OH$

2. Алкилирование енолята пропилбромидом:
$[CH_3COCHCOOC_2H_5]^-Na^+ + CH_3CH_2CH_2Br \rightarrow CH_3COCH(CH_2CH_2CH_3)COOC_2H_5 + NaBr$

3. Кислотное расщепление (гидролиз в жестких условиях концентрированной щелочью):
$CH_3COCH(CH_2CH_2CH_3)COOC_2H_5 \xrightarrow{1. KOH_{конц.}, \Delta} \xrightarrow{2. H_3O^+} CH_3COOH + CH_3CH_2CH_2CH_2COOH + C_2H_5OH$
Пентановую кислоту отделяют от уксусной кислоты.

Ответ: Общая схема синтеза:
$CH_3COCH_2COOC_2H_5 \xrightarrow{1. NaOC_2H_5} \xrightarrow{2. CH_3CH_2CH_2Br} CH_3COCH(CH_2CH_2CH_3)COOC_2H_5 \xrightarrow{1. KOH_{конц.}, \Delta; 2. H_3O^+} CH_3CH_2CH_2CH_2COOH$

в) 3-этилпентанона-2

Для синтеза 3-этилпентанона-2 ($CH_3COCH(CH_2CH_3)_2$) необходимо ввести два этильных радикала. Это требует двух последовательных стадий алкилирования с последующим кетонным расщеплением.

1. Первое алкилирование (как в пункте а):
$CH_3COCH_2COOC_2H_5 \xrightarrow{1. NaOC_2H_5} \xrightarrow{2. CH_3CH_2Br} CH_3COCH(CH_2CH_3)COOC_2H_5$

2. Второе алкилирование:
$CH_3COCH(CH_2CH_3)COOC_2H_5 \xrightarrow{1. NaOC_2H_5} \xrightarrow{2. CH_3CH_2Br} CH_3COC(CH_2CH_3)_2COOC_2H_5$

3. Кетонное расщепление:
$CH_3COC(CH_2CH_3)_2COOC_2H_5 \xrightarrow{H_3O^+, \Delta} CH_3COCH(CH_2CH_3)_2 + CO_2 + C_2H_5OH$

Ответ: Общая схема синтеза:
$CH_3COCH_2COOC_2H_5 \xrightarrow{1. NaOC_2H_5} \xrightarrow{2. CH_3CH_2Br} CH_3COCH(C_2H_5)COOC_2H_5 \xrightarrow{1. NaOC_2H_5} \xrightarrow{2. CH_3CH_2Br} CH_3COC(C_2H_5)_2COOC_2H_5 \xrightarrow{H_3O^+, \Delta} CH_3COCH(C_2H_5)_2$

г) гексен-5-овой кислоты

Для синтеза гексен-5-овой кислоты ($CH_2=CHCH_2CH_2CH_2COOH$) необходимо ввести алкильный заместитель, который после кислотного расщепления даст требуемую структуру. Кислотное расщепление продукта алкилирования $R-X$ дает кислоту $R-CH_2-COOH$. Следовательно, радикал $R$ должен быть $CH_2=CH-CH_2-CH_2–$ (бут-3-енил). В качестве алкилирующего агента используем 4-бромбут-1-ен.

1. Получение енолята АУЭ:
$CH_3COCH_2COOC_2H_5 + NaOC_2H_5 \rightarrow [CH_3COCHCOOC_2H_5]^-Na^+ + C_2H_5OH$

2. Алкилирование енолята 4-бромбут-1-еном:
$[CH_3COCHCOOC_2H_5]^-Na^+ + BrCH_2CH_2CH=CH_2 \rightarrow CH_3COCH(CH_2CH_2CH=CH_2)COOC_2H_5 + NaBr$

3. Кислотное расщепление:
$CH_3COCH(CH_2CH_2CH=CH_2)COOC_2H_5 \xrightarrow{1. KOH_{конц.}, \Delta} \xrightarrow{2. H_3O^+} CH_3COOH + CH_2=CHCH_2CH_2CH_2COOH + C_2H_5OH$
Гексен-5-овую кислоту отделяют от побочных продуктов.

Ответ: Общая схема синтеза:
$CH_3COCH_2COOC_2H_5 \xrightarrow{1. NaOC_2H_5} \xrightarrow{2. BrCH_2CH_2CH=CH_2} CH_3COCH(CH_2CH_2CH=CH_2)COOC_2H_5 \xrightarrow{1. KOH_{конц.}, \Delta; 2. H_3O^+} CH_2=CH(CH_2)_3COOH$