Номер 171, страница 114 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.171. Предложите реагенты, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

а) этан ⟶ хлорэтан ⟶ этанол ⟶ уксусная кислота ⟶ этилацетат;

б) бутан ⟶ 2-бромбутан ⟶ бутен-2 ⟶ уксусная кислота ⟶ ацетат натрия;

в) пропанол ⟶ пропановая кислота ⟶ пропионат натрия ⟶ этан ⟶ бромэтан;

г) глюкоза ⟶ этанол ⟶ уксусная кислота ⟶ метилацетат ⟶ ацетат натрия;

д) бензол ⟶ циклогексан ⟶ хлорциклогексан ⟶ циклогексен ⟶ адипиновая кислота;

е) уксусная кислота ⟶ хлоруксусная кислота ⟶ метил хлорацетат ⟶ метил гидроксиацетат;

ж) толуол ⟶ бензойная кислота ⟶ этилбензоат ⟶ бензоат натрия ⟶ бензол;

з) 1,1,1-трихлорбутан ⟶ бутаноат (бутират) натрия ⟶ бутановая (масляная) кислота ⟶ бутаноат аммония ⟶ амид бутановой кислоты (бути рамид);

и) бромэтан ⟶ пропаннитрил ⟶ пропановая кислота ⟶ пропионат натрия ⟶ бутан;

к) этилацетат ⟶ ацетат натрия ⟶ этан ⟶ хлорэтан ⟶ бутан;

л) метан ⟶ хлорметан ⟶ метанол ⟶ уксусная кислота ⟶ ацетат кальция;

м) диэтилоксалат ⟶ щавелевая кислота ⟶ оксалат натрия ⟶ оксалат кальция.

а) этан → хлорэтан → этанол → уксусная кислота → этилацетат

Решение

1. Получение хлорэтана из этана осуществляется реакцией радикального замещения (хлорирование) на свету ($h\nu$):

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

2. Получение этанола из хлорэтана проводится путем щелочного гидролиза в водном растворе:

$CH_3-CH_2Cl + NaOH_{ (водн.) } \rightarrow CH_3-CH_2OH + NaCl$

3. Окисление этанола до уксусной кислоты сильным окислителем, например, перманганатом калия в кислой среде:

$5C_2H_5OH + 4KMnO_4 + 6H_2SO_4 \rightarrow 5CH_3COOH + 4MnSO_4 + 2K_2SO_4 + 11H_2O$

4. Получение этилацетата реакцией этерификации из уксусной кислоты и этанола в присутствии концентрированной серной кислоты:

$CH_3COOH + C_2H_5OH \xrightleftharpoons{H_2SO_4(конц.)} CH_3COOC_2H_5 + H_2O$

Ответ: 1. $Cl_2, h\nu$; 2. $NaOH$ (водный раствор); 3. $KMnO_4, H_2SO_4$; 4. $C_2H_5OH, H_2SO_4$ (конц.).

б) бутан → 2-бромбутан → бутен-2 → уксусная кислота → ацетат натрия

Решение

1. Бромирование бутана приводит преимущественно к образованию 2-бромбутана (по правилу Марковникова для радикального замещения):

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

2. Дегидробромирование 2-бромбутана спиртовым раствором щелочи приводит к образованию бутена-2 (по правилу Зайцева):

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

3. Жесткое окисление бутена-2 перманганатом калия в кислой среде с разрывом двойной связи приводит к образованию двух молекул уксусной кислоты:

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

4. Нейтрализация уксусной кислоты гидроксидом натрия дает ацетат натрия:

$CH_3COOH + NaOH \rightarrow CH_3COONa + H_2O$

Ответ: 1. $Br_2, h\nu$; 2. $KOH$ (спиртовой раствор); 3. $KMnO_4, H_2SO_4, t$; 4. $NaOH$.

в) пропанол → пропановая кислота → пропионат натрия → этан → бромэтан

Решение

1. Окисление пропанола-1 до пропановой кислоты сильным окислителем:

$5CH_3CH_2CH_2OH + 4KMnO_4 + 6H_2SO_4 \rightarrow 5CH_3CH_2COOH + 4MnSO_4 + 2K_2SO_4 + 11H_2O$

2. Получение пропионата натрия реакцией нейтрализации пропановой кислоты:

$CH_3CH_2COOH + NaOH \rightarrow CH_3CH_2COONa + H_2O$

3. Декарбоксилирование пропионата натрия сплавлением с твердой щелочью (реакция Дюма):

$CH_3CH_2COONa + NaOH_{ (тв.) } \xrightarrow{t} CH_3-CH_3 + Na_2CO_3$

4. Радикальное бромирование этана на свету:

$CH_3-CH_3 + Br_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CH_2Br + HBr$

Ответ: 1. $KMnO_4, H_2SO_4$; 2. $NaOH$; 3. $NaOH$ (тв.), $t$; 4. $Br_2, h\nu$.

г) глюкоза → этанол → уксусная кислота → метилацетат → ацетат натрия

Решение

1. Спиртовое брожение глюкозы под действием ферментов дрожжей:

$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2C_2H_5OH + 2CO_2\uparrow$

2. Окисление этанола до уксусной кислоты (уксуснокислое брожение):

$C_2H_5OH + O_2 \xrightarrow{ферменты} CH_3COOH + H_2O$

3. Реакция этерификации уксусной кислоты метанолом:

$CH_3COOH + CH_3OH \xrightleftharpoons{H_2SO_4(конц.)} CH_3COOCH_3 + H_2O$

4. Щелочной гидролиз (омыление) метилацетата:

$CH_3COOCH_3 + NaOH \rightarrow CH_3COONa + CH_3OH$

Ответ: 1. Дрожжи; 2. $O_2$, ферменты; 3. $CH_3OH, H_2SO_4$ (конц.); 4. $NaOH$.

д) бензол → циклогексан → хлорциклогексан → циклогексен → адипиновая кислота

Решение

1. Гидрирование бензола в присутствии катализатора при высокой температуре и давлении:

$C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow{Ni, t, p} C_6H_{12}$

2. Радикальное хлорирование циклогексана на свету:

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

3. Дегидрохлорирование хлорциклогексана спиртовым раствором щелочи:

$C_6H_{11}Cl + KOH_{ (спирт.) } \rightarrow C_6H_{10} + KCl + H_2O$

4. Окисление циклогексена с разрывом цикла с образованием адипиновой кислоты:

$5C_6H_{10} + 8KMnO_4 + 12H_2SO_4 \xrightarrow{t} 5HOOC-(CH_2)_4-COOH + 8MnSO_4 + 4K_2SO_4 + 2H_2O$

Ответ: 1. $H_2, Ni, t, p$; 2. $Cl_2, h\nu$; 3. $KOH$ (спиртовой раствор); 4. $KMnO_4, H_2SO_4, t$.

е) уксусная кислота → хлоруксусная кислота → метил хлорацетат → метил гидроксиацетат

Решение

1. Хлорирование уксусной кислоты в α-положение в присутствии красного фосфора (реакция Геля-Фольгарда-Зелинского):

$CH_3COOH + Cl_2 \xrightarrow{P_{красн.}} ClCH_2COOH + HCl$

2. Этерификация хлоруксусной кислоты метанолом:

$ClCH_2COOH + CH_3OH \xrightleftharpoons{H_2SO_4(конц.)} ClCH_2COOCH_3 + H_2O$

3. Нуклеофильное замещение атома хлора на гидроксогруппу. Чтобы избежать омыления сложноэфирной группы, используют мягкие условия, например, реакцию с водным раствором гидрокарбоната натрия:

$ClCH_2COOCH_3 + NaHCO_{3(водн.)} \rightarrow HOCH_2COOCH_3 + NaCl + CO_2\uparrow$

Ответ: 1. $Cl_2, P_{красн.}$; 2. $CH_3OH, H_2SO_4$ (конц.); 3. $NaHCO_3$ (водный раствор).

ж) толуол → бензойная кислота → этилбензоат → бензоат натрия → бензол

Решение

1. Окисление толуола до бензойной кислоты перманганатом калия в кислой среде при нагревании:

$5C_6H_5CH_3 + 6KMnO_4 + 9H_2SO_4 \xrightarrow{t} 5C_6H_5COOH + 6MnSO_4 + 3K_2SO_4 + 14H_2O$

2. Этерификация бензойной кислоты этанолом:

$C_6H_5COOH + C_2H_5OH \xrightleftharpoons{H_2SO_4(конц.)} C_6H_5COOC_2H_5 + H_2O$

3. Щелочной гидролиз этилбензоата:

$C_6H_5COOC_2H_5 + NaOH \rightarrow C_6H_5COONa + C_2H_5OH$

4. Декарбоксилирование бензоата натрия сплавлением с твердой щелочью:

$C_6H_5COONa + NaOH_{ (тв.) } \xrightarrow{t} C_6H_6 + Na_2CO_3$

Ответ: 1. $KMnO_4, H_2SO_4, t$; 2. $C_2H_5OH, H_2SO_4$ (конц.); 3. $NaOH$; 4. $NaOH$ (тв.), $t$.

з) 1,1,1-трихлорбутан → бутаноат (бутират) натрия → бутановая (масляная) кислота → бутаноат аммония → амид бутановой кислоты (бутирамид)

Решение

1. Полный щелочной гидролиз 1,1,1-трихлорбутана с образованием соли карбоновой кислоты:

$CH_3CH_2CH_2CCl_3 + 4NaOH_{ (водн.) } \xrightarrow{t} CH_3CH_2CH_2COONa + 3NaCl + 2H_2O$

2. Получение бутановой кислоты действием сильной кислоты на ее соль:

$CH_3CH_2CH_2COONa + H_2SO_{4(разб.)} \rightarrow CH_3CH_2CH_2COOH + NaHSO_4$

3. Реакция бутановой кислоты с водным раствором аммиака с образованием соли аммония:

$CH_3CH_2CH_2COOH + NH_3 \cdot H_2O \rightarrow CH_3CH_2CH_2COONH_4 + H_2O$

4. Дегидратация бутаноата аммония при нагревании с образованием амида:

$CH_3CH_2CH_2COONH_4 \xrightarrow{t} CH_3CH_2CH_2CONH_2 + H_2O$

Ответ: 1. $NaOH$ (водный раствор), $t$; 2. $H_2SO_4$; 3. $NH_3 \cdot H_2O$; 4. Нагревание ($t$).

и) бромэтан → пропаннитрил → пропановая кислота → пропионат натрия → бутан

Решение

1. Удлинение углеродной цепи бромэтана на один атом углерода с помощью цианида калия (или натрия) в спиртовом растворе:

$CH_3CH_2Br + KCN \xrightarrow{C_2H_5OH} CH_3CH_2CN + KBr$

2. Кислотный гидролиз пропаннитрила до пропановой кислоты:

$CH_3CH_2CN + 2H_2O + H^+ \xrightarrow{t} CH_3CH_2COOH + NH_4^+$

3. Нейтрализация пропановой кислоты щелочью:

$CH_3CH_2COOH + NaOH \rightarrow CH_3CH_2COONa + H_2O$

4. Электролиз водного раствора пропионата натрия (реакция Кольбе) с удвоением радикала и образованием бутана:

$2CH_3CH_2COONa + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} CH_3CH_2CH_2CH_3 + 2CO_2\uparrow + H_2\uparrow + 2NaOH$

Ответ: 1. $KCN$ (спиртовой раствор); 2. $H_2O, H^+$; 3. $NaOH$; 4. Электролиз водного раствора.

к) этилацетат → ацетат натрия → этан → хлорэтан → бутан

Решение

1. Щелочной гидролиз (омыление) этилацетата:

$CH_3COOC_2H_5 + NaOH \rightarrow CH_3COONa + C_2H_5OH$

2. Электролиз водного раствора ацетата натрия (реакция Кольбе):

$2CH_3COONa + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} CH_3-CH_3 + 2CO_2\uparrow + H_2\uparrow + 2NaOH$

3. Радикальное хлорирование этана на свету:

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

4. Удвоение углеродной цепи хлорэтана по реакции Вюрца:

$2CH_3-CH_2Cl + 2Na \rightarrow CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + 2NaCl$

Ответ: 1. $NaOH$; 2. Электролиз водного раствора; 3. $Cl_2, h\nu$; 4. $Na$.

л) метан → хлорметан → метанол → уксусная кислота → ацетат кальция

Решение

1. Хлорирование метана на свету:

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

2. Щелочной гидролиз хлорметана:

$CH_3Cl + NaOH_{ (водн.) } \rightarrow CH_3OH + NaCl$

3. Получение уксусной кислоты из метанола (промышленный метод - карбонилирование метанола):

$CH_3OH + CO \xrightarrow{Rh/I^- катализатор, t, p} CH_3COOH$

4. Нейтрализация уксусной кислоты гидроксидом кальция:

$2CH_3COOH + Ca(OH)_2 \rightarrow (CH_3COO)_2Ca + 2H_2O$

Ответ: 1. $Cl_2, h\nu$; 2. $NaOH$ (водный раствор); 3. $CO$, катализатор ($Rh/I^-$); 4. $Ca(OH)_2$.

м) диэтилоксалат → щавелевая кислота → оксалат натрия → оксалат кальция

Решение

1. Кислотный гидролиз диэтилоксалата (диэтилового эфира щавелевой кислоты):

$(COOC_2H_5)_2 + 2H_2O \xrightleftharpoons{H^+, t} (COOH)_2 + 2C_2H_5OH$

2. Полная нейтрализация двухосновной щавелевой кислоты гидроксидом натрия:

$(COOH)_2 + 2NaOH \rightarrow (COONa)_2 + 2H_2O$

3. Получение нерастворимого оксалата кальция по реакции ионного обмена:

$(COONa)_2 + CaCl_2 \rightarrow (COO)_2Ca\downarrow + 2NaCl$

Ответ: 1. $H_2O, H^+$; 2. $NaOH$ (избыток); 3. $CaCl_2$.