Номер 186, страница 117 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.186. Получите карбоновую кислоту из: а) сложного эфира; б) алкена; в) алкина; г) нитрила; д) кетона; е) альдегида; ж) спирта; з) реактива Гриньяра.

а) из сложного эфира

Карбоновые кислоты можно получить гидролизом сложных эфиров. Гидролиз может быть кислотным (обратимый процесс) или щелочным (необратимый процесс, омыление).
1. Кислотный гидролиз: сложный эфир нагревают с водным раствором сильной кислоты (например, $H_2SO_4$). Реакция является равновесной.
$R-COO-R' + H_2O \stackrel{H^+, t^\circ}{\rightleftharpoons} R-COOH + R'-OH$
2. Щелочной гидролиз (омыление): сложный эфир нагревают с водным раствором щелочи (например, $NaOH$). Образуется соль карбоновой кислоты (карбоксилат) и спирт. Затем соль обрабатывают сильной кислотой для получения свободной карбоновой кислоты.
$R-COO-R' + NaOH \xrightarrow{t^\circ} R-COONa + R'-OH$
$R-COONa + HCl \rightarrow R-COOH + NaCl$
Щелочной гидролиз предпочтительнее для синтеза, так как он необратим и обеспечивает более высокий выход продукта.
Ответ: Карбоновую кислоту получают путем кислотного или щелочного гидролиза сложного эфира.

б) из алкена

Карбоновые кислоты можно получить при окислении алкенов сильными окислителями (например, перманганатом калия $KMnO_4$ или дихроматом калия $K_2Cr_2O_7$ в кислой среде при нагревании). При этом происходит разрыв двойной связи.
В зависимости от строения алкена продуктами могут быть две молекулы карбоновых кислот, карбоновая кислота и кетон, или карбоновая кислота и углекислый газ.
Пример окисления алкена с неконцевой двойной связью:
$R-CH=CH-R' \xrightarrow{KMnO_4, H_2SO_4, t^\circ} R-COOH + R'-COOH$
Пример окисления алкена с концевой двойной связью:
$R-CH=CH_2 \xrightarrow{KMnO_4, H_2SO_4, t^\circ} R-COOH + CO_2$
Другой метод — озонолиз алкена с последующей окислительной обработкой (например, пероксидом водорода $H_2O_2$).
$R-CH=CH-R' \xrightarrow{1. O_3; 2. H_2O_2} R-COOH + R'-COOH$
Ответ: Карбоновую кислоту получают путем окислительного расщепления двойной связи в алкене с помощью сильных окислителей ($KMnO_4$, $K_2Cr_2O_7$) или озонолиза с последующей окислительной обработкой.

в) из алкина

Подобно алкенам, алкины подвергаются окислительному расщеплению тройной связи с образованием карбоновых кислот. В качестве окислителей используют перманганат калия или озон.
1. Окисление перманганатом калия:
$R-C \equiv C-R' \xrightarrow{KMnO_4, H_2SO_4, t^\circ} R-COOH + R'-COOH$
2. Озонолиз: алкин реагирует с озоном, и последующая обработка озонида водой приводит к образованию двух карбоновых кислот.
$R-C \equiv C-R' \xrightarrow{1. O_3; 2. H_2O} R-COOH + R'-COOH$
Терминальные алкины ($R-C \equiv CH$) окисляются до карбоновой кислоты и углекислого газа.
$R-C \equiv CH \xrightarrow{KMnO_4, H_2SO_4, t^\circ} R-COOH + CO_2$
Ответ: Карбоновую кислоту получают путем окислительного расщепления тройной связи в алкине с помощью $KMnO_4$ или озонолиза.

г) из нитрила

Карбоновые кислоты получают гидролизом нитрилов ($R-C \equiv N$) при нагревании в присутствии кислоты или щелочи. При этом нитрильная группа ($–C \equiv N$) превращается в карбоксильную ($–COOH$).
1. Кислотный гидролиз: нитрил нагревают с водным раствором минеральной кислоты.
$R-C \equiv N + 2H_2O + HCl \xrightarrow{t^\circ} R-COOH + NH_4Cl$
2. Щелочной гидролиз: нитрил нагревают с раствором щелочи, при этом образуется соль карбоновой кислоты. Последующее подкисление дает свободную кислоту.
$R-C \equiv N + NaOH + H_2O \xrightarrow{t^\circ} R-COONa + NH_3$
$R-COONa + HCl \rightarrow R-COOH + NaCl$
Этот метод позволяет получить кислоту с тем же числом атомов углерода, что и в исходном нитриле.
Ответ: Карбоновую кислоту получают гидролизом нитрила в кислой или щелочной среде.

д) из кетона

Кетоны, как правило, устойчивы к окислению. Однако их можно окислить в жестких условиях, что приводит к разрыву углерод-углеродной связи и образованию смеси кислот с меньшей длиной цепи.
Более специфичным методом является галоформная реакция, которая применима к метилкетонам (кетонам, содержащим ацетильную группу $CH_3-CO-$). Метилкетон обрабатывают галогеном в щелочной среде. В результате образуется карбоксилат, содержащий на один атом углерода меньше, и галоформ.
$R-CO-CH_3 + 3I_2 + 4NaOH \rightarrow R-COONa + CHI_3 \downarrow + 3NaI + 3H_2O$
Полученный карбоксилат натрия затем подкисляют для получения карбоновой кислоты.
$R-COONa + H^+ \rightarrow R-COOH + Na^+$
Ответ: Карбоновые кислоты можно получить из кетонов путем окисления в жестких условиях или, более специфично, из метилкетонов через галоформную реакцию.

е) из альдегида

Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот с сохранением числа атомов углерода. Окисление можно проводить различными окислителями.
1. Сильные окислители, такие как перманганат калия ($KMnO_4$) или дихромат калия ($K_2Cr_2O_7$) в кислой среде.
$5R-CHO + 2KMnO_4 + 3H_2SO_4 \rightarrow 5R-COOH + K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 3H_2O$
2. Мягкие окислители, такие как аммиачный раствор оксида серебра (реактив То́лленса).
$R-CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \rightarrow R-COONH_4 + 2Ag \downarrow + 3NH_3 + H_2O$
Затем аммонийную соль подкисляют для выделения свободной кислоты.
$R-COONH_4 + HCl \rightarrow R-COOH + NH_4Cl$
Ответ: Карбоновую кислоту получают окислением альдегида сильными ($KMnO_4$) или мягкими (реактив Толленса) окислителями.

ж) из спирта

Первичные спирты ($R-CH_2OH$) могут быть окислены до карбоновых кислот с тем же числом атомов углерода с помощью сильных окислителей. Окисление протекает через промежуточное образование альдегида.
$R-CH_2OH \xrightarrow{[O]} R-CHO \xrightarrow{[O]} R-COOH$
В качестве окислителей обычно используют перманганат калия ($KMnO_4$) или дихромат калия ($K_2Cr_2O_7$) в кислой среде при нагревании.
Суммарная реакция, например, с дихроматом калия:
$3R-CH_2OH + 2K_2Cr_2O_7 + 8H_2SO_4 \xrightarrow{t^\circ} 3R-COOH + 2K_2SO_4 + 2Cr_2(SO_4)_3 + 11H_2O$
Окисление вторичных спиртов приводит к кетонам, а третичные спирты в этих условиях, как правило, устойчивы.
Ответ: Карбоновую кислоту получают окислением первичного спирта сильными окислителями, такими как $KMnO_4$ или $K_2Cr_2O_7$.

з) из реактива Гриньяра

Реактивы Гриньяра ($R-MgX$) реагируют с диоксидом углерода ($CO_2$, обычно в виде "сухого льда") с образованием карбоновых кислот. Этот метод позволяет удлинить углеродную цепь на один атом.
Реакция проходит в две стадии:
1. Карбоксилирование: реактив Гриньяра реагирует с $CO_2$.
$R-MgX + CO_2 \rightarrow R-COOMgX$
2. Гидролиз: полученный магнийорганический комплекс разлагают водным раствором кислоты (например, $HCl$ или $H_2SO_4$) для получения свободной карбоновой кислоты.
$R-COOMgX + HCl \rightarrow R-COOH + MgXCl$
Ответ: Карбоновую кислоту получают реакцией реактива Гриньяра с диоксидом углерода с последующим кислотным гидролизом.