Номер 192, страница 118 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.192. Хиральная карбоновая кислота ${\mathrm{С}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{Н}}_{2\mathrm{n}}{\mathrm{О}}_2$ вступила в реакцию этерификации с хиральным первичным спиртом состава ${\mathrm{C}}_{\mathrm{m}}{\mathrm{H}}_{2\mathrm{m}+2}\mathrm{O}.$ Изобразите структурные формулы соединений с минимальными значениями n и m. Сколько изомерных сложных эфиров можно получить в данной реакции? Изобразите каждый из изомеров и укажите абсолютную конфигурацию каждого стереоцентра.

Дано:

Хиральная карбоновая кислота: $C_nH_{2n}O_2$
Хиральный первичный спирт: $C_mH_{2m+2}O$
Значения $n$ и $m$ - минимально возможные.

Найти:

1. Структурные формулы кислоты и спирта с минимальными $n$ и $m$.
2. Количество изомерных сложных эфиров, которые можно получить.
3. Структурные формулы и абсолютные конфигурации каждого изомерного эфира.

Решение:

Изобразите структурные формулы соединений с минимальными значениями n и m.

1. Хиральная карбоновая кислота $C_nH_{2n}O_2$. Общая формула соответствует насыщенной одноосновной карбоновой кислоте. Чтобы кислота была хиральной, она должна содержать асимметрический атом углерода (стереоцентр), связанный с четырьмя различными заместителями. Простейшим вариантом является структура, в которой $\alpha$-атом углерода (второй атом в цепи) является стереоцентром. Для этого он должен быть связан с карбоксильной группой ($-COOH$), атомом водорода ($-H$) и двумя различными алкильными группами. Самыми простыми различными алкильными группами являются метил ($-CH_3$) и этил ($-C_2H_5$). Таким образом, получаем структуру 2-метилбутановой кислоты. При меньшем числе атомов углерода (например, $n=4$, бутановая и 2-метилпропановая кислоты) хиральные карбоновые кислоты не существуют. Следовательно, минимальное значение $n=5$.

Структурная формула кислоты (2-метилбутановая кислота):
$CH_3-CH_2-CH(CH_3)-COOH$

2. Хиральный первичный спирт $C_mH_{2m+2}O$. Общая формула соответствует насыщенному одноатомному спирту. Так как спирт является первичным, он содержит группу $-CH_2OH$. Атом углерода в этой группе не может быть стереоцентром, так как он связан с двумя одинаковыми атомами водорода. Следовательно, стереоцентр должен находиться в алкильном радикале. Для создания хирального центра, атом углерода в радикале должен быть связан с четырьмя различными группами. В простейшем случае это: группа $-CH_2OH$, атом водорода ($-H$), метильная группа ($-CH_3$) и этильная группа ($-C_2H_5$). Таким образом, получаем структуру 2-метилбутан-1-ола. Первичные спирты с меньшим числом атомов углерода (например, $m=4$, бутан-1-ол и 2-метилпропан-1-ол) являются ахиральными. Следовательно, минимальное значение $m=5$.

Структурная формула спирта (2-метилбутан-1-ол):
$CH_3-CH_2-CH(CH_3)-CH_2OH$

Ответ: Минимальное значение $n=5$, кислота — 2-метилбутановая кислота, $CH_3CH_2CH(CH_3)COOH$. Минимальное значение $m=5$, спирт — 2-метилбутан-1-ол, $CH_3CH_2CH(CH_3)CH_2OH$.

Сколько изомерных сложных эфиров можно получить в данной реакции?

Реакция этерификации протекает между хиральной кислотой и хиральным спиртом. Каждый из этих реагентов существует в виде пары энантиомеров: (R)- и (S)-2-метилбутановая кислота, а также (R)- и (S)-2-метилбутан-1-ол. При взаимодействии этих соединений возможны четыре комбинации, приводящие к образованию четырех различных стереоизомерных сложных эфиров:

1. (R)-кислота + (R)-спирт $\rightarrow$ (R,R)-эфир
2. (S)-кислота + (S)-спирт $\rightarrow$ (S,S)-эфир
3. (R)-кислота + (S)-спирт $\rightarrow$ (R,S)-эфир
4. (S)-кислота + (R)-спирт $\rightarrow$ (S,R)-эфир

Эфиры (R,R) и (S,S) являются парой энантиомеров. Эфиры (R,S) и (S,R) также являются парой энантиомеров. Любой изомер из первой пары является диастереомером по отношению к любому изомеру из второй пары. Таким образом, в результате реакции образуется четыре различных стереоизомера.

Ответ: Можно получить 4 изомерных сложных эфира.

Изобразите каждый из изомеров и укажите абсолютную конфигурацию каждого стереоцентра.

Сложный эфир, образующийся в реакции, называется (2-метилбутил) 2-метилбутаноат. Его общая структурная формула:
$CH_3-CH_2-\stackrel{2}{C}H(CH_3)-COO-CH_2-\stackrel{2'}{C}H(CH_3)-CH_2-CH_3$

Молекула имеет два стереоцентра: C-2 в остатке 2-метилбутановой кислоты и C-2' в 2-метилбутильном остатке спирта. Ниже представлены четыре стереоизомера с указанием их абсолютной конфигурации.

1. (2R)-2-метилбутил (2R)-2-метилбутаноат
Структурная формула: $CH_3CH_2CH(CH_3)COOCH_2CH(CH_3)CH_2CH_3$
Абсолютная конфигурация: стереоцентр C-2 в кислотном остатке имеет R-конфигурацию, стереоцентр C-2' в спиртовом остатке имеет R-конфигурацию.

2. (2S)-2-метилбутил (2S)-2-метилбутаноат
Структурная формула: $CH_3CH_2CH(CH_3)COOCH_2CH(CH_3)CH_2CH_3$
Абсолютная конфигурация: стереоцентр C-2 в кислотном остатке имеет S-конфигурацию, стереоцентр C-2' в спиртовом остатке имеет S-конфигурацию. (Энантиомер изомера 1).

3. (2S)-2-метилбутил (2R)-2-метилбутаноат
Структурная формула: $CH_3CH_2CH(CH_3)COOCH_2CH(CH_3)CH_2CH_3$
Абсолютная конфигурация: стереоцентр C-2 в кислотном остатке имеет R-конфигурацию, стереоцентр C-2' в спиртовом остатке имеет S-конфигурацию. (Диастереомер изомеров 1 и 2).

4. (2R)-2-метилбутил (2S)-2-метилбутаноат
Структурная формула: $CH_3CH_2CH(CH_3)COOCH_2CH(CH_3)CH_2CH_3$
Абсолютная конфигурация: стереоцентр C-2 в кислотном остатке имеет S-конфигурацию, стереоцентр C-2' в спиртовом остатке имеет R-конфигурацию. (Энантиомер изомера 3).

Ответ: Образуются четыре стереоизомера (2-метилбутил) 2-метилбутаноата: (R,R), (S,S), (R,S), (S,R), как описано выше.