Номер 200, страница 120 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.200. Ниже приведены схемы термического разложения трёх органических веществ А, Г и Е, являющихся ближайшими гомологами:

А ⟶ Б + В

Г ⟶ Д + В

Е ⟶ Ж + ${\mathbf{Н}}_{\mathbf{2}}\mathbf{О}$

Определите неизвестные вещества, если известно, что водные растворы соединений А, Б, Г, Д и Е окрашивают лакмус в красный цвет. Приведите тривиальные и систематические названия веществ А–Е. Напишите уравнение реакции соединения Ж с бензолом в присутствии хлорида алюминия.

1. Определение неизвестных веществ

Из условия известно, что водные растворы соединений А, Б, Г, Д и Е окрашивают лакмус в красный цвет. Это означает, что все эти вещества являются кислотами. Поскольку это органические вещества, вероятнее всего, это карбоновые кислоты.

Вещества А, Г и Е являются ближайшими гомологами, то есть последовательными членами одного гомологического ряда.

Рассмотрим представленные схемы термического разложения:

$A \rightarrow Б + В$

$Г \rightarrow Д + В$

$E \rightarrow Ж + H_2O$

Третья реакция, $E \rightarrow Ж + H_2O$, является реакцией дегидратации (отщепления воды). Такая реакция характерна для дикарбоновых кислот, которые при нагревании способны образовывать устойчивые 5- или 6-членные циклические ангидриды.

Первые две реакции, в которых из одной кислоты (А или Г) образуется другая кислота (Б или Д) и общее вещество В, характерны для реакции декарбоксилирования (отщепления $CO_2$). Такой тип разложения свойственен, например, щавелевой и малоновой кислотам.

Объединив эти наблюдения, можно сделать вывод, что А, Г и Е являются первыми членами гомологического ряда дикарбоновых кислот общей формулы $HOOC-(CH_2)_n-COOH$.

Проверим эту гипотезу:

• Если n=0, вещество А — это щавелевая кислота, $HOOC-COOH$. При нагревании она может разлагаться с образованием муравьиной кислоты (Б) и диоксида углерода (В):
$HOOC-COOH \xrightarrow{t^\circ} HCOOH + CO_2$
Вещество Б (муравьиная кислота) является кислотой, а вещество В - диоксид углерода. Это соответствует схеме $A \rightarrow Б + В$.

• Если n=1, вещество Г — это малоновая кислота, $HOOC-CH_2-COOH$. Она является ближайшим гомологом щавелевой кислоты. При нагревании она декарбоксилируется до уксусной кислоты (Д) и диоксида углерода (В):
$HOOC-CH_2-COOH \xrightarrow{t^\circ} CH_3COOH + CO_2$
Вещество Д (уксусная кислота) также является кислотой, а вещество В ($CO_2$) то же, что и в первой реакции. Это соответствует схеме $Г \rightarrow Д + В$.

• Если n=2, вещество Е — это янтарная кислота, $HOOC-(CH_2)_2-COOH$. Она является следующим гомологом. При нагревании она претерпевает внутримолекулярную дегидратацию с образованием янтарного ангидрида (Ж):
$HOOC-(CH_2)_2-COOH \xrightarrow{t^\circ} (CH_2CO)_2O + H_2O$
Это полностью соответствует третьей схеме $E \rightarrow Ж + H_2O$.

Таким образом, данная гипотеза верна, и все вещества определены.

Ответ: А — щавелевая кислота ($HOOC-COOH$); Б — муравьиная кислота ($HCOOH$); В — диоксид углерода ($CO_2$); Г — малоновая кислота ($HOOC-CH_2-COOH$); Д — уксусная кислота ($CH_3COOH$); Е — янтарная кислота ($HOOC-(CH_2)_2-COOH$); Ж — янтарный ангидрид ($(CH_2CO)_2O$).

2. Тривиальные и систематические названия веществ А—Е

А: щавелевая кислота (тривиальное), этандиовая кислота (систематическое).

Б: муравьиная кислота (тривиальное), метановая кислота (систематическое).

Г: малоновая кислота (тривиальное), пропандиовая кислота (систематическое).

Д: уксусная кислота (тривиальное), этановая кислота (систематическое).

Е: янтарная кислота (тривиальное), бутандиовая кислота (систематическое).

Ответ:
А: щавелевая кислота (этандиовая кислота).
Б: муравьиная кислота (метановая кислота).
Г: малоновая кислота (пропандиовая кислота).
Д: уксусная кислота (этановая кислота).
Е: янтарная кислота (бутандиовая кислота).

3. Уравнение реакции соединения Ж с бензолом в присутствии хлорида алюминия

Вещество Ж — это янтарный ангидрид. Его реакция с бензолом в присутствии катализатора хлорида алюминия ($AlCl_3$) является реакцией ацилирования по Фриделю-Крафтсу. В ходе реакции происходит раскрытие цикла ангидрида и присоединение ацильной группы к бензольному кольцу с образованием 4-оксо-4-фенилбутановой кислоты (также известной как β-бензоилпропионовая кислота).

Уравнение реакции:

$C_6H_6 + (CH_2CO)_2O \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5-CO-CH_2-CH_2-COOH$

Ответ: $C_6H_6 + (CH_2CO)_2O \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5-CO-CH_2-CH_2-COOH$