Номер 24, страница 86 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.24. Определите неизвестные вещества в цепочках превращений и запишите соответствующие уравнения реакций.

а) 1. Первая реакция — это свободно-радикальное хлорирование этана на свету. В результате этой реакции замещения образуется хлорэтан ($X_1$).

$C_2H_6 + Cl_2 \xrightarrow{свет} C_2H_5Cl + HCl$

2. Вторая реакция — гидролиз хлорэтана водным раствором гидроксида натрия. Происходит нуклеофильное замещение атома хлора на гидроксогруппу, в результате чего образуется спирт — этанол ($X_2$).

$C_2H_5Cl + NaOH \xrightarrow{H_2O} C_2H_5OH + NaCl$

3. Третья реакция — дегидратация этанола в присутствии концентрированной серной кислоты при нагревании. Внутримолекулярная дегидратация, приводящая к образованию алкена, обычно требует более высокой температуры (170-180 °C), однако в контексте учебных задач часто указывается просто нагрев. Продуктом является этен ($X_3$).

$C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4(конц.), t>140°C} CH_2=CH_2 \uparrow + H_2O$

Ответ: $X_1$ — хлорэтан ($C_2H_5Cl$), $X_2$ — этанол ($C_2H_5OH$), $X_3$ — этен ($CH_2=CH_2$).

б) Примечание: Цепочка превращений, по-видимому, содержит ошибку в реагентах для первой стадии ($CO \xrightarrow{NaOH, H_2O} X_1$). Реакция оксида углерода(II) с водным раствором щелочи в стандартных условиях не протекает с образованием вещества, которое бы вступало в последующие реакции с натрием. Промышленный синтез формиата натрия ($HCOONa$) из $CO$ и $NaOH$ требует высоких температур и давления. Формиат натрия не реагирует с металлическим натрием. Наиболее вероятной является опечатка, и предполагалась цепочка, начинающаяся с синтеза метанола из $CO$ и $H_2$. Ниже приведено решение для этого логичного варианта.

1. Предполагаемая первая стадия — синтез метанола ($X_1$) из оксида углерода(II) и водорода.

$CO + 2H_2 \xrightarrow{кат., t, p} CH_3OH$

2. Вторая реакция — взаимодействие спирта (метанола) с активным металлом (натрием) с образованием алкоголята — метоксида натрия ($X_2$).

$2CH_3OH + 2Na \rightarrow 2CH_3ONa + H_2 \uparrow$

3. Третья реакция — синтез простого эфира по реакции Вильямсона. Метоксид натрия реагирует с бромэтаном с образованием метилэтилового эфира ($X_3$).

$CH_3ONa + CH_3CH_2Br \rightarrow CH_3-O-CH_2CH_3 + NaBr$

Ответ: (При условии исправления) $X_1$ — метанол ($CH_3OH$), $X_2$ — метоксид натрия ($CH_3ONa$), $X_3$ — метилэтиловый эфир ($CH_3-O-C_2H_5$).

в) 1. Первая реакция — свободно-радикальное бромирование циклогексана на свету. Один из атомов водорода в цикле замещается на атом брома, образуется бромциклогексан ($X_1$).

$C_6H_{12} + Br_2 \xrightarrow{свет} C_6H_{11}Br + HBr$

2. Вторая реакция — дегидробромирование бромциклогексана спиртовым раствором щелочи при нагревании. Это реакция элиминирования, в результате которой образуется двойная связь и получается циклогексен ($X_2$).

$C_6H_{11}Br + KOH \xrightarrow{C_2H_5OH, t} C_6H_{10} + KBr + H_2O$

3. Третья реакция — мягкое окисление циклогексена холодным водным раствором перманганата калия (реакция Вагнера). Происходит разрыв π-связи и присоединение двух гидроксогрупп с образованием двухатомного спирта — циклогексан-1,2-диола ($X_3$).

$3C_6H_{10} + 2KMnO_4 + 4H_2O \xrightarrow{0°C} 3C_6H_{10}(OH)_2 + 2MnO_2 \downarrow + 2KOH$

Ответ: $X_1$ — бромциклогексан ($C_6H_{11}Br$), $X_2$ — циклогексен ($C_6H_{10}$), $X_3$ — циклогексан-1,2-диол ($C_6H_{10}(OH)_2$).

г) 1. Первая реакция — свободно-радикальное хлорирование толуола (метилбензола) на свету. Хлорирование идет по боковой цепи (алкильному заместителю), а не в ароматическое кольцо. Образуется бензилхлорид ($X_1$).

$C_6H_5CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{свет} C_6H_5CH_2Cl + HCl$

2. Вторая реакция — гидролиз бензилхлорида водным раствором щелочи. Происходит замещение хлора на гидроксильную группу с образованием бензилового спирта ($X_2$).

$C_6H_5CH_2Cl + NaOH \xrightarrow{H_2O} C_6H_5CH_2OH + NaCl$

3. Третья реакция — жесткое окисление первичного спирта (бензилового спирта) перманганатом калия в кислой среде при нагревании. Спиртовая группа окисляется до карбоксильной, образуется бензойная кислота ($X_3$).

$5C_6H_5CH_2OH + 2KMnO_4 + 3H_2SO_4 \xrightarrow{t} 5C_6H_5COOH + K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 8H_2O$

Ответ: $X_1$ — бензилхлорид ($C_6H_5CH_2Cl$), $X_2$ — бензиловый спирт ($C_6H_5CH_2OH$), $X_3$ — бензойная кислота ($C_6H_5COOH$).

д) 1. Первая реакция — свободно-радикальное хлорирование пропена на свету. В этих условиях происходит замещение атома водорода в аллильном положении (углерод, соседний с двойной связью), а не присоединение по двойной связи. Образуется 3-хлорпроп-1-ен (аллилхлорид, $X_1$).

$CH_2=CH-CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{свет} CH_2=CH-CH_2Cl + HCl$

2. Вторая реакция — гидролиз аллилхлорида водным раствором щелочи. Образуется ненасыщенный спирт — проп-2-ен-1-ол (аллиловый спирт, $X_2$).

$CH_2=CH-CH_2Cl + NaOH \xrightarrow{H_2O} CH_2=CH-CH_2OH + NaCl$

3. Третья реакция — каталитическое гидрирование аллилового спирта. Водород присоединяется по двойной связи, не затрагивая спиртовую группу. Образуется предельный первичный спирт — пропан-1-ол ($X_3$).

$CH_2=CH-CH_2OH + H_2 \xrightarrow{Pt} CH_3-CH_2-CH_2OH$

Ответ: $X_1$ — 3-хлорпроп-1-ен ($CH_2=CH-CH_2Cl$), $X_2$ — проп-2-ен-1-ол ($CH_2=CH-CH_2OH$), $X_3$ — пропан-1-ол ($CH_3CH_2CH_2OH$).

е) 1. Первая реакция — кислотно-катализируемая гидратация этена. Происходит присоединение молекулы воды по двойной связи с образованием этанола ($X_1$).

$CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH_2OH$

2. Вторая реакция — замещение гидроксогруппы в этаноле на бром при реакции с концентрированной бромоводородной кислотой. Образуется бромэтан ($X_2$).

$CH_3-CH_2OH + HBr_{(конц.)} \rightarrow CH_3-CH_2Br + H_2O$

3. Третья реакция — реакция Вюрца. Две молекулы бромэтана реагируют с металлическим натрием, что приводит к удвоению углеродной цепи и образованию н-бутана ($X_3$).

$2CH_3-CH_2Br + 2Na \rightarrow CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + 2NaBr$

Ответ: $X_1$ — этанол ($CH_3CH_2OH$), $X_2$ — бромэтан ($CH_3CH_2Br$), $X_3$ — н-бутан ($C_4H_{10}$).

ж) 1. Первая реакция — каталитическое гидрирование ацетона (пропанона). Кетогруппа восстанавливается до вторичной спиртовой группы, образуется пропан-2-ол ($X_1$).

$CH_3-CO-CH_3 + H_2 \xrightarrow{Ni, t} CH_3-CH(OH)-CH_3$

2. Вторая реакция — внутримолекулярная дегидратация пропан-2-ола при высокой температуре в присутствии концентрированной серной кислоты. Образуется алкен — пропен ($X_2$).

$CH_3-CH(OH)-CH_3 \xrightarrow{H_2SO_4(конц.), 200°C} CH_2=CH-CH_3 + H_2O$

3. Третья реакция — жесткое окисление пропена перманганатом калия в кислой среде при нагревании. Происходит разрыв двойной связи. Группа $=CH_2$ окисляется до $CO_2$, а группа $=CH-CH_3$ — до уксусной кислоты ($X_3$).

$5CH_2=CH-CH_3 + 8KMnO_4 + 12H_2SO_4 \xrightarrow{t} 5CH_3COOH + 5CO_2 \uparrow + 4K_2SO_4 + 8MnSO_4 + 12H_2O$

Ответ: $X_1$ — пропан-2-ол ($CH_3CH(OH)CH_3$), $X_2$ — пропен ($CH_2=CH-CH_3$), $X_3$ — уксусная кислота ($CH_3COOH$).

з) 1. Первая реакция — гидратация ацетилена в присутствии солей ртути(II) (реакция Кучерова). Промежуточно образуется неустойчивый виниловый спирт, который изомеризуется в более стабильный ацетальдегид (этаналь, $X_1$).

$HC \equiv CH + H_2O \xrightarrow{HgSO_4, H_2SO_4} [CH_2=CH-OH] \rightarrow CH_3-CHO$

2. Вторая реакция — каталитическое гидрирование ацетальдегида. Альдегидная группа восстанавливается до первичной спиртовой группы, образуется этанол ($X_2$).

$CH_3-CHO + H_2 \xrightarrow{Ni, t} CH_3-CH_2OH$

3. Третья реакция — получение 1,3-бутадиена из этанола по методу Лебедева. Процесс протекает при высокой температуре над смешанным катализатором и включает одновременно реакции дегидратации и дегидрирования. Продукт — бута-1,3-диен ($X_3$).

$2CH_3-CH_2OH \xrightarrow{ZnO/Al_2O_3, t} CH_2=CH-CH=CH_2 + 2H_2O + H_2 \uparrow$

Ответ: $X_1$ — ацетальдегид ($CH_3CHO$), $X_2$ — этанол ($C_2H_5OH$), $X_3$ — бута-1,3-диен ($CH_2=CH-CH=CH_2$).