Страница 109 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.147. Классическим методом органического синтеза является осуществление превращений на основе 1,3-дикарбонильных соединений. Почему подобные соединения обладают очень высокой С–Н-кислотностью? Используя в качестве исходного реагента ацетоуксусный эфир (этилацетоацетат), предложите синтез: а) пентанона-2; б) пентановой кислоты; в) 3-этилпентанона-2; г) гексен-5-овой кислоты.

1,3-дикарбонильные соединения, такие как ацетоуксусный эфир, обладают очень высокой C–H-кислотностью из-за стабилизации образующегося сопряженного основания (енолят-иона) за счет резонанса. Атомы водорода метиленовой группы ($–CH_2–$), находящейся между двумя карбонильными группами, являются подвижными. При отщеплении протона основанием (например, этилат-ионом $C_2H_5O^−$) образуется карбанион.

Отрицательный заряд в этом карбанионе эффективно делокализован между тремя атомами: центральным атомом углерода и двумя атомами кислорода карбонильных групп. Эта делокализация значительно стабилизирует анион, что, согласно теории Брёнстеда-Лоури, повышает кислотность исходного соединения. Чем стабильнее сопряженное основание, тем сильнее кислота.

Резонансные структуры енолят-иона ацетоуксусного эфира:

$CH_3–CO–\stackrel{\ominus}{C}H–COOC_2H_5 \leftrightarrow CH_3–C(\stackrel{\ominus}{O})=CH–COOC_2H_5 \leftrightarrow CH_3–CO–CH=C(\stackrel{\ominus}{O})–OC_2H_5$

Благодаря высокой стабильности этого енолят-иона, он легко образуется и может быть использован в качестве нуклеофила в реакциях алкилирования, что лежит в основе синтезов на основе ацетоуксусного эфира.

Решение

Синтезы на основе ацетоуксусного эфира (АУЭ) обычно включают три стадии:
1. Образование енолят-иона под действием основания (например, $NaOC_2H_5$).
2. Алкилирование енолят-иона алкилгалогенидом (реакция $S_N2$). Эту стадию можно повторить для введения второго заместителя.
3. Гидролиз и декарбоксилирование полученного продукта. В зависимости от условий гидролиза можно получить либо кетон (кетонное расщепление), либо карбоновую кислоту (кислотное расщепление).

а) пентанона-2

Для синтеза пентанона-2 ($CH_3COCH_2CH_2CH_3$) необходимо ввести в молекулу АУЭ этильный радикал ($–CH_2CH_3$), а затем провести кетонное расщепление.

1. Получение енолята АУЭ действием этилата натрия:
$CH_3COCH_2COOC_2H_5 + NaOC_2H_5 \rightarrow [CH_3COCHCOOC_2H_5]^-Na^+ + C_2H_5OH$

2. Алкилирование енолята этилбромидом:
$[CH_3COCHCOOC_2H_5]^-Na^+ + CH_3CH_2Br \rightarrow CH_3COCH(CH_2CH_3)COOC_2H_5 + NaBr$

3. Кетонное расщепление (гидролиз в мягких условиях с последующим декарбоксилированием):
$CH_3COCH(CH_2CH_3)COOC_2H_5 \xrightarrow{1. H_2O, OH^-, t} \xrightarrow{2. H_3O^+, \Delta} CH_3COCH_2CH_2CH_3 + CO_2 + C_2H_5OH$

Ответ: Общая схема синтеза:
$CH_3COCH_2COOC_2H_5 \xrightarrow{1. NaOC_2H_5} \xrightarrow{2. CH_3CH_2Br} CH_3COCH(CH_2CH_3)COOC_2H_5 \xrightarrow{H_3O^+, \Delta} CH_3COCH_2CH_2CH_3$

б) пентановой кислоты

Для синтеза пентановой кислоты ($CH_3CH_2CH_2CH_2COOH$) необходимо ввести пропильный радикал ($–CH_2CH_2CH_3$) с последующим кислотным расщеплением.

1. Получение енолята АУЭ:
$CH_3COCH_2COOC_2H_5 + NaOC_2H_5 \rightarrow [CH_3COCHCOOC_2H_5]^-Na^+ + C_2H_5OH$

2. Алкилирование енолята пропилбромидом:
$[CH_3COCHCOOC_2H_5]^-Na^+ + CH_3CH_2CH_2Br \rightarrow CH_3COCH(CH_2CH_2CH_3)COOC_2H_5 + NaBr$

3. Кислотное расщепление (гидролиз в жестких условиях концентрированной щелочью):
$CH_3COCH(CH_2CH_2CH_3)COOC_2H_5 \xrightarrow{1. KOH_{конц.}, \Delta} \xrightarrow{2. H_3O^+} CH_3COOH + CH_3CH_2CH_2CH_2COOH + C_2H_5OH$
Пентановую кислоту отделяют от уксусной кислоты.

Ответ: Общая схема синтеза:
$CH_3COCH_2COOC_2H_5 \xrightarrow{1. NaOC_2H_5} \xrightarrow{2. CH_3CH_2CH_2Br} CH_3COCH(CH_2CH_2CH_3)COOC_2H_5 \xrightarrow{1. KOH_{конц.}, \Delta; 2. H_3O^+} CH_3CH_2CH_2CH_2COOH$

в) 3-этилпентанона-2

Для синтеза 3-этилпентанона-2 ($CH_3COCH(CH_2CH_3)_2$) необходимо ввести два этильных радикала. Это требует двух последовательных стадий алкилирования с последующим кетонным расщеплением.

1. Первое алкилирование (как в пункте а):
$CH_3COCH_2COOC_2H_5 \xrightarrow{1. NaOC_2H_5} \xrightarrow{2. CH_3CH_2Br} CH_3COCH(CH_2CH_3)COOC_2H_5$

2. Второе алкилирование:
$CH_3COCH(CH_2CH_3)COOC_2H_5 \xrightarrow{1. NaOC_2H_5} \xrightarrow{2. CH_3CH_2Br} CH_3COC(CH_2CH_3)_2COOC_2H_5$

3. Кетонное расщепление:
$CH_3COC(CH_2CH_3)_2COOC_2H_5 \xrightarrow{H_3O^+, \Delta} CH_3COCH(CH_2CH_3)_2 + CO_2 + C_2H_5OH$

Ответ: Общая схема синтеза:
$CH_3COCH_2COOC_2H_5 \xrightarrow{1. NaOC_2H_5} \xrightarrow{2. CH_3CH_2Br} CH_3COCH(C_2H_5)COOC_2H_5 \xrightarrow{1. NaOC_2H_5} \xrightarrow{2. CH_3CH_2Br} CH_3COC(C_2H_5)_2COOC_2H_5 \xrightarrow{H_3O^+, \Delta} CH_3COCH(C_2H_5)_2$

г) гексен-5-овой кислоты

Для синтеза гексен-5-овой кислоты ($CH_2=CHCH_2CH_2CH_2COOH$) необходимо ввести алкильный заместитель, который после кислотного расщепления даст требуемую структуру. Кислотное расщепление продукта алкилирования $R-X$ дает кислоту $R-CH_2-COOH$. Следовательно, радикал $R$ должен быть $CH_2=CH-CH_2-CH_2–$ (бут-3-енил). В качестве алкилирующего агента используем 4-бромбут-1-ен.

1. Получение енолята АУЭ:
$CH_3COCH_2COOC_2H_5 + NaOC_2H_5 \rightarrow [CH_3COCHCOOC_2H_5]^-Na^+ + C_2H_5OH$

2. Алкилирование енолята 4-бромбут-1-еном:
$[CH_3COCHCOOC_2H_5]^-Na^+ + BrCH_2CH_2CH=CH_2 \rightarrow CH_3COCH(CH_2CH_2CH=CH_2)COOC_2H_5 + NaBr$

3. Кислотное расщепление:
$CH_3COCH(CH_2CH_2CH=CH_2)COOC_2H_5 \xrightarrow{1. KOH_{конц.}, \Delta} \xrightarrow{2. H_3O^+} CH_3COOH + CH_2=CHCH_2CH_2CH_2COOH + C_2H_5OH$
Гексен-5-овую кислоту отделяют от побочных продуктов.

Ответ: Общая схема синтеза:
$CH_3COCH_2COOC_2H_5 \xrightarrow{1. NaOC_2H_5} \xrightarrow{2. BrCH_2CH_2CH=CH_2} CH_3COCH(CH_2CH_2CH=CH_2)COOC_2H_5 \xrightarrow{1. KOH_{конц.}, \Delta; 2. H_3O^+} CH_2=CH(CH_2)_3COOH$

3.148. Важнейшим методом синтеза алкенов является взаимодействие карбонильных соединений с илидами фосфора (реакция Виттига). Илиды образуются при депротонировании четвертичных фосфониевых солей, получаемых взаимодействием трифенилфосфина с галогеналканами. Какое карбонильное соединение и какой галогеналкан использовались для получения следующих алкенов?

В основе решения лежит реакция Виттига, в которой альдегид или кетон реагирует с илидом фосфора с образованием алкена и трифенилфосфиноксида. Илид, в свою очередь, получают из соответствующего галогеналкана и трифенилфосфина. Для каждого целевого алкена можно мысленно разорвать двойную связь, чтобы определить исходные карбонильное соединение и галогеналкан. Часто существует два возможных пути синтеза.

а) Целевой алкен — 2-метилбут-2-ен, $ (CH_3)_2C=CH-CH_3 $. Для его синтеза можно рассмотреть два пути.

Путь 1: Использование ацетона в качестве карбонильного соединения и этилидентрифенилфосфорана в качестве илида.

Карбонильное соединение: ацетон (пропан-2-он), $ (CH_3)_2C=O $.

Галогеналкан для получения илида: этилбромид (или другой этилгалогенид), $ CH_3CH_2Br $.

Схема реакции: $ (CH_3)_2C=O + Ph_3P=CH-CH_3 \rightarrow (CH_3)_2C=CH-CH_3 + Ph_3P=O $.

Путь 2: Использование ацетальдегида и изопропилидентрифенилфосфорана.

Карбонильное соединение: ацетальдегид (этаналь), $ CH_3CHO $.

Галогеналкан для получения илида: 2-бромпропан, $ (CH_3)_2CHBr $.

Схема реакции: $ CH_3CHO + Ph_3P=C(CH_3)_2 \rightarrow (CH_3)_2C=CH-CH_3 + Ph_3P=O $.

Первый путь, как правило, предпочтительнее, так как илиды из первичных галогеналканов (как этилбромид) образуются легче, чем из вторичных (как 2-бромпропан).

Ответ: 1) Ацетон и этилгалогенид; 2) Ацетальдегид и 2-галогенпропан.

б) Целевой алкен — метиленциклогексан. Наиболее эффективный способ его получения — реакция циклогексанона с илидом, полученным из метилгалогенида.

Карбонильное соединение: циклогексанон.

Галогеналкан для получения илида: метилиодид (или другой метилгалогенид), $ CH_3I $.

Схема реакции: $ C_6H_{10}O + Ph_3P=CH_2 \rightarrow C_6H_{10}=CH_2 + Ph_3P=O $.

Альтернативный путь (реакция формальдегида с илидом, полученным из циклогексилгалогенида) менее предпочтителен, так как образование илида из вторичного галогеналкана затруднено.

Ответ: Карбонильное соединение — циклогексанон, галогеналкан — метилгалогенид.

в) Целевой алкен — стирол (винилбензол), $ C_6H_5-CH=CH_2 $. Оба возможных пути синтеза являются эффективными.

Путь 1:

Карбонильное соединение: бензальдегид, $ C_6H_5CHO $.

Галогеналкан: метилиодид, $ CH_3I $.

Путь 2:

Карбонильное соединение: формальдегид, $ H_2C=O $.

Галогеналкан: бензилхлорид (или бензилбромид), $ C_6H_5CH_2Cl $.

Оба пути используют легкодоступные реагенты и высокореакционные галогеналканы (метилгалогенид и бензилгалогенид).

Ответ: 1) Бензальдегид и метилгалогенид; 2) Формальдегид и бензилгалогенид.

г) Целевой алкен — (E)-3-метил-1-фенилбут-1-ен, $ C_6H_5-CH=CH-CH(CH_3)_2 $. Для получения E-изомера предпочтителен путь с использованием стабилизированного илида.

Карбонильное соединение: 2-метилпропаналь (изомасляный альдегид), $ (CH_3)_2CH-CHO $.

Галогеналкан: бензилгалогенид, $ C_6H_5CH_2X $.

Бензилидентрифенилфосфоран ($ Ph_3P=CH-C_6H_5 $) является стабилизированным илидом (за счет сопряжения с бензольным кольцом), и его реакция с альдегидами преимущественно приводит к образованию E-алкена.

Альтернативный путь (бензальдегид и илид из 1-галоген-2-метилпропана) привел бы к нестабилизированному илиду и, как следствие, преимущественно к Z-изомеру.

Ответ: Карбонильное соединение — 2-метилпропаналь, галогеналкан — бензилгалогенид.

д) Целевой алкен — (E)-стильбен (1,2-дифенилэтен), $ C_6H_5-CH=CH-C_6H_5 $. Молекула симметрична, поэтому существует только один вариант исходных реагентов.

Карбонильное соединение: бензальдегид, $ C_6H_5CHO $.

Галогеналкан: бензилгалогенид, $ C_6H_5CH_2X $.

Схема реакции: $ C_6H_5CHO + Ph_3P=CH-C_6H_5 \rightarrow C_6H_5-CH=CH-C_6H_5 + Ph_3P=O $.

Используемый бензилид является стабилизированным, что обеспечивает высокий выход целевого E-изомера.

Ответ: Карбонильное соединение — бензальдегид, галогеналкан — бензилгалогенид.

e) Целевой алкен — (E)-2-метилгекс-3-ен, $ (CH_3)_2CH-CH=CH-CH_2-CH_3 $. Для его синтеза предпочтительнее путь, в котором илид образуется из первичного галогеналкана.

Карбонильное соединение: 2-метилпропаналь (изомасляный альдегид), $ (CH_3)_2CH-CHO $.

Галогеналкан: 1-галогенпропан (например, 1-бромпропан), $ CH_3CH_2CH_2Br $.

В этом случае пропилидентрифенилфосфоран ($ Ph_3P=CH-CH_2-CH_3 $) является нестабилизированным илидом. Реакция таких илидов с альдегидами обычно дает смесь E/Z-изомеров, но с помощью модификации Шлоссера можно направить реакцию в сторону E-изомера.

Ответ: Карбонильное соединение — 2-метилпропаналь, галогеналкан — 1-галогенпропан.

ж) Целевой алкен — (E)-1-(2-фурил)-2-фенилэтен. Оба пути синтеза подходят для получения E-изомера, так как в обоих случаях используются стабилизированные илиды.

Путь 1:

Карбонильное соединение: фурфурол (фуран-2-карбальдегид).

Галогеналкан: бензилгалогенид, $ C_6H_5CH_2X $.

Путь 2:

Карбонильное соединение: бензальдегид, $ C_6H_5CHO $.

Галогеналкан: 2-(галогенметил)фуран (фурфурилгалогенид).

В обоих случаях образующийся илид (бензилид или фурфурилид) стабилизирован за счет сопряжения с ароматической системой, что приводит к преимущественному образованию E-алкена.

Ответ: 1) Фурфурол и бензилгалогенид; 2) Бензальдегид и 2-(галогенметил)фуран.