Страница 158 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

4.126. В последнее десятилетие большую популярность получил синтез на основе возобновляемого природного сырья. Ряд соединений, получаемых из растительной биомассы, были включены в список так называемых «соединений-платформ», на основе которых будет создаваться химическая промышленность будущего. Одно из возможных соединений-платформ К, получаемое из углеводной биомассы, содержит 49,83% углерода, 22,15% кислорода и 24,57% хлора (по массе). Соединение К вступает в следующие превращения:

Определите неизвестные вещества К–О и запишите уравнения протекающих реакций. В качестве «зелёной» альтернативы какому веществу может рассматриваться соединение О?

Определение неизвестных веществ К–О и запись уравнений реакций

Решение

1. Определение формулы и строения соединения K.

Сначала определим элементный состав соединения K. Массовые доли известных элементов: $ω(C) = 49,83\%$, $ω(O) = 22,15\%$, $ω(Cl) = 24,57\%$. Их сумма составляет $49,83 + 22,15 + 24,57 = 96,55\%$. Поскольку соединение K получено из углеводной биомассы (содержащей C, H, O), можно предположить, что оставшаяся часть ($100\% - 96,55\% = 3,45\%$) приходится на водород. Итак, $ω(H) = 3,45\%$.

Найдем мольное соотношение атомов в соединении K, приняв массу образца за 100 г:

$n(C) : n(H) : n(O) : n(Cl) = \frac{49,83}{12,01} : \frac{3,45}{1,008} : \frac{22,15}{16,00} : \frac{24,57}{35,45}$

$n(C) : n(H) : n(O) : n(Cl) = 4,15 : 3,42 : 1,38 : 0,69$

Разделив на наименьшее значение (0,69), получаем соотношение:

$C: \frac{4,15}{0,69} \approx 6$; $H: \frac{3,42}{0,69} \approx 5$; $O: \frac{1,38}{0,69} \approx 2$; $Cl: \frac{0,69}{0,69} = 1$.

Простейшая формула соединения K — $C_6H_5O_2Cl$.

2. Анализ цепочки превращений и определение строения веществ.

Вся цепочка превращений указывает на то, что в основе структур лежит фурановый цикл — типичный для «соединений-платформ» из биомассы. В частности, соединение M ($C_6H_6O_3$) является 5-гидроксиметилфурфуролом (HMF), ключевым продуктом переработки гексоз.

Исходя из этого, идентифицируем все соединения в цепочке:

• M ($C_6H_6O_3$) — это 5-гидроксиметилфурфурол. Он образуется из K ($C_6H_5O_2Cl$) путем гидролиза (замены $-Cl$ на $-OH$).
  
• K ($C_6H_5O_2Cl$) — соответственно, является продуктом замещения гидроксильной группы в HMF на хлор. Это 5-(хлорметил)фурфурол.
  
• L ($C_{12}H_{10}O_2$) — продукт реакции Фриделя-Крафтса между K и бензолом. Хлорметильная группа K алкилирует бензольное кольцо, образуя 5-бензилфурфурол.
  
• N ($C_6H_4O_3$) — продукт окисления M ($C_6H_6O_3$) оксидом меди. Первичная спиртовая группа HMF окисляется до альдегидной, образуя фуран-2,5-дикарбальдегид.
  
• O ($C_6H_4O_5$) — продукт сильного окисления N перманганатом калия в кислой среде. Обе альдегидные группы окисляются до карбоксильных, образуя фуран-2,5-дикарбоновую кислоту (FDCA).
  

3. Уравнения реакций:

K $\xrightarrow{C_6H_6, AlCl_3}$ L:

$C_6H_5O_2Cl \text{ (5-(хлорметил)фурфурол)} + C_6H_6 \xrightarrow{AlCl_3} C_{12}H_{10}O_2 \text{ (5-бензилфурфурол)} + HCl$

K $\xrightarrow{NaOH, H_2O}$ M:

$C_6H_5O_2Cl + NaOH \rightarrow C_6H_6O_3 \text{ (5-гидроксиметилфурфурол)} + NaCl$

M $\xrightarrow{CuO, t}$ N:

$C_6H_6O_3 + CuO \xrightarrow{t} C_6H_4O_3 \text{ (фуран-2,5-дикарбальдегид)} + Cu + H_2O$

N $\xrightarrow{KMnO_4, H_2SO_4}$ O:

$5C_6H_4O_3 + 4KMnO_4 + 6H_2SO_4 \rightarrow 5C_6H_4O_5 \text{ (фуран-2,5-дикарбоновая к-та)} + 2K_2SO_4 + 4MnSO_4 + 6H_2O$

Ответ:

• K: 5-(хлорметил)фурфурол ($C_6H_5O_2Cl$)
• L: 5-бензилфурфурол ($C_{12}H_{10}O_2$)
• M: 5-гидроксиметилфурфурол ($C_6H_6O_3$)
• N: фуран-2,5-дикарбальдегид ($C_6H_4O_3$)
• O: фуран-2,5-дикарбоновая кислота ($C_6H_4O_5$)

Уравнения реакций приведены выше в решении.

В качестве «зелёной» альтернативы какому веществу может рассматриваться соединение O?

Решение

Соединение O, фуран-2,5-дикарбоновая кислота (FDCA), по своей структуре (дикарбоновая кислота) и свойствам является био-аналогом терефталевой кислоты (бензол-1,4-дикарбоновой кислоты). Терефталевая кислота — это крупнотоннажный продукт нефтехимической промышленности, используемый для синтеза полиэтилентерефталата (ПЭТ, PET), одного из самых распространенных пластиков. В отличие от терефталевой кислоты, FDCA получают из возобновляемого растительного сырья. Полимер на её основе, полиэтиленфураноат (ПЭФ, PEF), является перспективным биопластиком со свойствами, превосходящими ПЭТ (например, по барьерным свойствам к газам).

Ответ: Соединение O (фуран-2,5-дикарбоновая кислота) может рассматриваться в качестве «зелёной» альтернативы терефталевой кислоте.

4.127. Ниже приведена схема превращений ряда соединений углерода. Дополнительно известно, что соединение В – летучая ядовитая жидкость; вещество С содержит 19,05% углерода, соединение D применяется в синтезе полимеров; соединение Е применялось во время Первой мировой войны как боевое отравляющее вещество; соединение F является продуктом тримеризации Е. Определите вещества А–G и напишите уравнения указанных реакций. Запишите уравнение полимеризации вещества D.

Решение

Для определения веществ A–G последовательно проанализируем всю цепочку превращений, используя дополнительные данные из условия задачи.

Определение веществ А—G и написание уравнений указанных реакций

1. Реакция $2CH_4 \xrightarrow{1600 ^\circ C} A + ...$ — это высокотемпературный пиролиз метана, в результате которого образуется ацетилен.
Вещество А — ацетилен ($C_2H_2$).
Уравнение реакции: $2CH_4 \xrightarrow{1600 ^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$

2. Реакция $CH_4 + NH_3 + O_2 \xrightarrow{Pt, t} B + ...$ — это процесс Андруссова, промышленный метод синтеза синильной кислоты. Условие, что B — летучая ядовитая жидкость, подтверждает это предположение (температура кипения HCN составляет 26 °C).
Вещество B — синильная (циановодородная) кислота ($HCN$).
Уравнение реакции: $2CH_4 + 2NH_3 + 3O_2 \xrightarrow{Pt, t} 2HCN + 6H_2O$

3. Вещество С образуется при гидролизе вещества B ($HCN$) и содержит 19,05% углерода. При гидролизе циановодорода образуется формиат аммония.
Вещество С — формиат аммония ($HCOONH_4$).
Уравнение реакции: $HCN + 2H_2O \xrightarrow{t} HCOONH_4$
Проверим массовую долю углерода в формиате аммония ($CH_5NO_2$):
$M(HCOONH_4) = Ar(C) + 5 \cdot Ar(H) + Ar(N) + 2 \cdot Ar(O) = 12 + 5 \cdot 1 + 14 + 2 \cdot 16 = 63$ г/моль.
$\omega(C) = \frac{Ar(C)}{M(HCOONH_4)} = \frac{12}{63} \cdot 100\% \approx 19.05\%$. Расчет подтверждает структуру вещества C.

4. Вещество D применяется в синтезе полимеров. Судя по схеме, оно образуется из ацетилена (A) и синильной кислоты (B). Это реакция присоединения HCN к ацетилену, в результате которой образуется акрилонитрил.
Вещество D — акрилонитрил ($CH_2=CH-CN$).
Уравнение реакции: $C_2H_2 + HCN \xrightarrow{Cu^+} CH_2=CH-CN$

5. Вещество E — боевое отравляющее вещество времен Первой мировой войны, получаемое из вещества B ($HCN$) и хлора. Это хлорциан.
Вещество E — хлорциан ($ClCN$).
Уравнение реакции: $HCN + Cl_2 \rightarrow ClCN + HCl$

6. Вещество F является продуктом тримеризации вещества E ($ClCN$). Тримером хлорциана является цианурхлорид.
Вещество F — цианурхлорид ($(CNCl)_3$ или $C_3N_3Cl_3$).
Уравнение реакции: $3ClCN \xrightarrow{кат.} C_3N_3Cl_3$

7. Вещество G образуется при нагревании вещества C ($HCOONH_4$). Нагревание солей аммония карбоновых кислот приводит к их дегидратации и образованию амидов.
Вещество G — формамид ($HCONH_2$).
Уравнение реакции: $HCOONH_4 \xrightarrow{t} HCONH_2 + H_2O$

Ответ: A — ацетилен ($C_2H_2$); B — синильная кислота ($HCN$); C — формиат аммония ($HCOONH_4$); D — акрилонитрил ($CH_2=CH-CN$); E — хлорциан ($ClCN$); F — цианурхлорид ($C_3N_3Cl_3$); G — формамид ($HCONH_2$). Уравнения реакций приведены в ходе решения.

Запишите уравнение полимеризации вещества D

Вещество D — это акрилонитрил. Реакция его полимеризации приводит к образованию полиакрилонитрила.

Уравнение реакции: $n(CH_2=CH-CN) \xrightarrow{кат., t} (-CH_2-CH(CN)-)_n$

Ответ: $n(CH_2=CH-CN) \xrightarrow{кат., t} (-CH_2-CH(CN)-)_n$.