Страница 39 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.95. Приведите уравнения реакций, с помощью которых бутен-2 можно получить из: а) спирта; б) монохлоралкана; в) дибромалкана.

Решение

Бутен-2 ($CH_3-CH=CH-CH_3$) является представителем непредельных углеводородов — алкенов. Существует несколько лабораторных способов его получения из различных классов органических соединений.

а) Получение из спирта

Бутен-2 можно получить из вторичного спирта бутанола-2 путем внутримолекулярной дегидратации (отщепления молекулы воды). Реакция проводится при нагревании спирта с водоотнимающим средством, например, с концентрированной серной кислотой. Процесс подчиняется правилу Зайцева: атом водорода отщепляется от соседнего наименее гидрированного атома углерода. В бутаноле-2 у второго атома углерода есть два соседних: первый ($CH_3$) и третий ($CH_2$). Третий атом углерода является наименее гидрированным, поэтому двойная связь образуется преимущественно между вторым и третьим атомами, что приводит к образованию бутена-2.

$CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3 \xrightarrow{H_2SO_4(конц.), t > 140°C} CH_3-CH=CH-CH_3 + H_2O$

Ответ: Уравнение реакции: $CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3 \xrightarrow{H_2SO_4(конц.), t > 140°C} CH_3-CH=CH-CH_3 + H_2O$.

б) Получение из монохлоралкана

Бутен-2 получают из 2-хлорбутана реакцией дегидрогалогенирования, то есть отщепления молекулы хлороводорода ($HCl$). Для этого 2-хлорбутан нагревают со спиртовым раствором щелочи (например, $KOH$). Эта реакция также протекает в соответствии с правилом Зайцева, что делает бутен-2 основным продуктом реакции.

$CH_3-CHCl-CH_2-CH_3 + KOH \xrightarrow{C_2H_5OH, t} CH_3-CH=CH-CH_3 + KCl + H_2O$

Ответ: Уравнение реакции: $CH_3-CHCl-CH_2-CH_3 + KOH \xrightarrow{C_2H_5OH, t} CH_3-CH=CH-CH_3 + KCl + H_2O$.

в) Получение из дибромалкана

Бутен-2 можно синтезировать из вицинального дибромалкана — 2,3-дибромбутана. Реакция заключается в дегалогенировании (отщеплении двух атомов галогена) при действии двухвалентного активного металла, обычно цинка или магния, при нагревании. Металл забирает атомы брома от соседних атомов углерода, между которыми образуется двойная связь.

$CH_3-CHBr-CHBr-CH_3 + Zn \xrightarrow{t} CH_3-CH=CH-CH_3 + ZnBr_2$

Ответ: Уравнение реакции: $CH_3-CHBr-CHBr-CH_3 + Zn \xrightarrow{t} CH_3-CH=CH-CH_3 + ZnBr_2$.

2.96. Какой монохлоралкан вступил в реакцию со спиртовым раствором гидроксида калия при нагревании, если в ходе реакции образовался: а) бутен-2; б) пропен; в) бутен-2; г) 2-метилпропен; б) циклогексен; е) 2,3-диметилбутен-2; ж) З-метилбутен-1?

а) бутен-2

Решение

Образование алкена бутен-2 (структурная формула $CH_3-CH=CH-CH_3$) в результате реакции дегидрогалогенирования со спиртовым раствором гидроксида калия указывает на то, что исходный монохлоралкан имел четыре атома углерода. Двойная связь в бутене-2 находится между вторым и третьим атомами углерода. Это возможно, если атом хлора находился у второго или третьего атома углерода в исходном бутане.

Рассмотрим 2-хлорбутан ($CH_3-CHCl-CH_2-CH_3$). При его реакции со спиртовым раствором $KOH$ атом водорода может отщепляться от соседних атомов углерода: C-1 или C-3.

• Отщепление H от C-1 приводит к образованию бутена-1 ($CH_2=CH-CH_2-CH_3$).
• Отщепление H от C-3 приводит к образованию бутена-2 ($CH_3-CH=CH-CH_3$).

Согласно правилу Зайцева, атом водорода отщепляется преимущественно от наименее гидрогенизированного (содержащего меньше атомов водорода) соседнего атома углерода. В данном случае это атом C-3. Поэтому основным продуктом реакции будет более устойчивый, более замещенный алкен — бутен-2.

Уравнение реакции:

$CH_3-CHCl-CH_2-CH_3 + KOH_{(спирт)} \xrightarrow{t} CH_3-CH=CH-CH_3 + KCl + H_2O$

Ответ: 2-хлорбутан.

б) пропен

Решение

Пропен ($CH_2=CH-CH_3$) можно получить из любого изомерного монохлорпропана, так как в обоих случаях образуется один и тот же алкен.

1. Из 1-хлорпропана ($CH_2Cl-CH_2-CH_3$): отщепление атома водорода возможно только от второго атома углерода, что однозначно приводит к образованию пропена.
   Уравнение реакции: $CH_2Cl-CH_2-CH_3 + KOH_{(спирт)} \xrightarrow{t} CH_2=CH-CH_3 + KCl + H_2O$
2. Из 2-хлорпропана ($CH_3-CHCl-CH_3$): отщепление атома водорода возможно от первого или третьего атома углерода. Так как эти атомы эквивалентны, в обоих случаях продуктом является пропен.
   Уравнение реакции: $CH_3-CHCl-CH_3 + KOH_{(спирт)} \xrightarrow{t} CH_2=CH-CH_3 + KCl + H_2O$

Ответ: 1-хлорпропан или 2-хлорпропан.

в) бутен-2

Решение

Данный пункт идентичен пункту а). Исходным веществом для получения бутена-2 ($CH_3-CH=CH-CH_3$) является 2-хлорбутан, так как реакция дегидрогалогенирования протекает по правилу Зайцева с образованием наиболее замещенного (и наиболее стабильного) алкена в качестве основного продукта.

Уравнение реакции:

$CH_3-CHCl-CH_2-CH_3 + KOH_{(спирт)} \xrightarrow{t} CH_3-CH=CH-CH_3 + KCl + H_2O$

Ответ: 2-хлорбутан.

г) 2-метилпропен

Решение

2-метилпропен ($(CH_3)_2C=CH_2$) имеет углеродный скелет изобутана (2-метилпропана). Его можно получить из двух изомерных хлорпроизводных изобутана, так как в обоих случаях он является единственным возможным продуктом элиминирования.

1. Из 1-хлор-2-метилпропана ($(CH_3)_2CH-CH_2Cl$): отщепление атома водорода возможно только от соседнего (второго) атома углерода, что приводит к образованию 2-метилпропена.
   Уравнение реакции: $(CH_3)_2CH-CH_2Cl + KOH_{(спирт)} \xrightarrow{t} (CH_3)_2C=CH_2 + KCl + H_2O$
2. Из 2-хлор-2-метилпропана (трет-бутилхлорида, $(CH_3)_3CCl$): отщепление атома водорода происходит от любого из трех эквивалентных метильных групп, что также приводит к образованию 2-метилпропена.
   Уравнение реакции: $(CH_3)_3CCl + KOH_{(спирт)} \xrightarrow{t} (CH_3)_2C=CH_2 + KCl + H_2O$

Ответ: 1-хлор-2-метилпропан или 2-хлор-2-метилпропан.

д) циклогексен

Решение

Циклический алкен циклогексен образуется при дегидрогалогенировании соответствующего галогенциклоалкана — хлорциклогексана. Атом хлора отщепляется от одного атома углерода цикла, а атом водорода — от соседнего. Ввиду симметрии молекулы, все соседние положения, от которых может отщепиться водород, эквивалентны, и образуется единственный продукт.

Уравнение реакции (формулы в виде скелетных структур):

$C_6H_{11}Cl + KOH_{(спирт)} \xrightarrow{t} C_6H_{10} + KCl + H_2O$

Ответ: хлорциклогексан.

е) 2,3-диметилбутен-2

Решение

2,3-диметилбутен-2 ($(CH_3)_2C=C(CH_3)_2$) — это симметричный, тетразамещенный алкен. Его углеродный скелет соответствует 2,3-диметилбутану. Для образования двойной связи между атомами C-2 и C-3, исходный хлоралкан должен иметь атом хлора у одного из этих атомов.

Рассмотрим 2-хлор-2,3-диметилбутан ($(CH_3)_2CCl-CH(CH_3)_2$). Атом хлора находится у третичного атома углерода C-2. Отщепление водорода возможно от соседних атомов: от метильных групп у C-2 или от атома C-3.

• Отщепление H от C-3 приводит к 2,3-диметилбутену-2 ($(CH_3)_2C=C(CH_3)_2$).
• Отщепление H от одной из метильных групп у C-2 приводит к 2,3-диметилбутену-1 ($CH_2=C(CH_3)-CH(CH_3)_2$).

Согласно правилу Зайцева, основным продуктом будет наиболее замещенный алкен — 2,3-диметилбутен-2.

Уравнение реакции:

$(CH_3)_2CCl-CH(CH_3)_2 + KOH_{(спирт)} \xrightarrow{t} (CH_3)_2C=C(CH_3)_2 + KCl + H_2O$

Ответ: 2-хлор-2,3-диметилбутан.

ж) 3-метилбутен-1

Решение

3-метилбутен-1 ($(CH_3)_2CH-CH=CH_2$) — это монозамещенный алкен. Его углеродный скелет — 2-метилбутан (изопентан).

Рассмотрим возможные хлорпроизводные 2-метилбутана. Наиболее подходящим исходным веществом будет то, которое дает целевой продукт с наибольшим выходом.

1. Из 1-хлор-3-метилбутана ($(CH_3)_2CH-CH_2-CH_2Cl$): атом хлора находится у первичного атома углерода C-1. Отщепление водорода возможно только от соседнего атома C-2. Это однозначно приводит к образованию 3-метилбутена-1.
   Уравнение реакции: $(CH_3)_2CH-CH_2-CH_2Cl + KOH_{(спирт)} \xrightarrow{t} (CH_3)_2CH-CH=CH_2 + KCl + H_2O$
2. Из 2-хлор-3-метилбутана ($(CH_3)_2CH-CHCl-CH_3$): отщепление водорода возможно от C-1 или C-3. Отщепление от C-1 дает 3-метилбутен-1 (монозамещенный алкен, продукт по Гофману), а отщепление от C-3 дает 2-метилбутен-2 (тризамещенный алкен, продукт по Зайцеву). В условиях реакции со спиртовым KOH основным продуктом будет 2-метилбутен-2.

Таким образом, для синтеза 3-метилбутена-1 наиболее подходящим исходным веществом является 1-хлор-3-метилбутан, так как он дает целевой продукт в качестве единственного возможного продукта элиминирования.

Ответ: 1-хлор-3-метилбутан.

2.97. В трёх сосудах находятся пропан, пропен и водород. Как распознать содержимое каждого из сосудов?

Решение

Для того чтобы распознать содержимое каждого из трех сосудов, в которых находятся пропан, пропен и водород, необходимо провести качественные реакции, основанные на различиях в их химических свойствах.

Сначала следует идентифицировать пропен ($C_3H_6$). В отличие от пропана ($C_3H_8$) и водорода ($H_2$), пропен является непредельным углеводородом (алкеном) и содержит двойную связь. Это позволяет ему вступать в реакции присоединения. Для его обнаружения можно использовать бромную воду ($Br_2(aq)$) или раствор перманганата калия ($KMnO_4$). Отбирают пробы газа из каждого сосуда и пропускают их через бромную воду, которая имеет бурую окраску. В том сосуде, где находится пропен, произойдет обесцвечивание раствора из-за реакции присоединения брома по двойной связи с образованием бесцветного 1,2-дибромпропана:

$CH_2=CH-CH_3 + Br_2 \rightarrow CH_2(Br)-CH(Br)-CH_3$

Пропан и водород с бромной водой в данных условиях не реагируют. Таким образом, сосуд с пропеном будет однозначно определен.

Далее необходимо различить оставшиеся два газа: пропан и водород. Оба газа являются горючими, но их можно различить по характеру горения. Отбирают пробы газов из двух оставшихся сосудов в пробирки и подносят к их отверстиям горящую лучинку. Водород ($H_2$) сгорает с характерным резким "хлопающим" звуком, что является качественной реакцией на водород:

$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

Пропан ($C_3H_8$), в свою очередь, горит спокойно, ровным пламенем, с образованием углекислого газа и воды:

$C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$

Таким образом, по хлопку при горении определяют водород, а по спокойному горению — пропан.

Ответ:

Чтобы распознать содержимое сосудов, необходимо последовательно провести два эксперимента:
1. Пропустить пробы газов из всех трех сосудов через бромную воду. Газ, который обесцветит бромную воду, — это пропен.
2. Поджечь пробы газов из двух оставшихся сосудов. Газ, который сгорит с характерным хлопком, — это водород. Третий газ, который горит спокойно и не взаимодействовал с бромной водой, — это пропан.

2.98. Определите неизвестные вещества в цепочках превращений:

а) этан ⟶ ${\mathrm{X}}_1$ ⟶ этилен;

б) этанол ⟶ ${\mathrm{X}}_2$ ⟶ 1,2-дибромэтан;

в) циклогексан ⟶ ${\mathrm{X}}_3$ ⟶ ${\mathrm{X}}_4$ ⟶ циклогександиол-1,2;

г) бромэтан ⟶ ${\mathrm{X}}_5$ ⟶ ${\mathrm{X}}_6$ ⟶ бутен-2;

д) бутан ⟶ ${\mathrm{X}}_7$ ⟶ ${\mathrm{X}}_8$ ⟶ 2-метилпропен;

е) метан ⟶ ${\mathrm{X}}_9$ ⟶ ${\mathrm{X}}_{10}$ ⟶ полиэтилен;

ж) бутанол-2 ⟶ ${\mathrm{X}}_{11}$ ⟶ уксусная (этановая) кислота.

а) этан → X₁ → этилен;

Для получения этилена (алкена) из этана (алкана) необходимо провести две стадии. Сначала этан подвергают реакции галогенирования (например, хлорирования) для получения галогеналкана. Затем из галогеналкана действием спиртового раствора щелочи отщепляют галогеноводород, получая алкен.

1. Хлорирование этана на свету (реакция свободно-радикального замещения). Неизвестное вещество $X_1$ – хлорэтан.

$CH_3-CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CH_2Cl + HCl$

2. Дегидрогалогенирование хлорэтана действием спиртового раствора щелочи с образованием этилена.

$CH_3-CH_2Cl + KOH_{(спирт.)} \xrightarrow{t} CH_2=CH_2 + KCl + H_2O$

Ответ: $X_1$ – хлорэтан ($CH_3-CH_2Cl$).

б) этанол → X₂ → 1,2-дибромэтан;

1,2-дибромэтан получают путем присоединения брома к этилену. Следовательно, вещество $X_2$ – это этилен. Этилен можно получить из этанола реакцией внутримолекулярной дегидратации.

1. Дегидратация этанола при нагревании с концентрированной серной кислотой. Неизвестное вещество $X_2$ – этилен.

$CH_3-CH_2OH \xrightarrow{H_2SO_4, t > 140°C} CH_2=CH_2 + H_2O$

2. Присоединение брома к этилену (реакция бромирования).

$CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CH_2Br$

Ответ: $X_2$ – этилен ($CH_2=CH_2$).

в) циклогексан → X₃ → X₄ → циклогександиол-1,2;

Циклогександиол-1,2 (двухатомный спирт) получают мягким окислением циклогексена. Циклогексен, в свою очередь, получают из циклогексана через стадию галогенирования с последующим дегидрогалогенированием.

1. Галогенирование (например, бромирование) циклогексана на свету. Неизвестное вещество $X_3$ – бромциклогексан.

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

2. Дегидробромирование бромциклогексана спиртовым раствором щелочи. Неизвестное вещество $X_4$ – циклогексен.

$C_6H_{11}Br + KOH_{(спирт.)} \xrightarrow{t} C_6H_{10} + KBr + H_2O$

3. Мягкое окисление циклогексена водным раствором перманганата калия (реакция Вагнера).

$3C_6H_{10} + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3C_6H_{10}(OH)_2 + 2MnO_2\downarrow + 2KOH$

Ответ: $X_3$ – бромциклогексан ($C_6H_{11}Br$); $X_4$ – циклогексен ($C_6H_{10}$).

г) бромэтан → X₅ → X₆ → бутен-2;

Для перехода от соединения с двумя атомами углерода (бромэтан) к соединению с четырьмя (бутен-2) необходимо удлинить углеродную цепь. Это можно сделать с помощью реакции Вюрца.

1. Реакция Вюрца. Взаимодействие бромэтана с металлическим натрием приводит к образованию бутана. Неизвестное вещество $X_5$ – бутан.

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

2. Галогенирование (бромирование) бутана. Преимущественно образуется 2-бромбутан. Неизвестное вещество $X_6$ – 2-бромбутан.

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + Br_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CH_2-CH(Br)-CH_3 + HBr$

3. Дегидробромирование 2-бромбутана по правилу Зайцева приводит к образованию бутена-2.

$CH_3-CH_2-CH(Br)-CH_3 + KOH_{(спирт.)} \xrightarrow{t} CH_3-CH=CH-CH_3 + KBr + H_2O$

Ответ: $X_5$ – бутан ($C_4H_{10}$); $X_6$ – 2-бромбутан ($CH_3-CH_2-CHBr-CH_3$).

д) бутан → X₇ → X₈ → 2-метилпропен;

Чтобы из бутана (линейного строения) получить 2-метилпропен (разветвленного строения), необходимо провести реакцию изомеризации.

1. Изомеризация н-бутана в изобутан (2-метилпропан) в присутствии катализатора. Неизвестное вещество $X_7$ – изобутан.

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 \xrightarrow{AlCl_3, t} (CH_3)_3CH$

2. Галогенирование (бромирование) изобутана. Происходит замещение у третичного атома углерода. Неизвестное вещество $X_8$ – 2-бром-2-метилпропан.

$(CH_3)_3CH + Br_2 \xrightarrow{h\nu} (CH_3)_3CBr + HBr$

3. Дегидробромирование 2-бром-2-метилпропана.

$(CH_3)_3CBr + KOH_{(спирт.)} \xrightarrow{t} (CH_3)_2C=CH_2 + KBr + H_2O$

Ответ: $X_7$ – изобутан (2-метилпропан, $(CH_3)_3CH$); $X_8$ – 2-бром-2-метилпропан ($(CH_3)_3CBr$).

е) метан → X₉ → X₁₀ → полиэтилен;

Полиэтилен получают полимеризацией этилена. Этилен можно получить из метана через ацетилен.

1. Пиролиз метана при высокой температуре ($1500°C$) с образованием ацетилена. Неизвестное вещество $X_9$ – ацетилен.

$2CH_4 \xrightarrow{1500°C} C_2H_2 + 3H_2$

2. Каталитическое гидрирование ацетилена до этилена (с использованием катализатора Линдлара для остановки реакции на стадии алкена). Неизвестное вещество $X_{10}$ – этилен.

$C_2H_2 + H_2 \xrightarrow{Pd/Pb^{2+}, CaCO_3} C_2H_4$

3. Полимеризация этилена.

$nCH_2=CH_2 \xrightarrow{p, t, kat.} (-CH_2-CH_2-)_n$

Ответ: $X_9$ – ацетилен ($C_2H_2$); $X_{10}$ – этилен ($C_2H_4$).

ж) бутанол-2 → X₁₁ → уксусная (этановая) кислота.

Получение уксусной кислоты (C₂) из бутанола-2 (C₄) требует разрыва углерод-углеродной связи. Это можно осуществить жестким окислением алкена, полученного из спирта.

1. Внутримолекулярная дегидратация бутанола-2 с образованием бутена-2 (по правилу Зайцева). Неизвестное вещество $X_{11}$ – бутен-2.

$CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3 \xrightarrow{H_2SO_4, t} CH_3-CH=CH-CH_3 + H_2O$

2. Жесткое окисление бутена-2. Двойная связь разрывается, и каждая часть молекулы окисляется до карбоновой кислоты. В данном случае образуются две молекулы уксусной кислоты.

$5CH_3-CH=CH-CH_3 + 8KMnO_4 + 12H_2SO_4 \xrightarrow{t} 10CH_3COOH + 8MnSO_4 + 4K_2SO_4 + 12H_2O$

Ответ: $X_{11}$ – бутен-2 ($CH_3-CH=CH-CH_3$).