Страница 40 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.99. Составьте уравнения реакций, с помощью которых в несколько стадий можно осуществить следующие превращения: а) метан ⟶ этанол; б) циклогексан ⟶ циклогексанол; в) этан ⟶ бутен-2; г) пропан ⟶ пропанол-2; д) этилен ⟶ бутанол-2; е) уголь ⟶ этандиол-1,2.

а) метан → этанол

Решение

Для получения этанола из метана необходимо увеличить углеродную цепь. Это можно сделать в несколько стадий:

1. Провести реакцию Вюрца для удвоения цепи. Для этого сначала получим из метана хлорметан путем радикального хлорирования:

$CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl$

2. Проведем реакцию Вюрца с натрием для получения этана:

$2CH_3Cl + 2Na \rightarrow C_2H_6 + 2NaCl$

3. Получим из этана его галогенпроизводное, например, бромэтан:

$C_2H_6 + Br_2 \xrightarrow{h\nu} C_2H_5Br + HBr$

4. Проведем щелочной гидролиз бромэтана для получения этанола:

$C_2H_5Br + KOH(водн.) \rightarrow C_2H_5OH + KBr$

Ответ: $CH_4 \xrightarrow{+Cl_2, h\nu} CH_3Cl \xrightarrow{+Na} C_2H_6 \xrightarrow{+Br_2, h\nu} C_2H_5Br \xrightarrow{+KOH, H_2O} C_2H_5OH$.

б) циклогексан → циклогексанол

Решение

Для получения циклогексанола из циклогексана нужно ввести в цикл гидроксильную группу. Это можно осуществить через стадию галогенирования.

1. Проведем реакцию радикального замещения (галогенирование) циклогексана, например, с хлором при УФ-облучении, для получения хлорциклогексана:

$C_6H_{12} + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_{11}Cl + HCl$

2. Заместим атом хлора на гидроксильную группу путем реакции с водным раствором щелочи:

$C_6H_{11}Cl + NaOH(водн.) \rightarrow C_6H_{11}OH + NaCl$

Ответ: $C_6H_{12} \xrightarrow{+Cl_2, h\nu} C_6H_{11}Cl \xrightarrow{+NaOH(водн.)} C_6H_{11}OH$.

в) этан → бутен-2

Решение

Этот синтез включает удвоение углеродной цепи и введение двойной связи.

1. Получим из этана бромэтан:

$C_2H_6 + Br_2 \xrightarrow{h\nu} C_2H_5Br + HBr$

2. Удвоим цепь с помощью реакции Вюрца, получив бутан:

$2C_2H_5Br + 2Na \rightarrow CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + 2NaBr$

3. Получим из бутана 2-бромбутан (основной продукт при бромировании):

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

4. Проведем реакцию дегидробромирования с помощью спиртового раствора щелочи. По правилу Зайцева, основным продуктом будет бутен-2:

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

Ответ: $C_2H_6 \xrightarrow{+Br_2, h\nu} C_2H_5Br \xrightarrow{+Na} C_4H_{10} \xrightarrow{+Br_2, h\nu} CH_3CH_2CH(Br)CH_3 \xrightarrow{+KOH(спирт.), t} CH_3CH=CHCH_3$.

г) пропан → пропанол-2

Решение

Для получения вторичного спирта пропанола-2 из пропана необходимо ввести функциональную группу ко второму атому углерода.

1. Проведем бромирование пропана. В соответствии с правилом, замещение у вторичного атома углерода происходит преимущественно, образуя 2-бромпропан:

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

2. Проведем щелочной гидролиз 2-бромпропана для получения пропанола-2:

$CH_3-CH(Br)-CH_3 + NaOH(водн.) \rightarrow CH_3-CH(OH)-CH_3 + NaBr$

Ответ: $CH_3-CH_2-CH_3 \xrightarrow{+Br_2, h\nu} CH_3-CH(Br)-CH_3 \xrightarrow{+NaOH(водн.)} CH_3-CH(OH)-CH_3$.

д) этилен → бутанол-2

Решение

Для синтеза бутанола-2 из этилена нужно увеличить углеродную цепь с двух до четырех атомов и ввести гидроксильную группу в положение 2.

1. Присоединим к этилену бромоводород для получения бромэтана:

$CH_2=CH_2 + HBr \rightarrow CH_3-CH_2Br$

2. С помощью реакции Вюрца получим бутан:

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

3. Проведем каталитическое дегидрирование бутана для получения бутена-2 (в смеси с другими продуктами, но это возможный путь):

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 \xrightarrow{Cr_2O_3, t} CH_3-CH=CH-CH_3 + H_2$

4. Проведем гидратацию бутена-2 в кислой среде. Присоединение воды к симметричному алкену дает единственный продукт - бутанол-2:

$CH_3-CH=CH-CH_3 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH_2-CH(OH)-CH_3$

Ответ: $CH_2=CH_2 \xrightarrow{+HBr} C_2H_5Br \xrightarrow{+Na} C_4H_{10} \xrightarrow{kat, -H_2} CH_3CH=CHCH_3 \xrightarrow{+H_2O, H^+} CH_3CH_2CH(OH)CH_3$.

е) уголь → этандиол-1,2

Решение

Исходным веществом является уголь (углерод). Необходимо построить молекулу с двумя атомами углерода и двумя гидроксильными группами.

1. Из угля (кокса) и оксида кальция в электропечи получают карбид кальция:

$CaO + 3C \xrightarrow{2000-2500^\circ C} CaC_2 + CO$

2. Гидролизом карбида кальция получают ацетилен:

$CaC_2 + 2H_2O \rightarrow CH\equiv CH + Ca(OH)_2$

3. Каталитическим гидрированием ацетилена получают этилен (используя катализатор Линдлара для остановки реакции на стадии алкена):

$CH\equiv CH + H_2 \xrightarrow{Pd/PbCO_3} CH_2=CH_2$

4. Окислим этилен слабым раствором перманганата калия (реакция Вагнера) для получения этандиола-1,2 (этиленгликоля):

$3CH_2=CH_2 + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3HO-CH_2-CH_2-OH + 2MnO_2\downarrow + 2KOH$

Ответ: $C \xrightarrow{+CaO, t} CaC_2 \xrightarrow{+H_2O} C_2H_2 \xrightarrow{+H_2, kat} C_2H_4 \xrightarrow{[O], H_2O} HO-CH_2-CH_2-OH$.

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

а) Решение:

1. Хлорирование этана на свету — это реакция радикального замещения, в ходе которой атом водорода замещается на атом хлора. $X_1$ — хлорэтан.

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

2. Реакция Вюрца. Две молекулы хлорэтана реагируют с металлическим натрием, образуя н-бутан ($X_2$) — происходит удлинение углеродной цепи.

$2 CH_3-CH_2Cl + 2 Na \rightarrow CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + 2 NaCl$

3. Бромирование н-бутана на свету — реакция радикального замещения. Замещение преимущественно происходит у вторичного атома углерода, как более реакционноспособного. $X_3$ — 2-бромбутан.

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

4. Дегидробромирование 2-бромбутана спиртовым раствором щелочи. Происходит отщепление $HBr$ по правилу Зайцева (атом водорода отщепляется от наименее гидрированного соседнего атома углерода), образуется бут-2-ен ($X_4$).

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

Ответ: $X_1$ - хлорэтан ($CH_3-CH_2Cl$), $X_2$ - н-бутан ($CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$), $X_3$ - 2-бромбутан ($CH_3-CH_2-CH(Br)-CH_3$), $X_4$ - бут-2-ен ($CH_3-CH=CH-CH_3$).

б) Решение:

1. Каталитическое гидрирование пропена. Двойная связь разрывается, и присоединяется водород, образуя алкан — пропан ($X_1$).

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

2. Бромирование пропана на свету. Атом брома замещает водород у вторичного атома углерода. $X_2$ — 2-бромпропан.

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

3. Дегидробромирование 2-бромпропана спиртовым раствором щелочи с образованием алкена — пропена ($X_3$).

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

4. Мягкое окисление пропена водным раствором перманганата калия (реакция Вагнера). По месту двойной связи присоединяются две гидроксильные группы, образуя двухатомный спирт — пропан-1,2-диол ($X_4$).

$3 CH_3-CH=CH_2 + 2 KMnO_4 + 4 H_2O \xrightarrow{0^{\circ}C} 3 CH_3-CH(OH)-CH_2(OH) + 2 MnO_2\downarrow + 2 KOH$

Ответ: $X_1$ - пропан ($CH_3-CH_2-CH_3$), $X_2$ - 2-бромпропан ($CH_3-CH(Br)-CH_3$), $X_3$ - пропен ($CH_3-CH=CH_2$), $X_4$ - пропан-1,2-диол ($CH_3-CH(OH)-CH_2(OH)$).

в) Решение:

1. Гидрирование бут-2-ена на никелевом катализаторе приводит к образованию н-бутана ($X_1$).

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

2. Изомеризация н-бутана в присутствии катализатора ($AlCl_3$) при нагревании приводит к образованию его изомера — изобутана (2-метилпропана, $X_2$).

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

3. Бромирование изобутана на свету. Замещение преимущественно происходит у третичного атома углерода. $X_3$ — 2-бром-2-метилпропан (трет-бутилбромид).

$CH_3-CH(CH_3)-CH_3 + Br_2 \xrightarrow{свет} (CH_3)_3CBr + HBr$

4. Дегидробромирование 2-бром-2-метилпропана спиртовым раствором щелочи. Образуется 2-метилпропен ($X_4$).

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

Ответ: $X_1$ - н-бутан ($CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$), $X_2$ - изобутан ($CH_3-CH(CH_3)-CH_3$), $X_3$ - 2-бром-2-метилпропан ($(CH_3)_3CBr$), $X_4$ - 2-метилпропен ($(CH_3)_2C=CH_2$).

г) Решение:

1. Дегидратация пропанола-2 при нагревании с оксидом алюминия. Отщепляется молекула воды, образуется алкен — пропен ($X_1$).

$CH_3-CH(OH)-CH_3 \xrightarrow{Al_2O_3, t} CH_3-CH=CH_2 + H_2O$

2. Присоединение брома к пропену по двойной связи. Образуется 1,2-дибромпропан ($X_2$).

$CH_3-CH=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_3-CH(Br)-CH_2Br$

3. Дегалогенирование 1,2-дибромпропана цинковой пылью. Отщепляются атомы брома и восстанавливается двойная связь, снова образуется пропен ($X_1$).

$CH_3-CH(Br)-CH_2Br + Zn \xrightarrow{t} CH_3-CH=CH_2 + ZnBr_2$

4. Гидрохлорирование пропена. Реакция идет по правилу Марковникова: атом водорода присоединяется к более гидрированному атому углерода при двойной связи (C1), а хлор — к менее гидрированному (C2). Образуется 2-хлорпропан ($X_3$).

$CH_3-CH=CH_2 + HCl \rightarrow CH_3-CH(Cl)-CH_3$

Ответ: $X_1$ - пропен ($CH_3-CH=CH_2$), $X_2$ - 1,2-дибромпропан ($CH_3-CH(Br)-CH_2Br$), $X_3$ - 2-хлорпропан ($CH_3-CH(Cl)-CH_3$).

д) Решение:

1. Гидролиз карбида алюминия. В результате реакции образуется метан ($X_1$) и гидроксид алюминия.

$Al_4C_3 + 12 H_2O \rightarrow 4 Al(OH)_3\downarrow + 3 CH_4\uparrow$

2. Пиролиз метана при высокой температуре ($1600^{\circ}C$) приводит к образованию ацетилена (этина, $X_2$).

$2 CH_4 \xrightarrow{1600^{\circ}C} CH\equiv CH + 3 H_2$

3. Каталитическое гидрирование ацетилена. В условиях задачи, для последующей реакции присоединения, логично предположить неполное гидрирование до этена ($X_3$).

$CH\equiv CH + H_2 \xrightarrow{Pt, controlled} CH_2=CH_2$

4. Гидробромирование этена. Происходит присоединение $HBr$ по двойной связи с образованием бромэтана ($X_4$).

$CH_2=CH_2 + HBr \rightarrow CH_3-CH_2Br$

Ответ: $X_1$ - метан ($CH_4$), $X_2$ - ацетилен ($CH\equiv CH$), $X_3$ - этен ($CH_2=CH_2$), $X_4$ - бромэтан ($CH_3-CH_2Br$).

е) Решение:

1. Дегидрохлорирование 1-хлорбутана спиртовым раствором щелочи приводит к образованию бут-1-ена ($X_1$).

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

2. Гидратация бут-1-ена в кислой среде. Реакция идет по правилу Марковникова, образуется вторичный спирт — бутан-2-ол ($X_2$).

$CH_3-CH_2-CH=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH_2-CH(OH)-CH_3$

3. Внутримолекулярная дегидратация бутан-2-ола при нагревании с концентрированной серной кислотой. Отщепление воды идет по правилу Зайцева, образуется наиболее замещенный алкен — бут-2-ен ($X_3$).

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

4. Жесткое окисление бут-2-ена перманганатом калия в кислой среде. Происходит разрыв двойной связи с образованием двух молекул уксусной кислоты ($X_4$).

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

Ответ: $X_1$ - бут-1-ен ($CH_3-CH_2-CH=CH_2$), $X_2$ - бутан-2-ол ($CH_3-CH_2-CH(OH)-CH_3$), $X_3$ - бут-2-ен ($CH_3-CH=CH-CH_3$), $X_4$ - уксусная кислота ($CH_3COOH$).

ж) Решение:

1. Радикальное хлорирование циклогексана на свету приводит к образованию хлорциклогексана ($X_1$).

$C_6H_{12} + Cl_2 \xrightarrow{свет} C_6H_{11}Cl + HCl$

2. Дегидрохлорирование хлорциклогексана спиртовым раствором щелочи. Образуется циклогексен ($X_2$).

$C_6H_{11}Cl + KOH \xrightarrow{спирт, t} C_6H_{10} + KCl + H_2O$

3. Присоединение брома к циклогексену по двойной связи с образованием 1,2-дибромциклогексана ($X_3$).

$C_6H_{10} + Br_2 \rightarrow C_6H_{10}Br_2$

4. Двойное дегидробромирование 1,2-дибромциклогексана избытком спиртового раствора щелочи. Отщепляются две молекулы $HBr$, образуется сопряженный диен — циклогекса-1,3-диен ($X_4$).

$C_6H_{10}Br_2 + 2 KOH \xrightarrow{спирт, t} C_6H_8 + 2 KBr + 2 H_2O$

Ответ: $X_1$ - хлорциклогексан ($C_6H_{11}Cl$), $X_2$ - циклогексен ($C_6H_{10}$), $X_3$ - 1,2-дибромциклогексан ($C_6H_{10}Br_2$), $X_4$ - циклогекса-1,3-диен ($C_6H_8$).

2.101. Из каких мономеров можно получить полимеры указанного строения:

$\mathrm{а}) ...-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_2-...;$

$\mathrm{б}) ...-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{CH}(\mathrm{Cl})-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{CH}(\mathrm{Cl})-...;$

$\mathrm{в}) ...-{\mathrm{CF}}_2-{\mathrm{CF}}_2-{\mathrm{CF}}_2-{\mathrm{CF}}_2-...;$

$\mathrm{г}) ...-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{C}{\left({\mathrm{CH}}_3\right)}_2-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{C}{\left({\mathrm{CH}}_3\right)}_2-...;$

$\mathrm{д}) ...-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{CH}(\mathrm{CN})-{\mathrm{CH}}_2-\mathrm{CH}(\mathrm{CN})-... .$

Чтобы определить мономер, из которого получен полимер, необходимо выделить в структуре полимерной цепи повторяющееся элементарное (структурное) звено. Затем, предполагая, что полимер получен реакцией полимеризации, нужно мысленно восстановить двойную связь между атомами углерода в основной цепи этого звена.

а) Полимерная цепь ...$—\text{CH}_2—\text{CH}_2—\text{CH}_2—\text{CH}_2—$... состоит из повторяющихся звеньев $—\text{CH}_2—\text{CH}_2—$. Этот полимер — полиэтилен. Чтобы получить такое звено, необходимо разорвать двойную связь в молекуле мономера. Следовательно, мономером является этен (этилен), $\text{CH}_2=\text{CH}_2$. Реакция полимеризации протекает по схеме:

$n(\text{CH}_2=\text{CH}_2) \xrightarrow{\text{t, p, кат.}} (—\text{CH}_2—\text{CH}_2—)_n$

Ответ: этен (этилен), $\text{CH}_2=\text{CH}_2$.

б) Структурное звено данного полимера ...$—\text{CH}_2—\text{CH(Cl)}—\text{CH}_2—\text{CH(Cl)}—$... имеет вид $—\text{CH}_2—\text{CH(Cl)}—$. Это поливинилхлорид. Мономер, из которого он получен, должен иметь двойную связь между атомами углерода. Это хлорэтен (винилхлорид), $\text{CH}_2=\text{CHCl}$. Реакция полимеризации:

$n(\text{CH}_2=\text{CHCl}) \xrightarrow{\text{кат.}} (—\text{CH}_2—\text{CHCl}—)_n$

Ответ: хлорэтен (винилхлорид), $\text{CH}_2=\text{CHCl}$.

в) Повторяющееся звено в цепи полимера ...$—\text{CF}_2—\text{CF}_2—\text{CF}_2—\text{CF}_2—$... это $—\text{CF}_2—\text{CF}_2—$. Этот полимер — политетрафторэтилен (тефлон). Он образуется из мономера тетрафторэтена, $\text{CF}_2=\text{CF}_2$, в котором при полимеризации разрывается двойная связь. Схема реакции:

$n(\text{CF}_2=\text{CF}_2) \xrightarrow{\text{кат.}} (—\text{CF}_2—\text{CF}_2—)_n$

Ответ: тетрафторэтен, $\text{CF}_2=\text{CF}_2$.

г) Структурное звено полимера ...$—\text{CH}_2—\text{C(CH}_3)_2—\text{CH}_2—\text{C(CH}_3)_2—$... имеет строение $—\text{CH}_2—\text{C(CH}_3)_2—$. Это полиизобутилен. Мономером для его синтеза является 2-метилпропен (изобутилен), $\text{CH}_2=\text{C(CH}_3)_2$. Процесс полимеризации:

$n(\text{CH}_2=\text{C(CH}_3)_2) \xrightarrow{\text{кат.}} (—\text{CH}_2—\text{C(CH}_3)_2—)_n$

Ответ: 2-метилпропен (изобутилен), $\text{CH}_2=\text{C(CH}_3)_2$.

д) Повторяющееся звено в полимере ...$—\text{CH}_2—\text{CH(CN)}—\text{CH}_2—\text{CH(CN)}—$... это $—\text{CH}_2—\text{CH(CN)}—$. Это полиакрилонитрил. Его получают полимеризацией акрилонитрила (пропеннитрила), формула которого $\text{CH}_2=\text{CH(CN)}$. Реакция выглядит следующим образом:

$n(\text{CH}_2=\text{CH(CN)}) \xrightarrow{\text{кат.}} (—\text{CH}_2—\text{CH(CN)}—)_n$

Ответ: акрилонитрил (пропеннитрил), $\text{CH}_2=\text{CH(CN)}$.

2.102. Запишите общую формулу гомологического ряда алкадиенов. Какие классы соединений являются структурными изомерами алкадиенов?

Общая формула гомологического ряда алкадиенов

Алкадиены (диеновые углеводороды) — это углеводороды с открытой (нециклической) цепью, в молекулах которых содержатся две двойные углерод-углеродные связи.
Общая формула предельных углеводородов (алканов) — $C_nH_{2n+2}$. Каждая образующаяся двойная связь уменьшает количество атомов водорода в молекуле на два. Так как в алкадиенах две двойные связи, их общая формула будет содержать на четыре атома водорода меньше, чем у соответствующего алкана.
Таким образом, общая формула гомологического ряда алкадиенов: $C_nH_{2n-2}$.
Простейший алкадиен (пропадиен, или аллен) содержит три атома углерода, следовательно, для алкадиенов $n \geq 3$.

Ответ: $C_nH_{2n-2}$ (при $n \geq 3$).

Классы соединений, являющиеся структурными изомерами алкадиенов

Структурные изомеры — это соединения, имеющие одинаковый качественный и количественный состав (одну и ту же молекулярную формулу), но разное химическое строение (разный порядок соединения атомов).
Алкадиены имеют общую формулу $C_nH_{2n-2}$. Этой же общей формуле соответствуют и другие классы углеводородов, которые являются для алкадиенов межклассовыми изомерами. К ним относятся:

• Алкины — ациклические углеводороды, содержащие одну тройную связь (их общая формула также $C_nH_{2n-2}$).
• Циклоалкены — циклические углеводороды, содержащие одну двойную связь в цикле (их общая формула также $C_nH_{2n-2}$).
• Бициклоалканы — углеводороды, содержащие в своей структуре два цикла (их общая формула также $C_nH_{2n-2}$).

Например, для молекулярной формулы $C_4H_6$ существуют следующие структурные изомеры из разных классов: алкадиен бута-1,3-диен, алкин бутин-1, циклоалкен циклобутен и бициклоалкан бицикло[1.1.0]бутан.

Ответ: структурными изомерами алкадиенов являются алкины, циклоалкены и бициклоалканы.