Страница 74 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.309. Предложите последовательность реакций, с помощью которой можно осуществить следующую цепочку превращений:

$\mathrm{а}) {\mathrm{С}}_2{\mathrm{Н}}_4⟶{\mathrm{С}}_2{\mathrm{Н}}_4{\mathrm{Вг}}_2⟶{\mathrm{С}}_2{\mathrm{Н}}_2⟶{\mathrm{С}}_2{\mathrm{Н}}_6;$

$\mathrm{б}) {\mathrm{С}}_3{\mathrm{Н}}_6⟶{\mathrm{С}}_3{\mathrm{Н}}_7\mathrm{Сl}⟶{\mathrm{С}}_3{\mathrm{Н}}_8\mathrm{О}⟶{\mathrm{С}}_3{\mathrm{Н}}_6;$

$\mathrm{в}) {\mathrm{С}}_3{\mathrm{Н}}_4⟶{\mathrm{С}}_3{\mathrm{Н}}_8\to {\mathrm{С}}_3{\mathrm{Н}}_7\mathrm{Вг}⟶{\mathrm{С}}_3{\mathrm{Н}}_6;$

$\mathrm{г}) {\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_6 ⟶{\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_{12} ⟶{\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_{11}\mathrm{Сl}⟶{\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_{10};$

$\mathrm{д}) {\mathrm{С}}_2{\mathrm{Н}}_6\mathrm{О}⟶{\mathrm{С}}_2{\mathrm{Н}}_5\mathrm{Сl}⟶{\mathrm{С}}_4{\mathrm{Н}}_{10}⟶{\mathrm{С}}_4{\mathrm{Н}}_9\mathrm{Вг};$

$\mathrm{е}) {\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6⟶{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6{\mathrm{Br}}_2⟶{\mathrm{С}}_3{\mathrm{Н}}_4⟶{\mathrm{С}}_3{\mathrm{Н}}_6\mathrm{О}.$

а) 1. Для получения 1,2-дибромэтана из этена проводят реакцию бромирования (присоединение брома по двойной связи):

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

2. Для получения ацетилена из 1,2-дибромэтана проводят реакцию дегидробромирования, действуя на дигалогенид спиртовым раствором щёлочи ($KOH$) при нагревании:

$CH_2Br-CH_2Br + 2KOH_{\text{(спирт)}} \xrightarrow{t} CH\equiv CH + 2KBr + 2H_2O$

3. Для получения этана из ацетилена проводят реакцию полного гидрирования (присоединение водорода) в присутствии катализатора (например, $Ni$):

$CH\equiv CH + 2H_2 \xrightarrow{Ni} CH_3-CH_3$

Ответ:

$C_2H_4 + Br_2 \rightarrow C_2H_4Br_2$

$C_2H_4Br_2 + 2KOH_{\text{(спирт)}} \xrightarrow{t} C_2H_2 + 2KBr + 2H_2O$

$C_2H_2 + 2H_2 \xrightarrow{Ni} C_2H_6$

б) 1. Для получения 2-хлорпропана из пропена проводят реакцию гидрохлорирования. Присоединение идёт по правилу Марковникова:

$CH_2=CH-CH_3 + HCl \rightarrow CH_3-CHCl-CH_3$

2. Для получения пропанола-2 из 2-хлорпропана проводят реакцию щелочного гидролиза, действуя на галогеналкан водным раствором щёлочи ($NaOH$):

$CH_3-CHCl-CH_3 + NaOH_{\text{(водн)}} \rightarrow CH_3-CH(OH)-CH_3 + NaCl$

3. Для получения пропена из пропанола-2 проводят реакцию внутримолекулярной дегидратации, нагревая спирт с концентрированной серной кислотой (выше 140°C):

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

Ответ:

$C_3H_6 + HCl \rightarrow C_3H_7Cl$

$C_3H_7Cl + NaOH_{\text{(водн)}} \rightarrow C_3H_8O + NaCl$

$C_3H_8O \xrightarrow{H_2SO_4, t} C_3H_6 + H_2O$

в) 1. Для получения пропана из пропина проводят реакцию полного каталитического гидрирования:

$CH\equiv C-CH_3 + 2H_2 \xrightarrow{Pt} CH_3-CH_2-CH_3$

2. Для получения 2-бромпропана из пропана проводят реакцию радикального бромирования на свету ($h\nu$). Происходит преимущественно замещение у вторичного атома углерода:

$CH_3-CH_2-CH_3 + Br_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CHBr-CH_3 + HBr$

3. Для получения пропена из 2-бромпропана проводят реакцию дегидробромирования спиртовым раствором щёлочи при нагревании:

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

Ответ:

$C_3H_4 + 2H_2 \xrightarrow{Pt} C_3H_8$

$C_3H_8 + Br_2 \xrightarrow{h\nu} C_3H_7Br + HBr$

$C_3H_7Br + KOH_{\text{(спирт)}} \xrightarrow{t} C_3H_6 + KBr + H_2O$

г) 1. Для получения циклогексана из бензола проводят каталитическое гидрирование при высокой температуре и давлении:

$C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow{Ni, t, p} C_6H_{12}$

2. Для получения хлорциклогексана из циклогексана проводят реакцию радикального хлорирования на свету:

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

3. Для получения циклогексена из хлорциклогексана проводят реакцию дегидрохлорирования спиртовым раствором щёлочи:

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

Ответ:

$C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow{Ni, t, p} C_6H_{12}$

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

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

д) 1. Для получения хлорэтана из этанола ($C_2H_6O$) используют реакцию с хлороводородом в присутствии катализатора $ZnCl_2$ или с тионилхлоридом $SOCl_2$:

$C_2H_5OH + HCl \xrightarrow{ZnCl_2} C_2H_5Cl + H_2O$

2. Для получения бутана из хлорэтана (удлинение цепи) используют реакцию Вюрца, действуя на галогеналкан металлическим натрием:

$2C_2H_5Cl + 2Na \rightarrow CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + 2NaCl$

3. Для получения бромбутана из бутана проводят реакцию радикального бромирования на свету. Образуется смесь изомеров, преимущественно 2-бромбутан:

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + Br_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CHBr-CH_2-CH_3 + HBr$

Ответ:

$C_2H_6O + HCl \xrightarrow{ZnCl_2} C_2H_5Cl + H_2O$

$2C_2H_5Cl + 2Na \rightarrow C_4H_{10} + 2NaCl$

$C_4H_{10} + Br_2 \xrightarrow{h\nu} C_4H_9Br + HBr$

е) 1. Для получения 1,2-дибромпропана из пропена проводят реакцию бромирования:

$CH_2=CH-CH_3 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CHBr-CH_3$

2. Для получения пропина из 1,2-дибромпропана проводят реакцию двойного дегидробромирования спиртовым раствором щёлочи:

$CH_2Br-CHBr-CH_3 + 2KOH_{\text{(спирт)}} \xrightarrow{t} CH\equiv C-CH_3 + 2KBr + 2H_2O$

3. Для получения ацетона ($C_3H_6O$) из пропина проводят реакцию гидратации в присутствии солей ртути(II) (реакция Кучерова):

$CH\equiv C-CH_3 + H_2O \xrightarrow{HgSO_4, H_2SO_4} CH_3-C(O)-CH_3$

Ответ:

$C_3H_6 + Br_2 \rightarrow C_3H_6Br_2$

$C_3H_6Br_2 + 2KOH_{\text{(спирт)}} \xrightarrow{t} C_3H_4 + 2KBr + 2H_2O$

$C_3H_4 + H_2O \xrightarrow{Hg^{2+}, H^+} C_3H_6O$

2.310. Изобразите структурную формулу алкана состава ${\mathrm{С}}_5{\mathrm{Н}}_{12},$ при хлорировании которого образуется только одно монохлорпроизводное. Напишите уравнение реакции этого монохлорпроизводного с металлическим натрием и назовите полученное соединение.

Структурная формула алкана
Алкан состава $C_5H_{12}$, который при хлорировании образует только одно монохлорпроизводное, должен иметь максимально симметричную структуру, в которой все атомы водорода химически эквивалентны. Среди изомеров пентана ($C_5H_{12}$) таким свойством обладает только 2,2-диметилпропан (неопентан). В его молекуле все 12 атомов водорода присоединены к первичным атомам углерода, которые, в свою очередь, связаны с одним и тем же центральным четвертичным атомом углерода. Это делает все атомы водорода эквивалентными.
Ответ: Структурная формула 2,2-диметилпропана (неопентана):
CH₃
|
CH₃ - C - CH₃
|
CH₃

Уравнение реакции монохлорпроизводного с металлическим натрием
Сначала необходимо получить монохлорпроизводное путем хлорирования неопентана. Реакция протекает по свободно-радикальному механизму под действием света ($h\nu$):
$(CH_3)_4C + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} (CH_3)_3C-CH_2Cl + HCl$
Полученное соединение — 1-хлор-2,2-диметилпропан.
Затем это монохлорпроизводное вступает в реакцию Вюрца с металлическим натрием. Две молекулы галогеналкана реагируют с двумя атомами натрия, образуя новый алкан с удвоенной углеродной цепью (относительно исходного радикала) и хлорид натрия.
Ответ: Уравнение реакции 1-хлор-2,2-диметилпропана с натрием:
$2(CH_3)_3C-CH_2Cl + 2Na \rightarrow (CH_3)_3C-CH_2-CH_2-C(CH_3)_3 + 2NaCl$

Название полученного соединения
Продукт реакции Вюрца имеет следующую структурную формулу:
CH₃ CH₃
| |
CH₃ - C - CH₂ - CH₂ - C - CH₃
| |
CH₃ CH₃
Для названия соединения по номенклатуре ИЮПАК необходимо найти самую длинную непрерывную углеродную цепь. В данном случае она состоит из 6 атомов углерода (основа — гексан). Нумерацию цепи начинают с того конца, к которому ближе разветвление. В этой симметричной молекуле нумерация с любого конца дает одинаковый результат. В положениях 2, 2, 5 и 5 находятся четыре метильные группы (приставка тетраметил-).
Ответ: 2,2,5,5-тетраметилгексан.

2.311. Приведите пример алкена, при гидрохлорировании которого и последующей обработке спиртовым раствором щёлочи образуется алкен другого строения. Запишите уравнения реакций.

Решение

Для того чтобы в результате последовательных реакций гидрохлорирования и дегидрохлорирования алкен превратился в свой изомер (алкен другого строения), необходимо выполнение двух условий, связанных с правилами региоселективности.

1. Реакция гидрохлорирования (присоединение $HCl$) должна протекать по правилу Марковникова.

2. Реакция дегидрохлорирования (отщепление $HCl$ спиртовым раствором щёлочи) должна протекать по правилу Зайцева.

Это приведёт к миграции двойной связи из менее стабильного положения в более стабильное. В качестве примера можно взять превращение бут-1-ена в бут-2-ен.

Этап 1: Гидрохлорирование бут-1-ена.

Присоединение хлороводорода к бут-1-ену происходит по правилу Марковникова. Протон ($H^+$) присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода при двойной связи (C-1), а хлорид-ион ($Cl^−$) — к менее гидрогенизированному (C-2). Основным продуктом является 2-хлорбутан.

$CH_2=CH-CH_2-CH_3 + HCl \rightarrow CH_3-CHCl-CH_2-CH_3$

Этап 2: Дегидрохлорирование 2-хлорбутана.

При обработке 2-хлорбутана спиртовым раствором щёлочи (например, $KOH$) происходит реакция отщепления (элиминирования). Согласно правилу Зайцева, атом водорода отщепляется от соседнего наименее гидрогенизированного атома углерода (в данном случае от C-3). Это приводит к образованию наиболее термодинамически стабильного, более замещённого алкена — бут-2-ена.

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

В результате исходный алкен (бут-1-ен) превратился в алкен другого строения (бут-2-ен), что соответствует условию задачи.

Ответ:

Примером такого алкена является бут-1-ен.

Уравнения реакций:

1. $CH_2=CH-CH_2-CH_3 + HCl \rightarrow CH_3-CHCl-CH_2-CH_3$

2. $CH_3-CHCl-CH_2-CH_3 + KOH \xrightarrow{спирт} CH_3-CH=CH-CH_3 + KCl + H_2O$

2.312. При взаимодействии хлоралкана с металлическим натрием был получен углеводород, содержащий 82,76% углерода (по массе). Определите хлор- алкан и запишите уравнение реакции.

Дано:

$w(C) = 82,76\%$ в полученном углеводороде.

Найти:

Формулу исходного хлоралкана, уравнение реакции.

Решение:

1. Реакция хлоралкана с металлическим натрием — это реакция Вюрца, в результате которой образуется алкан с удвоенной углеродной цепью по сравнению с исходным алкилгалогенидом. Общее уравнение реакции:
$2R-Cl + 2Na \rightarrow R-R + 2NaCl$

2. Определим молекулярную формулу полученного углеводорода (алкана). Общая формула алканов — $C_nH_{2n+2}$.

3. Массовая доля углерода $w(C)$ в алкане вычисляется по формуле:
$w(C) = \frac{n \cdot A_r(C)}{M_r(C_nH_{2n+2})} = \frac{12n}{12n + 1 \cdot (2n+2)} = \frac{12n}{14n+2}$

4. Подставим известное значение массовой доли углерода (в долях единицы) и решим уравнение относительно $n$:
$0,8276 = \frac{12n}{14n+2}$
$0,8276 \cdot (14n+2) = 12n$
$11,5864n + 1,6552 = 12n$
$12n - 11,5864n = 1,6552$
$0,4136n = 1,6552$
$n = \frac{1,6552}{0,4136} \approx 4$

5. Следовательно, формула полученного алкана — $C_4H_{2 \cdot 4 + 2}$, то есть $C_4H_{10}$ (бутан).

6. Так как бутан ($C_4H_{10}$) был получен по реакции Вюрца, он состоит из двух одинаковых алкильных радикалов $R$. Радикал $R$ будет иметь в два раза меньше атомов углерода, чем бутан. $R = C_{4/2}H_{(10-2)/2+1} = C_2H_5$ (этил).

7. Таким образом, исходным хлоралканом был хлорэтан с формулой $C_2H_5Cl$.

8. Запишем уравнение реакции взаимодействия хлорэтана с натрием:
$2C_2H_5Cl + 2Na \rightarrow C_4H_{10} + 2NaCl$

Ответ: Исходный хлоралкан — хлорэтан ($C_2H_5Cl$). Уравнение реакции: $2C_2H_5Cl + 2Na \rightarrow C_4H_{10} + 2NaCl$.