Решение задачи: карбид алюминия → бензойная кислота

Хорошо, давайте решим задачи и, к, м. и) карбид алюминия \( \rightarrow \) метан \( \rightarrow \) ацетилен \( \rightarrow \) бензол \( \rightarrow \) кумол \( \rightarrow \) бензойная кислота; 1. Получение метана из карбида алюминия: \[ \text{Al}_4\text{C}_3 + 12\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{Al}(\text{OH})_3 + 3\text{CH}_4 \] (Гидролиз карбида алюминия) 2. Получение ацетилена из метана: \[ 2\text{CH}_4 \xrightarrow{1500^\circ\text{C}} \text{C}_2\text{H}_2 + 3\text{H}_2 \] (Пиролиз метана) 3. Получение бензола из ацетилена: \[ 3\text{C}_2\text{H}_2 \xrightarrow{\text{C активированный, } 450^\circ\text{C}} \text{C}_6\text{H}_6 \] (Реакция Зелинского-Казанского, тримеризация ацетилена) 4. Получение кумола (изопропилбензола) из бензола: \[ \text{C}_6\text{H}_6 + \text{CH}_3\text{CH}=\text{CH}_2 \xrightarrow{\text{H}_3\text{PO}_4} \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}(\text{CH}_3)_2 \] (Алкилирование бензола пропеном, реакция Фриделя-Крафтса) Или: \[ \text{C}_6\text{H}_6 + \text{CH}_3\text{CH}(\text{Cl})\text{CH}_3 \xrightarrow{\text{AlCl}_3} \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}(\text{CH}_3)_2 + \text{HCl} \] (Алкилирование бензола 2-хлорпропаном) 5. Получение бензойной кислоты из кумола: \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}(\text{CH}_3)_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{кат., } \text{t}} \text{C}_6\text{H}_5\text{C}(\text{OOH})(\text{CH}_3)_2 \] (Окисление кумола кислородом воздуха до гидропероксида кумола) Затем: \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{C}(\text{OOH})(\text{CH}_3)_2 \xrightarrow{\text{H}^+} \text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + \text{CH}_3\text{COCH}_3 \] (Разложение гидропероксида кумола до фенола и ацетона) Это не прямой путь к бензойной кислоте. Более прямой путь к бензойной кислоте из кумола (через окисление боковой цепи): \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}(\text{CH}_3)_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{KMnO}_4 \text{ или } \text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7, \text{ H}_2\text{SO}_4, \text{ t}} \text{C}_6\text{H}_5\text{COOH} + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \] (Жесткое окисление кумола, при котором боковая цепь полностью окисляется до карбоксильной группы, а метильные группы отщепляются в виде \( \text{CO}_2 \)) к) бензол \( \xrightarrow{\text{+C}_2\text{H}_5\text{Cl}, \text{ AlCl}_3} \) В \( \xrightarrow{\text{+Br}_2, \text{ FeBr}_3} \) Г \( \xrightarrow{\text{+Cl}_2, \text{ h}\nu} \) Д; 1. Бензол \( \xrightarrow{\text{+C}_2\text{H}_5\text{Cl}, \text{ AlCl}_3} \) В \[ \text{C}_6\text{H}_6 + \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl} \xrightarrow{\text{AlCl}_3} \text{C}_6\text{H}_5\text{C}_2\text{H}_5 + \text{HCl} \] В - этилбензол. (Алкилирование бензола хлорэтаном, реакция Фриделя-Крафтса) 2. В \( \xrightarrow{\text{+Br}_2, \text{ FeBr}_3} \) Г \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{C}_2\text{H}_5 + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{FeBr}_3} \text{BrC}_6\text{H}_4\text{C}_2\text{H}_5 + \text{HBr} \] Г - бромэтилбензол. Этилбензол является орто-пара-ориентантом. В условиях электрофильного замещения (с катализатором Льюиса) бром будет вступать преимущественно в орто- и пара-положения. Например, пара-бромэтилбензол: \( \text{p-BrC}_6\text{H}_4\text{C}_2\text{H}_5 \). 3. Г \( \xrightarrow{\text{+Cl}_2, \text{ h}\nu} \) Д \[ \text{BrC}_6\text{H}_4\text{C}_2\text{H}_5 + \text{Cl}_2 \xrightarrow{\text{h}\nu} \text{BrC}_6\text{H}_4\text{CH}(\text{Cl})\text{CH}_3 + \text{HCl} \] Д - бром-(1-хлорэтил)бензол. В условиях радикального замещения (свет, \( \text{h}\nu \)) хлор будет вступать в боковую цепь, преимущественно к наиболее замещенному атому углерода (по правилу Марковникова для радикального замещения, или просто в бензильное положение). Например, из пара-бромэтилбензола: \( \text{p-BrC}_6\text{H}_4\text{CH}(\text{Cl})\text{CH}_3 \). м) Схема превращений: 1. Хлорбензол \( \xrightarrow{\text{+Br}_2} \) ... \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{Cl} + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{FeBr}_3} \text{BrC}_6\text{H}_4\text{Cl} + \text{HBr} \] Хлор является орто-пара-ориентантом, но дезактивирует кольцо. Продуктом будет смесь орто- и пара-бромхлорбензолов. Например, пара-бромхлорбензол: \( \text{p-BrC}_6\text{H}_4\text{Cl} \). 2. Этилбензол \( \xrightarrow{\text{+Br}_2} \) ... \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{C}_2\text{H}_5 + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{FeBr}_3} \text{BrC}_6\text{H}_4\text{C}_2\text{H}_5 + \text{HBr} \] Этил является орто-пара-ориентантом. Продуктом будет смесь орто- и пара-бромэтилбензолов. Например, пара-бромэтилбензол: \( \text{p-BrC}_6\text{H}_4\text{C}_2\text{H}_5 \). 3. Бензойная кислота \( \xrightarrow{\text{+Br}_2} \) ... \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{COOH} + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{FeBr}_3} \text{BrC}_6\text{H}_4\text{COOH} + \text{HBr} \] Карбоксильная группа (COOH) является мета-ориентантом. Продуктом будет мета-бромбензойная кислота: \( \text{m-BrC}_6\text{H}_4\text{COOH} \). 4. Бензоат натрия \( \xrightarrow{\text{+Br}_2} \) ... \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{COONa} + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{FeBr}_3} \text{BrC}_6\text{H}_4\text{COONa} + \text{HBr} \] Карбоксилат-ион (COO-) является орто-пара-ориентантом и активирует кольцо. Продуктом будет смесь орто- и пара-бромбензоатов натрия. Например, пара-бромбензоат натрия: \( \text{p-BrC}_6\text{H}_4\text{COONa} \).