Решение задач по органической химии с объяснениями

Ниже представлены решения практических задач по органической химии, оформленные для удобного переписывания в тетрадь. Задание 1. Получение бутана из этана и его реакция с бромом. 1) Получение бутана (реакция Вюрца): Сначала проведем хлорирование этана, а затем подействуем металлическим натрием. \[ CH_3-CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CH_2Cl + HCl \] \[ 2CH_3-CH_2Cl + 2Na \rightarrow CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + 2NaCl \] 2) Реакция бутана с бромом (радикальное замещение): Бромирование идет преимущественно ко вторичному атому углерода. \[ CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + Br_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CHBr-CH_2-CH_3 + HBr \] Продукт: 2-бромбутан. Задание 2. Получение 1,2-дибромпропана из пропана и его дегидрогалогенирование. 1) Получение 1,2-дибромпропана: Сначала дегидрируем пропан до пропена, затем добавим бром. \[ CH_3-CH_2-CH_3 \xrightarrow{t, Ni} CH_3-CH=CH_2 + H_2 \] \[ CH_3-CH=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_3-CHBr-CH_2Br \] 2) Дегидрогалогенирование (действие спиртового раствора щелочи): \[ CH_3-CHBr-CH_2Br + 2KOH_{(спирт.)} \rightarrow CH_3-C \equiv CH + 2KBr + 2H_2O \] Продукт: пропин. Задание 3. Получение пропан-1-ола из пропана и его дегидрирование. 1) Получение пропан-1-ола: Для получения первичного спирта нужно хлорировать пропан (смесь изомеров, выделяем 1-хлорпропан) и провести щелочной гидролиз. \[ CH_3-CH_2-CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CH_2-CH_2Cl + HCl \] \[ CH_3-CH_2-CH_2Cl + NaOH_{(водн.)} \rightarrow CH_3-CH_2-CH_2OH + NaCl \] 2) Дегидрирование пропан-1-ола: При дегидрировании первичных спиртов образуются альдегиды. \[ CH_3-CH_2-CH_2OH \xrightarrow{Cu, t} CH_3-CH_2-CHO + H_2 \] Продукт: пропаналь. Задание 4. Получение пропан-1,2-диола из пропан-1-ола. 1) Дегидратация спирта до алкена: \[ CH_3-CH_2-CH_2OH \xrightarrow{H_2SO_4, t > 140^{\circ}C} CH_3-CH=CH_2 + H_2O \] 2) Окисление пропена (реакция Вагнера): \[ 3CH_3-CH=CH_2 + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3CH_3-CH(OH)-CH_2OH + 2MnO_2 + 2KOH \] Задание 5. Получение пропина из пропана и его гидратация. 1) Получение пропина (через дегидрирование): \[ CH_3-CH_2-CH_3 \xrightarrow{t, Pt} CH_3-C \equiv CH + 2H_2 \] 2) Гидратация пропина (реакция Кучерова): \[ CH_3-C \equiv CH + H_2O \xrightarrow{Hg^{2+}, H^+} CH_3-CO-CH_3 \] Продукт: ацетон (пропанон). Задание 6. Получение пропановой кислоты из этана и реакция с аммиаком. 1) Удлинение цепи через нитрил: \[ CH_3-CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CH_2Cl + HCl \] \[ CH_3-CH_2Cl + KCN \rightarrow CH_3-CH_2-CN + KCl \] \[ CH_3-CH_2-CN + 2H_2O + HCl \rightarrow CH_3-CH_2-COOH + NH_4Cl \] 2) Реакция с аммиаком (образование соли, затем амида при нагревании): \[ CH_3-CH_2-COOH + NH_3 \rightarrow CH_3-CH_2-COONH_4 \] \[ CH_3-CH_2-COONH_4 \xrightarrow{t} CH_3-CH_2-CONH_2 + H_2O \] Задание 7. Сравнение реакционной способности в ацилировании. Реакционная способность определяется величиной положительного заряда на углероде карбонильной группы и качеством уходящей группы. Ряд убывания активности: Ацетилхлорид > Уксусный ангидрид > Уксусная кислота > Этанамид. Объяснение: Хлор — лучшая уходящая группа и сильный акцептор. В амиде же за счет сопряжения неподеленной пары азота заряд на углероде минимален. Задание 8. Сравнение кислотности спиртов. Кислотность уменьшается с увеличением положительного индуктивного эффекта (+I) алкильных радикалов, которые дестабилизируют образующийся алкоксид-ион. Ряд убывания кислотности: Метанол > Бутан-1-ол > Бутан-2-ол > 2-метилпропано-2-ол. Объяснение: Чем более разветвлен радикал у гидроксильной группы, тем ниже кислотность. Задание 9. Сравнение основности спиртов. Основность (способность присоединять протон) изменяется обратно пропорционально кислотности. Чем сильнее +I эффект радикалов, тем выше электронная плотность на кислороде. Ряд убывания основности: 2-метилпропано-2-ол > Бутан-2-ол > Бутан-1-ол > Метанол. Задание 10. Сравнение скорости нитрования. Скорость электрофильного замещения зависит от мезомерного (+M) и индуктивного (+I) эффектов заместителей. Ряд убывания скорости: Фенол > Толуол > Бензол > Фенилацетат. Объяснение: Группа -OH (в феноле) — сильнейший активирующий ориентант I рода. Группа -CH3 (в толуоле) активирует слабее. В фенилацетате сложноэфирная группа проявляет акцепторные свойства по отношению к кольцу, замедляя реакцию. Что стоит изучить для самостоятельного решения: 1. Номенклатура ИЮПАК: чтобы правильно называть и строить формулы веществ. 2. Электронные эффекты в органической химии: индуктивный (I) и мезомерный (M) эффекты. Это ключ к заданиям 7-10. 3. Основные классы углеводородов: алканы, алкены, алкины, арены (их способы получения и химические свойства). 4. Кислородсодержащие соединения: спирты, альдегиды, карбоновые кислоты и их производные. 5. Типовые механизмы реакций: радикальное замещение (SR), электрофильное присоединение (AdE) и электрофильное замещение в бензольном кольце (SE).