Решение задачи по органической химии

Хорошо, давайте разберем эти задачи по химии. 1. Назовите соединения: * Первое соединение: Структура: \[ \mathrm{H_3C} - \mathrm{C_6H_4} - \mathrm{CH(CH_3)CH_2CN} \] Это производное толуола (метилбензола). Заместитель в пара-положении к метильной группе. Название: 4-(1-циано-2-метилпропил)толуол или 4-(1-циано-2-метилпропил)метилбензол. * Второе соединение: Структура: \[ \mathrm{CH_3OOCCH_2COOCH_3} \] Это диметиловый эфир малоновой кислоты. Название: Диметилмалонат или диметиловый эфир пропандвухкислоты. 2. Из пропена получите пропиловый эфир 2-метилпропановой кислоты. Для получения пропилового эфира 2-метилпропановой кислоты из пропена, нам нужно сначала получить 2-метилпропановую кислоту, а затем этерифицировать её пропиловым спиртом. * Шаг 1: Получение 2-метилпропановой кислоты из пропена. Пропен (пропилен) можно превратить в 2-метилпропановую кислоту через несколько стадий. Один из возможных путей: 1. Гидрогалогенирование пропена по правилу Марковникова: \[ \mathrm{CH_3-CH=CH_2} + \mathrm{HBr} \rightarrow \mathrm{CH_3-CHBr-CH_3} \] (2-бромпропан) 2. Реакция Вюрца с 2-бромпропаном для получения 2,3-диметилбутана (не совсем то, что нужно для 2-метилпропановой кислоты). Лучше использовать реакцию Гриньяра: 1. Получение изопропилмагнийбромида: \[ \mathrm{CH_3-CHBr-CH_3} + \mathrm{Mg} \xrightarrow{\text{эфир}} \mathrm{CH_3-CH(MgBr)-CH_3} \] 2. Карбоксилирование реагента Гриньяра: \[ \mathrm{CH_3-CH(MgBr)-CH_3} + \mathrm{CO_2} \rightarrow \mathrm{CH_3-CH(COOMgBr)-CH_3} \] 3. Гидролиз: \[ \mathrm{CH_3-CH(COOMgBr)-CH_3} + \mathrm{H_2O} \xrightarrow{\mathrm{H^+}} \mathrm{CH_3-CH(COOH)-CH_3} + \mathrm{MgBr(OH)} \] (2-метилпропановая кислота) * Шаг 2: Получение пропилового спирта из пропена. 1. Гидратация пропена по правилу Марковникова: \[ \mathrm{CH_3-CH=CH_2} + \mathrm{H_2O} \xrightarrow{\mathrm{H_2SO_4}} \mathrm{CH_3-CH(OH)-CH_3} \] (изопропиловый спирт) Это не пропиловый спирт (н-пропанол). Для получения н-пропанола из пропена: 1. Гидроборирование-окисление пропена (анти-Марковников): \[ \mathrm{CH_3-CH=CH_2} + \mathrm{BH_3} \rightarrow \mathrm{(CH_3CH_2CH_2)_3B} \] \[ \mathrm{(CH_3CH_2CH_2)_3B} + \mathrm{H_2O_2} + \mathrm{NaOH} \rightarrow \mathrm{CH_3CH_2CH_2OH} \] (пропанол-1, или н-пропиловый спирт) * Шаг 3: Этерификация 2-метилпропановой кислоты пропиловым спиртом. \[ \mathrm{CH_3-CH(COOH)-CH_3} + \mathrm{CH_3CH_2CH_2OH} \xrightarrow{\mathrm{H_2SO_4}} \mathrm{CH_3-CH(COOCH_2CH_2CH_3)-CH_3} + \mathrm{H_2O} \] (пропиловый эфир 2-метилпропановой кислоты) 3. Заполните схему, назовите продукты реакции, определите тип (механизм) реакции: Схема: \[ \text{Толуол} \xrightarrow{\mathrm{Br_2 (AlCl_3)}} \text{A} \xrightarrow{\mathrm{PCl_5}} \text{B} \xrightarrow{\mathrm{[O]}} \text{C} \xrightarrow{\mathrm{C_2H_5OH}} \text{D} \xrightarrow{\mathrm{NH_3}} \text{E} \] * Толуол \(\xrightarrow{\mathrm{Br_2 (AlCl_3)}}\) A Реакция: Электрофильное замещение в ароматическом кольце (бромирование). Метильная группа является орто-пара-ориентантом. Продукт A: Смесь орто- и пара-бромтолуолов. В условиях AlCl3 (кислота Льюиса) пара-изомер обычно преобладает из-за стерических препятствий. Название A: 4-бромтолуол (или п-бромтолуол). Тип реакции: Электрофильное ароматическое замещение (S_EAr). * A \(\xrightarrow{\mathrm{PCl_5}}\) B Здесь, вероятно, опечатка в схеме, так как PCl₅ обычно реагирует с гидроксильными группами (спирты, карбоновые кислоты) или с карбонильными соединениями (альдегиды, кетоны) для получения хлоридов. Бромтолуол не реагирует с PCl₅ таким образом. Если предположить, что A - это не бромтолуол, а, например, бензиловый спирт, то PCl₅ превратил бы его в бензилхлорид. Если же A - это 4-бромтолуол, то эта стадия не имеет смысла. Давайте предположим, что в схеме есть ошибка, и вместо PCl₅ должно быть что-то другое, или же A - это не 4-бромтолуол, а, например, бензойная кислота (которая могла бы быть получена из толуола окислением). Если бы A была бензойной кислотой, то B был бы бензоилхлоридом. Но если следовать схеме буквально, то A - это 4-бромтолуол. PCl₅ не будет реагировать с ним. Давайте пересмотрим схему. Возможно, [O] относится к толуолу, а не к B. Если Толуол \(\xrightarrow{\mathrm{[O]}}\) Бензойная кислота. Тогда Бензойная кислота \(\xrightarrow{\mathrm{PCl_5}}\) Бензоилхлорид. Давайте попробуем такой вариант. * Толуол \(\xrightarrow{\mathrm{[O]}}\) Бензойная кислота (A') Реакция: Окисление метильной группы толуола. Название A': Бензойная кислота. Тип реакции: Окисление. * Бензойная кислота (A') \(\xrightarrow{\mathrm{PCl_5}}\) Бензоилхлорид (B) Реакция: Замещение гидроксильной группы карбоновой кислоты на атом хлора. Название B: Бензоилхлорид. Тип реакции: Нуклеофильное замещение у ацильного центра. * Бензоилхлорид (B) \(\xrightarrow{\mathrm{[O]}}\) C Бензоилхлорид уже является окисленным соединением. Дальнейшее окисление не имеет смысла. Это подтверждает, что схема, как она написана, содержит ошибку или нелогичность. Давайте вернемся к исходной интерпретации, что A - это 4-бромтолуол. Если PCl₅ не реагирует, то B = A = 4-бромтолуол. Тогда 4-бромтолуол \(\xrightarrow{\mathrm{[O]}}\) C. Окисление 4-бромтолуола приведет к 4-бромбензойной кислоте. Продукт C: 4-бромбензойная кислота. Тип реакции: Окисление. * C \(\xrightarrow{\mathrm{C_2H_5OH}}\) D 4-бромбензойная кислота \(\xrightarrow{\mathrm{C_2H_5OH}}\) D Реакция: Этерификация карбоновой кислоты спиртом. Продукт D: Этиловый эфир 4-бромбензойной кислоты. Название D: Этил-4-бромбензоат. Тип реакции: Этерификация (нуклеофильное замещение у ацильного центра). * D \(\xrightarrow{\mathrm{NH_3}}\) E Этил-4-бромбензоат \(\xrightarrow{\mathrm{NH_3}}\) E Реакция: Аминолиз сложного эфира. Аммиак реагирует с эфиром, замещая этокси-группу на амино-группу. Продукт E: 4-бромбензамид. Название E: 4-бромбензамид. Тип реакции: Нуклеофильное замещение у ацильного центра. Итак, с учетом возможной ошибки в схеме (PCl₅ с бромтолуолом), наиболее логичная последовательность, если [O] относится к метильной группе толуола: Толуол \(\xrightarrow{\mathrm{Br_2 (AlCl_3)}}\) 4-бромтолуол (A) 4-бромтолуол \(\xrightarrow{\mathrm{[O]}}\) 4-бромбензойная кислота (C) 4-бромбензойная кислота \(\xrightarrow{\mathrm{C_2H_5OH}}\) Этил-4-бромбензоат (D) Этил-4-бромбензоат \(\xrightarrow{\mathrm{NH_3}}\) 4-бромбензамид (E) Что касается PCl₅ и B, то если A - 4-бромтолуол, то PCl₅ не реагирует. Если же PCl₅ должен был реагировать, то A должна была быть, например, бензойной кислотой, а B - бензоилхлоридом. Но тогда [O] после B не имеет смысла. Предположим, что PCl₅ относится к какой-то другой реакции, которая не указана, или это просто ошибка в задании. Если же мы должны получить C из B, а B из A, то наиболее логично, что A - это бензойная кислота (полученная окислением толуола), B - бензоилхлорид (полученный из бензойной кислоты PCl₅), а C - это снова бензойная кислота (полученная гидролизом бензоилхлорида, но это не окисление). Давайте придерживаться первой интерпретации, где [O] окисляет метильную группу. Окончательный вариант для 3 задачи (с учетом возможной неточности в PCl₅): * Толуол \(\xrightarrow{\mathrm{Br_2 (AlCl_3)}}\) A A: 4-бромтолуол Тип реакции: Электрофильное ароматическое замещение (S_EAr) * A \(\xrightarrow{\mathrm{PCl_5}}\) B Если A = 4-бромтолуол, то PCl₅ не реагирует. B = 4-бромтолуол. (Если бы A была бензойной кислотой, то B был бы бензоилхлоридом. Но тогда A не 4-бромтолуол). Предположим, что PCl₅ здесь не имеет смысла или это ошибка. * B \(\xrightarrow{\mathrm{[O]}}\) C Если B = 4-бромтолуол, то окисление метильной группы. C: 4-бромбензойная кислота Тип реакции: Окисление * C \(\xrightarrow{\mathrm{C_2H_5OH}}\) D D: Этиловый эфир 4-бромбензойной кислоты (Этил-4-бромбензоат) Тип реакции: Этерификация (нуклеофильное замещение у ацильного центра) * D \(\xrightarrow{\mathrm{NH_3}}\) E E: 4-бромбензамид Тип реакции: Аминолиз (нуклеофильное замещение у ацильного центра) 4. Как различить следующие соединения: 1-бутанол, 2-бутанол, бутановую кислоту, бутаналь? Для различения этих соединений можно использовать качественные реакции: * Бутановая кислота: 1. Реакция с индикаторами (лакмус, метилоранж): Бутановая кислота является слабой кислотой и изменит цвет индикатора (например, синий лакмус станет красным). Остальные соединения нейтральны. 2. Реакция с гидрокарбонатом натрия (или карбонатом): Выделение углекислого газа (шипение). \[ \mathrm{CH_3CH_2CH_2COOH} + \mathrm{NaHCO_3} \rightarrow \mathrm{CH_3CH_2CH_2COONa} + \mathrm{H_2O} + \mathrm{CO_2 \uparrow} \] Остальные соединения не будут реагировать. * Бутаналь (альдегид): 1. Реакция "серебряного зеркала" (реакция Толленса): Бутаналь восстанавливает аммиачный раствор оксида серебра до металлического серебра, образуя "зеркало" на стенках пробирки. \[ \mathrm{CH_3CH_2CH_2CHO} + \mathrm{2[Ag(NH_3)_2]OH} \xrightarrow{\Delta} \mathrm{CH_3CH_2CH_2COONH_4} + \mathrm{2Ag \downarrow} + \mathrm{3NH_3} + \mathrm{H_2O} \] 2. Реакция с гидроксидом меди(II) (реакция Фелинга): При нагревании с раствором Фелинга (синий раствор) бутаналь восстанавливает Cu(II) до Cu(I), образуя красный осадок оксида меди(I). \[ \mathrm{CH_3CH_2CH_2CHO} + \mathrm{2Cu(OH)_2} \xrightarrow{\Delta} \mathrm{CH_3CH_2CH_2COOH} + \mathrm{Cu_2O \downarrow} + \mathrm{2H_2O} \] Спирты и карбоновые кислоты не дают этих реакций. * 1-бутанол (первичный спирт) и 2-бутанол (вторичный спирт): После того, как мы идентифицировали кислоту и альдегид, останутся два спирта. 1. Реакция Лукаса (смесь концентрированной HCl и ZnCl₂): * 2-бутанол (вторичный спирт) реагирует с реагентом Лукаса, образуя муть (хлоралкан) в течение 5-10 минут при комнатной температуре. \[ \mathrm{CH_3CH_2CH(OH)CH_3} + \mathrm{HCl} \xrightarrow{\mathrm{ZnCl_2}} \mathrm{CH_3CH_2CHClCH_3} + \mathrm{2H_2O} \] * 1-бутанол (первичный спирт) не реагирует с реагентом Лукаса при комнатной температуре (или реагирует очень медленно при нагревании). 2. Окисление (например, раствором перманганата калия или дихромата калия): * 1-бутанол (первичный спирт) окисляется сначала до бутаналя, затем до бутановой кислоты. * 2-бутанол (вторичный спирт) окисляется до бутанона (кетона). Можно использовать мягкое окисление, например, с помощью хромового ангидрида в серной кислоте (реактив Джонса). Первичные и вторичные спирты дают положительную реакцию (изменение цвета), но продукты разные. Более специфично: * Окисление 1-бутанола до бутаналя, а затем бутаналя можно обнаружить реакцией Толленса. * Окисление 2-бутанола до бутанона. Бутанон не дает реакции Толленса. Порядок действий: 1. Добавить к каждой пробе раствор гидрокарбоната натрия. Проба, которая зашипит, - это бутановая кислота. 2. К оставшимся трем пробам добавить аммиачный раствор оксида серебра (реактив Толленса) и нагреть. Проба, которая даст "серебряное зеркало", - это бутаналь. 3. К оставшимся двум пробам (1-бутанол и 2-бутанол) добавить реагент Лукаса. Проба, которая помутнеет в течение 5-10 минут, - это 2-бутанол. Оставшаяся проба - 1-бутанол. 5. Определите строение соединения состава C₈H₈O₂, которое реагирует с карбонатом натрия с выделением газа и при окислении образует терефталевую кислоту. * Соединение реагирует с карбонатом натрия с выделением газа (CO₂). Это означает, что соединение является кислотой, скорее всего, карбоновой. * При окислении образует терефталевую кислоту. Терефталевая кислота - это бензол-1,4-дикарбоновая кислота. \[ \mathrm{HOOC-C_6H_4-COOH} \] Это означает, что исходное соединение имеет бензольное кольцо с двумя заместителями в пара-положении, которые при окислении превращаются в карбоксильные группы. * Молекулярная формула C₈H₈O₂. Если это карбоновая кислота, то одна из групп -COOH. Остается C₇H₇O. Если при окислении образуется терефталевая кислота, то один из заместителей уже -COOH, а второй должен быть такой группой, которая при окислении превращается в -COOH. Это может быть метильная группа (-CH₃), альдегидная группа (-CHO), или спиртовая группа (-CH₂OH). Давайте проверим варианты: 1. Если это метилбензойная кислота. * Пара-метилбензойная кислота (п-толуиловая кислота): \[ \mathrm{CH_3-C_6H_4-COOH} \] Молекулярная формула: C₈H₈O₂. Это соответствует. Реагирует с карбонатом натрия (как карбоновая кислота). При окислении метильной группы (-CH₃) до карбоксильной (-COOH) образуется терефталевая кислота. Это соединение полностью соответствует всем условиям. 2. Другие варианты, например, если один из заместителей -CHO или -CH₂OH. * Если это 4-формилбензойная кислота (4-карбоксибензальдегид): \[ \mathrm{CHO-C_6H_4-COOH} \] Молекулярная формула: C₈H₆O₃. Не соответствует C₈H₈O₂. * Если это 4-(гидроксиметил)бензойная кислота: \[ \mathrm{HOCH_2-C_6H_4-COOH} \] Молекулярная формула: C₈H₈O₃. Не соответствует C₈H₈O₂. Таким образом, единственное соединение, которое удовлетворяет всем условиям, это пара-метилбензойная кислота. Строение соединения: \[ \mathrm{CH_3-C_6H_4-COOH} \] (метильная группа и карбоксильная группа находятся в пара-положении друг к другу на бензольном кольце). Название: 4-метилбензойная кислота (или п-толуиловая кислота).