Названия соединений: решение задачи по химии

Хорошо, давайте разберем каждое задание по порядку. 1. Назовите соединения: * Соединение 1: Структура: \(\text{(CH}_3\text{)}_2\text{CHCH}_2\text{CHG=O}\) Здесь, вероятно, опечатка в формуле, и вместо G должно быть C. Предположим, что это \(\text{(CH}_3\text{)}_2\text{CHCH}_2\text{CHO}\). Это альдегид. Самая длинная цепь содержит 4 атома углерода (бутан). Есть метильная группа при втором атоме углерода. Название: 3-метилбутаналь. * Соединение 2: Структура: \[ \text{C}_2\text{H}_5 \text{ | } \text{NHCH}_3 \] Это амин. Азот связан с этильной группой и метильной группой. Название: N-метилэтиламин. * Соединение 3: Структура: \[ \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CHCOO-} \text{ | } \text{CH=CH}_2 \] \[ \text{ | } \text{CH}_3 \] Это сложный эфир. Кислотная часть: \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CHCOOH}\) (2-метилбутановая кислота). Спиртовая часть: \(\text{CH}_2\text{=CHOH}\) (виниловый спирт, который таутомеризуется в ацетальдегид, но здесь он как заместитель). Однако, если это эфир, то структура должна быть \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH(CH}_3\text{)COOCH=CH}_2\). Название: Винил-2-метилбутаноат. * Соединение 4: Структура: \[ \text{CH}_3 \text{ | } \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CHCOO-} \text{ | } \text{CH=CH}_2 \] \[ \text{ | } \text{CH}_3 \] Это сложный эфир. Кислотная часть: \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH(CH}_3\text{)COOH}\) (2-метилбутановая кислота). Спиртовая часть: \(\text{CH}_2\text{=CH}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CH}_3\) (п-толилвинил). Название: 4-метилфенил-2-метилбутаноат. (Предполагается, что метильная группа в пара-положении к сложноэфирной группе). 2. Из этана получите этиловый эфир акриловой кислоты. * Этан \(\text{CH}_3\text{CH}_3\) * Акриловая кислота \(\text{CH}_2\text{=CHCOOH}\) * Этиловый эфир акриловой кислоты \(\text{CH}_2\text{=CHCOOCH}_2\text{CH}_3\) Схема синтеза: 1. Дегидрирование этана до этилена: \(\text{CH}_3\text{CH}_3 \xrightarrow{\text{кат., T}} \text{CH}_2\text{=CH}_2 + \text{H}_2\) 2. Окисление этилена до этиленоксида (или ацетальдегида, но для акриловой кислоты лучше через пропилен): \(\text{CH}_2\text{=CH}_2 + \frac{1}{2}\text{O}_2 \xrightarrow{\text{Ag, T}} \text{CH}_2\text{-CH}_2\) (этиленоксид) \[ \text{ | } \text{ | } \text{ O } \] 3. Реакция этиленоксида с синильной кислотой (или другим способом получить цианоэтан): \(\text{CH}_2\text{-CH}_2 + \text{HCN} \rightarrow \text{HOCH}_2\text{CH}_2\text{CN}\) \[ \text{ | } \text{ | } \text{ O } \] 4. Гидролиз нитрила до карбоновой кислоты: \(\text{HOCH}_2\text{CH}_2\text{CN} + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{H}^+} \text{HOCH}_2\text{CH}_2\text{COOH} + \text{NH}_3\) (3-гидроксипропановая кислота) 5. Дегидратация 3-гидроксипропановой кислоты до акриловой кислоты: \(\text{HOCH}_2\text{CH}_2\text{COOH} \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4, \text{T}} \text{CH}_2\text{=CHCOOH} + \text{H}_2\text{O}\) 6. Этерификация акриловой кислоты этанолом: \(\text{CH}_2\text{=CHCOOH} + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \xrightarrow{\text{H}^+} \text{CH}_2\text{=CHCOOCH}_2\text{CH}_3 + \text{H}_2\text{O}\) Альтернативный путь (более прямой для акриловой кислоты из пропилена, но задача из этана): 1. Этан \(\rightarrow\) Этилен \(\rightarrow\) Пропилен (через димеризацию этилена и последующее гидрирование/дегидрирование, что сложно) 2. Окисление пропилена до акролеина: \(\text{CH}_2\text{=CHCH}_3 + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{кат.}} \text{CH}_2\text{=CHCHO} + \text{H}_2\text{O}\) 3. Окисление акролеина до акриловой кислоты: \(\text{CH}_2\text{=CHCHO} + \frac{1}{2}\text{O}_2 \xrightarrow{\text{кат.}} \text{CH}_2\text{=CHCOOH}\) 4. Этерификация: \(\text{CH}_2\text{=CHCOOH} + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \xrightarrow{\text{H}^+} \text{CH}_2\text{=CHCOOCH}_2\text{CH}_3 + \text{H}_2\text{O}\) Выберем первый путь, так как он более логичен, исходя из этана. 3. Заполните схему, назовите продукты реакции, определите тип (механизм) реакции: Пропан-1-ол \(\xrightarrow{\text{SOCl}_2}\) A \(\xrightarrow{\text{KCN}}\) B \(\xrightarrow{2\text{HOH (H}^+)}\) C \(\xrightarrow{\text{PCl}_5}\) D \(\xrightarrow{\text{Br}_2}\) E * Исходное вещество: Пропан-1-ол (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}\)) * Реакция 1: Пропан-1-ол \(\xrightarrow{\text{SOCl}_2}\) A \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH} + \text{SOCl}_2 \rightarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{Cl} + \text{SO}_2 + \text{HCl}\) Продукт A: 1-хлорпропан. Тип реакции: Нуклеофильное замещение (SN2). * Реакция 2: A \(\xrightarrow{\text{KCN}}\) B \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{Cl} + \text{KCN} \rightarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CN} + \text{KCl}\) Продукт B: Бутаннитрил (или пропаннитрил, если считать от цианогруппы, но по IUPAC это бутаннитрил). Тип реакции: Нуклеофильное замещение (SN2). * Реакция 3: B \(\xrightarrow{2\text{HOH (H}^+)}\) C \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CN} + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{H}^+} \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COOH} + \text{NH}_4^+\) Продукт C: Бутановая кислота. Тип реакции: Гидролиз нитрилов (нуклеофильное присоединение-отщепление). * Реакция 4: C \(\xrightarrow{\text{PCl}_5}\) D \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COOH} + \text{PCl}_5 \rightarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COCl} + \text{POCl}_3 + \text{HCl}\) Продукт D: Бутаноилхлорид. Тип реакции: Нуклеофильное замещение (ацильное). * Реакция 5: D \(\xrightarrow{\text{Br}_2}\) E \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COCl} + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{P}} \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH(Br)COCl} + \text{HBr}\) (Реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского) Продукт E: 2-бромбутаноилхлорид. Тип реакции: Радикальное замещение (по альфа-углероду, катализируемое фосфором). 4. Расположите соединения в ряд по реакционной способности в реакции ацилирования: этилпропионат, пропионовый ангидрид, пропионилхлорид, амид пропионовой кислоты. Реакционная способность в реакциях ацилирования (нуклеофильного замещения у карбонильного атома) зависит от электрофильности карбонильного атома и уходящей группы. Чем лучше уходящая группа и чем более электрофилен карбонильный атом, тем выше реакционная способность. * Пропионилхлорид (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COCl}\)): Хлорид-ион - очень хорошая уходящая группа. * Пропионовый ангидрид (\(\text{(CH}_3\text{CH}_2\text{CO)}_2\text{O}\)): Карбоксилат-ион - хорошая уходящая группа. * Этилпропионат (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOCH}_2\text{CH}_3\)): Этоксид-ион - плохая уходящая группа. * Амид пропионовой кислоты (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CONH}_2\)): Амид-ион - очень плохая уходящая группа. Порядок реакционной способности (от наиболее реакционноспособного к наименее): Пропионилхлорид > Пропионовый ангидрид > Этилпропионат > Амид пропионовой кислоты. 5. Определите строение соединения состава \(\text{C}_4\text{H}_4\text{O}_4\), обесцвечивающее перманганат калия, выделяющее газ из карбоната натрия; при нагревании этого соединения образуется вода и циклическое соединение. * Состав: \(\text{C}_4\text{H}_4\text{O}_4\). * Обесцвечивает перманганат калия: указывает на наличие кратных связей (двойных или тройных) или легко окисляемых групп (например, альдегидных, спиртовых). * Выделяет газ из карбоната натрия: указывает на наличие карбоксильных групп (\(\text{COOH}\)). * При нагревании образуется вода и циклическое соединение: указывает на возможность внутримолекулярной дегидратации с образованием циклического ангидрида. Наличие двух карбоксильных групп и возможность образования циклического ангидрида при дегидратации наводит на мысль о дикарбоновой кислоте. Если есть две карбоксильные группы, то \(\text{C}_4\text{H}_4\text{O}_4\) может быть: \(\text{HOOC-C}_2\text{H}_2\text{-COOH}\) Рассмотрим изомеры дикарбоновых кислот с 4 атомами углерода: 1. Янтарная кислота: \(\text{HOOC-CH}_2\text{CH}_2\text{-COOH}\) (\(\text{C}_4\text{H}_6\text{O}_4\)) - не подходит по формуле. 2. Малеиновая кислота: \(\text{HOOC-CH=CH-COOH}\) (цис-изомер) (\(\text{C}_4\text{H}_4\text{O}_4\)) 3. Фумаровая кислота: \(\text{HOOC-CH=CH-COOH}\) (транс-изомер) (\(\text{C}_4\text{H}_4\text{O}_4\)) Обесцвечивание перманганата калия подтверждает наличие двойной связи. Выделение газа из карбоната натрия подтверждает наличие карбоксильных групп. Теперь рассмотрим условие "при нагревании этого соединения образуется вода и циклическое соединение". * Малеиновая кислота (цис-изомер) при нагревании легко дегидратируется с образованием циклического малеинового ангидрида: \[ \text{HOOC-CH=CH-COOH} \xrightarrow{\text{T}} \text{CH=CH} \text{ | } \text{ | } \text{CO-O-CO} + \text{H}_2\text{O} \] * Фумаровая кислота (транс-изомер) из-за пространственных затруднений не может напрямую образовать ангидрид. Для образования ангидрида ей требуется изомеризация в малеиновую кислоту или более жесткие условия. Таким образом, соединение, удовлетворяющее всем условиям, это малеиновая кислота. Строение: \[ \text{H-C-COOH} \text{ || } \text{H-C-COOH} \] (цис-изомер) Название: Малеиновая кислота.