Решение задачи по органической химии с названиями соединений

Вот решения задач, оформленные так, чтобы их было удобно переписать в тетрадь школьнику. 1. Назовите соединения: 1. Соединение: \[ \begin{array}{c} \mathrm{CH_3} \\ \mathrm{CH_2CH_2CHCCH_2COOH} \\ \mathrm{| \quad | \quad |} \\ \mathrm{OH \quad Br \quad CH_3} \end{array} \] Название: 3-бром-2,5-диметил-6-гидроксигексановая кислота. (Нумерация начинается с карбоксильной группы. Гидроксильная группа имеет приоритет над алкильными и галогенными заместителями при названии, но при нумерации карбоксильная группа всегда имеет наивысший приоритет.) 2. Соединение: \[ \mathrm{H_3C} \begin{array}{c} \mathrm{CH_3} \\ \mathrm{|} \\ \mathrm{C_6H_4CHCH_2COOCH_3} \end{array} \] Название: Метил-3-(4-метилфенил)-2-метилпропаноат. (Нумерация начинается с карбонильного углерода сложного эфира. Метильная группа в бензольном кольце находится в пара-положении относительно пропионовой цепи.) 2. Из пропилена получите \(\alpha\)-броммасляную кислоту. Решение: 1. Гидратация пропилена (присоединение воды по правилу Марковникова) для получения изопропилового спирта. \[ \mathrm{CH_3-CH=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH(OH)-CH_3} \] (Пропилен + Вода \(\xrightarrow{H^+}\) Изопропиловый спирт) 2. Окисление изопропилового спирта до ацетона. \[ \mathrm{CH_3-CH(OH)-CH_3 \xrightarrow{[O]} CH_3-C(O)-CH_3} \] (Изопропиловый спирт \(\xrightarrow{[O]}\) Ацетон) 3. Реакция галоформного расщепления (например, с бромом и щелочью) ацетона для получения бромоформа и уксусной кислоты. \[ \mathrm{CH_3-C(O)-CH_3 + 3Br_2 + 4NaOH \rightarrow CHBr_3 + CH_3COONa + 3NaBr + 3H_2O} \] (Ацетон + Бром + Гидроксид натрия \(\rightarrow\) Бромоформ + Ацетат натрия + Бромид натрия + Вода) 4. Получение \(\alpha\)-броммасляной кислоты из уксусной кислоты. Это не прямой путь. Возможно, имелась в виду другая последовательность или исходное вещество. Если нужно получить \(\alpha\)-броммасляную кислоту (2-бромбутановую кислоту) из пропилена, то это более сложный синтез. Давайте рассмотрим более прямой путь к \(\alpha\)-броммасляной кислоте, если под "пропиленом" подразумевается возможность использования его как исходного материала для получения более длинной цепи. \(\alpha\)-броммасляная кислота имеет 4 атома углерода. Пропилен имеет 3 атома углерода. Возможный путь: 1. Гидрогалогенирование пропилена: \[ \mathrm{CH_3-CH=CH_2 + HBr \rightarrow CH_3-CH(Br)-CH_3} \] (Пропилен + Бромоводород \(\rightarrow\) 2-Бромпропан) 2. Реакция 2-бромпропана с цианидом натрия (нуклеофильное замещение): \[ \mathrm{CH_3-CH(Br)-CH_3 + NaCN \rightarrow CH_3-CH(CN)-CH_3 + NaBr} \] (2-Бромпропан + Цианид натрия \(\rightarrow\) 2-Метилпропаннитрил + Бромид натрия) 3. Гидролиз нитрила до карбоновой кислоты: \[ \mathrm{CH_3-CH(CN)-CH_3 + 2H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH(COOH)-CH_3 + NH_3} \] (2-Метилпропаннитрил + Вода \(\xrightarrow{H^+}\) 2-Метилпропановая кислота (изомасляная кислота) + Аммиак) Это изомасляная кислота, а не масляная. Если задача подразумевает получение именно \(\alpha\)-броммасляной кислоты (2-бромбутановой кислоты), то пропилен как единственный исходный материал недостаточен для построения 4-углеродной цепи. Возможно, имелась в виду \(\alpha\)-бромпропионовая кислота (2-бромпропановая кислота) из пропилена. Давайте предположим, что имелась в виду \(\alpha\)-бромпропионовая кислота. 1. Гидратация пропилена: \[ \mathrm{CH_3-CH=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH(OH)-CH_3} \] (Пропилен + Вода \(\xrightarrow{H^+}\) Изопропиловый спирт) 2. Окисление изопропилового спирта до ацетона. \[ \mathrm{CH_3-CH(OH)-CH_3 \xrightarrow{[O]} CH_3-C(O)-CH_3} \] (Изопропиловый спирт \(\xrightarrow{[O]}\) Ацетон) 3. Реакция ацетона с бромом в присутствии кислоты (галогенирование по \(\alpha\)-углероду): \[ \mathrm{CH_3-C(O)-CH_3 + Br_2 \xrightarrow{H^+} CH_3-C(O)-CH_2Br + HBr} \] (Ацетон + Бром \(\xrightarrow{H^+}\) Бромацетон + Бромоводород) 4. Окисление бромацетона до \(\alpha\)-бромпропионовой кислоты. Это не прямой путь. Наиболее вероятный путь к \(\alpha\)-броммасляной кислоте (2-бромбутановой кислоте) из пропилена требует удлинения цепи. 1. Гидроборирование-окисление пропилена (анти-Марковниковское присоединение воды): \[ \mathrm{CH_3-CH=CH_2 \xrightarrow{1. BH_3, THF \ 2. H_2O_2, NaOH} CH_3-CH_2-CH_2OH} \] (Пропилен \(\rightarrow\) 1-Пропанол) 2. Окисление 1-пропанола до пропановой кислоты: \[ \mathrm{CH_3-CH_2-CH_2OH \xrightarrow{[O]} CH_3-CH_2-COOH} \] (1-Пропанол \(\xrightarrow{[O]}\) Пропановая кислота) 3. Реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского (галогенирование по \(\alpha\)-углероду) пропановой кислоты: \[ \mathrm{CH_3-CH_2-COOH + Br_2 \xrightarrow{PBr_3} CH_3-CH(Br)-COOH + HBr} \] (Пропановая кислота + Бром \(\xrightarrow{PBr_3}\) \(\alpha\)-Бромпропионовая кислота + Бромоводород) Это \(\alpha\)-бромпропионовая кислота, а не \(\alpha\)-броммасляная. Если задача действительно про \(\alpha\)-броммасляную кислоту (4 атома углерода), то из пропилена (3 атома углерода) без дополнительных реагентов, удлиняющих цепь, ее не получить. Возможно, в задаче опечатка и имелась в виду \(\alpha\)-бромпропионовая кислота. Если так, то последний путь верен. Если же нужно получить именно \(\alpha\)-броммасляную кислоту (2-бромбутановую кислоту) из пропилена, то это требует реакции удлинения цепи, например, через реакцию Гриньяра или синтез Малонового эфира. Примерный путь: 1. Получение 1-бромпропана из пропилена (анти-Марковниковское присоединение HBr): \[ \mathrm{CH_3-CH=CH_2 + HBr \xrightarrow{ROOR} CH_3-CH_2-CH_2Br} \] (Пропилен + Бромоводород \(\xrightarrow{пероксиды}\) 1-Бромпропан) 2. Реакция 1-бромпропана с цианидом натрия: \[ \mathrm{CH_3-CH_2-CH_2Br + NaCN \rightarrow CH_3-CH_2-CH_2CN + NaBr} \] (1-Бромпропан + Цианид натрия \(\rightarrow\) Бутаннитрил + Бромид натрия) 3. Гидролиз бутаннитрила до бутановой (масляной) кислоты: \[ \mathrm{CH_3-CH_2-CH_2CN + 2H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH_2-CH_2COOH + NH_3} \] (Бутаннитрил + Вода \(\xrightarrow{H^+}\) Бутановая кислота + Аммиак) 4. Галогенирование бутановой кислоты по \(\alpha\)-углероду (реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского): \[ \mathrm{CH_3-CH_2-CH_2COOH + Br_2 \xrightarrow{PBr_3} CH_3-CH_2-CH(Br)-COOH + HBr} \] (Бутановая кислота + Бром \(\xrightarrow{PBr_3}\) \(\alpha\)-Броммасляная кислота + Бромоводород) Этот путь является наиболее логичным для получения \(\alpha\)-броммасляной кислоты из пропилена. 3. Заполните схему, назовите продукты реакции, определите тип (механизм) реакции: \[ \mathrm{1-Бутанол \xrightarrow{[O]} A \xrightarrow{SOCl_2} B \xrightarrow{CH_3OH} C;} \] \[ \mathrm{B \xrightarrow{Br_2} D \xrightarrow{NH_3} E} \] Решение: * 1-Бутанол: \(\mathrm{CH_3CH_2CH_2CH_2OH}\) * 1-Бутанол \(\xrightarrow{[O]}\) A Реакция: Окисление первичного спирта до карбоновой кислоты. Продукт A: Бутановая кислота (\(\mathrm{CH_3CH_2CH_2COOH}\)). Тип реакции: Окисление. * A \(\xrightarrow{SOCl_2}\) B Реакция: Превращение карбоновой кислоты в хлорангидрид. Продукт B: Бутаноилхлорид (\(\mathrm{CH_3CH_2CH_2COCl}\)). Тип реакции: Нуклеофильное замещение у ацильного углерода. * B \(\xrightarrow{CH_3OH}\) C Реакция: Этерификация (реакция хлорангидрида с метанолом). Продукт C: Метилбутаноат (\(\mathrm{CH_3CH_2CH_2COOCH_3}\)). Тип реакции: Нуклеофильное замещение у ацильного углерода. * B \(\xrightarrow{Br_2}\) D Реакция: Галогенирование по \(\alpha\)-углероду (реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского, если B - карбоновая кислота, но B - хлорангидрид). Если B - бутаноилхлорид, то галогенирование по \(\alpha\)-углероду происходит в присутствии катализатора (например, PBr3). Продукт D: 2-Бромбутаноилхлорид (\(\mathrm{CH_3CH_2CH(Br)COCl}\)). Тип реакции: \(\alpha\)-Галогенирование. * D \(\xrightarrow{NH_3}\) E Реакция: Нуклеофильное замещение брома на аминогруппу и замещение хлора на аминогруппу (образование амида). Продукт E: 2-Аминобутанамид (\(\mathrm{CH_3CH_2CH(NH_2)CONH_2}\)). Тип реакции: Нуклеофильное замещение. Итоговая схема с продуктами и типами реакций: \[ \mathrm{1-Бутанол \xrightarrow{[O]} Бутановая \ кислота (A) \xrightarrow{SOCl_2} Бутаноилхлорид (B) \xrightarrow{CH_3OH} Метилбутаноат (C);} \] \[ \mathrm{Бутаноилхлорид (B) \xrightarrow{Br_2} 2-Бромбутаноилхлорид (D) \xrightarrow{NH_3} 2-Аминобутанамид (E)} \] Типы реакций: * 1-Бутанол \(\rightarrow\) A: Окисление. * A \(\rightarrow\) B: Нуклеофильное замещение у ацильного углерода. * B \(\rightarrow\) C: Нуклеофильное замещение у ацильного углерода (этерификация). * B \(\rightarrow\) D: \(\alpha\)-Галогенирование. * D \(\rightarrow\) E: Нуклеофильное замещение. 4. Расположите карбоновые кислоты в ряд по кислотности: масляная, пропионовая, \(\alpha\)-бромпропионовая, \(\beta\)-бромпропионовая. Объясните. Решение: Кислотность карбоновых кислот определяется стабильностью сопряженного основания (карбоксилат-иона). Чем стабильнее карбоксилат-ион, тем сильнее кислота. Стабильность карбоксилат-иона увеличивается при наличии электроноакцепторных заместителей, которые оттягивают электронную плотность от карбоксильной группы, делокализуя отрицательный заряд. Электроноакцепторный эффект уменьшается с увеличением расстояния от карбоксильной группы. Рассматриваемые кислоты: * Масляная кислота: \(\mathrm{CH_3CH_2CH_2COOH}\) * Пропионовая кислота: \(\mathrm{CH_3CH_2COOH}\) * \(\alpha\)-Бромпропионовая кислота: \(\mathrm{CH_3CH(Br)COOH}\) * \(\beta\)-Бромпропионовая кислота: \(\mathrm{BrCH_2CH_2COOH}\) Бром (\(\mathrm{Br}\)) является электроноакцепторным заместителем (индуктивный эффект -I). Ряд по возрастанию кислотности: Масляная кислота \(<\) Пропионовая кислота \(<\) \(\beta\)-Бромпропионовая кислота \(<\) \(\alpha\)-Бромпропионовая кислота. Объяснение: 1. **Масляная кислота и Пропионовая кислота:** Пропионовая кислота имеет более короткую углеродную цепь, чем масляная. Алкильные группы являются слабыми электронодонорными заместителями (+I эффект). Чем длиннее алкильная цепь, тем сильнее электронодонорный эффект, который дестабилизирует карбоксилат-ион, делая кислоту слабее. Поэтому пропионовая кислота немного сильнее масляной. 2. **Пропионовая кислота и Бромпропионовые кислоты:** Введение атома брома (электроноакцепторного заместителя) значительно увеличивает кислотность. Бром оттягивает электронную плотность, стабилизируя отрицательный заряд на карбоксилат-ионе. 3. **\(\alpha\)-Бромпропионовая кислота и \(\beta\)-Бромпропионовая кислота:** Электроноакцепторный эффект заместителя ослабевает с увеличением расстояния от карбоксильной группы. В \(\alpha\)-бромпропионовой кислоте атом брома находится непосредственно у \(\alpha\)-углерода (ближайшего к карбоксильной группе), поэтому его электроноакцепторный эффект наиболее сильный. В \(\beta\)-бромпропионовой кислоте бром находится дальше, на \(\beta\)-углероде, и его влияние на стабильность карбоксилат-иона слабее. Следовательно, \(\alpha\)-бромпропионовая кислота является самой сильной из этих четырех. 5. Определите строение соединения состава \(\mathrm{C_5H_{10}O_2}\), если оно взаимодействует с водным раствором карбоната натрия с выделением газа, и его можно получить окислением изопентилового спирта. Решение: 1. **Состав соединения:** \(\mathrm{C_5H_{10}O_2}\). 2. **Взаимодействие с водным раствором карбоната натрия с выделением газа:** Это характерная реакция для карбоновых кислот. Карбоновые кислоты реагируют с карбонатами, выделяя углекислый газ (\(\mathrm{CO_2}\)). \[ \mathrm{2RCOOH + Na_2CO_3 \rightarrow 2RCOONa + H_2O + CO_2 \uparrow} \] Это означает, что соединение \(\mathrm{C_5H_{10}O_2}\) является карбоновой кислотой. 3. **Получение окислением изопентилового спирта:** Изопентиловый спирт (3-метил-1-бутанол) является первичным спиртом. Структура изопентилового спирта: \[ \mathrm{CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_2-OH} \] Окисление первичного спирта приводит к соответствующей карбоновой кислоте с тем же числом атомов углерода. \[ \mathrm{CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_2-OH \xrightarrow{[O]} CH_3-CH(CH_3)-CH_2-COOH} \] (Изопентиловый спирт \(\xrightarrow{[O]}\) Изопентановая кислота) 4. **Определение строения:** Соединение является карбоновой кислотой с 5 атомами углерода, полученной из изопентилового спирта. Название: 3-Метилбутановая кислота (или изопентановая кислота). Структурная формула: \[ \mathrm{CH_3-CH(CH_3)-CH_2-COOH} \] Проверим состав: \(\mathrm{C_5H_{10}O_2}\). Углерод: 5 атомов. Водород: \(3+1+2+2 = 8\) (в цепи) \(+ 2\) (в \(\mathrm{CH_3}\) группе) \( = 10\) атомов. Кислород: 2 атома. Состав совпадает. Ответ: Соединение имеет строение 3-метилбутановой кислоты (изопентановой кислоты). Структурная формула: \(\mathrm{CH_3-CH(CH_3)-CH_2-COOH}\).