Получение фенилгидразона 2-бутанона из этана: Решение задачи

Хорошо, давайте разберем эти задачи по химии. 1. Из этана получите фенилгидразон 2-бутанона. Для получения фенилгидразона 2-бутанона из этана, нам нужно пройти несколько стадий: * Получение 2-бутанона из этана. * Реакция 2-бутанона с фенилгидразином. **Стадия 1: Получение 2-бутанона из этана.** Этан (алкан) можно превратить в 2-бутанон (кетон) через ряд реакций. Один из возможных путей: 1. **Галогенирование этана:** \[ \mathrm{CH_3-CH_3} + \mathrm{Cl_2} \xrightarrow{\text{hv}} \mathrm{CH_3-CH_2-Cl} + \mathrm{HCl} \] (Этан + Хлор \(\xrightarrow{\text{свет}}\) Хлорэтан + Хлороводород) Тип реакции: Радикальное замещение. 2. **Реакция Вюрца для удлинения цепи:** \[ 2\mathrm{CH_3-CH_2-Cl} + 2\mathrm{Na} \xrightarrow{\text{эфир}} \mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CH_3} + 2\mathrm{NaCl} \] (Хлорэтан + Натрий \(\xrightarrow{\text{эфир}}\) н-Бутан + Хлорид натрия) Тип реакции: Синтез Вюрца. 3. **Галогенирование н-бутана (с образованием 2-хлорбутана):** \[ \mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CH_3} + \mathrm{Cl_2} \xrightarrow{\text{hv}} \mathrm{CH_3-CH_2-CHCl-CH_3} + \mathrm{HCl} \] (н-Бутан + Хлор \(\xrightarrow{\text{свет}}\) 2-Хлорбутан + Хлороводород) Тип реакции: Радикальное замещение. (Предполагаем, что 2-хлорбутан является основным продуктом, так как вторичный углерод более реакционноспособен). 4. **Гидролиз 2-хлорбутана до 2-бутанола:** \[ \mathrm{CH_3-CH_2-CHCl-CH_3} + \mathrm{NaOH} \xrightarrow{\text{H_2O}} \mathrm{CH_3-CH_2-CHOH-CH_3} + \mathrm{NaCl} \] (2-Хлорбутан + Гидроксид натрия \(\xrightarrow{\text{вода}}\) 2-Бутанол + Хлорид натрия) Тип реакции: Нуклеофильное замещение. 5. **Окисление 2-бутанола до 2-бутанона:** \[ \mathrm{CH_3-CH_2-CHOH-CH_3} + \mathrm{K_2Cr_2O_7/H_2SO_4} \xrightarrow{} \mathrm{CH_3-CH_2-CO-CH_3} \] (2-Бутанол + Дихромат калия/Серная кислота \(\xrightarrow{}\) 2-Бутанон) Тип реакции: Окисление вторичного спирта. **Стадия 2: Реакция 2-бутанона с фенилгидразином.** Кетоны реагируют с гидразинами (в данном случае с фенилгидразином) с образованием гидразонов. Это реакция конденсации. \[ \mathrm{CH_3-CH_2-CO-CH_3} + \mathrm{C_6H_5-NH-NH_2} \xrightarrow{\text{H}^+} \mathrm{CH_3-CH_2-C(=N-NH-C_6H_5)-CH_3} + \mathrm{H_2O} \] (2-Бутанон + Фенилгидразин \(\xrightarrow{\text{кислота}}\) Фенилгидразон 2-бутанона + Вода) Тип реакции: Нуклеофильное присоединение-отщепление (конденсация). 2. Напишите формулы следующих соединений: а) 2-нитро-5-этилфуран-3-карбоновой кислоты б) 2-ацетил-3-изобутил-4-фенилпиррола в) изопропил 5-аллилтиофен-3-карбоксилата г) 5-винил-2-метилпиридин-3-карбонитрила а) **2-нитро-5-этилфуран-3-карбоновая кислота** Фуран - пятичленный гетероцикл с одним атомом кислорода. Нумерация начинается с атома кислорода. Карбоновая кислота - \(\mathrm{-COOH}\) группа. Нитрогруппа - \(\mathrm{-NO_2}\). Этил - \(\mathrm{-CH_2CH_3}\). Формула: \[ \mathrm{O=C(OH)-C_3H_1(NO_2)(CH_2CH_3)O} \] (Здесь \(\mathrm{C_3H_1}\) обозначает часть фуранового кольца, к которой присоединены заместители. Более точно, это фурановое кольцо с \(\mathrm{COOH}\) в положении 3, \(\mathrm{NO_2}\) в положении 2 и \(\mathrm{CH_2CH_3}\) в положении 5.) б) **2-ацетил-3-изобутил-4-фенилпиррол** Пиррол - пятичленный гетероцикл с одним атомом азота. Нумерация начинается с атома азота. Ацетил - \(\mathrm{-COCH_3}\). Изобутил - \(\mathrm{-CH_2CH(CH_3)_2}\). Фенил - \(\mathrm{-C_6H_5}\). Формула: \[ \mathrm{C_4H_2N(COCH_3)(CH_2CH(CH_3)_2)(C_6H_5)} \] (Здесь \(\mathrm{C_4H_2N}\) обозначает часть пиррольного кольца. Более точно, это пиррольное кольцо с \(\mathrm{COCH_3}\) в положении 2, \(\mathrm{CH_2CH(CH_3)_2}\) в положении 3 и \(\mathrm{C_6H_5}\) в положении 4.) в) **изопропил 5-аллилтиофен-3-карбоксилат** Тиофен - пятичленный гетероцикл с одним атомом серы. Нумерация начинается с атома серы. Карбоксилат - сложный эфир карбоновой кислоты, в данном случае изопропиловый эфир. Изопропил - \(\mathrm{-CH(CH_3)_2}\). Аллил - \(\mathrm{-CH_2-CH=CH_2}\). Формула: \[ \mathrm{S-C_3H_1(CH_2-CH=CH_2)(COOCH(CH_3)_2)} \] (Здесь \(\mathrm{S-C_3H_1}\) обозначает часть тиофенового кольца. Более точно, это тиофеновое кольцо с \(\mathrm{COOCH(CH_3)_2}\) в положении 3 и \(\mathrm{CH_2-CH=CH_2}\) в положении 5.) г) **5-винил-2-метилпиридин-3-карбонитрил** Пиридин - шестичленный гетероцикл с одним атомом азота. Нумерация начинается с атома азота. Винил - \(\mathrm{-CH=CH_2}\). Метил - \(\mathrm{-CH_3}\). Карбонитрил - \(\mathrm{-CN}\). Формула: \[ \mathrm{C_5H_2N(CH=CH_2)(CH_3)(CN)} \] (Здесь \(\mathrm{C_5H_2N}\) обозначает часть пиридинового кольца. Более точно, это пиридиновое кольцо с \(\mathrm{CN}\) в положении 3, \(\mathrm{CH_3}\) в положении 2 и \(\mathrm{CH=CH_2}\) в положении 5.) 3. Заполните схему, назовите продукты реакции, определите тип (механизм) реакции: \[ \mathrm{Пропан-1-ол} \xrightarrow{\mathrm{SOCl_2}} \mathrm{A} \xrightarrow{\mathrm{KCN}} \mathrm{B} \xrightarrow{\mathrm{2HOH (H^+)}} \mathrm{C} \xrightarrow{\mathrm{PCl_5}} \mathrm{D} \xrightarrow{\mathrm{Br_2}} \mathrm{E} \] Давайте разберем каждую стадию: **Исходное вещество:** Пропан-1-ол (\(\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-OH}\)) **Стадия 1: Пропан-1-ол \(\xrightarrow{\mathrm{SOCl_2}}\) A** * **Реакция:** Спирты реагируют с тионилхлоридом (\(\mathrm{SOCl_2}\)) с образованием алкилгалогенидов. Это хороший метод, так как побочные продукты (\(\mathrm{SO_2}\) и \(\mathrm{HCl}\)) являются газами и легко удаляются. * **Продукт A:** 1-Хлорпропан (\(\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-Cl}\)) * **Уравнение:** \[ \mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-OH} + \mathrm{SOCl_2} \rightarrow \mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-Cl} + \mathrm{SO_2} \uparrow + \mathrm{HCl} \uparrow \] * **Тип реакции:** Нуклеофильное замещение (обычно \(\mathrm{S_N2}\) для первичных спиртов, но механизм может быть сложнее в зависимости от условий). **Стадия 2: A \(\xrightarrow{\mathrm{KCN}}\) B** * **Реакция:** Алкилгалогениды реагируют с цианидом калия (\(\mathrm{KCN}\)) с образованием нитрилов. Это реакция нуклеофильного замещения. * **Продукт B:** Бутаннитрил (или пропан-1-карбонитрил) (\(\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CN}\)) * **Уравнение:** \[ \mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-Cl} + \mathrm{KCN} \rightarrow \mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CN} + \mathrm{KCl} \] * **Тип реакции:** Нуклеофильное замещение (\(\mathrm{S_N2}\)). **Стадия 3: B \(\xrightarrow{\mathrm{2HOH (H^+)}}\) C** * **Реакция:** Нитрилы гидролизуются в кислой среде до карбоновых кислот. Для полного гидролиза до карбоновой кислоты требуется две молекулы воды. * **Продукт C:** Бутановая кислота (\(\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-COOH}\)) * **Уравнение:** \[ \mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CN} + 2\mathrm{H_2O} \xrightarrow{\mathrm{H}^+} \mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-COOH} + \mathrm{NH_4}^+ \] (Или \(\mathrm{NH_3}\) в зависимости от дальнейшей нейтрализации) * **Тип реакции:** Гидролиз (нуклеофильное присоединение-отщепление). **Стадия 4: C \(\xrightarrow{\mathrm{PCl_5}}\) D** * **Реакция:** Карбоновые кислоты реагируют с пентахлоридом фосфора (\(\mathrm{PCl_5}\)) с образованием хлорангидридов кислот. * **Продукт D:** Бутаноилхлорид (\(\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-COCl}\)) * **Уравнение:** \[ \mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-COOH} + \mathrm{PCl_5} \rightarrow \mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-COCl} + \mathrm{POCl_3} + \mathrm{HCl} \] * **Тип реакции:** Нуклеофильное замещение (ацильное). **Стадия 5: D \(\xrightarrow{\mathrm{Br_2}}\) E** * **Реакция:** Хлорангидриды карбоновых кислот могут реагировать с бромом. Если бром реагирует с алкильной частью, это может быть реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского (ГФЗ), которая происходит по \(\alpha\)-углероду. * **Продукт E:** 2-Бромбутаноилхлорид (\(\mathrm{CH_3-CH_2-CH(Br)-COCl}\)) * **Уравнение:** \[ \mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-COCl} + \mathrm{Br_2} \xrightarrow{\text{P (катализатор)}} \mathrm{CH_3-CH_2-CH(Br)-COCl} + \mathrm{HBr} \] (Реакция ГФЗ обычно требует катализатора, например, красного фосфора, который образует \(\mathrm{PBr_3}\) in situ). * **Тип реакции:** \(\alpha\)-галогенирование (радикальное или через енол/енолят, в данном случае, скорее всего, через енол, образующийся из кетена, который образуется из хлорангидрида в присутствии катализатора). **Сводка продуктов и типов реакций:** * **A:** 1-Хлорпропан (\(\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-Cl}\)). Тип реакции: Нуклеофильное замещение. * **B:** Бутаннитрил (\(\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CN}\)). Тип реакции: Нуклеофильное замещение (\(\mathrm{S_N2}\)). * **C:** Бутановая кислота (\(\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-COOH}\)). Тип реакции: Гидролиз. * **D:** Бутаноилхлорид (\(\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-COCl}\)). Тип реакции: Нуклеофильное замещение (ацильное). * **E:** 2-Бромбутаноилхлорид (\(\mathrm{CH_3-CH_2-CH(Br)-COCl}\)). Тип реакции: \(\alpha\)-галогенирование (реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского).