Решение задачи по химии: Билет 1 (COOH)

Вот решения задач, оформленные так, чтобы было удобно переписать в тетрадь школьнику, с использованием MathJax для формул и без Markdown. Билет 1 (COOH). 1. Назовите соединения: а) Соединение: \[ \text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}(\text{CH}_3)\text{CH}(\text{Br})\text{CH}(\text{OH})\text{COOH} \] Нумерация начинается с карбоксильной группы. 1. COOH 2. CH(OH) 3. CH(Br) 4. CH(CH3) 5. CH2 6. CH2 Название: 3-Бром-4-метил-2-гидроксигексановая кислота. б) Соединение: \[ \text{H}_3\text{C}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CH}(\text{CH}_3)\text{CH}_2\text{COOCH}_3 \] Это сложный эфир. Бензольное кольцо с метильной группой в мета-положении (m-толуил). Название: Метил-3-(3-метилфенил)-3-метилпропаноат. 2. Из пропилена получить \(\alpha\)-броммасляную кислоту. Пропилен: \(\text{CH}_3-\text{CH}=\text{CH}_2\) \(\alpha\)-броммасляная кислота: \(\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{Br})-\text{COOH}\) Схема синтеза: 1. Гидробромирование пропилена по правилу Марковникова: \[ \text{CH}_3-\text{CH}=\text{CH}_2 + \text{HBr} \rightarrow \text{CH}_3-\text{CH}(\text{Br})-\text{CH}_3 \] (2-бромпропан) 2. Реакция Вюрца с 2-бромпропаном для удлинения цепи: \[ 2\text{CH}_3-\text{CH}(\text{Br})-\text{CH}_3 + 2\text{Na} \rightarrow \text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_3 + 2\text{NaBr} \] (2,3-диметилбутан) - этот путь не ведет к масляной кислоте. Другой путь: 1. Гидрогалогенирование пропилена против правила Марковникова (в присутствии пероксидов): \[ \text{CH}_3-\text{CH}=\text{CH}_2 + \text{HBr} \xrightarrow{\text{ROOR}} \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2\text{Br} \] (1-бромпропан) 2. Реакция 1-бромпропана с цианидом калия (нуклеофильное замещение): \[ \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2\text{Br} + \text{KCN} \rightarrow \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2\text{CN} + \text{KBr} \] (Бутаннитрил) 3. Гидролиз бутаннитрила до масляной кислоты: \[ \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2\text{CN} + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{H}^+/\text{OH}^-} \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2\text{COOH} + \text{NH}_3 \] (Масляная кислота) 4. Бромирование масляной кислоты по Геллю-Фольгарду-Зелинскому: \[ \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2\text{COOH} + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{P}} \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{Br})\text{COOH} + \text{HBr} \] (\(\alpha\)-броммасляная кислота) 3. Заполните схему, назовите продукты реакции, определите тип (механизм) реакции: 1-Бутанол \(\rightarrow\) A \(\xrightarrow{\text{SOCl}_2}\) B \(\xrightarrow{\text{CH}_3\text{OH}}\) C; B \(\xrightarrow{\text{Br}_2}\) D \(\xrightarrow{\text{NH}_3}\) E Исходное вещество: 1-Бутанол (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}\)) 1. 1-Бутанол \(\xrightarrow{\text{[O]}}\) A Окисление первичного спирта до карбоновой кислоты. A: Бутановая кислота (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COOH}\)) Тип реакции: Окисление. 2. A \(\xrightarrow{\text{SOCl}_2}\) B Реакция карбоновой кислоты с тионилхлоридом для получения хлорангидрида. B: Бутаноилхлорид (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COCl}\)) Тип реакции: Нуклеофильное замещение у ацильного центра (SN-Ac). 3. B \(\xrightarrow{\text{CH}_3\text{OH}}\) C Реакция хлорангидрида с метанолом для получения сложного эфира. C: Метилбутаноат (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COOCH}_3\)) Тип реакции: Нуклеофильное замещение у ацильного центра (SN-Ac). 4. B \(\xrightarrow{\text{Br}_2}\) D Бромирование бутаноилхлорида по \(\alpha\)-положению (реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского). D: 2-Бромбутаноилхлорид (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}(\text{Br})\text{COCl}\)) Тип реакции: Радикальное замещение (при наличии света или нагревания) или электрофильное замещение (через енол). 5. D \(\xrightarrow{\text{NH}_3}\) E Реакция 2-бромбутаноилхлорида с аммиаком. Аммиак может реагировать как с хлорангидридной группой, так и замещать бром. Предполагается замещение хлора на аминогруппу с образованием амида, а затем замещение брома. Если аммиак в избытке, то: \[ \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}(\text{Br})\text{COCl} + 3\text{NH}_3 \rightarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}(\text{NH}_2)\text{CONH}_2 + 2\text{NH}_4\text{Cl} \] E: 2-Аминобутанамид (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}(\text{NH}_2)\text{CONH}_2\)) Тип реакции: Нуклеофильное замещение (SN-Ac и SN2). 4. Расположите карбоновые кислоты в ряд по кислотности: масляная, пропионовая, \(\alpha\)-бромпропионовая, \(\beta\)-бромпропионовая. Объясните. Кислотность карбоновых кислот определяется стабильностью сопряженного основания (карбоксилат-иона). Электроноакцепторные заместители увеличивают кислотность, стабилизируя отрицательный заряд на карбоксилат-ионе. Электронодонорные заместители уменьшают кислотность. Структуры кислот: * Масляная кислота: \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COOH}\) * Пропионовая кислота: \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOH}\) * \(\alpha\)-Бромпропионовая кислота: \(\text{CH}_3\text{CH}(\text{Br})\text{COOH}\) * \(\beta\)-Бромпропионовая кислота: \(\text{BrCH}_2\text{CH}_2\text{COOH}\) Бром (\(\text{Br}\)) является электроноакцепторным заместителем (индуктивный эффект -I). Чем ближе электроноакцепторный заместитель к карбоксильной группе, тем сильнее его влияние и тем выше кислотность. Сравнение: 1. \(\alpha\)-Бромпропионовая кислота: Бром находится в \(\alpha\)-положении, максимально близко к карбоксильной группе. Его -I эффект сильно стабилизирует карбоксилат-ион. Это самая сильная кислота. 2. \(\beta\)-Бромпропионовая кислота: Бром находится в \(\beta\)-положении. Его -I эффект слабее, чем в \(\alpha\)-положении, но все еще увеличивает кислотность по сравнению с незамещенными кислотами. 3. Пропионовая кислота: Не содержит электроноакцепторных заместителей. Метильная группа (\(\text{CH}_3\)) и этильная группа (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\)) являются слабыми электронодонорными заместителями (+I эффект), немного уменьшая кислотность. 4. Масляная кислота: Содержит пропильную группу (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\)), которая является более сильным электронодонором, чем этильная группа в пропионовой кислоте, что делает ее наименее кислотной среди незамещенных. Ряд по возрастанию кислотности: Масляная кислота < Пропионовая кислота < \(\beta\)-Бромпропионовая кислота < \(\alpha\)-Бромпропионовая кислота. Объяснение: Кислотность карбоновых кислот увеличивается с введением электроноакцепторных заместителей, особенно в \(\alpha\)-положении, из-за индуктивного эффекта (-I), который стабилизирует сопряженное основание (карбоксилат-ион). Чем ближе электроноакцепторный заместитель к карбоксильной группе, тем сильнее его влияние. 5. Определите строение соединения состава \(\text{C}_{5}\text{H}_{10}\text{O}_{2}\), если оно взаимодействует с водным раствором карбоната натрия с выделением газа, и его можно получить окислением изопентилового спирта. 1. Состав: \(\text{C}_{5}\text{H}_{10}\text{O}_{2}\). Вычислим число ненасыщенности (DBE): \[ \text{DBE} = \frac{2\text{C} + 2 + \text{N} - \text{H} - \text{X}}{2} = \frac{2 \times 5 + 2 + 0 - 10 - 0}{2} = \frac{12 - 10}{2} = \frac{2}{2} = 1 \] Это означает, что в молекуле есть одна двойная связь или одно кольцо. 2. Взаимодействует с водным раствором карбоната натрия с выделением газа. Реакция с \(\text{Na}_2\text{CO}_3\) с выделением газа (\(\text{CO}_2\)) характерна для карбоновых кислот. Это указывает на то, что соединение является карбоновой кислотой. \[ 2\text{RCOOH} + \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow 2\text{RCOONa} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow \] Следовательно, одна из двух атомов кислорода входит в состав карбоксильной группы (\(-\text{COOH}\)). Это также объясняет DBE = 1 (одна двойная связь \(\text{C}=\text{O}\) в карбоксильной группе). 3. Его можно получить окислением изопентилового спирта. Изопентиловый спирт (3-метилбутан-1-ол) имеет формулу: \[ \text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_2-\text{CH}_2\text{OH} \] Окисление первичного спирта приводит к карбоновой кислоте с тем же числом атомов углерода. Окисление изопентилового спирта даст изопентановую кислоту (3-метилбутановую кислоту). 4. Проверим формулу 3-метилбутановой кислоты: \[ \text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_2-\text{COOH} \] Число атомов углерода: 5 Число атомов водорода: \(3+1+2+1 = 7\) (в цепи) + \(3\) (в метильной группе) = 10 Число атомов кислорода: 2 Формула: \(\text{C}_{5}\text{H}_{10}\text{O}_{2}\). Это соответствует условию. Вывод: Соединение имеет строение 3-метилбутановой кислоты (изопентановой кислоты). Структурная формула: \[ \text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_2-\text{COOH} \]