Решение качественных задач-2. Цепочки превращений

Химия. 10 класс

 

Урок 70. Решение качественных задач-2. Цепочки превращений

 

Загорский Вячеслав Викторович, д.п.н., проф. Специализированного учебно-научного центра МГУ (школа им. А.Н. Колмогорова при МГУ),

многократный лауреат грантов «Учитель Москвы»

 

24.03. 2011 г.

 

При участии: Менделеевой Екатерины Александровны, к.х.н., доц. СУНЦ МГУ

Морозовой Натальи Игоревны, к.х.н., ст. преп. СУНЦ МГУ

 

 

Здравствуйте! Тема сегодняшнего урока – «Решение качественных задач. Цепочки превращений». Некоторые задачи на цепочки превращений фактически являются качественными задачами, в которых нужно проанализировать органические соединения, зашифрованные буквами алфавита.

 

Вспомним такую задачу из прошлого урока: «Вещество А представляет собой легко кипящую жидкость с приятным запахом. При гидролизе А образуется два соединения с одинаковым числом атомов углерода. Плотность паров одного из этих соединений В лишь немного превышает плотность воздуха. Вещество В может быть окислено оксидом меди. Вещество С, которое используется для сохранения биологических препаратов. Приведите возможные формулы веществ А, В, С».

 

А теперь решим задачу, которая представляет собой подобную цепочку в чистом виде. Требуется установить структурные формулы и названия веществ от А до Е. В этой цепочке есть определенное начало, что облегчает наши действия. Начальная формула дана однозначно. Фактически такая задача сводится к написанию последовательных уравнений реакции. Сами уравнения нам пока не ясны, но зато указаны условия. Исходное вещество должно прореагировать с бромом на свету. Это типичная реакция радикального замещения. Замещение у вторичных атомов протекает быстрее, чем у первичных. Поэтому при среднем атоме углерода замещается атом водорода существенно быстрее, чем при крайних, и основным продуктом превращений будет вещество А - 2 бром пропан. Затем 2 бром пропан реагирует со спиртовым раствором щелочи. Если раствор щелочи не водный, а именно спиртовой, то происходит отщепление – элиминирование бромоводорода, при этом образуется вещество В, а именно – пропен.

Пропен присоединяет молекулу хлора, в общем-то, в любых условиях. И получается вещество С - 1, 2 дихлорпропан. Затем снова спиртовой раствор щелочи. Реакция идет так же, как и с 2 бром пропаном. Отщепляется молекула галоген водорода. Но здесь два атома галогена, поэтому отщепятся два галоген водорода, а именно два хлороводорода. В результате получится не двойная, а тройная связь. И тогда вещество Д – пропин.

И, наконец, пропин присоединяет воду в кислой среде в присутствии соли ртути. Подобное присоединение идет по правилам Морковникова, т.е. водород уходит на край молекулы, а гидроксильная группа идет в центр. В результате получается непредельный спирт или енол. Но такие спирты неустойчивы, и он тут же перегруппировывается в кетон. Простейший кетон, который называется ацетон. Таким образом, задача решена.

 

Следующая разновидность цепочек содержит вещества с относительно простыми молекулярными формулами, и нужно подобрать условия, при которых одно вещество будет превращаться в другое.

 

Рассмотрим такую цепочку. Как превратить этиловый спирт в этилен?

Чтобы получить непредельный углеводород из спирта, нужно забрать у спирта воду. Такая реакция называется дегидратацией. Обычно ее проводят, нагревая этиловый спирт с концентрированной серной кислотой. Затем этилен или этен надо превратить в дихлорэтан. Для того чтобы присоединить хлор, достаточно просто взаимодействия даже в темноте. Затем из 1, 2 дихлорэтана, который получается в этих условиях, нужно получить ацетилен или этин. Нельзя просто отщепить молекулу хлора. Тогда получится этен или этилен. Поэтому нужно отщепить две молекулы хлороводорода. Чтобы произвести такое отщепление или элиминирование, нужно подействовать спиртовым раствором щелочи. И, наконец, последний шаг: из этина или ацетилена нужно получить бензол. Для того чтобы произошла такая реакция, она называется тримеризация, необходим катализатор, имеющий типичную для бензола гексагональную или шестиугольную структуру. В качестве катализатора чаще всего используют активированный уголь или оксид хрома. Данная задача решена.

Мы подобрали все условия реакции.

 

Еще одна разновидность задач на цепочки – это задачи, в которых в цепочке находятся уже относительно сложные молекулярные формулы. В таком случае расшифровка цепочки является уже не очень простой задачей.

 

Рассмотрим это на конкретном примере. Данная цепочка превращений сложна еще и тем, что требует определенного внимания. Она двойная. Мы видим, что стрелки расходятся от центра цепочки к ее краям. Сразу видно, что число атомов водорода в формулах всех перечисленных веществ относительно мало, т.е. такое соотношение углерода и водорода характерно для аренов или производных бензола. В формулах большинства веществ в данной цепочке находятся 7 атомов углерода. Скорее всего, они как-то генетически связаны с формулой, имеющей одно бензольное кольцо и один метильный радикал.

Состав вещества, отвечающего такой формуле С7Н8. Исходное вещество находится в середине цепочки. По сравнению с предложенной нами, так называемой базовой формулой, соответствующей талуолу, в нем не хватает 3-х атомов водорода. Зато есть азот и кислород. Предположим, что 3 атома водорода были замещены другими группами.

 

Какие это могут быть группы? Исходя из видимого нами состава, можно предположить, что одна из групп – это нитрогруппа. Но тогда остается 2 атома кислорода. Атомы кислорода не могут быть сами по себе заместителями в ароматическом ядре. Они не входят и в состав спиртовых групп, потому что для этого не хватит водорода в исходной формуле. Тогда логично предположить, что атомы кислорода замещают атомы водорода не в бензольном ядре, а в метильном радикале.

 

Если мы заменим метильную группу карбоксильной группой, т.е. кислотной, мы как раз получим ту формулу, которая соответствует находящейся в условии задачи. В исходной формуле находятся и нитрогруппа, и карбоксильная группа. Исходное вещество – нитробензольная кислота. Однако мы пока не можем судить о взаимном расположении этих заместителей. Надо выбрать направление цепочки. Здесь скорее помогает интуитивная оценка имеющейся у нас ситуации. Предположим, мы пойдем влево. У соседнего вещества на 2 атома кислорода меньше, но больше на 3 атома водорода и появился атом хлора. Если число атомов кислорода уменьшилось и возникли атомы водорода, по-видимому, произошло восстановление. При восстановлении нитрогруппа превращается в аминогруппу, тогда не очень понятно, откуда взялся атом хлора. Однако если восстановление протекало в кислой среде, то вместо амина образуется аммониевая соль. Тогда соответствующий анион – хлорид.

Итак, условия реакции восстановления – взаимодействие с активным металлом в солянокислой среде. Металлом может быть, например, цинк. Теперь пойдем еще на 1 шаг влево по данной цепочке.

 

При таком переходе у нас как бы пропал атом хлора, но появился атом калия и уменьшилось число атомов водорода. Эта комбинация из изменений намекает нам на то, что кислая среда сменилась на основную или щелочную. И тогда хлорид в аминогруппе заменяется солью калия, которая будет, разумеется, не по аминогруппе, а по карбоксильной группе кислоты. Такая реакция протекает при взаимодействии предшествовавшего вещества – соли аммония с концентрированным раствором щелочи.

Теперь двинемся по той же цепочке вправо. Условия реакция здесь довольно однозначные – нужно нитрование. Однако условия нитрования потребуются весьма жесткие, потому что уже есть две функциональные группы, которые не способствуют подобным реакциям. Поэтому придется довольно сильно нагревать вещество с нитрующей смесью. И карбоксильная группа, и нитрогруппа ориентируют новые заместители в метоположение. А поскольку, согласно цепочке, в результате реакции образовалось только одно вещество, то ориентация этих двух исходных заместителей является согласованной. Такая ситуация возможна только в одном случае: и карбоксильная группа, и нитрогруппа по отношению друг другу находятся в метоположении. А продуктом реакции является 3, 5 динитробензольная кислота. Это вещество превращается далее, например, за счет взаимодействия по карбоксильной группе. Возможно образование сложного эфира со спиртом, содержащим 2 атома углерода. И тогда последний продукт – это этиловый эфир 3, 5 динитробензольной кислоты. Реакция идет в кислой среде. Итак, цепочка превращений расшифрована.

 

На этом наш урок закончен. До свидания.