Номер 135, страница 43 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

135. *Какое строение имеет карбоновая кислота, если при сплавлении ее натриевой соли со щелочью образуется углеводород $C_4H_{10}$, при хлорировании которого образуется одно третичное и одно первичное монохлорпроизводные?

Решение

1. Определение строения углеводорода.

По условию, углеводород имеет молекулярную формулу $C_4H_{10}$. Этой формуле соответствуют два изомера-алкана: н-бутан и изобутан (2-метилпропан).

Рассмотрим продукты монохлорирования каждого из изомеров:

а) н-бутан ($CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$) имеет атомы водорода у первичных и вторичных атомов углерода. При его хлорировании образуются два продукта: 1-хлорбутан (первичное монохлорпроизводное) и 2-хлорбутан (вторичное монохлорпроизводное). Это не соответствует условию задачи, в котором говорится об образовании первичного и третичного производных.

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CH_2-CH_2-CH_2Cl + CH_3-CH_2-CHCl-CH_3$

б) Изобутан ($(CH_3)_2CH-CH_3$, или 2-метилпропан) имеет атомы водорода у первичных (девять) и третичного (один) атомов углерода. При его хлорировании образуется смесь двух монохлорпроизводных: первичного и третичного.

1-хлор-2-метилпропан (первичное производное)

2-хлор-2-метилпропан (третичное производное)

$(CH_3)_3CH + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} (CH_3)_2CH-CH_2Cl + (CH_3)_3CCl$

Это полностью соответствует условию задачи. Следовательно, искомый углеводород — это изобутан (2-метилпропан).

2. Определение строения карбоновой кислоты.

Углеводород (изобутан) образуется при сплавлении натриевой соли карбоновой кислоты со щелочью. Эта реакция — декарбоксилирование (реакция Дюма), в ходе которой карбоксильная группа $-COOH$ замещается на атом водорода $-H$. Общая схема реакции:

$R-COONa + NaOH \xrightarrow{t} R-H + Na_2CO_3$

Поскольку продуктом реакции ($R-H$) является изобутан ($C_4H_{10}$), исходная карбоновая кислота ($R-COOH$) должна содержать на один атом углерода больше, то есть 5 атомов углерода (ее формула $C_5H_{10}O_2$).

Нам необходимо найти такую карбоновую кислоту, при декарбоксилировании которой образуется изобутан. Это означает, что радикал $R$ в кислоте $R-COOH$ должен иметь такое строение, чтобы после присоединения атома водорода ($R-H$) получился изобутан. Рассмотрим возможные структуры кислот:

а) Если карбоксильная группа присоединена к первичному атому углерода изомерного пентанового скелета, который при отщеплении $-COOH$ дает изобутан. Такой кислотой является 3-метилбутановая (изовалериановая) кислота.

Структурная формула: $(CH_3)_2CH-CH_2-COOH$

Реакция декарбоксилирования ее натриевой соли:

$(CH_3)_2CH-CH_2-COONa + NaOH \xrightarrow{t} (CH_3)_2CH-CH_3 + Na_2CO_3$

Продуктом является изобутан, что соответствует условию.

б) Если карбоксильная группа присоединена к третичному атому углерода, образуя кислоту с неопентановым скелетом. Такой кислотой является 2,2-диметилпропановая (пивалиновая) кислота.

Структурная формула: $(CH_3)_3C-COOH$

Реакция декарбоксилирования ее натриевой соли:

$(CH_3)_3C-COONa + NaOH \xrightarrow{t} (CH_3)_3C-H + Na_2CO_3$

Продуктом также является изобутан, что также соответствует условию.

Таким образом, условию задачи удовлетворяют две карбоновые кислоты.

Ответ: Условию задачи соответствует строение двух карбоновых кислот: 3-метилбутановой кислоты $(CH_3)_2CH-CH_2-COOH$ и 2,2-диметилпропановой кислоты $(CH_3)_3C-COOH$.