Номер 397, страница 92 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

397. *Определите строение ароматического углеводорода $C_9H_{12}$, если известно, что при его окислении перманганатом калия в кислой среде образуется соединение состава $C_6H_3(COOH)_3$, а при бромировании в присутствии $FeBr_3$ — только одно монобромпроизводное. Запишите уравнения описанных реакций.

Найти:

1. Строение ароматического углеводорода $C_9H_{12}$.

2. Уравнения реакций окисления и бромирования данного углеводорода.

Решение:

1. Определение строения углеводорода.

Молекулярная формула углеводорода $C_9H_{12}$ соответствует общей формуле гомологов бензола $C_nH_{2n-6}$ (при $n=9$, $2 \times 9 - 6 = 12$). Это указывает на то, что молекула содержит одно бензольное кольцо и алкильные заместители.

Согласно первому условию, при окислении углеводорода перманганатом калия в кислой среде образуется соединение состава $C_6H_3(COOH)_3$ — бензолтрикарбоновая кислота. Окисление гомологов бензола в жестких условиях приводит к превращению каждой алкильной боковой цепи в карбоксильную группу ($-COOH$). Образование продукта с тремя карбоксильными группами свидетельствует о наличии у исходного соединения трех алкильных заместителей в бензольном кольце.

Вычислим суммарный состав этих трех заместителей. Для этого из брутто-формулы исходного вещества $C_9H_{12}$ вычтем состав бензольного фрагмента с тремя точками замещения, $C_6H_3$:
$C_{9-6}H_{12-3} = C_3H_9$.
Распределение состава $C_3H_9$ на три алкильных заместителя однозначно приводит к выводу, что каждый из них является метильной группой ($-CH_3$), так как $3 \times (-CH_3) = C_3H_9$. Таким образом, искомый углеводород является одним из изомеров триметилбензола.

Согласно второму условию, при бромировании в присутствии катализатора $FeBr_3$ (условия для электрофильного замещения в ароматическом кольце) образуется только одно монобромпроизводное. Это возможно лишь в том случае, если все атомы водорода в бензольном кольце, способные к замещению, являются химически эквивалентными.

Рассмотрим возможные изомеры триметилбензола:

1,2,3-триметилбензол (гемимеллитен): имеет два типа неэквивалентных атомов водорода в кольце (в положениях 4, 5, 6; атомы H-4 и H-6 эквивалентны между собой, но не эквивалентны атому H-5). При бромировании образуется два изомерных продукта.

1,2,4-триметилбензол (псевдокумол): имеет три неэквивалентных атома водорода в кольце (в положениях 3, 5, 6). При бромировании образуется три изомерных продукта.

1,3,5-триметилбензол (мезитилен): благодаря высокому уровню симметрии молекулы все три атома водорода в кольце (в положениях 2, 4, 6) являются полностью эквивалентными. Замещение любого из них на атом брома приводит к образованию одного и того же продукта.

Таким образом, условиям задачи удовлетворяет только 1,3,5-триметилбензол (мезитилен).

2. Уравнения реакций.

Реакция окисления 1,3,5-триметилбензола перманганатом калия в кислой среде с образованием бензол-1,3,5-трикарбоновой кислоты:

$5C_6H_3(CH_3)_3 + 18KMnO_4 + 27H_2SO_4 \rightarrow 5C_6H_3(COOH)_3 + 9K_2SO_4 + 18MnSO_4 + 42H_2O$

Реакция бромирования 1,3,5-триметилбензола в присутствии катализатора $FeBr_3$:

$C_6H_3(CH_3)_3 + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} C_6H_2Br(CH_3)_3 + HBr$

Ответ: Искомый ароматический углеводород — 1,3,5-триметилбензол (мезитилен).
Уравнение реакции окисления:
$5C_6H_3(CH_3)_3 + 18KMnO_4 + 27H_2SO_4 \rightarrow 5C_6H_3(COOH)_3 + 9K_2SO_4 + 18MnSO_4 + 42H_2O$
Уравнение реакции бромирования:
$C_6H_3(CH_3)_3 + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} C_6H_2Br(CH_3)_3 + HBr$