Номер 400, страница 93 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

400. *Метильная группа ориентирует входящий в бензольное кольцо реагент в положения 2 и 4, а группа — $COOH$ — в положение 3. На основании этих данных предложите схему получения из толуола:

а) 4-бромбензойной кислоты;

б) 3-бромбензойной кислоты.

В основе решения данной задачи лежит знание о влиянии заместителей в бензольном кольце на направление реакций электрофильного замещения. Метильная группа $(-CH_3)$ является заместителем I рода (активирующим), который направляет атакующий реагент в орто- и пара-положения (2 и 4). Карбоксильная группа $(-COOH)$ — заместитель II рода (дезактивирующий), направляющий реагент в мета-положение (3).

Порядок введения заместителей определяет итоговую структуру продукта.

Для получения 4-бромбензойной кислоты, где бром и карбоксильная группа находятся в пара-положении друг к другу, необходимо сначала провести бромирование толуола. Метильная группа направит бром в пара-положение. Затем следует окислить метильную группу до карбоксильной.

Схема синтеза состоит из двух стадий:

1. Бромирование толуола. Реакция электрофильного замещения в присутствии катализатора (например, бромида железа(III)). Образуется смесь орто- и пара-изомеров, из которой выделяют целевой 4-бромтолуол (пара-изомер обычно является основным продуктом).

$C_6H_5-CH_3 + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} p\text{-}CH_3\text{-}C_6H_4\text{-}Br + o\text{-}CH_3\text{-}C_6H_4\text{-}Br + HBr$

2. Окисление 4-бромтолуола. Метильная группа окисляется до карбоксильной с помощью сильного окислителя, например, перманганата калия ($KMnO_4$) в кислой среде при нагревании.

$p\text{-}CH_3\text{-}C_6H_4\text{-}Br + [O] \xrightarrow{KMnO_4, H_2SO_4, t} p\text{-}HOOC\text{-}C_6H_4\text{-}Br$

Ответ: Сначала провести бромирование толуола в присутствии катализатора $FeBr_3$ для получения 4-бромтолуола, а затем окислить метильную группу полученного продукта до карбоксильной с помощью $KMnO_4$.

Для получения 3-бромбензойной кислоты, где бром и карбоксильная группа находятся в мета-положении, необходимо использовать ориентирующее действие карбоксильной группы. Следовательно, сначала нужно окислить толуол до бензойной кислоты, а затем провести бромирование.

Схема синтеза также состоит из двух стадий, но в обратном порядке:

1. Окисление толуола. Толуол окисляют сильным окислителем (например, $KMnO_4$) до бензойной кислоты.

$C_6H_5-CH_3 + [O] \xrightarrow{KMnO_4, H_2SO_4, t} C_6H_5-COOH$

2. Бромирование бензойной кислоты. Карбоксильная группа направляет атом брома в мета-положение бензольного кольца. Реакция проводится в присутствии катализатора $FeBr_3$.

$C_6H_5-COOH + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} m\text{-}HOOC\text{-}C_6H_4\text{-}Br + HBr$

Ответ: Сначала окислить толуол до бензойной кислоты с помощью $KMnO_4$, а затем провести бромирование полученной кислоты в присутствии катализатора $FeBr_3$ для получения 3-бромбензойной кислоты.