Номер 506, страница 113 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

506. Осуществите химические превращения согласно схемам:

а) $CH_4 \rightarrow \ldots \rightarrow \ldots \rightarrow HOCH_2-CH_2OH \rightarrow BrCH_2-CH_2Br \rightarrow \ldots \rightarrow C_6H_6 \rightarrow C_6H_5Br;$

б) $CH_2=CH-CH_2Br \rightarrow \ldots \rightarrow$ глицерин $\rightarrow$ нитроглицерин $\rightarrow CO_2 \rightarrow CaCO_3;$

в) $CH_3-CH_2-CH(OH)-CH_3 \xrightarrow{H_2SO_4, t > 140 \, ^{\circ}C} X$ (транс-изомер)$\xrightarrow{KMnO_4/H_2O, 5 \, ^{\circ}C} \ldots \xrightarrow{HBr \text{ (изб.)}} \ldots \rightarrow$KOH (изб.)/спирт. $\rightarrow 1$ моль Y (сопряженный диен) $\xrightarrow{1 \text{ моль } Br_2} \ldots;$

г)* $CH_2=CH-CH_3 \xrightarrow{H_2O/H^+} \ldots \xrightarrow{H_2SO_4, t > 140 \, ^{\circ}C} \ldots \rightarrow$$Br_2 \xrightarrow{} \ldots \xrightarrow{KOH \text{ (изб.)/спирт.}} \ldots \xrightarrow{H_2O/Hg^{2+}, H^+} \ldots;$

д) $CH_3-CH_2-CH(CH_3)-CH_3 \xrightarrow{\text{кат.}, t} 1$ моль X (сопряженный диен)$\xrightarrow{1 \text{ моль } H_2 \text{ (1,4-присоединение)}} \ldots \xrightarrow{KMnO_4/H_2O, 5 \, ^{\circ}C} \ldots \rightarrow$$HBr \text{ (изб.)} \xrightarrow{} \ldots \xrightarrow{KOH \text{ (изб.)}/спирт.} 1$ моль X (сопряженный диен)$\xrightarrow{1 \text{ моль } H_2 \text{ (1,2-присоединение)}} \ldots \xrightarrow{H_2O/H^+} \ldots \rightarrow$$K_2Cr_2O_7/H_2SO_4 \rightarrow C_5H_{10}O;$

е) $CH_3-CH_2-CH_3 \rightarrow C_2H_4 \xrightarrow{H_2O/H^+} \ldots \rightarrow Br_2 \rightarrow \ldots \rightarrow \ldots \rightarrow 1$ моль $HOCH_2-CH_2OH \xrightarrow{2 \text{ моль } CuO, t} \ldots$

а)

Решение:

Цепочка химических превращений может быть осуществлена следующим образом:

1. Пиролиз метана для получения ацетилена:
$2CH_4 \xrightarrow{1500 ^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$

2. Частичное гидрирование ацетилена до этилена:
$C_2H_2 + H_2 \xrightarrow{kat: Pd/PbCO_3} CH_2=CH_2$

3. Окисление этилена до этиленгликоля (реакция Вагнера):
$3CH_2=CH_2 + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3HOCH_2-CH_2OH + 2MnO_2\downarrow + 2KOH$

4. Замещение гидроксильных групп на бром для получения 1,2-дибромэтана:
$HOCH_2-CH_2OH + 2HBr \rightarrow BrCH_2-CH_2Br + 2H_2O$

5. Дегидробромирование 1,2-дибромэтана для получения ацетилена:
$BrCH_2-CH_2Br + 2KOH(спирт.) \xrightarrow{t} C_2H_2 + 2KBr + 2H_2O$

6. Тримеризация ацетилена в бензол (реакция Зелинского):
$3C_2H_2 \xrightarrow{C_{акт.}, 600 ^\circ C} C_6H_6$

7. Бромирование бензола в присутствии катализатора:
$C_6H_6 + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} C_6H_5Br + HBr$

Ответ: Промежуточные вещества: $C_2H_2$ (ацетилен), $CH_2=CH_2$ (этилен), $C_2H_2$ (ацетилен), $C_6H_6$ (бензол). Конечный продукт – $C_6H_5Br$ (бромбензол).

б)

Решение:

1. Щелочной гидролиз 3-бромпропена-1 (аллилбромида) до аллилового спирта:
$CH_2=CH-CH_2Br + NaOH(водн.) \rightarrow CH_2=CH-CH_2OH + NaBr$

2. Окисление аллилового спирта до глицерина (реакция Вагнера):
$3CH_2=CH-CH_2OH + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3HOCH_2-CH(OH)-CH_2OH + 2MnO_2\downarrow + 2KOH$

3. Нитрование глицерина нитрующей смесью для получения нитроглицерина:
$HOCH_2-CH(OH)-CH_2OH + 3HNO_3(конц.) \xrightarrow{H_2SO_4(конц.)} CH_2(ONO_2)-CH(ONO_2)-CH_2(ONO_2) + 3H_2O$

4. Разложение (взрыв) нитроглицерина с образованием углекислого газа:
$4C_3H_5(ONO_2)_3 \rightarrow 12CO_2\uparrow + 10H_2O\uparrow + 6N_2\uparrow + O_2\uparrow$

5. Реакция углекислого газа с гидроксидом кальция (гашеной известью):
$CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$

Ответ: Промежуточные вещества: $CH_2=CH-CH_2OH$ (аллиловый спирт), $C_3H_5(OH)_3$ (глицерин), $C_3H_5(ONO_2)_3$ (нитроглицерин), $CO_2$ (углекислый газ). Конечный продукт – $CaCO_3$ (карбонат кальция).

в)

Решение:

1. Внутримолекулярная дегидратация бутанола-2 с образованием транс-бутена-2 (вещество X) по правилу Зайцева:
$CH_3-CH_2-CH(OH)-CH_3 \xrightarrow{H_2SO_4, t > 140 ^\circ C} CH_3-CH=CH-CH_3 (транс) + H_2O$

2. Мягкое окисление транс-бутена-2 до бутандиола-2,3:
$3CH_3-CH=CH-CH_3 + 2KMnO_4 + 4H_2O \xrightarrow{5 ^\circ C} 3CH_3-CH(OH)-CH(OH)-CH_3 + 2MnO_2\downarrow + 2KOH$

3. Реакция бутандиола-2,3 с избытком бромоводорода:
$CH_3-CH(OH)-CH(OH)-CH_3 + 2HBr(изб.) \rightarrow CH_3-CH(Br)-CH(Br)-CH_3 + 2H_2O$

4. Дегидробромирование 2,3-дибромбутана с образованием сопряженного диена бутадиена-1,3 (вещество Y):
$CH_3-CH(Br)-CH(Br)-CH_3 + 2KOH(спирт.) \xrightarrow{t} CH_2=CH-CH=CH_2 + 2KBr + 2H_2O$

5. Присоединение 1 моля брома к бутадиену-1,3. Реакция может идти по двум направлениям (1,2- и 1,4-присоединение):
1,2-присоединение: $CH_2=CH-CH=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2(Br)-CH(Br)-CH=CH_2$ (3,4-дибромбутен-1)
1,4-присоединение: $CH_2=CH-CH=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2(Br)-CH=CH-CH_2(Br)$ (1,4-дибромбутен-2)

Ответ: X - $CH_3-CH=CH-CH_3$ (транс-бутен-2), Y - $CH_2=CH-CH=CH_2$ (бутадиен-1,3). Конечные продукты бромирования Y: $CH_2(Br)-CH(Br)-CH=CH_2$ и $CH_2(Br)-CH=CH-CH_2(Br)$.

г)

Решение:

Представлены две независимые цепочки превращений, начинающиеся с пропена.

Первая цепочка:

1. Гидратация пропена по правилу Марковникова с образованием пропанола-2:
$CH_2=CH-CH_3 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH(OH)-CH_3$

2. Внутримолекулярная дегидратация пропанола-2 с образованием пропена:
$CH_3-CH(OH)-CH_3 \xrightarrow{H_2SO_4, t > 140 ^\circ C} CH_2=CH-CH_3 + H_2O$

Вторая цепочка:

1. Бромирование пропена с образованием 1,2-дибромпропана:
$CH_2=CH-CH_3 + Br_2 \rightarrow CH_2(Br)-CH(Br)-CH_3$

2. Дегидробромирование 1,2-дибромпропана спиртовым раствором щелочи с образованием пропина:
$CH_2(Br)-CH(Br)-CH_3 + 2KOH(спирт.) \xrightarrow{t} CH\equiv C-CH_3 + 2KBr + 2H_2O$

3. Гидратация пропина по правилу Марковникова (реакция Кучерова) с образованием ацетона:
$CH\equiv C-CH_3 + H_2O \xrightarrow{Hg^{2+}, H^+} [CH_2=C(OH)-CH_3] \rightarrow CH_3-C(O)-CH_3$

Ответ: В первой цепочке продуктом является пропанол-2, который затем превращается обратно в пропен. Во второй цепочке конечным продуктом является $CH_3-C(O)-CH_3$ (ацетон).

д)

Решение:

1. Каталитическое дегидрирование 2-метилбутана с образованием сопряженного диена - 2-метилбутадиена-1,3 (изопрена, вещество X):
$CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_3 \xrightarrow{кат., t} CH_2=C(CH_3)-CH=CH_2 + 2H_2$

Далее представлены две независимые цепочки превращений вещества X.

Первая цепочка (1,4-присоединение):

1. Каталитическое гидрирование изопрена (1,4-присоединение) с образованием 2-метилбутена-2:
$CH_2=C(CH_3)-CH=CH_2 + H_2 \xrightarrow{кат.} CH_3-C(CH_3)=CH-CH_3$

2. Мягкое окисление 2-метилбутена-2 до 2-метилбутандиола-2,3:
$3CH_3-C(CH_3)=CH-CH_3 + 2KMnO_4 + 4H_2O \xrightarrow{5 ^\circ C} 3CH_3-C(OH)(CH_3)-CH(OH)-CH_3 + 2MnO_2\downarrow + 2KOH$

Вторая цепочка (1,2-присоединение):

1. Каталитическое гидрирование изопрена (1,2-присоединение) с образованием 3-метилбутена-1:
$CH_2=C(CH_3)-CH=CH_2 + H_2 \xrightarrow{кат.} CH_3-CH(CH_3)-CH=CH_2$

2. Гидратация 3-метилбутена-1 по правилу Марковникова с образованием 3-метилбутанола-2:
$CH_3-CH(CH_3)-CH=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH(CH_3)-CH(OH)-CH_3$

3. Окисление вторичного спирта (3-метилбутанола-2) до кетона - 3-метилбутанона-2 ($C_5H_{10}O$):
$5CH_3-CH(CH_3)-CH(OH)-CH_3 + 2K_2Cr_2O_7 + 8H_2SO_4 \rightarrow 5CH_3-CH(CH_3)-C(O)-CH_3 + 2K_2SO_4 + 2Cr_2(SO_4)_3 + 13H_2O$

Ответ: Вещество X - $CH_2=C(CH_3)-CH=CH_2$ (изопрен). В первой цепочке конечным продуктом является $CH_3-C(OH)(CH_3)-CH(OH)-CH_3$ (2-метилбутандиол-2,3). Во второй цепочке конечным продуктом является $CH_3-CH(CH_3)-C(O)-CH_3$ (3-метилбутанон-2).

е)

Решение:

1. Крекинг пропана с получением этилена:
$CH_3-CH_2-CH_3 \xrightarrow{t, кат.} CH_2=CH_2 + CH_4$

Цепочку от этилена до этиленгликоля можно представить следующим образом, заполнив три промежуточных звена:

2. Галогенирование этилена с образованием 1,2-дихлорэтана:
$CH_2=CH_2 + Cl_2 \rightarrow CH_2Cl-CH_2Cl$

3. Монодегидрогалогенирование 1,2-дихлорэтана с получением винилхлорида:
$CH_2Cl-CH_2Cl + KOH(спирт.) \rightarrow CH_2=CHCl + KCl + H_2O$

4. Замещение атома хлора в винилхлориде на гидроксогруппу с последующей таутомеризацией в ацетальдегид:
$CH_2=CHCl + NaOH(водн.) \xrightarrow{t, p} [CH_2=CHOH] \rightarrow CH_3-CHO$

5. Каталитическое гидрирование ацетальдегида до этанола:
$CH_3-CHO + H_2 \xrightarrow{Ni} CH_3-CH_2OH$

6. Внутримолекулярная дегидратация этанола до этилена:
$CH_3-CH_2OH \xrightarrow{H_2SO_4, 170 ^\circ C} CH_2=CH_2 + H_2O$

7. Прямое окисление этилена до этиленгликоля (альтернативный, более короткий путь):
$3CH_2=CH_2 + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3HOCH_2-CH_2OH + 2MnO_2\downarrow + 2KOH$

Для заполнения трех промежуточных звеньев можно использовать следующую последовательность:
$CH_2=CH_2 \xrightarrow{H_2O, H^+} C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4, 170^\circ C} CH_2=CH_2 \xrightarrow{Cl_2} CH_2Cl-CH_2Cl \xrightarrow{NaOH(водн.)} HOCH_2-CH_2OH$

8. Окисление этиленгликоля оксидом меди(II) до глиоксаля (этандиаля):
$HOCH_2-CH_2OH + 2CuO \xrightarrow{t} OHC-CHO + 2Cu\downarrow + H_2O$

Ответ: Конечным продуктом является $OHC-CHO$ (глиоксаль).