Номер 630, страница 140 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

630.Осуществите превращения согласно схеме:

$C_4H_9Cl \xrightarrow{\text{КОН (спирт. р-р)}} \dots \xrightarrow{H_2O/H^+} X \xrightarrow{HBr} \dots \to$

$\quad \xrightarrow{Na} \dots \xrightarrow{Cl_2, hv} \dots,$

если известно, что вещество $X$ окисляется $KMnO_4$ в присутствии серной кислоты. Запишите формулы всех монохлорпроизводных, образующихся на последней стадии, и укажите их число без учета стереоизомеров.

Решение

1. Определим строение исходного вещества с формулой $C_4H_9Cl$. Существует четыре изомера: 1-хлорбутан, 2-хлорбутан, 1-хлор-2-метилпропан и 2-хлор-2-метилпропан.

2. Рассмотрим первую цепочку превращений: $C_4H_9Cl \xrightarrow{KOH (спирт. р-р)} ... \xrightarrow{H_2O/H^+} X$.

Реакция с алкогольным раствором $KOH$ — это дегидрогалогенирование, в результате которого образуется алкен. Последующая гидратация алкена в кислой среде приводит к образованию спирта $X$.

Из 1-хлорбутана и 2-хлорбутана образуются бутен-1 и/или бутен-2. Их гидратация (по правилу Марковникова) приводит к образованию бутан-2-ола.

Из 1-хлор-2-метилпропана и 2-хлор-2-метилпропана образуется 2-метилпропен. Его гидратация приводит к образованию 2-метилпропан-2-ола (третичного спирта).

3. По условию, вещество $X$ окисляется перманганатом калия $KMnO_4$ в присутствии серной кислоты. Третичные спирты в этих условиях, как правило, не окисляются. Вторичные спирты окисляются до кетонов. Следовательно, $X$ — это вторичный спирт, бутан-2-ол ($CH_3-CH_2-CH(OH)-CH_3$). Это означает, что исходный $C_4H_9Cl$ имеет линейный углеродный скелет, то есть это 1-хлорбутан или 2-хлорбутан.

4. Запишем уравнения реакций для первой цепи, выбрав в качестве исходного вещества, например, 1-хлорбутан (выбор 2-хлорбутана привел бы к тому же результату для последующих стадий).

Дегидрогалогенирование 1-хлорбутана:

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-Cl + KOH \xrightarrow{спирт, t} CH_3-CH_2-CH=CH_2 + KCl + H_2O$

Гидратация бутена-1 с образованием вещества $X$ (бутан-2-ола):

$CH_3-CH_2-CH=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH_2-CH(OH)-CH_3$

Реакция бутан-2-ола с $HBr$ приводит к 2-бромбутану:

$CH_3-CH_2-CH(OH)-CH_3 + HBr \rightarrow CH_3-CH_2-CH(Br)-CH_3 + H_2O$

5. Рассмотрим вторую цепь превращений. Судя по схеме, она начинается с продукта предыдущей стадии (2-бромбутана), который вступает в реакцию с натрием (реакция Вюрца).

Реакция Вюрца для 2-бромбутана:

$2 CH_3-CH_2-CH(Br)-CH_3 + 2Na \rightarrow CH_3-CH_2-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3 + 2NaBr$

Образовавшийся алкан — 3,4-диметилгексан.

6. Последняя стадия — радикальное хлорирование 3,4-диметилгексана под действием УФ-света ($hv$).

$CH_3-CH_2-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{hv} C_8H_{17}Cl + HCl$

Молекула 3,4-диметилгексана симметрична. В ней есть четыре типа химически неэквивалентных атомов водорода, замещение которых приводит к образованию различных структурных изомеров:

атомы водорода в метильных группах цепи ($CH_3-CH_2-$)

атомы водорода в метиленовых группах ($-CH_2-$)

атомы водорода при третичных атомах углерода ($-CH(CH_3)-$ )

атомы водорода в метильных группах-заместителях ($-CH(CH_3)-$)

Поэтому при монохлорировании образуется смесь из четырех изомерных продуктов (без учета стереоизомеров).

Формулы монохлорпроизводных, образующихся на последней стадии:

1. 1-хлор-3,4-диметилгексан:

$Cl-CH_2-CH_2-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

2. 2-хлор-3,4-диметилгексан:

$CH_3-CHCl-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

3. 3-хлор-3,4-диметилгексан:

$CH_3-CH_2-C(Cl)(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

4. 3-(хлорметил)-4-метилгексан:

$CH_3-CH_2-CH(CH_2Cl)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

Общее число монохлорпроизводных (структурных изомеров) — 4.

Ответ:

Уравнения реакций:

1) $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-Cl + KOH \xrightarrow{спирт, t} CH_3-CH_2-CH=CH_2 + KCl + H_2O$

2) $CH_3-CH_2-CH=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH_2-CH(OH)-CH_3$ (вещество X)

3) $CH_3-CH_2-CH(OH)-CH_3 + HBr \rightarrow CH_3-CH_2-CH(Br)-CH_3 + H_2O$

4) $2 CH_3-CH_2-CH(Br)-CH_3 + 2Na \rightarrow CH_3-CH_2-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3 + 2NaBr$

5) $CH_3-CH_2-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{hv} C_8H_{17}Cl + HCl$

На последней стадии образуются 4 монохлорпроизводных (структурных изомера):

1. 1-хлор-3,4-диметилгексан: $Cl-CH_2-CH_2-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

2. 2-хлор-3,4-диметилгексан: $CH_3-CHCl-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

3. 3-хлор-3,4-диметилгексан: $CH_3-CH_2-C(Cl)(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

4. 3-(хлорметил)-4-метилгексан: $CH_3-CH_2-CH(CH_2Cl)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

Число монохлорпроизводных без учета стереоизомеров: 4.