Номер 632, страница 141 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

632. Вещество А состава $C_5H_{12}O$, имеющее неразветвленный углеродный скелет, реагирует с металлическим натрием с образованием органического вещества Б, окисляется оксидом меди$(II)$ при нагревании с образованием органического продукта В. При дегидратации вещества А образуется алкен Г, способный существовать в виде цис- и транс-изомеров.

а) Приведите формулы и названия цис- и транс-изомеров алкена Г.

б) Приведите структурные формулы веществ А, Б и В.

в) Запишите уравнения всех описанных в задаче реакций и укажите условия их протекания.

г) Вещество Д является изомером вещества А. Вещество Д реагирует с металлическим натрием, но не может подвергаться внутримолекулярной дегидратации с образованием алкена с таким же, как у Д, углеродным скелетом. Приведите структурную формулу вещества Д (ответ поясните).

д) Осуществите цепочку превращений:

$Д \xrightarrow{\text{+CuO, t}} \text{...} \xrightarrow{\text{+Cu(OH)}_2\text{, t}} \text{...} \xrightarrow{\text{+CH}_3\text{OH/H}^+\text{, t}} \text{Е.}$

е) Приведите структурную формулу изомера вещества Е, имеющего неразветвленный углеродный скелет и окрашивающего лакмус в розовый цвет.

Решение

Для определения строения вещества А проанализируем условия задачи:

1. Молекулярная формула вещества А — $C_5H_{12}O$. Эта формула соответствует общим формулам предельных одноатомных спиртов и простых эфиров ($C_nH_{2n+2}O$).

2. Вещество А имеет неразветвленный углеродный скелет, то есть является производным н-пентана.

3. Реакция с металлическим натрием указывает на наличие гидроксильной группы (-OH), следовательно, А — это спирт.

4. Возможные структуры для А: пентанол-1, пентанол-2, пентанол-3.

5. При дегидратации вещества А образуется алкен Г, который имеет цис- и транс-изомеры. Это ключевое условие.

- Дегидратация пентанола-1 ($CH_3CH_2CH_2CH_2CH_2OH$) дает только пентен-1 ($CH_2=CHCH_2CH_2CH_3$), который не имеет цис-транс-изомеров, так как у одного из атомов углерода при двойной связи находятся два одинаковых заместителя (атомы водорода).

- Дегидратация пентанола-2 ($CH_3CH_2CH_2CH(OH)CH_3$) по правилу Зайцева приводит к образованию пентена-2 ($CH_3CH=CHCH_2CH_3$). У каждого атома углерода при двойной связи в пентене-2 находятся разные заместители (H и $CH_3$ у одного; H и $CH_2CH_3$ у другого), поэтому он существует в виде цис- и транс-изомеров. Этот вариант подходит.

- Дегидратация пентанола-3 ($CH_3CH_2CH(OH)CH_2CH_3$) также приводит к образованию пентена-2, который имеет цис- и транс-изомеры. Этот вариант также подходит.

Поскольку оба варианта (пентанол-2 и пентанол-3) удовлетворяют условию, выберем для дальнейшего решения пентанол-2. Все последующие выводы будут верны и для пентанола-3 с соответствующими изменениями в структурах продуктов.

Итак, пусть вещество А — это пентанол-2.

Тогда:

- Вещество Б (продукт реакции А с Na) — это пентанолят-2 натрия.

- Вещество В (продукт окисления А оксидом меди(II)) — это пентанон-2 (кетон, так как А — вторичный спирт).

- Вещество Г (продукт дегидратации А) — это пентен-2.

а) Приведите формулы и названия цис- и транс-изомеров алкена Г.

Алкен Г — это пентен-2. Его цис- и транс-изомеры:

1. цис-Пентен-2 (или (Z)-пентен-2), в котором алкильные группы ($CH_3-$ и $C_2H_5-$) находятся по одну сторону от плоскости двойной связи.

Структурная формула: $CH_3-CH=CH-CH_2-CH_3$

2. транс-Пентен-2 (или (E)-пентен-2), в котором алкильные группы ($CH_3-$ и $C_2H_5-$) находятся по разные стороны от плоскости двойной связи.

Структурная формула: $CH_3-CH=CH-CH_2-CH_3$

Ответ: цис-Пентен-2 и транс-Пентен-2, структурная формула для обоих: $CH_3-CH=CH-CH_2-CH_3$.

б) Приведите структурные формулы веществ А, Б и В.

Структурная формула вещества А (пентанол-2):

$CH_3-CH_2-CH_2-CH(OH)-CH_3$

Структурная формула вещества Б (пентанолят-2 натрия):

$CH_3-CH_2-CH_2-CH(ONa)-CH_3$

Структурная формула вещества В (пентанон-2):

$CH_3-CH_2-CH_2-C(O)-CH_3$

Ответ: А: $CH_3-CH_2-CH_2-CH(OH)-CH_3$; Б: $CH_3-CH_2-CH_2-CH(ONa)-CH_3$; В: $CH_3-CH_2-CH_2-C(O)-CH_3$.

в) Запишите уравнения всех описанных в задаче реакций и укажите условия их протекания.

1. Реакция вещества А с металлическим натрием с образованием вещества Б:

$2CH_3CH_2CH_2CH(OH)CH_3 + 2Na \rightarrow 2CH_3CH_2CH_2CH(ONa)CH_3 + H_2\uparrow$

Условия: без нагревания.

2. Окисление вещества А оксидом меди(II) с образованием вещества В:

$CH_3CH_2CH_2CH(OH)CH_3 + CuO \xrightarrow{t} CH_3CH_2CH_2C(O)CH_3 + Cu + H_2O$

Условия: нагревание ($t$).

3. Внутримолекулярная дегидратация вещества А с образованием алкена Г:

$CH_3CH_2CH_2CH(OH)CH_3 \xrightarrow{H_2SO_4, t>140^\circ C} CH_3CH=CHCH_2CH_3 + H_2O$

Условия: концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$) и нагревание выше 140°C.

Ответ: Уравнения реакций: $2A + 2Na \rightarrow 2Б + H_2$; $A + CuO \xrightarrow{t} В + Cu + H_2O$; $A \xrightarrow{H_2SO_4, t>140^\circ C} Г + H_2O$.

г) Вещество Д является изомером вещества А. Вещество Д реагирует с металлическим натрием, но не может подвергаться внутримолекулярной дегидратации с образованием алкена с таким же, как у Д, углеродным скелетом. Приведите структурную формулу вещества Д (ответ поясните).

Вещество Д является изомером вещества А ($C_5H_{12}O$) и реагирует с натрием, следовательно, Д — спирт. Условие невозможности внутримолекулярной дегидратации без перестройки углеродного скелета означает, что у соседнего с гидроксильной группой атома углерода нет атомов водорода. Такое строение имеет первичный спирт 2,2-диметилпропанол-1 (неопентиловый спирт). В его молекуле гидроксильная группа $-CH_2OH$ связана с четвертичным атомом углерода, не имеющим атомов H.

Структурная формула вещества Д (2,2-диметилпропанол-1):

$(CH_3)_3C-CH_2-OH$

Ответ: Структурная формула вещества Д — $(CH_3)_3C-CH_2-OH$. Пояснение: в данном спирте у атома углерода, соседнего с карбинольной группой ($CH_2OH$), отсутствуют атомы водорода, что делает невозможной реакцию элиминирования (дегидратации) без перегруппировки углеродного скелета.

д) Осуществите цепочку превращений: Д → ... → ... → Е.

Вещество Д — 2,2-диметилпропанол-1, $(CH_3)_3C-CH_2-OH$.

1. Окисление первичного спирта Д оксидом меди(II) приводит к альдегиду — 2,2-диметилпропаналю:

$(CH_3)_3C-CH_2OH + CuO \xrightarrow{t} (CH_3)_3C-CHO + Cu + H_2O$

2. Окисление полученного альдегида гидроксидом меди(II) при нагревании (качественная реакция) приводит к карбоновой кислоте — 2,2-диметилпропановой кислоте:

$(CH_3)_3C-CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} (CH_3)_3C-COOH + Cu_2O\downarrow + 2H_2O$

3. Реакция этерификации 2,2-диметилпропановой кислоты метанолом в присутствии сильной кислоты (катализатор) приводит к сложному эфиру E — метил-2,2-диметилпропаноату.

$(CH_3)_3C-COOH + CH_3OH \rightleftharpoons (CH_3)_3C-COO-CH_3 + H_2O$ (условия: $H^+, t$)

Вещество E — метил-2,2-диметилпропаноат.

Ответ: Цепочка превращений: $(CH_3)_3C-CH_2OH \xrightarrow{CuO,t} (CH_3)_3C-CHO \xrightarrow{Cu(OH)_2,t} (CH_3)_3C-COOH \xrightarrow{CH_3OH, H^+,t} (CH_3)_3C-COOCH_3$. Вещество E — метил-2,2-диметилпропаноат, $(CH_3)_3C-COOCH_3$.

е) Приведите структурную формулу изомера вещества Е, имеющего неразветвленный углеродный скелет и окрашивающего лакмус в розовый цвет.

Молекулярная формула вещества Е ($(CH_3)_3C-COOCH_3$) — $C_6H_{12}O_2$.

Искомое вещество является изомером Е, то есть имеет ту же формулу $C_6H_{12}O_2$.

Оно имеет неразветвленный углеродный скелет (6 атомов углерода в цепи) и окрашивает лакмус в розовый цвет, что указывает на кислую среду, то есть вещество является карбоновой кислотой.

Карбоновая кислота с формулой $C_6H_{12}O_2$ и неразветвленным углеродным скелетом — это гексановая кислота.

Структурная формула гексановой кислоты:

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-COOH$

Ответ: Структурная формула искомого вещества (гексановой кислоты): $CH_3CH_2CH_2CH_2CH_2COOH$.