Номер 750, страница 169 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

750. В медицине широко используются лекарственные препараты аспирин (ацетилсалициловая кислота) и метилсалицилат. Аспирин ($C_9H_8O_4$) — известный обезболивающий, жаропонижающий и противовоспалительный препарат, имеется практически в каждой домашней аптечке. Метилсалицилат ($C_8H_8O_3$) входит в состав обезболивающих и противовоспалительных мазей, например, бальзама «Бен-Гей» и мази «Эфкамон». Как следует из названий этих веществ, они являются производными салициловой кислоты:

${C6H4(COOH)(OH)}$

салициловая кислота

В молекуле салициловой кислоты имеются карбоксильная и гидроксильная группы, непосредственно связанные с бензольным кольцом. Она представляет собой белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в органических растворителях. В воде при температуре $20 \degree \text{C}$ ее растворимость составляет $0,18 \text{ г}$ на $100 \text{ г}$ воды, при нагревании растворимость увеличивается ($8,5 \text{ г}$ на $100 \text{ г}$ воды при $80 \degree \text{C}$).

Как видно из строения молекулы, салициловая кислота является бифункциональным соединением — карбоновой кислотой и фенолом.

а) Назовите салициловую кислоту по номенклатуре ИЮПАК.

б) Для очистки салициловой кислоты от хорошо растворимых в воде примесей $20,00 \text{ г}$ загрязненной салициловой кислоты полностью растворили в $250 \text{ мл}$ горячей воды (примерно $80 \degree \text{C}$). Затем раствор охладили до температуры $20 \degree \text{C}$, выпавший осадок отфильтровали. Какую максимальную массу очищенного вещества можно получить при этом?

в) Аспирин и метилсалицилат являются продуктами реакции этерификации салициловой кислоты. Какое из веществ — уксусная кислота либо метиловый спирт — используется в реакции этерификации для получения аспирина, а какое — для получения метилсалицилата?

г) Напишите уравнения реакций получения аспирина и метилсалицилата, учитывая, что катализатором является серная кислота (используйте структурные формулы веществ).

д) У аспирина имеется изомер, также являющийся сложным эфиром ароматической карбоновой кислоты, которая используется для синтеза синтетического волокна лавсан. Напишите его структурную формулу.

а) Назовите салициловую кислоту по номенклатуре ИЮПАК.

Согласно номенклатуре ИЮПАК, салициловая кислота называется 2-гидроксибензойная кислота. Нумерация атомов углерода в бензольном кольце начинается с атома, связанного с карбоксильной группой (-COOH), которая имеет старшинство перед гидроксильной группой (-OH).

Ответ: 2-гидроксибензойная кислота.

б) Для очистки салициловой кислоты от хорошо растворимых в воде примесей 20,00 г загрязненной салициловой кислоты полностью растворили в 250 мл горячей воды (примерно 80 °C). Затем раствор охладили до температуры 20 °C, выпавший осадок отфильтровали. Какую максимальную массу очищенного вещества можно получить при этом?

Масса загрязненной салициловой кислоты = 20,00 г
Объем воды $V_{воды}$ = 250 мл
Температура горячей воды $T_1$ = 80 °C
Температура холодной воды $T_2$ = 20 °C
Растворимость при 80 °C ($S_1$) = 8,5 г на 100 г воды
Растворимость при 20 °C ($S_2$) = 0,18 г на 100 г воды
Плотность воды $\rho_{воды}$ ≈ 1,0 г/мл

Максимальная масса очищенной салициловой кислоты ($m_{очищ}$) - ?

Метод очистки основан на перекристаллизации, которая использует различие в растворимости вещества при разных температурах.

1. Найдем массу воды, используемой для растворения. Принимая плотность воды равной 1 г/мл:

$m_{воды} = V_{воды} \cdot \rho_{воды} = 250 \text{ мл} \cdot 1 \text{ г/мл} = 250 \text{ г}$

2. Проверим, может ли 20,00 г салициловой кислоты полностью раствориться в 250 г воды при 80 °C. Рассчитаем максимальную массу салициловой кислоты, которую можно растворить в данном объеме горячей воды:

$m_{раств., 80°C} = \frac{8,5 \text{ г}}{100 \text{ г воды}} \cdot 250 \text{ г воды} = 21,25 \text{ г}$

Поскольку $20,00 \text{ г} < 21,25 \text{ г}$, вся салициловая кислота может раствориться (и, по условию, растворилась). Для расчета максимального выхода будем считать, что исходные 20,00 г - это масса чистой салициловой кислоты.

3. Рассчитаем, какая масса салициловой кислоты останется в растворе после охлаждения до 20 °C. Растворимость при этой температуре составляет 0,18 г на 100 г воды:

$m_{ост., 20°C} = \frac{0,18 \text{ г}}{100 \text{ г воды}} \cdot 250 \text{ г воды} = 0,45 \text{ г}$

4. Масса выпавшего в осадок (очищенного) вещества равна разности между исходной массой и массой, оставшейся в растворе. Предполагается, что примеси хорошо растворимы и остаются в растворе.

$m_{очищ} = m_{исходная} - m_{ост., 20°C} = 20,00 \text{ г} - 0,45 \text{ г} = 19,55 \text{ г}$

Ответ: Максимальная масса очищенной салициловой кислоты, которую можно получить, составляет 19,55 г.

в) Аспирин и метилсалицилат являются продуктами реакции этерификации салициловой кислоты. Какое из веществ — уксусная кислота либо метиловый спирт — используется в реакции этерификации для получения аспирина, а какое — для получения метилсалицилата?

Салициловая кислота имеет две функциональные группы: карбоксильную (-COOH) и фенольную гидроксильную (-OH). Реакция этерификации может идти по любой из них.

Для получения аспирина (ацетилсалициловой кислоты) необходимо этерифицировать фенольную гидроксильную группу (-OH). Для этого салициловую кислоту обрабатывают кислотой или ее ангидридом. Из предложенных вариантов, уксусная кислота ($CH_3COOH$) является источником ацетильной группы ($CH_3CO-$), необходимой для синтеза аспирина.

Для получения метилсалицилата (метилового эфира салициловой кислоты) этерифицируют карбоксильную группу (-COOH). Для этого используют спирт. Из предложенных вариантов, метиловый спирт ($CH_3OH$) реагирует с карбоксильной группой, образуя сложный эфир.

Ответ: Для получения аспирина используется уксусная кислота, для получения метилсалицилата — метиловый спирт.

г) Напишите уравнения реакций получения аспирина и метилсалицилата, учитывая, что катализатором является серная кислота (используйте структурные формулы веществ).

Уравнения реакций с использованием структурных формул (в конденсированном виде). Катализатор (серная кислота, $H_2SO_4$) указывается над стрелкой.

1. Получение аспирина (ацетилсалициловой кислоты). Происходит реакция этерификации фенольной группы салициловой кислоты уксусной кислотой:

2. Получение метилсалицилата. Происходит реакция этерификации карбоксильной группы салициловой кислоты метиловым спиртом (реакция Фишера):

Ответ: Уравнения реакций приведены выше.

д) У аспирина имеется изомер, также являющийся сложным эфиром ароматической карбоновой кислоты, которая используется для синтеза синтетического волокна лавсан. Напишите его структурную формулу.

Сначала определим брутто-формулу аспирина (ацетилсалициловой кислоты). Его формула $C_9H_8O_4$.

Искомый изомер имеет ту же брутто-формулу $C_9H_8O_4$. По условию, это сложный эфир ароматической карбоновой кислоты, которая используется для синтеза лавсана.

Синтетическое волокно лавсан (полиэтилентерефталат, ПЭТ) получают поликонденсацией терефталевой кислоты и этиленгликоля. Следовательно, упомянутая ароматическая кислота — это терефталевая кислота (бензол-1,4-дикарбоновая кислота).

Структурная формула терефталевой кислоты: $HOOC-C_6H_4-COOH$. Её брутто-формула: $C_8H_6O_4$.

Сравним брутто-формулы изомера ($C_9H_8O_4$) и терефталевой кислоты ($C_8H_6O_4$). Разница составляет группу $CH_2$. Это указывает на то, что изомер является метиловым эфиром терефталевой кислоты. Так как у терефталевой кислоты две карбоксильные группы, искомый изомер является продуктом этерификации одной из них, то есть это монометиловый эфир терефталевой кислоты (монометилтерефталат).

Ответ: Структурная формула изомера (монометилтерефталата):

где карбоксильная (-COOH) и сложноэфирная (-COOCH3) группы находятся в пара-положении (1,4) относительно друг друга в бензольном кольце.