№32. Цепочка органических превращений: классы веществ, условия и названия
Задание №32 — цепочка из пяти превращений органических веществ. Здесь важно узнавать класс по реагенту и условию, писать структурные формулы, а не брутто-формулы, и подписывать условия над стрелкой. Каждое из пяти уравнений оценивают отдельно, поэтому даже знакомую реакцию нужно оформить полностью.
Органическая цепочка устроена так же, как неорганическая: продукт каждого шага становится исходным веществом следующего. Разница в том, что вместо классов неорганических веществ здесь следят за функциональными группами и числом атомов углерода. Реагент и условие над стрелкой прямо подсказывают класс продукта: бром на свету — галогенпроизводное, вода с кислотой — спирт, окислитель — альдегид или кислота, спирт с кислотой — сложный эфир.
алкан → галогенпроизводное → спирт → альдегид → карбоновая кислота → сложный эфир
CH4 + Br2 → CH3Br + HBr (свет) — замещение, число атомов углерода не меняется
CH3CH2OH → CH2=CH2 + H2O (H2SO4, t) — внутримолекулярная дегидратация
CH2=CH2 + H2O → CH3CH2OH (H3PO4, t) — гидратация алкена
CH3CHO + H2 → CH3CH2OH (kat., t) — восстановление альдегида
CH3CHO + [O] → CH3COOH — окисление того же альдегида даёт кислоту
CH3COOH + C2H5OH ⇄ CH3COOC2H5 + H2O (H2SO4, t) — этерификация
Особые случаи встречаются почти в каждой цепочке, и их стоит выучить отдельно. Спиртовой раствор щёлочи при нагревании отщепляет галогеноводород и даёт непредельное соединение, а водный раствор той же щёлочи замещает галоген на гидроксильную группу и даёт спирт. Гидратация алкинов по правилу Кучерова для ацетилена даёт альдегид, а для его гомологов — кетон. Мягкое окисление алкена перманганатом в воде приводит к двухатомному спирту, жёсткое окисление с разрывом двойной связи — к кислоте или кетону.
C2H4Br2 + 2KOH (спирт., t) → CH≡CH + 2KBr + 2H2O
CH≡CH + H2O → CH3CHO (Hg^2+, H2SO4, t) — для ацетилена получается альдегид
| Исходное вещество | Реагент и условие | Продукт | Пример |
|---|---|---|---|
| алкан | галоген, свет | галогенпроизводное | CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl |
| галогенпроизводное | избыток NH3 | первичный амин | CH3Br + 2NH3 → CH3NH2 + NH4Br |
| галогенпроизводное | KOH спиртовой, t | алкен или алкин | C2H4Br2 + 2KOH → C2H2 + 2KBr + 2H2O |
| спирт | CuO, t | альдегид | CH3OH + CuO → H2CO + Cu + H2O |
| альдегид | KMnO4, H2SO4 | карбоновая кислота | 5CH3CHO + 2KMnO4 + 3H2SO4 → 5CH3COOH + K2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O |
| карбоновая кислота | спирт, H2SO4, t | сложный эфир | CH3COOH + C2H5OH ⇄ CH3COOC2H5 + H2O |
| карбоновая кислота | NaHCO3 | соль, вода и газ | CH3COOH + NaHCO3 → CH3COONa + H2O + CO2↑ |
- Шаг 1. Определи класс первого вещества и посчитай атомы углерода: в большинстве переходов их число сохраняется, но при сплавлении соли карбоновой кислоты со щёлочью становится на один меньше.
- Шаг 2. Читай реагент и условие над каждой стрелкой: именно они задают класс продукта, а не твоя догадка.
- Шаг 3. Записывай структурные формулы, а не брутто-формулы: по критериям оценивания структурная формула обязательна.
- Шаг 4. Следи за ориентацией присоединения: к несимметричному алкену HBr идёт по правилу Марковникова, вода к алкину — по правилу Кучерова.
- Шаг 5. Не забывай второй продукт: в реакциях отщепления образуется вода или галогеноводород, в реакциях замещения — HBr или HCl.
- Шаг 6. Расставь коэффициенты в каждом уравнении, особенно в окислительно-восстановительных, где участвуют KMnO4 и H2SO4.
- Шаг 7. Подпиши условия над стрелкой и пересчитай уравнения: их должно быть ровно пять, по числу стрелок.
Типичные ошибки. 1) Пишут брутто-формулы вместо структурных: по критериям структурная формула нужна обязательно, иначе балл снижают. 2) Забывают условия над стрелкой: без указания света, температуры или катализатора уравнение считается неполным. 3) Путают водный и спиртовой растворы щёлочи: водный даёт спирт, спиртовой при нагревании — алкен или алкин. 4) Теряют второй продукт: отщепление всегда даёт воду или галогеноводород, замещение — HBr или HCl. 5) Ошибаются с ориентацией присоединения: у гомологов ацетилена гидратация даёт кетон, а не альдегид. 6) Путают окисление и восстановление: альдегид с водородом даёт спирт, а с окислителем — карбоновую кислоту.
Проверь себя
- Почему один и тот же дибромэтан со спиртовым и с водным раствором щёлочи даёт разные продукты?
- Что изменится, если в цепочке заменить ацетилен на его гомолог и провести гидратацию по Кучерову?
- Как по записи CH3CH2OH → CH2=CH2 + H2O понять, какое условие нужно подписать над стрелкой?
- Зачем в уравнениях органических реакций нужны структурные формулы, если брутто-формула короче?
- Какие вещества получатся, если окислять альдегид, а не восстанавливать его водородом?
Показательные решения
- Цепочка из пяти стрелок, и число атомов углерода в ней всё время одинаковое: метан, бромметан, метиламин, метанол, формальдегид, углекислый газ.
- Первый шаг CH4 + Br2 → CH3Br + HBr идёт на свету: это радикальное замещение, атом водорода заменяется на бром.
- Второй шаг CH3Br + 2NH3 → CH3NH2 + NH4Br: одна молекула аммиака замещает бром, вторая связывает выделившийся бромоводород, поэтому аммиак берут в избытке.
- Третий шаг CH3NH2 + HNO2 → CH3OH + N2 + H2O: первичный амин с азотистой кислотой даёт спирт, а азот уходит в виде газа.
- Четвёртый шаг CH3OH + CuO → H2CO + Cu + H2O (t): окисление спирта оксидом меди(II) даёт альдегид, медь восстанавливается до металла.
- Пятый шаг 5H2CO + 4KMnO4 + 6H2SO4 → 5CO2 + 4MnSO4 + 2K2SO4 + 11H2O — жёсткое окисление в кислой среде доводит углерод до углекислого газа, коэффициенты подобраны электронным балансом.
- Ответ: написаны пять уравнений от CH4 + Br2 → CH3Br + HBr до окисления формальдегида перманганатом с образованием CO2.
Ответ: Элементы ответа. Составим уравнения реакций, соответствующие схеме превращений. 1. CH₄ + Br₂ → свет HBr + CH₃Br. 2. CH₃Br + 2NH₃ → CH₃NH₂ + NH₄Br. 3. CH₃NH₂ + HNO₂ → CH₃OH + N₂ + H₂O. 4. CH₃OH + CuO → t ° H₂CO + Cu + H₂O. 5. 5H₂CO + 4KMnO₄ + 6H₂SO₄→ 5CO₂ + 4MnSO₄ + 2K₂SO₄ + 11H₂O.
Официальное решение из банка ФИПИ
Элементы ответа. Составим уравнения реакций, соответствующие схеме превращений. 1. CH₄ + Br₂ → свет HBr + CH₃Br. 2. CH₃Br + 2NH₃ → CH₃NH₂ + NH₄Br. 3. CH₃NH₂ + HNO₂ → CH₃OH + N₂ + H₂O. 4. CH₃OH + CuO → t ° H₂CO + Cu + H₂O. 5. 5H₂CO + 4KMnO₄ + 6H₂SO₄→ 5CO₂ + 4MnSO₄ + 2K₂SO₄ + 11H₂O.
- Цепочка начинается со спирта и заканчивается альдегидом с тем же числом атомов углерода: этанол, этилен, этиленгликоль, дибромэтан, ацетилен, ацетальдегид.
- Первый шаг C2H5OH → C2H4 + H2O (Al2O3, 400 °C) — внутримолекулярная дегидратация, продукт алкен.
- Второй шаг 3C2H4 + 2KMnO4 + 4H2O → 3C2H4(OH)2 + 2MnO2 + 2KOH: мягкое окисление в водном растворе даёт двухатомный спирт, бурый осадок MnO2 подтверждает реакцию.
- Третий шаг C2H4(OH)2 + 2HBr → C2H4Br2 + 2H2O — гидроксильные группы замещаются на бром избытком бромоводорода.
- Четвёртый шаг C2H4Br2 + 2KOH (спирт.) → CH≡CH + 2H2O + 2KBr: спиртовой раствор щёлочи при нагревании отщепляет две молекулы HBr и даёт алкин, а не спирт.
- Пятый шаг CH≡CH + H2O → CH3CHO (Hg^2+, H2SO4, t) — гидратация по правилу Кучерова: у ацетилена образуется именно альдегид.
- Ответ: C2H5OH → C2H4 + H2O; 3C2H4 + 2KMnO4 + 4H2O → 3C2H4(OH)2 + 2MnO2 + 2KOH; C2H4(OH)2 + 2HBr → C2H4Br2 + 2H2O; C2H4Br2 + 2KOH → CH≡CH + 2H2O + 2KBr; CH≡CH + H2O → CH3CHO.
Ответ: Элементы ответа. Напишем уравнения реакций, соответствующих схеме превращений. 1. C₂H₅OH → Al₂O₃, 400 ° C C₂H₄ + H₂O. 2. 3C₂H₄ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3C₂H₄ (OH)₂ + 2MnO₂ + 2KOH. 3. C₂H₄ (OH)₂ + 2HBr → C₂H₄Br₂ + 2H₂O. 4. C₂H₄Br₂ + 2KOH_спиртов. → CH≡CH + 2H₂O + 2KBr. 5. CH≡CH + H₂O → Hg²⁺, Н + CH₃ ≡ CHO.
Официальное решение из банка ФИПИ
Элементы ответа. Напишем уравнения реакций, соответствующих схеме превращений. 1. C₂H₅OH → Al₂O₃, 400 ° C C₂H₄ + H₂O. 2. 3C₂H₄ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3C₂H₄ (OH)₂ + 2MnO₂ + 2KOH. 3. C₂H₄ (OH)₂ + 2HBr → C₂H₄Br₂ + 2H₂O. 4. C₂H₄Br₂ + 2KOH_спиртов. → CH≡CH + 2H₂O + 2KBr. 5. CH≡CH + H₂O → Hg²⁺, Н + CH₃ ≡ CHO.
- Первый шаг: метан при сильном нагреве около 1200 °C разлагается с образованием ацетилена и водорода, то есть число атомов углерода удваивается.
- Записываем 2CH4 → HC≡CH + 3H2 — это пиролиз, а не замещение, поэтому и продукт другой.
- Второй шаг HC≡CH + HC≡CH → H2C=CH−C≡CH (t, кат.) — димеризация ацетилена даёт винилацетилен с двойной и тройной связями.
- Третий шаг H2C=CH−C≡CH + 3H2 → C4H10 (kat., t): избыток водорода насыщает обе ненасыщенные связи, получается бутан, и по критериям его нужно записать структурной формулой.
- Четвёртый шаг 2C4H10 + 5O2 → 4CH3COOH + 2H2O (t, kat.) — окисление бутана даёт уксусную кислоту.
- Пятый шаг CH3COOH + NH3 → CH3COONH4: кислота и аммиак без отщепления воды дают ацетат аммония, а не амид.
- Ответ: 2CH4 → HC≡CH + 3H2; HC≡CH + HC≡CH → H2C=CH−C≡CH; H2C=CH−C≡CH + 3H2 → C4H10; 2C4H10 + 5O2 → 4CH3COOH + 2H2O; CH3COOH + NH3 → CH3COONH4.
Ответ: Элементы ответа. Напишем уравнения реакций, соответствующих схеме превращений. 1. 2CH₄ → 1200 ° HC≡CH + 3H₂. 2. HC≡CH + HC≡CH → t °, кат. H₂C=CH ≡ C≡CH. 3. H₂C=CH ≡ C≡CH + 3H₂ → в степени кат. H₃C ≡ CH₂ ≡ CH₂ ≡ CH₃. 4. 2H₃C ≡ CH₂ ≡ CH₂ ≡ CH₃ + 5O₂ → t °, кат. 4CH₃COOH + 2H₂O. 5. CH₃COOH + NH₃ → CH₃COO⁻ NH₄ +.
Официальное решение из банка ФИПИ
Элементы ответа. Напишем уравнения реакций, соответствующих схеме превращений. 1. 2CH₄ → 1200 ° HC≡CH + 3H₂. 2. HC≡CH + HC≡CH → t °, кат. H₂C=CH ≡ C≡CH. 3. H₂C=CH ≡ C≡CH + 3H₂ → в степени кат. H₃C ≡ CH₂ ≡ CH₂ ≡ CH₃. 4. 2H₃C ≡ CH₂ ≡ CH₂ ≡ CH₃ + 5O₂ → t °, кат. 4CH₃COOH + 2H₂O. 5. CH₃COOH + NH₃ → CH₃COO⁻ NH₄ +.