Осуществление реакций химических превращений органических веществ

Реакции химических превращений

Задача 109.
Осуществить следующие превращения:
СН₄ → HCOH → C₆H₁₂O₆ → C₂H₅OH→ C₂H₄ → CH₃-COH
Решение:
1. При окислении метана в присутствии катализатора образуется метаналь (формальдегид):

CH₄ + O₂ (t°, кат) → HCOH + H₂O.

2. Альдольная конденсация формальдегида (реакция А.М. Бутлерова):

HCOH → [Ca(OH)₂] = C₆H₁₂O₆.

Первый синтез углеводов из формальдегида в щелочной среде осуществил А.М. Бутлеров в 1861 году.

3. Спиртовое брожение глюкозы (под действием ферментов из глюкозы образуется этиловый спирт):

C₆H₁₂O₆ →(фермент) = 2C₂H₅OH + 2CO₂

4. Внутримолекулярная дегидратация спиртов (180 град., H₂SO₄конц.):

C₂H₅OH = C₂H₄ + Н₂О

5. Каталитическое окисление этилена (протекает в присутствии PdCl₂ b CuCl₂):

2C₂H₄ + O₂ =  2CH₃-COH   
                       ^{этаналь (ацетальдегид)}

Задача 110.
C₃H₉NO₂ → C₃H₆O₂ → X → C₃H₇NO₂ → C₃H₈O₂NBr
Нужно определить вещество Х. В уравнениях указать структурные формулы органических веществ.
Решение:
1. Вытеснение карбоновых кислот более сильными:

2Н₃С-СН₂-С(О)O-NH₄ + H₂SO₄ = 2Н₃С-СН₂-СOOH + (NH₄)₂SO₄.
^{пропионат аммония                               пропионовая к-та}

2. Хлорирование пропановой кислоты протекает с образованием а-хлорпропановой кислоты:

Н₃С-СН₂-СOOН + Cl₂ = Н₃С-СН(Cl)-СOOH + HCl
^{пропионовая к-та                   α-хлорпропановая к-та}

реакция протекает в присутствии катализатора (красный фосфор). Значит, вещество Х - это а-хлорпропановая кислота.

3. Действуем на хлорпропановую кислоту аммиаком получают аланин:

 CH₃-CHCl-COOH + 2NH₃ = CH₃-CH(NH₂)-COOH + NH₄Cl.
                                                 ^{α-аминопропионовая к-та}

4. При взаимодействии аланина с бромоводородом образуется бромид аланина:

H₂N-CH(СН₃)-COOH + HBr = [H₃N-CH(СН₃)-COOH]⁺Br^{-
                                                       бромид аланина}

В данной реакции аланин проявляет основные свойства.

Задача 111.
Напишите соответствующие уравнения реакций для схем:
1. СН3-СОН + Н₂ = ;
2. СН₃-С(О)-СН₂-СН₃ + Н₂ = ;
3. СН₃-СОН + 2Cu(OH)₂ = ;
4. СН₃-СН₂-СОН + 2[Ag(NH₃)₂]OH = . 
Решение:
1. Альдегиды при взаимодействии с водородом в присутствии катализатора (например, металлического никеля) образуют первичные спирты:

СН₃-СОН + Н₂ = СН₃-СН₂-ОН.
^{этаналь                   этанол}

2. Кетоны при взаимодействии с водородом в присутствии катализатора (например, металлического никеля) образуют вторичные спирты:

СН₃-С(О)-СН₂-СН₃ + Н₂ = СН₃-СН(ОН)-СН₂-СН₃ + Н₂
^{бутанон                                        бутанол-2}

3. При нагревании альдегидов со свежеосажденным гидроксидом меди образуются соответствующая кислота и красно-кирпичный осадок оксида меди (I) Cu₂O:

СН₃-СОН + 2Cu(OH)₂ = СН₃-СОOН + Cu₂O + H₂O.
^{этаналь                                 этановая к-та}

Это — одна из качественных реакций на альдегиды.   
           
4. Альдегиды окисляются аммиачным раствором оксида серебра (реакция «серебряного зеркала»). Так как раствор содержит избыток аммиака, продуктом окисления альдегида будет соль аммония карбоновой кислоты. Например, при окислении пропанового альдегида аммиачным раствором оксида серебра образуется пропионат (пропаноат) аммония:

СН₃-СН₂-СОН + 2[Ag(NH₃)₂]OH = СН₃-СН₂-СОONH₃ + 2Ag + 3NH₃ + H₂O.
 

Задача 112.
Составьте уравнения химических реакций и запишите названия полученных веществ, осуществив следующие превращения:
1) ацетилен → ацетальдегид;
2) ацетилен → 1,1-дихлорэтан;
1) ацетилен → бензолл. 
Решение:
1)  Реакция Кучерова (гидратация алкинов)
СН≡СН + Н₂О + (H⁺, Hg²⁺) = CH₃-C(O)H
                                                  ^{ацетальдегид}

2)  Гидрогалогенирование

СН≡СН + 2HCl  = CH₃-C(Cl₂)

Это случай полного разрыва, образуется 1,1-дихлорэтан.

3) Тримеризация алкинов

3СН≡СН + (t °, C_акт.)   =   С₆Н₆
                                        ^бензол

Вычисление массовой доли циклоггексана

Задача 113.
Найдите массовую долю циклогексена в 250 г нефтепродукта, если масса нефтепродукта увеличилась после пропускания через него газообразного хлора на 3,5 г.
Решение:
М(С₆Н₁₂) = 78 г/моль;
М(Cl₂) = 71 г/моль;
m_(нефти) = 250 г;
m(Cl₂) = 3,5 г;
w%(C₆H₁₂) = ?
Уравнение реакции хлора с гексаном:

H₃C-(CH₂)₄-CH₃ + Cl₂ = Cl-H₂C-(CH₂)₄-CH₂-Cl + H₂;
Cl-H₂C-(CH₂)₄-CH₂-Cl + Na = C₆H₁₂ = 2NaCl.

Из уравнений реакци вытекает, что 1 моль хлора затрачивается на получение 1 моль циклогексана,т.е. n(Cl₂) = n(C₆H₁₂).
1. Найдем количество хлора, получим:

n(Cl₂) = m(Cl₂)/M(Cl₂) = 3,5/71 = 0,049 моль.

2. Рассчитаем массу циклогексана:

n(C₆H₁₂) = n(Cl₂) = 0,049 моль;
m(C₆H₁₂) = n(C₆H₁₂) ^. M(C₆H₁₂) = 0,049 ^. 78 = 3,822 г.

3. Расчет массовой доли циклогексана в нефтепродукте:

w%(C₆H₁₂) = w%(C₆H₁₂)/m_(нефти) =
= 3,822/250 = 0,015 или 1,5%.
 

Вычисление длины молекулы масляной кислоты

Задача 114.
Вычислите длину (в мкм) молекулы масляной кислоты (С₄Н₈О₂), адсорбированной на поверхности раздела водный раствор – воздух, если площадь поперечного сечения молекулы составляет 2.2 ^. 10^-19 м². Плотность кислоты равна 0.978 г/мл.
Решение:
S = 2,2 ∙ 10-¹⁹  м²; 
М(С₄Н₈О₂) = 88,43 г/моль = 88,43 ^. 10^-3 г/моль; 
ρ = 0,978 г/мл = 0,978∙10³ кг/м³;
N_A = 6,02∙10²³ молекул/моль.
l(С₄Н₈О₂) = ?
Для расчета объема одной молекулы кислоты можно использовать две формулы:

V = М/ρ∙NA и V = S∙l, где

М – молярная масса кислоты, г/моль;
ρ – плотность молекул кислоты, г/мл;
N_A – число Авогадро,  молекул/моль;
S – площадь поперечного сечения молекулы, м²;
l – длина молекулы, м.

Равенство этих уравнений имеет вид:

S∙l = М/ρ∙NA.

Выразим из полученного уравнения длину молекулы, получим:

l = М/ρ∙NA∙S;
l(С₄Н₈О₂) = (88,43 ^. 10^-3)/(0,978 ∙ 10³ ∙ 6,02 ∙ 1023 ∙ 2,2 ∙ 10^-19 =
= 6,827∙10^-10 м = 0,0006827 мкм = 0,6827 нм.

Ответ: l(С₄Н₈О₂) = 0,0006827 мкм = 0,6827 нм.