Zadaci C3 Jedinstvenog državnog ispita iz hemije. Sinteza iz acetilena

Zadaci C3 posvećeni su reakcijama koje potvrđuju vezu između različitih klasa ugljikovodika i kisika koji sadrže organska jedinjenja. Oni predstavljaju lanac od pet faza transformacije organska materija, i vrednuju se sa 5 primarnih bodova. Pogledajmo primjere najtežih lanaca 2004-2009 (u zagradama - stopa uspjeha u postocima za studente u Tjumenskoj regiji, prvi talas)

C3 (2004, 11%)

Acetaldehid ® kalijum acetat ® etanska kiselina ® etil acetat ® kalcijum acetat ® aceton

Činjenica da ovaj lanac ne sadrži formule, već nazive supstanci, vjerovatno je dovela i do toga da se učenicima pokazalo najteže. Hajde da prepišemo:

CH 3 CHO ® CH 3 COOK ® CH 3 COOH ® CH 3 COOC 2 H 5 ® (CH 3 COO) 2 Ca ® (CH 3) 2 CO

Vrsta reakcije može se sugerirati poređenjem sastava polazne i rezultirajuće tvari. Dakle, za prvu transformaciju jasno je da je potrebno oksidirati aldehid u alkalnom mediju, na primjer:

CH 3 CHO + 2KMnO 4 + 3KOH ® CH 3 KUVANJE + 2K 2 MnO 4 + 2H 2 O

Jednačine polureakcije za sređivanje koeficijenata:

CH 3 CHO + 3OH – – 2ē = CH 3 COO – + 2H 2 O |1

MnO 4 – + ē = MnO 4 2– |2

Sljedeće dvije reakcije ne bi trebale biti teške:

CH 3 COOK + HCl = CH 3 COOH + KCl

CH 3 COOH + C 2 H 5 OH CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O

Da bi se dobio acetat iz etra, potrebno ga je hidrolizirati u alkalnom mediju, koristeći kalcijum hidroksid kao alkaliju:

2CH 3 COOC 2 H 5 + Ca(OH) 2 (CH 3 COO) 2 Ca + 2C 2 H 5 OH

Posljednja transformacija mogla bi biti posebno teška, jer se metode za proizvodnju ketona obično ne raspravljaju u osnovnom kursu hemije. Da bi se to izvršilo, provodi se piroliza (termička razgradnja) kalcijum acetata:

(CH 3 COO) 2 Ca (CH 3) 2 CO + CaCO 3

Najteži od zadataka 2005 pokazalo se da lanci uključuju elektrolizu otopina soli, na primjer:

C3 (2005, 8%) Navedite jednadžbe reakcija koje se mogu koristiti za izvođenje sljedećih transformacija

Kalijum acetat X 1 X 2 X3®

X 4 X 5

Elektroliza rastvora kalijum acetata:

K(-) (K +) – nije reduciran, alkalni metal

2H 2 O + 2ē = H 2 + 2OH – | 2

A(+) 2CH 3 COO – –2ē = CH 3 -CH 3 + 2CO 2 | 2

Sumarna jednačina:

2CH 3 COO – + 2H 2 O = H 2 + 2OH – + CH 3 -CH 3 + 2CO 2

Ili 2CH 3 KUVANJE + 2H 2 O = H 2 + 2KOH + CH 3 -CH 3 + 2CO 2

Kada se etan zagrije u prisustvu Ni, Pt katalizatora, dolazi do dehidrogenacije, X 2 - eten: CH 3 -CH 3 ® CH 2 =CH 2 + H 2

Sljedeća faza je hidratacija etena:

CH 2 =CH 2 + H 2 O ® CH 3 -CH 2 OH; X 3 – etanol

Kalijum permanganat u kiseloj sredini je jako oksidaciono sredstvo i oksidira alkohole u karboksilne kiseline, X 4 – octena kiselina:

5C 2 H 5 OH + 4KMnO 4 + 6H 2 SO 4 = 5CH 3 COOH + 4MnSO 4 + 2K 2 SO 4 + 11H 2 O

Konačno, interakcija octene kiseline (X 4) i alkohola (X 3) će dovesti do stvaranja estera, X 5 - etil acetata:

CH 3 COOH + C 2 H 5 OH = CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O

Složenost ovog lanca je i u tome što ako ne znate prvu reakciju, nemoguće je razumjeti o kojim je supstancama riječ u ostatku.

Razmotrimo niz drugih transformacija koje su izazvale poteškoće školarcima tokom ispita 2005. godine.

Razgradnja oksalne i mravlje kiseline pod dejstvom koncentrovane sumporne kiseline:

H2C2O4 H 2 O + CO 2 + CO

HCOOH H2O+CO

Oksidacija aldehida:

CH 3 CHO X

Ovdje se moramo prisjetiti materijala neorganske kemije, oksidacijskih svojstava broma. Aldehid se oksidira u karboksilnu kiselinu, a budući da se reakcija odvija u prisustvu NaOH, produkt reakcije će biti sol:

CH 3 CHO + Br 2 + 3NaOH ® CH 3 COONa + 2NaBr + 2H 2 O

Oksidacija aldehida amonijačnom otopinom srebrnog oksida.

HCHO X

Udžbenici obično pišu da to dovodi do stvaranja karboksilnih kiselina. U stvari, budući da se reakcija odvija u prisustvu viška amonijaka, formiraju se odgovarajuće amonijeve soli. U ovom slučaju, potrebno je uzeti u obzir da mravlja kiselina i njene soli mogu dalje oksidirati, u soli ugljične kiseline:

HCHO + 2Ag 2 O + 2NH 3 ® (NH 4) 2 CO 3 + 4Ag, tačnije:

HCHO + 4OH ® (NH 4) 2 CO 3 + 4Ag + 2H 2 O + 6NH 3

Za samostalno razmatranje ponuđeni su lanci transformacija koji su izazvali najveće poteškoće na ispitu. Dajte jednadžbe reakcija koje se mogu koristiti za izvođenje sljedećih transformacija:

1. kalijev metoksid X 1 ® bromometan X 2 X 3 etanal
Ovdje trebamo shvatiti što je "kalijev metilat", ali posljednja faza se pokazala najtežom, jer se takva reakcija ne govori u većini školskih udžbenika.

2. CH 3 CHO X 1 X 2 ® etilen ® CH 3 CHO X 3

3. kalij ® kalij etilat X 1 CH 2 =CH 2 X 2 X 3

Klasifikacija

a) Po bazičnosti (tj., broju karboksilnih grupa u molekulu):

Jednobazni (monokarbonski) RCOOH; Na primjer:

CH 3 CH 2 CH 2 COOH;

NOOS-CH 2-COOH propandioična (malonska) kiselina

Trobazni (trikarboksilni) R(COOH) 3, itd.

b) Prema strukturi ugljikovodičnih radikala:

Alifatični

limit; na primjer: CH 3 CH 2 COOH;

nezasićeni; na primjer: CH 2 = CHCOOH propenoična (akrilna) kiselina

Aliciklici, na primjer:

Aromatično, na primjer:

Zasićene monokarboksilne kiseline

(monobazične zasićene karboksilne kiseline) - karboksilne kiseline u kojima je zasićeni ugljikovodični radikal vezan za jednu karboksilnu grupu -COOH. Svi imaju opštu formulu C n H 2n+1 COOH (n ≥ 0); ili CnH 2n O 2 (n≥1)

Nomenklatura

Sistematski nazivi jednobaznih zasićenih karboksilnih kiselina dati su imenom odgovarajućeg alkana uz dodatak sufiksa - ova i riječi kiselina.

1. HCOOH metan (mravlja) kiselina

2. CH 3 COOH etanska (sirćetna) kiselina

3. CH 3 CH 2 COOH propanska (propionska) kiselina

Izomerizam

Skeletni izomerizam u ugljovodoničnom radikalu se manifestuje, počevši od butanske kiseline, koja ima dva izomera:

Međuklasni izomerizam se pojavljuje počevši od octene kiseline:

CH 3 -COOH sirćetna kiselina;

H-COO-CH 3 metil format (metil estar mravlje kiseline);

HO-CH 2 -COH hidroksietanal (hidroksisirćetni aldehid);

HO-CHO-CH 2 hidroksietilen oksid.

Homologna serija

Kiselinski ostaci i kiseli radikali

Elektronska struktura molekula karboksilne kiseline

Pomak elektronske gustoće prema karbonilnom atomu kisika prikazanom u formuli uzrokuje jaku polarizaciju O-N konekcije, zbog čega se olakšava apstrakcija atoma vodika u obliku protona - u vodenim otopinama dolazi do procesa kiselinske disocijacije:

RCOOH ↔ RCOO - + H +

U karboksilatnom jonu (RCOO -), postoji p, π-konjugacija usamljenog para elektrona atoma kiseonika hidroksilne grupe sa p-oblacima koji formiraju π-vezu, što rezultira delokalizacijom π-veze i ujednačenim distribucija negativni naboj između dva atoma kiseonika:

U tom smislu, karboksilne kiseline, za razliku od aldehida, ne karakteriziraju reakcije adicije.

Fizička svojstva

Tačke ključanja kiselina su znatno veće od vrelišta alkohola i aldehida sa istim brojem atoma ugljika, što se objašnjava stvaranjem cikličkih i linearnih asocijata između molekula kiseline zbog vodikovih veza:

Hemijska svojstva

I. Svojstva kiselina

Jačina kiselina opada sljedećim redoslijedom:

HCOOH → CH 3 COOH → C 2 H 6 COOH → ...

1. Reakcije neutralizacije

CH 3 COOH + KOH → CH 3 COOC + n 2 O

2. Reakcije sa bazičnim oksidima

2HCOOH + CaO → (HCOO) 2 Ca + H 2 O

3. Reakcije sa metalima

2CH 3 CH 2 COOH + 2Na → 2CH 3 CH 2 COONa + H 2

4. Reakcije sa solima slabijih kiselina (uključujući karbonate i bikarbonate)

2CH 3 COOH + Na 2 CO 3 → 2CH 3 COONa + CO 2 + H 2 O

2HCOOH + Mg(HCO 3) 2 → (HCOO) 2 Mg + 2SO 2 + 2H 2 O

(HCOOH + HCO 3 - → HCOO - + CO2 +H2O)

5. Reakcije sa amonijakom

CH 3 COOH + NH 3 → CH 3 COONH 4

II. Supstitucija -OH grupe

1. Interakcija sa alkoholima (reakcije esterifikacije)

2. Interakcija sa NH 3 pri zagrijavanju (nastaju amidi kiselina)

Amidi kiselina hidrolizuju da tvore kiseline:

ili njihove soli:

3. Formiranje kiselih halogenida

Kiseli hloridi su od najveće važnosti. Reagensi za hlorisanje - PCl 3, PCl 5, tionil hlorid SOCl 2.

4. Formiranje anhidrida kiselina (intermolekularna dehidratacija)

Anhidridi kiselina također nastaju reakcijom kiselih klorida sa bezvodnim solima karboksilnih kiselina; u ovom slučaju moguće je dobiti miješane anhidride različitih kiselina; Na primjer:

III. Reakcije supstitucije atoma vodika na α-ugljičnom atomu

Osobine strukture i svojstva mravlje kiseline

Struktura molekula

Molekula mravlje kiseline, za razliku od drugih karboksilnih kiselina, u svojoj strukturi sadrži aldehidnu grupu.

Hemijska svojstva

Mravlja kiselina prolazi kroz reakcije karakteristične i za kiseline i za aldehide. Pokazujući svojstva aldehida, lako se oksidira u ugljičnu kiselinu:

Konkretno, HCOOH se oksidira rastvorom amonijaka Ag 2 O i bakar (II) hidroksida Cu(OH) 2, tj. kvalitativne reakcije po aldehidnoj grupi:

Kada se zagrije s koncentriranom H 2 SO 4, mravlja kiselina se razlaže na ugljični monoksid (II) i vodu:

Mravlja kiselina je primjetno jača od drugih alifatičnih kiselina jer je karboksilna grupa u njoj vezana za atom vodika, a ne za alkil radikal koji donira elektrone.

Metode za dobijanje zasićenih monokarboksilnih kiselina

1. Oksidacija alkohola i aldehida

Opća shema oksidacije alkohola i aldehida:

Kao oksidanti koriste se KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7, HNO 3 i drugi reagensi.

Na primjer:

5C 2 H 5 OH + 4KMnO 4 + 6H 2 S0 4 → 5CH 3 COOH + 2K 2 SO 4 + 4MnSO 4 + 11H 2 O

2. Hidroliza estera

3. Oksidativno cijepanje dvostrukih i trostrukih veza u alkenima i alkinima

Metode za dobijanje HCOOH (specifične)

1. Reakcija ugljen monoksida (II) sa natrijum hidroksidom

CO + NaOH → HCOONa natrijum format

2HCOONa + H 2 SO 4 → 2HCOON + Na 2 SO 4

2. Dekarboksilacija oksalne kiseline

Metode za proizvodnju CH 3 COOH (specifične)

1. Katalitička oksidacija butana

2. Sinteza iz acetilena

3. Katalitička karbonilacija metanola

4. Sirćetna kisela fermentacija etanola

Tako se dobija jestiva sirćetna kiselina.

Priprema viših karboksilnih kiselina

Hidroliza prirodnih masti

Nezasićene monokarboksilne kiseline

Najvažniji predstavnici

Opća formula alkenskih kiselina: C n H 2n-1 COOH (n ≥ 2)

CH 2 =CH-COOH propenoična (akrilna) kiselina

Više nezasićene kiseline

Radikali ovih kiselina su dio biljnih ulja.

C 17 H 33 COOH - oleinska kiselina, ili cis-oktadien-9-oinska kiselina

Trance-izomer oleinske kiseline naziva se elaidna kiselina.

C 17 H 31 COOH - linolna kiselina, ili cis, cis-oktadien-9,12-oinska kiselina

C 17 H 29 COOH - linolenska kiselina, ili cis, cis, cis-oktadekatrien-9,12,15-oinska kiselina

Osim opšta svojstva karboksilne kiseline, nezasićene kiseline karakteriziraju reakcije adicije na više veza u ugljikovodičnom radikalu. Tako se nezasićene kiseline, poput alkena, hidrogeniraju i obezbojavaju bromnu vodu, na primjer:

Odabrani predstavnici dikarboksilnih kiselina

Zasićene dikarboksilne kiseline HOOC-R-COOH

HOOC-CH 2 -COOH propandioična (malonska) kiselina, (soli i estri - malonati)

HOOC-(CH 2) 2 -COOH butadioična (jantarna) kiselina, (soli i estri - sukcinati)

HOOC-(CH 2) 3 -COOH pentadijeva (glutarna) kiselina, (soli i estri - glutorati)

HOOC-(CH 2) 4 -COOH heksadioična (adipinska) kiselina, (soli i estri - adipati)

Karakteristike hemijskih svojstava

Dikarboksilne kiseline su na mnogo načina slične monokarboksilnim kiselinama, ali su jače. Na primjer, oksalna kiselina je skoro 200 puta jača od octene kiseline.

Dikarboksilne kiseline se ponašaju kao dvobazne kiseline i formiraju dvije serije soli - kiselu i neutralnu:

HOOC-COOH + NaOH → HOOC-COONa + H 2 O

HOOC-COOH + 2NaOH → NaOOC-COONa + 2H 2 O

Kada se zagrije, oksalna i malonska kiselina se lako dekarboksiliraju:

Hemijska svojstva karboksilnih kiselina.

I. Reakcije koje uključuju cijepanje O─H veze u karboksilnoj grupi

1. Kiseline se disociraju:

RCOOH ↔ RCOO − + H +

Vodeni rastvori kiseline mijenjaju boju indikatora, što se dugo koristi za kvalitativnu detekciju kiselina u otopinama:

indikator + H + ( kiselina)↔ veza u boji.

Indikatori su tvari složene strukture koje ubrzavaju hemijska reakcija, ali se sami ne konzumiraju.

Karboksilne kiseline su slabije od neorganskih kiselina, od kojih je najjača mravlja kiselina. Sve karboksilne kiseline su slabi elektroliti. Dikarboksilne kiseline su na mnogo načina slične monokarboksilnim kiselinama, ali su jače. Na primjer, oksalna kiselina je skoro 200 puta jača od octene kiseline. Dikarboksilne kiseline se ponašaju kao dvobazne kiseline i formiraju dvije serije soli - kiselu i neutralnu. Jačina kiselina opada sa povećanjem broja atoma vodika u ugljikovodičnom radikalu (zbog smanjenog polariteta O-H priključci); naprotiv, uvođenje atoma halogena u ugljikovodični radikal dovodi do povećanja jačine kiseline:

HCOOH ← CH 3 COOH ← C 2 H 6 COOH ← ...

2. Formiranje soli.

a) Oni stupaju u interakciju sa nekim metalima u naponskom nizu metala do vodonika, tvoreći so i oslobađajući vodonik:

2CH 3 –COOH + Ba → (CH 3 – COO) 2 Ba + H 2

octena kiselina barijum acetat

b) Reaguje sa bazičnim i amfoternim oksidima da nastane so i voda:

2CH 3 –COOH + CaO → (CH 3 – COO) 2 Ca + H 2 O,

2CH 3 – COOH + ZnO → (CH 3 –COO) 2 Zn + H 2 O.

c) Reaguje sa rastvorljivim i nerastvorljivim bazičnim (baze) i amfoternim hidroksidima da nastane so i voda - reakcija neutralizacije.

CH 3 –COOH + KOH → CH 3 –COOC + HOH,

2CH 3 –COOH + Zn(OH) 2 → (CH 3 –COO) 2 Zn + 2HOH.

d) Interakcija sa solima slabijih i hlapljivih kiselina:

CH 3 –COOH + NaHCO 3 → CO 2 + H 2 O + CH 3 –COONa,

natrijum bikarbonat natrijum acetat

CH 3 –COOH + CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 –COONa → CH 3 –COOC + CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 –COOH.

natrijum pentanat pentanska kiselina

e) Reakcija sa amonijakom NH 3 i amonijum hidroksidom NH 4 OH:

CH 3 –COOH + NH 3 → CH 3 –COONH 4 ,

amonijum acetat

CH 3 –COOH + NH 4 OH → CH 3 –COONH 4 + HOH.

amonijum acetat

II. Reakcije sa cijepanjem C─O veze (supstitucija OH grupe).

1. Reagirajte s alkoholima kako bi nastali estri - reakcija esterifikacije:

CH 3 –CO-OH + HO-CH 3 ↔ CH 3 –COO-CH 3 + H-OH.

metil ester sirćetne kiseline

(metil acetat)

2. Reaguje sa amonijakom da nastane kiselinski amidi (kroz fazu formiranja amonijumove soli, nakon čega sledi zagrevanje):

CH 3 –COOH + NH 3 → CH 3 –SONH 4→ CH 3 –CONH 2 + H 2 O.

octena kiselina amonijum acetat acetamid

3. Intermolekularna dehidracija sa stvaranjem anhidrida.

CH 3 –CO−OH + HO−OS – CH 3 → CH 3 –CO–O−OS–CH 3 + H−OH.

anhidrid sirćetne kiseline

4. Reagovati sa fosfornim halogenidima (PCl 5, PCl 3) da bi nastali halogenidi karboksilne kiseline:

CH 3 –CO−OH + PCl 5 → CH 3 –CO−Cl + POCl 3 + HCl,

acetil hlorid

3CH 3 –CH 2 –COOH + PCl 3 → 3CH 3 –CH 2 –COCl + H 3 PO 3.

propil hlorid

5. Reagirajte s tionil hloridom (SOCl 2) kako bi nastali halogenidi karboksilne kiseline:

CH 3 –CO−OH + SOCl 2 → CH 3 –SO−Cl + SO 2 + HCl

acetil hlorid

III. Reakcije koje uključuju ugljikovodične radikale.

1. Reakcije sa kidanjem C─H veza α - atom ugljika ugljikovodičnih radikala – halogenacija:

H─CH 2 –COOH + Cl 2 → Cl─CH 2 –COOC + H─Cl

CH 3 –COOH → ClCH 2 –COOH → Cl 2 CH–COOH → Cl 3 CH–COOH

octena hloroctena dihloroctena trihlorsirćetna

kiselina kiselina kiselina kiselina

Jačina kiselina se povećava

2. Reakcije adicije na mjestu cijepanja nezasićene π-veze u nezasićenim karboksilnim kiselinama:

a) hidrogeniranje za proizvodnju zasićenih karboksilnih kiselina:

C 8 H 17 ─CH=CH─C 7 H 15 –COOH + H 2 → C 8 H 17 ─CH 2 ─CH 2 ─C 7 H 15 –COOH

oleinska kiselina stearinska kiselina

b) halogeniranje za proizvodnju dihalogenih derivata karboksilnih kiselina:

C 8 H 17 ─CH=CH─C 7 H 15 –COOH + Cl 2 → C 8 H 17 ─ClCH─ClCH─C 7 H 15 –COOH

oleinska kiselina 9,10-dihlorostearinska kiselina

IV. Reakcije oksidacije karboksilnih kiselina.

1. Sagorijevanje karboksilnih kiselina:

CH 3 COOH + 2O 2 → 2CO 2 + 2H 2 O

IV. Posebna svojstva mravlje kiseline.

Budući da molekula mravlje kiseline sadrži i karboksilnu i aldehidnu grupu -

Ima sva svojstva zasićenih jednobaznih karboksilnih kiselina, kao i svojstva aldehida, na primjer, oksidacijske reakcije:

H─CO─OH + [O] → HO─CO─OH (tj. H 2 CO 3) → CO 2 + H 2 O

a) u reakciji "srebrnog ogledala" - interakcija s otopinom amonijaka srebrovog (I) oksida:

HCOOH + Ag 2 O (rastvor amonijaka) → CO 2 + H 2 O + 2Ag↓ (kada se zagrije)

(HCOOH + 2Ag(NH 3) 2 OH (rastvor amonijaka) → CO 2 + H 2 O + 2Ag↓ + 4NH 3)

b) pri interakciji sa svježe pripremljenim rastvorom bakar(II) hidroksida:

HCOOH + 2Cu +2 (OH) 2 ↓ → CO 2 + H 2 O + Cu 2 + O↓ (kada se zagrije)

c) Osim toga, kada se zagrije koncentrovanom H 2 SO 4, mravlja kiselina se razlaže na ugljični monoksid (II) i vodu.