Zadaci C3 UPOTREBA 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. Razmotrimo primjere najtežih lanaca 2004-2009 (u zagradama - stopa uspjeha u postocima za studente Tjumenske regije, prvi talas)

S3 (2004, 11%)

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

Činjenica da ovaj lanac ne sadrži formule, već nazive supstanci, također je vjerovatno dovela 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 sugerirati poređenje 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 postavljanje koeficijenata:

CH 3 CHO + 3OH - - 2ē \u003d CH 3 COO - + 2H 2 O | 1

MnO 4 – + ē = MnO 4 2– |2

Sljedeće dvije reakcije ne bi trebale uzrokovati probleme:

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 je izvršiti njegovu hidrolizu u alkalnom mediju, a kao alkaliju uzeti kalcijum hidroksid:

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

Posljednja transformacija mogla bi izazvati posebne poteškoće, jer se metode za dobijanje ketona obično ne razmatraju u osnovnom kursu hemije. Za njegovu provedbu provodi se piroliza (termička razgradnja) kalcijum acetata:

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

Najteži od zadataka 2005 ispostavilo se da su to lanci koji uključuju elektrolizu otopina soli, na primjer:

S3 (2005, 8%) Navedite jednadžbe reakcija koje se mogu koristiti za izvođenje sljedećih transformacija

Kalijum acetat X 1 x2 X3®

x4 x5

Elektroliza rastvora kalijum acetata:

K (-) (K +) - nije restauriran, alkalni metal

2H 2 O + 2ē \u003d H 2 + 2OH - | 2

A (+) 2CH 3 COO - -2ē \u003d CH 3 -CH 3 + 2CO 2 | 2

Rezime jednadžbe:

2CH 3 COO - + 2H 2 O \u003d H 2 + 2OH - + CH 3 -CH 3 + 2CO 2

Ili 2CH 3 KUHANJE + 2H 2 O \u003d 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 \u003d CH 2 + H 2

Sljedeća faza je hidratacija etena:

CH 2 \u003d 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 \u003d 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 se supstancama govori 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:

H 2 C 2 O 4 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 bit će sol:

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

Oksidacija aldehida amonijačnom otopinom srebrnog oksida.

HCHO X

U udžbenicima se obično piše da dovodi do stvaranja karboksilnih kiselina. U stvari, budući da se reakcija odvija u prisustvu viška amonijaka, formiraju se odgovarajuće amonijeve soli. U ovom slučaju, mora se 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 predloženi su lanci transformacija koji su izazvali najveće poteškoće na ispitu. Navedite jednadžbe reakcije koje se mogu koristiti za izvođenje sljedećih transformacija:

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

2. CH 3 CHO X 1 X 2 ® etilen ® CH 3 CHO x3

3. kalij ® kalijev etoksid X 1 CH 2 \u003d CH 2 X 2 X 3

Klasifikacija

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

Jednobazni (monokarboksilni) RCOOH; na primjer:

CH 3 CH 2 CH 2 COOH;

HOOS-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 \u003d CHCOOH propenoična (akrilna) kiselina

Aliciklički, na primjer:

Aromatično, na primjer:

Ograničite unos monokarboksilnih kiselina

(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 s dodatkom sufiksa -ovaya i riječi acid.

1. HCOOH metan (mravlja) kiselina

2. CH 3 COOH etanska (sirćetna) kiselina

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

izomerizam

Izomerizam skeleta u ugljovodoničnom radikalu se manifestuje, počevši od butanske kiseline, koja ima dva izomera:

Međuklasni izomerizam se manifestuje, 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.

homologne serije

Kiselinski ostaci i kiseli radikali

Elektronska struktura molekula karboksilne kiseline

Pomak elektronske gustine prikazane u formuli prema karbonilnom atomu kisika uzrokuje jaku polarizaciju O-N konekcije, zbog čega je olakšano odvajanje atoma vodika u obliku protona - u vodenim otopinama dolazi do procesa kiselinske disocijacije:

RCOOH ↔ RCOO - + H +

U karboksilatnom jonu (RCOO -), dolazi do p, π-konjugacije usamljenog para elektrona atoma kiseonika hidroksilne grupe sa p-oblacima koji formiraju π-vezu, kao rezultat toga, π-veza je delokalizovana i ravnomernu distribuciju negativni naboj između dva atoma kiseonika:

S tim u vezi, za karboksilne kiseline, za razliku od aldehida, reakcije adicije nisu karakteristične.

Fizička svojstva

Tačke ključanja kiselina su mnogo 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

Snaga kiselina opada u nizu:

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

1. Reakcije neutralizacije

CH 3 COOH + KOH → CH 3 KUVANJE + 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 + 2CO 2 + 2H 2 O

(HCOOH + HCO 3 - → HCOO - + CO2 + H2O)

5. Reakcije sa amonijakom

CH 3 COOH + NH 3 → CH 3 COONH 4

II. -OH grupa supstitucija

1. Interakcija sa alkoholima (reakcije esterifikacije)

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

Amidi kiselina hidrolizira se u 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. Stvaranje anhidrida kiselina (intermolekularna dehidratacija)

Anhidridi kiselina također nastaju interakcijom kiselih klorida sa bezvodnim solima karboksilnih kiselina; u ovom slučaju se mogu dobiti miješani anhidridi 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 ulazi u 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 za aldehidnu grupu:

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 za oksidaciju 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. Interakcija ugljičnog monoksida (II) sa natrijum hidroksidom

CO + NaOH → HCOONa natrijum format

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

2. Dekarboksilacija oksalne kiseline

Metode za dobijanje CH 3 COOH (specifične)

1. Katalitička oksidacija butana

2. Sinteza iz acetilena

3. Katalitička karbonilacija metanola

4. Sirćetna kisela fermentacija etanola

Ovako se dobija sirćetna kiselina koja se koristi za hranu.

Dobivanje viših karboksilnih kiselina

Hidroliza prirodnih masti

Nezasićene monokarboksilne kiseline

Ključni predstavnici

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

CH 2 \u003d CH-COOH propenoična (akrilna) kiselina

viši 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 zajednička svojstva karboksilne kiseline, nezasićene kiseline karakteriziraju reakcije adicije na više veza u ugljikovodičnom radikalu. Dakle, nezasićene kiseline, poput alkena, se hidrogeniraju i obezbojavaju bromsku vodu, na primjer:

Pojedinačni predstavnici dikarboksilnih kiselina

Ograničavanje dikarboksilnih kiselina HOOC-R-COOH

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

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

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

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

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 srednju:

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 sa prazninom u karboksilnoj grupi O─H veze

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 supstance složene strukture koje ubrzavaju hemijska reakcija, ali se ne konzumiraju sami.

Karboksilne kiseline su slabije od neorganskih kiselina, a najjača od njih je mravlja. 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 srednju. Jačina kiselina opada s povećanjem broja atoma vodika u ugljikovodičnom radikalu (zbog smanjenja polariteta O-H veze); 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 s nekim metalima u nizu naprezanja metala na vodik, sa stvaranjem soli i oslobađanjem vodonika:

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

octena kiselina barijum acetat

b) U interakciji s bazičnim i amfoternim oksidima nastaju sol 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) U interakciji sa rastvorljivim i nerastvorljivim bazičnim (baze) i amfoternim hidroksidima formiraju so i vodu - reakcija neutralizacije.

CH 3 -COOH + KOH → CH 3 -KUVANJE + 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 -COOHa,

natrijum bikarbonat natrijum acetat

CH 3 -COOH + CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 -COONa → CH 3 -KUVANJE + CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 -COOH.

natrijum pentanoat pentanska kiselina

e) Interakcija sa amonijakom NH 3 i amonijevim hidroksidom NH 4 OH:

CH 3 -COOH + NH 3 → CH 3 -COONH 4,

amonijum acetat

CH 3 -COOH + NH 4 OH → CH 3 -COOH 4 + HOH.

amonijum acetat

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

1. Interakcija s alkoholima da nastane ester - 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 amidi kiselina (kroz fazu formiranja amonijumove soli, nakon čega sledi zagrevanje):

CH 3 -COOH + NH 3 → CH 3 -COOH 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. U interakciji s fosfornim halidima (PCl 5 , PCl 3) nastaju 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 RO 3.

propil hlorid

5. U interakciji s tionil hloridom (SOCl 2) nastaju halogenidi karboksilne kiseline:

CH 3 -CO-OH + SOCl 2 → CH 3 -CO-Cl + SO 2 + HCl

acetil hlorid

III. Reakcije na ugljikovodični radikal.

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

H─CH 2 -COOH + Cl 2 → Cl─CH 2 -KUVANJE + 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 je pojačana

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

a) hidrogeniranje da bi se dobile zasićene karboksilne kiseline:

C 8 H 17 ─CH \u003d 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 da bi se dobili dihalogeni derivati ​​karboksilnih kiselina:

C 8 H 17 ─CH \u003d 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, reakcija oksidacije:

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 srebrnog oksida (I):

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 ↓ (pri zagrijavanju)

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