Типовые задачи и их решение

Прежде, чем приступить к решению задач какого-либо раздела, следует внимательно изучить соответствующий раздел по учебнику. При этом необходимо обратить внимание на основные способы получения, химические свойства, условия реакций и на связь данного класса соединений с другими классами. Следует учесть, что между разными классами органических соединений существует тесная генетическая связь. Например, реакция присоединения галогенводородов к алкенам лежит в основе одного из способов получения галогеналканов и одновременно является иллюстрацией реакционной способности алкенов.

При решении задач нужно также обратить внимание на условие проведения реакции, что обеспечивает ее протекание по определенному механизму. Последнее определяет направление реакции и получение того или иного продукта. Иногда для синтеза определенного соединения надо создать условия, обеспечивающие нужное направление реакции. Например, присоединение бромистого водорода к пропену может протекать по двум направлениям: одно приводит к 1-бромпропану, если реакция протекает по радикальному механизму (в присутствии пероксидов, против правила Марковникова), другое – к 2-бромпропану, если реакция идет по механизму электрофильного присоединения (по правилу Марковникова).

Все уравнения реакций следует записывать с указанием условий (температуры, давления, катализатора, растворителя).

Задачи можно разделить на шесть основных типов:

1. изомерия и номенклатура органических соединений;

2. синтез с помощью заданных реагентов;

3. синтез на основании структурной формулы заданного вещества;

4. синтез заданного вещества из указанного;

5. синтез вещества и написание для него ряда химических реакций;

6. определение структурной формулы органического вещества.

1. При выводе формул изомеров данного вещества можно воспользоваться следующим приёмом. Исходят из формулы нормального строения для данного соединения. Изменяя положение функциональных групп или кратных связей, получают формулы изомеров. Например, для углеводорода C₅H₁₀:

Затем следует укоротить цепь на одну группу –CH₃ и произвести все возможные перестановки группы –CH₃ и кратной связи (а в гомологических рядах других классов – и функциональной группы):

Если есть возможность, можно укоротить цепь ещё на одну группу –CH₃ и проделать все возможные перестановки CH₃-группы, двойной связи или других функциональных групп.

2. Синтез с помощью заданных реагентов требует составления полных уравнений реакций. Иногда ход превращения изображается схемой. Так обычно поступают, если требуется провести ряд последовательных превращений.

При решении такой задачи необходимо представлять ход химического процесса, знать условия проведения синтеза, предвидеть образование побочных продуктов.

Пример 1. Какие углеводороды получатся при действии металлического натрия на смесь бромистого этила и бромистого изобутила?

Решение. Решение этой задачи можно представить в виде следующей схемы:

Схема реализуется из следующих превращений:

Затем этилнатрий взаимодействует с бромистым этилом и бромистым изобутилом с образованием соединений (1) и (2):

Аналогично, при взаимодействии бромистого изобутила с натрием образуется изобутилнатрий, который даст при реакции с бромистым этилом и бромистым изобутилом соединения (2) и (3).

Пример 2. Какое соединение получится при последовательном действии на метилацетилен амида натрия и изопропилбромида?

Решение. Прежде, чем приступить к решению данной задачи следует проработать лекционный материал и разделы рекомендуемых учебников по теме химические свойства ацетиленовых углеводородов. Обратить особое внимание на тот факт, что кроме реакций присоединения для ацетиленовых углеводородов характерны кислые свойства, т.е. замещение атома водорода при тройной связи на металл с образованием ацетиленидов. Следует отметить высокую подвижность металлов в ацетиленидах и их способность замещаться на алкильные группы.

Пример 3. Какое соединение получится при последовательном взаимодействии вторичного бромистого бутила с металлическим магнием, уксусным альдегидом и водой?

Решение. При решении данной задачи следует изучить химические свойства галогеналканов, обратить внимание на их высокую реакционную способность. В данном примере потребуются также знания раздела «Магнийорганические соединения» (реактивы Гриньяра).

3. Для синтеза вещества на основании структурной формулы нужно выбрать исходные соединения и написать соответствующие реакции или схемы (с указанием условий). Решению такой задачи помогает разделение структурной формулы заданного вещества на отдельные составные части – фрагменты, которые должны входить в форме легко отделимой части в структурные формулы исходных веществ.

Пример 1. Получить 2,2,3,3-тетраметилбутан по реакции Вюрца.

Решение. Следует мысленно разделить молекулу синтезируемого соединения по С-С связи:

Если молекула симметрична, то лучше разделить её на две равные части. Это позволит получить нужный продукт без побочных. В данном случае в качестве исходного соединения нужно взять бромистый третичный бутил и провести реакцию с металлическим натрием:

Пример 2. Получить триметилкарбинол по реакции Гриньяра.

Решение. Триметилкарбинол относится к третичным спиртам. Третичные спирты по реакции Гриньяра получают из соответствующих кетонов и реактива Гриньяра. Следует помнить, что общая сумма углеродных атомов кетона и реактива Гриньяра должна соответствовать сумме углеродных атомов получаемого спирта.

В качестве кетона берём ацетон, а в качестве алкилгалогенида – метилбромид.

Пример 3. Получить 3,3-диметил-2-бутанол реакцией гидратации алкена.

Решение. Следует помнить, что реакция гидратации алкенов протекает по правилу Марковникова:

4. При решении задач по синтезу заданного вещества из указанного требуется написать все промежуточные соединения, выбрать необходимые реагенты и указать условия проведения реакций.

Прежде, чем решать задачу, необходимо выразить её условие структурными формулами. Затем начинают подбор исходных продуктов для заданного соединения и таким образом доходят до указанного соединения.

Пример 1. При помощи каких реакций можно получить 2-бромбутан из 1,2-дибромбутана?

Решение. Вначале следует подобрать соединение, из которого можно получить 2-бромбутан. Это либо бутан, либо бутен-1. Далее следует обратить внимание на то, какое из соединений – бутан или бутен-1 – можно легко получить из 1,2-дибромбутана.

Алкены легко получаются дегалогенированием дигалогенпроизводных в присутствии цинка. Так, из 1,2-дибромбутана получаем бутен-1:

А далее проводим гидробромирование бутена-1. Реакция протекает по правилу Марковникова (ионный механизм):

Пример 2. Получить пара -нитробензойную кислоту из толуола.

Решение.

Бензойную кислоту получают окислением толуола водным раствором перманганата калия при нагревании. Нитрогруппу вводят в бензольное кольцо методом прямого нитрования. Следует учитывать также влияние заместителя на направление нитрования. Карбоксильная группа –COOH относится к числу электроноакцепторных заместителей и направляет нитрогруппу в мета -положение. Метильная группа - электронодонорный заместитель - направляет нитрогруппу в пара -положение.

Итак, можно предложить следующую схему синтеза:

Пара -нитротолуол далее окисляем до пара -нитробензойной кислоты:

Пример 3. Из неорганических реагентов получите этилацетат (уксусноэтиловый эфир).

Решение.

Известно, что из неорганических реагентов легко можно получить ацетилен, который является исходным соединением для синтеза различных классов органических веществ:

Для синтеза уксусноэтилового эфира нужны уксусная кислота и этиловый спирт, которые могут быть получены из ацетилена:

5. Решение задач по синтезувещества и написанию для него ряда реакций требует знания, кроме способов получения, химических свойств данного класса соединений.

Пример 1. Предложите схему синтеза диэтилкетона и покажите его отношение к бисульфиту натрия, гидроксиламину, синильной кислоте.

Решение. Одним из способов получения кетонов является окисление вторичных спиртов с тем же числом углеродных атомов, что и у синтезируемого кетона. Т.е. следует взять в качестве исходного соединения пентиловый спирт. Поскольку карбонильная группа находится в третьем положении, то для окисления возьмём 3-пентанол:

Изучив химические свойства кетонов, делаем вывод, что реакции с бисульфитом натрия и синильной кислотой – реакции нуклеофильного присоединения, а с гидрокcиламином – присоединения–отщепления.

6. Определение структурной формулы органического соединения по его свойствам требует хорошего знания основных превращений важнейших классов органических соединений.

В задаче обычно указывается ряд свойств данного вещества и конечные продукты его превращения.

Пример 1. Установите строение вещества состава C₅H₁₀, если известно, что оно обесцвечивает бромную воду, в результате взаимодействия с HBr образует третичное бромпроизводное, а при окислении концентрированным раствором перманганата калия образует уксусную кислоту и ацетон.

Решение. Общая формула вещества и его способность обесцвечивать бромную воду указывают на то, что это алкен. При окислении уксусная кислота и ацетон могли образоваться из алкена, имеющего такие группировки:

Следовательно, строение алкена таково:

Из разобранных примеров видно, что очень часто возможно несколько вариантов решения одной и той же задачи. Из всех вариантов следует выбирать тот, в котором применяются простейшие исходные вещества и синтез проходит без образования побочных продуктов.