6.2. Примеры заданий по теме «Генетическая связь между различными классами органических веществ» и комментарии к их решению

Приведем сначала примеры заданий базового уровня сложности, которые проверяют знание генетической взаимосвязи органических веществ различных классов.

1. В схеме превращений

CaC₂ → X → С₆Н₆

веществом Х является

1)

C2H4

2)

C6H12

3)

CH4

4)

C2H2

Выполняя это задание, необходимо установить взаимосвязь между исходным веществом – карбидом кальция СаС₂ и бензолом С₆Н₆, т.е. вспомнить, из каких веществ можно получить бензол, и какое из этих веществ может быть получено из карбида кальция. Из представленных веществ бензол может быть получен из циклогексана С₆Н₁₂ при его дегидрировании и из ацетилена С₂Н₂ путем его тримеризации. Именно ацетилен получается из карбида кальция при его гидролизе. Таким образом, указанной схеме превращений соответствуют уравнения реакций:

СаС₂ + 2Н₂О → Са(ОН)₂ + С₂Н₂

3С₂Н₂ → С₆Н₆

Ответ: 4.

2. В схеме превращений

C₆H₁₂О₆ X → C₂H₄

веществом Х является

1)	С2Н6	3)	СН3СН(ОН)СООН
2)	С3Н7СООН	4)	C2H5OH

При брожении глюкозы C₆H₁₂О₆ возможно образование и масляной кислоты С₃Н₇СООН (маслянокислое брожение), и молочной кислоты СН₃СН(ОН)СООН (молочнокислое брожение), и этанола C₂H₅OH (спиртовое брожение). Этен можно получить и из этана, и из этанола. Однако этан не является продуктом брожения глюкозы. Таким образом, необходимо провести следующие реакции:

C₆H₁₂О₆ 2С₂Н₅ОН + 2СО₂

C₂H₅OH CH₂=CH₂ + H₂O

Ответ: 4.

3. В схеме превращений

CH₄ X₁ Х₂

веществами Х₁ и Х₂ являются соответственно

1)	C2H4 и С2Н5ОН	3)	C2H2 и CH3CОOH
2)	C2H2 и CH3COH	4)	C2H4 и CH3COH

Продуктом первой реакции при указанных условиях является ацетилен С₂Н₂, который далее вступает в реакцию Кучерова, образуя уксусный альдегид CH₃COH:

2СН₄ С₂Н₂ + 3Н₂

С₂Н₂ + Н₂О CH₃COH

Ответ: 2.

4. В схеме превращений

C₂Н₆ C₂H₅Br C₂H₅OH

веществами Х₁ и Х₂ соответственно являются

1)	HBr и NaOH водн. р-р	3)	Br2 и NaОН водн. р-р
2)	HBr и О2	4)	Br2 и NaOH спирт. р-р

Бромэтан можно получить из этана при его бромировании:

C₂Н₆ + Br₂ C₂H₅Br + HBr

Отметим, что учащиеся часто выбирают в качестве реагента не галоген, а гидрогалогенид (НBr), что является их типичной ошибкой. Взаимодействие бромэтана со спиртовым раствором щелочи приводит к образованию этена, а с водным – этанола:

C₂H₅Br + NaOH (водн.) → C₂H₅OH + NaBr + H₂O

Ответ: 3.

5. В схеме превращений

СН₃СООН CH₃COOCH₃ СН₃СООNa

веществами Х₁ и Х₂ могут быть

1)	CH4 и Na2CO3	3)	CH3OH и NaOH
2)	CH3OH и NaCl	4)	CH4 и NaOH

Для получения сложного эфира из карбоновой кислоты проводят реакцию этерификации, т.е. осуществляют ее взаимодействие с соответствующим спиртом. Поэтому для получения метилового эфира уксусной кислоты необходимо провести реакцию этерификации:

СН₃СООН + СН₃ОН CH₃COOCH₃ + Н₂О

Ацетат натрия СН₃СООNa образуется из метилового эфира уксусной кислоты в результате щелочного гидролиза сложного эфира:

CH₃COOCH₃ + NaOH → СН₃СООNa + CH₃OH

Ответ: 3.

Задания высокого уровня сложности, проверяющие знание генетической взаимосвязи органических веществ различных классов (С3), предполагают составление пяти уравнений реакций, соответствующих «цепочке превращений». При этом важно обратить внимание учащихся на то, что необходимо составить именно уравнения реакций, а не их схемы.

В первую очередь это относится к записи уравнений окислительно-восстановительных реакций с участием органических веществ. Необходима подробная, а не упрощенная запись, которая предполагает расстановку коэффициентов перед формулами всех исходных веществ и продуктов реакции. Так, окисление этилена водным раствором перманганата калия следует записать не упрощенно, схематично:

С₂Н₄ + [O] + Н₂О → С₂Н₄(ОН)₂,

а в полном виде следующим образом:

3С₂Н₄ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3С₂Н₄(ОН)₂ + 2MnO₂ + 2KOH

Упрощенная форма записи в виде схемы приведет к снижению экспертной оценки!

Отметим также, что необходимо составлять структурные, а не брутто-формулы органических веществ. Например, составляя уравнение реакции гидратации пропена, важно указать, что в соответствии с правилом В.В. Марковникова продуктом реакции является именно пропанол-2, а не просто вещество состава С₃Н₇ОН. Поэтому уравнение этой реакции следует записать следующим образом:

СН₃-СН=СН₂ + Н₂О → СН₃-СН(ОН)-СН₃

Приведем примеры заданий, проверяющих знание генетической взаимосвязи органических веществ различных классов, на высоком уровне, и прокомментируем их.

6. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

C₂H₄ → С₂Н₅Сl → н-бутан Х₁ Х₂ Х₃

Первое превращение можно осуществить с помощью реакции гидрогалогенирования (но не галогенирования!):

C₂H₄ + HCl → С₂Н₅Сl

Для получения бутана из хлорэтана следует использовать реакцию Вюрца:

2С₂Н₅Сl + 2Na СН₃CH₂CH₂CH₃ + 2NaCl

Составляя уравнение следующей реакции, важно учесть, что замещение атома водорода в молекуле бутана преимущественно происходит у вторичного атома углерода, что приведет к образованию 2-бромбутана (Х₁):

СН₃CH₂CH₂CH₃ + Br₂ СН₃CHBrCH₂CH₃ + HBr

Взаимодействие 2-бромбутана со спиртовым раствором щелочи происходит в соответствии с правилом А.М. Зайцева: при отщеплении от алкилгалогенида молекулы НХ, где X — атом галогена, отрыв водорода происходит от того атома углерода, с которым связано наименьшее число атомов. Впоследствии правило было распространено и на реакции дегидратации спиртов. Таким образом, в результате этой реакции образуется бутен-2 (Х₂), формулу которого следует обязательно записать в структурном виде:

СН₃CHBrCH₂CH₃ + KOH(спирт. р-р) СН₃СН=СНСН₃ + КBr + H₂O

Окисление бутена-2 перманганатом калия в кислой среде при нагревании протекает в жестких условиях и сопровождается разрывом углеродного скелета, что приводит к образованию уксусной кислоты CH₃COOH (Х₃):

5СН₃СН=СНСН₃ + 8KMnO₄ + 12H₂SO₄ 10CH₃COOH +

+ 8MnSO₄ + 4K₂SO₄ + 12H₂O

7. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

циклопропан Х₁ → н-гексан → С₆Н₆ → C₆H₅CH₃ Х₂

Составляя уравнение первой реакции, следует учесть, что свойства циклоалканов сильно зависят от величины цикла: для малых циклов (С₃ – С₄) характерны реакции присоединения, сопровождающиеся разрывом цикла, а для больших (С₆ и выше) – замещения.

Поэтому циклопропан будет присоединять хлороводород, в результате чего образуется 1-хлорпропан (Х₁):

+ HCl → CH₃CH₂CH₂Cl

Для получения н-гексан из 1-хлорпропана следует использовать реакцию Вюрца:

2CH₃CH₂CH₂Cl + 2Na CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃ + 2NaCl

Бензол образуется из н-гексана в результате реакции дегидроциклизации:

CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃ C₆H₆ + 4H₂

Метилбензол получают из бензола по реакции алкилирования в присутствии катализатора AlCl₃ (реакция Фриделя - Крафтса):

С₆Н₆ + CH₃Cl C₆H₅CH₃ + HCl

В результате окисления метилбензола перманганатом калия в нейтральной среде образуется бензоат калия (Х₂); перманганат калия восстанавливается при этом до MnO₂:

C₆H₅CH₃ + 2KMnO₄ → C₆H₅COOK + 2MnO₂↓ + KOH + H₂O

8. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

Al₄C₃ X₁ → CH₃Br → CH₃OH → HCOH X₂

Гидролиз карбида кальция приводит к образованию метана СН₄ (Х₁):

Al₄C₃ + 12H₂O → 3CH₄↑ + 4Al(OH)₃↓

Бромметан CH₃Br из метана получают в результате реакции бромирования на свету:

CH₄ + Br₂ CH₃Br + HBr

Для получения метанола CH₃OH из бромметана следует использовать водный раствор щелочи при нагревании:

CH₃Br + NaOH(водн.р-р) CH₃OH + NaBr

Метанол можно окислить до формальдегида HCOH с помощью оксида меди(II) при нагревании:

CH₃OH + CuO HCOH + Cu + H₂O

Бихромат калия в кислой среде окисляет формальдегид до углекислого газа, восстанавливаясь при этом до Cr³⁺:

3HCOH + 2K₂Cr₂O₇ + 8H₂SO₄ → 3CO₂ + 2Cr₂(SO₄)₃ + 2K₂SO₄ + 11H₂O

9. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

CH₃COOК Х₁ → C₂H₂ → К₂C₂O₄ → Н₂C₂O₄ X₂

В результате сплавления ацетата калия со щелочью (реакция Дюма) образуется метан СН₄ (Х₁):

СН₃СООK + KOH CH₄ + K₂CO₃

Ацетилен C₂H₂ получают из метана в результате его пиролиза:

2CH₄ C₂H₂ + 3H₂

Чтобы получить оксалат калия К₂С₂О₄ (соль щавелевой кислоты) из ацетилена, следует окислить его перманганатом калия в нейтральной среде:

3C₂H₂ + 8KMnO₄ → 3К₂C₂O₄ + 8MnO₂ + 2KOH + 2H₂O

Щавелевую кислоту из оксалата калия можно получить, подействовав на него соляной кислотой:

К₂C₂O₄ + 2HCl → Н₂C₂O₄ + 2KCl

Характерное свойство щавелевой кислоты и ее солей – диспропорционирование в присутствии концентрированной серной кислоты при нагревании:

Н₂C₂O₄ CO + CO₂ + H₂O

10. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

С₆Н₅СООNa Х₁ Х₂ Х₃ Х₄ Х₅

Сплавление бензоата натрия со щелочью (реакция Дюма) приводит к образованию бензола (Х₁):

С₆Н₅СООNa + NaOH C₆H₆ + Na₂CO₃

При взаимодействии бензола с этиленом в присутствии катализатора образуется этилбензол С₆Н₅С₂Н₅ (Х₂):

С₆Н₆ + C₂H₄ С₆Н₅С₂Н₅ + HCl

В результате бромирования этилбензола при освещении происходит замещение водорода не в бензольном кольце, как в присутствии катализатора, а в боковой цепи. При этом замещение осуществляется в α-положение по отношению к бензольному кольцу, в результате чего образуется α-бромэтилбензол C₆H₅CHBrCH₃ (Х₃):

C₆H₅C₂H₅ + Br₂ C₆H₅CHBrCH₃ + HBr

При действии на C₆H₅CHBrCH₃ спиртового раствора щелочи при нагревании образуется винилбензол (стирол) C₆H₅CH=CH₂ (Х₄):

C₆H₅CHBrCH₃ + KOH(спирт. р-р) C₆H₅CH=CH₂ + КBr + H₂O

Винилбензол вступает в реакцию присоединения с бромом с образованием 1,2-дибром,1-фенилэтана C₆H₅CHBr-CH₂Br (Х₅):

C₆H₅CH=CH₂ + Br₂ → C₆H₅CHBr-CH₂Br