Примеры решения задач

Задача 1. Определите строение ароматического углеводорода состава С₉Н₁₂, если известно, что при его окислении перманганатом калия образуется бензолтрикарбоновая кислота, а при бромировании в присутствии FeBr₃ — только одно монобромпроизводное.

Решение. Так как углеводород С₉Н₁₂ при окислении перманганатом калия образует трикарбоновую кислоту, то он должен иметь три метильные группы. По условию задачи, при бромировании образуется только одно монобромпроизводное. Следовательно, углеводород построен симметрично, это 1,3,5- триметилбензол. Схемы реакций:

Задача 2. При действии бромной воды на антраниловую (2-аминобензойную) кислоту получена смесь моно- и дибромпроизводных. Напишите структурные формулы каждого из полученных изомеров.

Решение. Аминогруппа NH₂ — ориентант 1-го рода (орто-пара-ориентант), а карбоксильная группа СООН — ориентант 2-го рода (мета-ориентант). В молекуле 2-аминобензойной кислоты оба эти заместителя действуют согласованно и направляют последующее замещение в одни и те же положения, которые обозначены стрелками:

При бромировании атомы брома замещают атомы водорода в положениях, отмеченных стрелками. При этом образуются два монобромпроизводных и одно дибромпроизводное:

Задача 3. Предложите схему получения 3-нитробензойной кислоты из этилбензола в две стадии. Укажите условия реакций.

Решение. Карбоксильная группа СООН — мета-ориентант, поэтому при нитровании бензойной кислоты образуется 3-нитробензойная кислота. Нитрование проводится концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты.

Бензойную кислоту можно получить из этилбензола действием подкисленного раствора перманганата калия. Схема указанных превращений

Задача 4. Выход нитробензола при нитровании монодейтеробензола равен а%. Как изменится значение выхода продукта замещения дейтерия на нитрогруппу, если в opтo-положение к дейтерию ввести нитрогруппу? Напишите уравнения упомянутых реакций.

Решение. При нитровании монодейтеробензола C₆H₅D на нитрогруппу с почти равной вероятностью может замещаться любой из пяти атомов водорода или атом дейтерия, поэтому а ≈ 17%. Уравнение замещения дейтерия имеет вид:

Если в орто-положение к дейтерию ввести нитрогруппу, которая является мета-ориентантом, то нитрование пойдет преимущественно в следующие положения (указаны стрелочками):

Выход продукта замещения дейтерия на нитрогруппу по уравнению

уменьшится, поскольку орто-положение, в котором находится дейтерий по отношению к нитрогруппе, не является благоприятным для нитрования.

Задача 5. При окислении смеси бензола и толуола подкис­ленным раствором перманганата калия при нагревании получено 8,54 г одноосновной органической кислоты. При взаимодействии этой кислоты с избытком водного раствора гидрокарбоната натрия выделился газ, объем которого в 19 раз меньше объема тако­го же газа, полученного при полном сгорании исходной смеси углеводородов. Определите массы веществ в исходной смеси.

Решение. Перманганатом калия окисляется только толуол, при этом образуется бензойная кислота:

5С₆Н₅-СН₃ + 6KMnO₄ + 9H₂SO₄   →  5С₆Н₅-СООН + 3K₂SO₄ + 6MnSO₄ + 14Н₂О

v(C₆H₅-COOH) = 8,54/122 = 0,07 моль = v(C₆H₅-CH₃).

При взаимодействии бензойной кислоты с гидрокарбонатом натрия выделяется СО₂:

С₆Н₅-СООН + NaHCO₃  → C₆H₅—COONa + СО₂↑ + Н₂О.

v(CO₂) = v(C₆H₅-COOH) = 0,07 моль. При сгорании смеси углеводородов образуется 0,07*19 = 1,33 моль СО₂. Из этого количества при сгорании толуола по уравнению

С₆Н₅-СН₃ + 9О₂  → 7СО₂ + 4Н₂О

образуется 0,07*7 = 0,49 моль СО₂. Остальные 1,33-0,49 = 0,84 моль СО₂ образуются при сгорании бензола:

С₆Н₆ + 7,5О₂   →  6СО₂ + ЗН₂О.

v(C₆H₆) = 0,84/6 = 0,14 моль. Массы веществ в смеси равны: m(С₆Н₆) = 0,14-78 = 10,92 г, m(С₆Н₅-СН₃) = 0,07*92 = 6,48 г.

 Ответ. 10,92 г бензола, 6,48 г толуола.