Условие задачи
Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:а) CH4 ⟶ C2H2 ⟶ C6H6 ⟶ C6H5OH ⟶ 2,4,6-трибромфенолб) CH4 ⟶ C2H6 ⟶ C3H8 ⟶ C6H14 ⟶ C6H6 ⟶ пикриновая кислота
Решение
Ниже приведено подробное решение задачи из области органической химии – синтеза органических соединений посредством последовательных превращений. В основном используются знания об уравнениях реакций соединения углеводородов (дехидрирование, конденсация, каталитические преобразования, нальщение посредством введения функциональных групп) и схематические записи этих процессов. В решении вместо формата LaTeX используются символы Unicode для записи формул и стрелок.
Мы рассматриваем две схемы превращений, для каждой из которых необходимо записать уравнения реакций.
──────────────────────────────
Часть (а):
Преобразования:
CH₄ ⟶ C₂H₂ ⟶ C₆H₆ ⟶ C₆H₅OH ⟶ 2,4,6-трибромфенол
1. Превращение метана в ацетилен
Для получения C₂H₂ (ацетилена) из метана можно представить реакцию частичного деhydрирования (при высокотемпературном каталитическом пиролизе) по схеме двухмолекулярного соединения с выделением водорода. Предположим уравнение:
2 CH₄ ⟶ C₂H₂ + 3 H₂
Проверка баланса:
– Левую часть: 2×(C₁H₄) → C₂H₈
– Правую часть: C₂H₂ + 3×(H₂) = C₂H₂ + H₆ = C₂H₈
Баланс соблюдён.
2. Триконденсация ацетилена в бензол
Известно, что при трикомпонентной каталитической полимеризации (три конденсирующиеся молекулы ацетилена) возможно образование бензольного кольца. Уравнение:
3 C₂H₂ ⟶ C₆H₆
Баланс очевиден (3×(C₂H₂) = C₆H₆).
3. Гидроксилирование бензола до фенола
Прямое введение –OH в бензольное кольцо может осуществляться окислителями. Например, реакция с закисью азота (N₂O) при каталитических условиях приводит к образованию фенола (C₆H₅OH) с выделением азота:
C₆H₆ + N₂O ⟶ C₆H₅OH + N₂
Проверка:
– C: 6 → 6;
– H: 6 у бензола, а в C₆H₅OH 5 + 1(–OH) = 6;
– Азот и кислород – по одному атомарному соотношению.
4. Бромирование фенола до 2,4,6‑трибромфенола
Фенол является реакционноспособным к электрофильному замещению – при избытке Br₂ в водном растворе почти полностью замещаются водородные атомы в орто‑ и пара‑позициях. Можно записать реакцию:
C₆H₅OH + 3 Br₂ ⟶ C₆H₂Br₃OH + 3 HBr
Проверка баланса:
– У бензольного кольца 6 атомов С;
– В исходном феноле – 5 «круговых» водородов (–OH уже содержит водород), а в 2,4,6‑трибромфеноле замещены 3 из них – остаётся 2 С–H;
– 3 молекулы Br₂ дают 6 атомов брома, из которых 3 присоединяются к арильному кольцу, а 3 вступают в образование HBr вместе с 3 атомами водорода.
Таким образом, схема (а) записывается последовательностью четырёх реакций.
──────────────────────────────
Часть (б):
Преобразования:
CH₄ ⟶ C₂H₆ ⟶ C₃H₈ ⟶ C₆H₁₄ ⟶ C₆H₆ ⟶ пикриновая кислота
Примечание. Получение некоторых высших углеводородов из метана требует реакций соединения (каталитическая коксирование) при отделении водорода. Далее – дегидрирование алканов до ароматического ядра, а затем – функциональное преобразование с введением нитрогрупп (в случае получения пикриновой кислоты, являющейся 2,4,6‑тринитрофенолом). Можно предложить следующие уравнения:
1. Превращение метана в этан
Предположим реакцию соединения двух молекул метана с выделением водорода:
2 CH₄ ⟶ C₂H₆ + H₂
Баланс:
– Лев.: 2×CH₄ = C₂H₈;
– Прав.: C₂H₆ + H₂ = C₂H₈.
2. Превращение этана в пропан
Пусть происходит реакция присоединения одной молекулы метана к этану с выделением водорода (это условная схема цепочной синтез реакции):
C₂H₆ + CH₄ ⟶ C₃H₈ + H₂
Проверка:
– Лев.: C₂H₆ + CH₄ = C₃H₁₀;
– Прав.: C₃H₈ + H₂ = C₃H₁₀.
3. Димеризация пропана до н-гексана
Объединение двух молекул пропана с отщеплением молекулы водорода даёт н‑гексан (C₆H₁₄):
2 C₃H₈ ⟶ C₆H₁₄ + H₂
Проверка:
– Лев.: 2×(C₃H₈) = C₆H₁₆;
– Прав.: C₆H₁₄ + H₂ = C₆H₁₆.
4. Дегидрирование н-гексана до бензола
При высокотемпературном каталитическом дегидрировании н-гексана возможно образование бензола с выделением водорода:
C₆H₁₄ ⟶ C₆H₆ + 4 H₂
Проверка:
– Лев.: C₆H₁₄;
– Прав.: C₆H₆ + 4×H₂ = C₆H₆ + H₈ = C₆H₁₄.
5. Превращение бензола в пикриновую кислоту
Пикриновая кислота – это 2,4,6‑тринитрофенол. Обычно её получают посредством двух последовательных этапов: сначала гидроксилирование бензола с образованием фенола, а затем насыщенная нитровка фенола с образованием пикриновой кислоты.
5a. Гидроксилирование бензола:
C₆H₆ + N₂O ⟶ C₆H₅OH + N₂
Как и в части (а).
5b. Нитрование фенола до 2,4,6‑тринитрофенола (пикриновой кислоты) при использовании концентрированной HNO₃ (при участии H₂SO₄ как каталитической кислоты):
C₆H₅OH + 3 HNO₃ ⟶ C₆H₂(NO₂)₃OH + 3 H₂O
Проверка (по атомам):
– В феноле C₆H₅OH имеется 6 атомов С и 6 атомов водорода (5 в арильном кольце плюс –OH). При замещении трёх атомов водорода на нитро-группы остается 2 арильных H и –OH, то есть общее число водородов – 3, что соответствует формуле пикриновой кислоты (C₆H₃N₃O₇). При этом 3 молекулы азотной кислоты выделяют 3 молекулы воды.
Таким образом, в части (б) последовательность превращений выглядит как:
1) 2 CH₄ ⟶ C₂H₆ + H₂
2) C₂H₆ + CH₄ ⟶ C₃H₈ + H₂
3) 2 C₃H₈ ⟶ C₆H₁₄ + H₂
4) C₆H₁₄ ⟶ C₆H₆ + 4 H₂
5a) C₆H₆ + N₂O ⟶ C₆H₅OH + N₂
5b) C₆H₅OH + 3 HNO₃ ⟶ C₆H₂(NO₂)₃OH + 3 H₂O
──────────────────────────────
Замечание по реалистичности схем:
Следует отметить, что многие из приведённых уравнений являются упрощёнными схемами и соответствуют идеализированным реакционным превращениям. В промышленной практике получения таких соединений применяются более сложные каталитические системы и условия.
Таким образом, с использованием правил органической химии получены последовательности уравнений для превращения CH₄ в требуемые продукты в обоих случаях.
Это и есть подробное решение задачи.