Условие задачи
Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:а) CH4 ⟶ C2H2 ⟶ CH3–COH ⟶ CH3–CH2OH ⟶ CH3–CH2–Br ⟶ C2H4 ⟶ CH3–CH2OH ⟶ CH3–COHб) CH4 ⟶ HCOH ⟶ CH3OH ⟶ CH3Cl ⟶ C2H6 ⟶ C2H5OH ⟶ CH3COOH
Решение
Ниже приведён подробный разбор задачи по органической химии – синтезу ряда органических соединений путём последовательных превращений. В задаче нужно составить уравнения реакций, позволяющих получить из метана (CH₄) последовательно указанные продукты, воспользовавшись стандартными реакционными схемами (термическим крекингом, гидратацией, восстановлением, заместительной реакцией, дегидрированием, окислением и т. п.). Далее приведём возможный вариант решения для каждого из пунктов.
──────────────────────────────
ЧАСТЬ (а):
Перевод исходной схемы:
CH₄ → C₂H₂ → CH₃–COH → CH₃–CH₂OH → CH₃–CH₂–Br → C₂H₄ → CH₃–CH₂OH → CH₃–COH
Здесь принято, что:
• C₂H₂ – это ацетилен;
• Запись CH₃–COH означает алдегидную форму с группой –CHO (то есть ацетальдегид, CH₃CHO);
• CH₃–CH₂OH – этанол;
• CH₃–CH₂–Br – бромэтан;
• C₂H₄ – этилен.
Предлагаемый вариант реакционной цепочки:
1) Превращение CH₄ → C₂H₂
Из метана получают ацетилен при пиролизе (термическом крекинге). При этом на две молекулы CH₄ образуется одна молекула ацетилена и водород:
2 CH₄ → C₂H₂ + 3 H₂
(Обратите внимание, что в технологических процессах реакция может протекать в присутствии катализатора при высоких температурах.)
2) Гидратация ацетилена с последующим таутомеризацией
При добавлении воды (при наличии катализатора, например, раствора H₂SO₄ с HgSO₄) ацетилен гидратируется до вилювого спирта, который быстро преобразуется в ацетальдегид:
C₂H₂ + H₂O → CH₃CHO
(Реакция проходит по схеме «гидратация – таутомеризация».)
3) Восстановление ацетальдегида до этанола
Ацетальдегид можно восстановить водородом в присутствии катализатора (например, Ni или Raney-Ni):
CH₃CHO + H₂ → CH₃CH₂OH
4) Замещение – превращение этанола в бромэтан
Этанол можно превратить в соответствующий алкилбромид. Один из вариантов – реакция с гидробромистой кислотой в кислой среде (иногда при добавлении катализатора типа ZnBr₂, подобно реакции для превращения спиртов в алкилгалогениды):
CH₃CH₂OH + HBr → CH₃CH₂Br + H₂O
5) Дегидрогалогенирование бромэтана до этилена
При обработке бромэтана основанием (например, концентрированным KOH в растворе/спиртовом растворителе) протекает реакция элиминации (обратная реакции присоединения HBr):
CH₃CH₂Br + KOH (в спирте) → C₂H₄ + KBr + H₂O
6) Гидратация этилена до этанола
Этилен можно гидратировать (при наличии кислоты как катализатора, напр., H₂SO₄) с образованием этанола:
C₂H₄ + H₂O → CH₃CH₂OH
7) Окисление этанола до ацетальдегида
Этанол окисляют до ацетальдегида с использованием мягких окислителей (например, PCC или через каталитическую систему с контролируемым окислением):
CH₃CH₂OH + [O] → CH₃CHO + H₂O
(где [O] обозначает эквивалент окислителя).
Таким образом, последовательность превращений (а) может быть записана набором уравнений, приведённых выше.
──────────────────────────────
ЧАСТЬ (б):
Схема превращений:
CH₄ → HCOH → CH₃OH → CH₃Cl → C₂H₆ → C₂H₅OH → CH₃COOH
Здесь принято, что:
• HCOH – формальдегид (записывают также HCHO);
• CH₃OH – метанол;
• CH₃Cl – хлорметан;
• C₂H₆ – этан;
• C₂H₅OH – этанол;
• CH₃COOH – уксусная кислота.
Возможная цепочка реакций:
1) Окисление метана до формальдегида
Формальдегид можно получить при частичном окислении метана. Один из вариантов (в лабораторных или промышленно-оптимизированных условиях) – реакция:
CH₄ + O₂ → HCHO + H₂O
(Уравнение сбалансировано: углерод и водород – по 1 и 4 атома, кислород – 2 с каждой стороны.)
2) Восстановление формальдегида до метанола
Формальдегид можно восстановить водородом:
HCHO + H₂ → CH₃OH
(Таким образом, получаем метанол.)
3) Замещение – превращение метанола в хлорметан
Для замены –OH на атом хлора можно использовать, например, фосфор пентаклорид (PCl₅) или другие реагенты:
CH₃OH + PCl₅ → CH₃Cl + POCl₃ + HCl
(Это один из вариантов получения хлорметана.)
4) Образование этана методом реакции Вурца
Хлорметан превращается в этан при участии металлического натрия (реакция Вурца):
2 CH₃Cl + 2 Na → C₂H₆ + 2 NaCl
5) Дегидрирование этана до этилена и последующая гидратация
Поскольку прямое превращение этана в этанол маловероятно, можно действовать через двойное превращение. Сначала этан дегидрируется до этилена (с выделением водорода) при высокотемпературном контакте с катализатором:
C₂H₆ → C₂H₄ + H₂
А затем этилен гидратируется (как в пункте (а)) до этанола:
C₂H₄ + H₂O → CH₃CH₂OH
6) Окисление этанола до уксусной кислоты
Этанол окисляют до уксусной кислоты. Классическая реакция – каталитическое окисление кислородом (или с использованием иных окислителей, например, KMnO₄) при умеренных условиях:
CH₃CH₂OH + [O] → CH₃COOH + H₂O
──────────────────────────────
Комментарий:
В представленных цепочках использованы типовые реакции органической химии:
– термический крекинг CH₄ → C₂H₂;
– гидратация алкина с таутомеризацией в альдегид;
– восстановление альдегида до спирта;
– нуклеофильное замещение OH на X (Br или Cl) с образованием алкилгалогенида;
– элиминирование (дегидрогалогенирование) для получения алкена;
– гидратация алкена до спирта;
– окисление спирта до альдегида или кислоты;
– реакция Вурца для получения более сложного алкана из алкилгалогенидов.
Обратите внимание, что в реальной практике выбор реагентов, катализаторов и условий может варьироваться, а некоторые промежуточные превращения требуют строго контролируемых условий, чтобы избежать побочных реакций. Здесь приведён один из вариантов “идеализированного” синтеза, который подчёркивает типичные преобразования в органическом синтезе.
Таким образом, приведённые уравнения реакций являются ответом к задаче по органической химии с обоснованием каждого этапа превращения.