Вы изучили основные классы органических соединений, объединяющие миллионы веществ. Представители каждого класса связаны между собой сходством химического строения. А существует ли взаимосвязь между представителями разных классов органических веществ?
Да, между представителями разных классов органических веществ существует генетическая взаимосвязь. Это означает, что вещества одного класса могут превращаться в вещества другого класса путём химических реакций. Такая взаимосвязь основана на наличии общих структурных фрагментов и характерных групп, которые определяют химические свойства веществ. Например, спирты при окислении превращаются в альдегиды или кетоны, а затем — в карбоновые кислоты; кислоты могут реагировать с аммиаком с образованием амидов, а те, в свою очередь, могут подвергаться дальнейшим превращениям. Благодаря этим реакциям можно проследить, как одно органическое вещество превращается в другое, что и демонстрирует генетическую связь между классами.
1. Что такое генетическая связь между классами органических соединений? В чём она проявляется?
Генетическая связь между классами органических соединений — это взаимосвязь между веществами разных классов, основанная на возможности их превращения друг в друга через химические реакции. Она проявляется в том, что одно органическое вещество можно получить из другого, например: алкан → галогеналкан → спирт → альдегид → карбоновая кислота → сложный эфир. Такие превращения показывают, как классы соединений «связаны» между собой через определённые функциональные группы и последовательности реакций.
2. Что такое цепь превращений? Как определить число реакций в предложенной цепи превращений?
3. Запишите уравнения химических реакций, иллюстрирующих генетические связи между классами органических соединений: а) пропанол-1 ⟶ пропаналь ⟶ пропановая кислота ⟶ 2-хлорпропановая кислота ⟶ 2-аминопропановая кислота (аланин) ⟶ дипептид; б) н-бутан ⟶ бутадиен-1,3 ⟶ бутен-2 ⟶ н-бутан ⟶ этан ⟶ этилен ⟶ ацетилен ⟶ бензол; в) метиловый спирт ⟶ формальдегид ⟶ муравьиная кислота ⟶ этиловый эфир муравьиной кислоты ⟶ этиловый спирт ⟶ этилен ⟶ хлорэтан.
а)
Пропанол-1 → пропаналь CH3–CH2–CH2OH + [O] → CH3–CH2–CHO + H2O (мягкое окисление)
Пропаналь → пропановая кислота CH3–CH2–CHO + [O] → CH3–CH2–COOH
Пропановая кислота → 2-хлорпропановая кислота CH3–CH2–COOH + Cl2 → CH3–CH(Cl)–COOH + HCl (галогенирование по α-углероду, hv)
2-хлорпропановая кислота → 2-аминопропановая кислота (аланин) CH3–CH(Cl)–COOH + 2NH3 → CH3–CH(NH2)–COOH + NH4Cl
Аланин + аланин → дипептид CH3–CH(NH2)–COOH + CH3–CH(NH2)–COOH → CH3–CH(NH2)–CO–NH–CH(CH3)–COOH + H2O (конденсация, образование пептидной связи)
б)
н-Бутан → бутадиен-1,3 CH3–CH2–CH2–CH3 → CH2=CH–CH=CH2 + 2H2 (дегидрирование, t°, кат.)
Бутадиен-1,3 → бутен-2 CH2=CH–CH=CH2 + H2 → CH3–CH=CH–CH3 (частичное гидрирование)
Бутен-2 → н-бутан CH3–CH=CH–CH3 + H2 → CH3–CH2–CH2–CH3 (гидрирование, Ni, t°)
н-Бутан → этан (крекинг) CH3–CH2–CH2–CH3 → CH3–CH3 + CH2=CH2 (t°, кат.)
Этан → этилен CH3–CH3 → CH2=CH2 + H2 (дегидрирование, t°, кат.)
Этилен → ацетилен CH2=CH2 → HC≡CH + H2 (дегидрирование, высокая t°)
Ацетилен → бензол 3 HC≡CH → C6H6 (циклизация, t°, угольный кат.)
в)
Метиловый спирт → формальдегид CH3OH + [O] → HCHO + H2O (мягкое окисление)
Формальдегид → муравьиная кислота HCHO + [O] → HCOOH
Муравьиная кислота + этанол → этиловый эфир HCOOH + C2H5OH → HCOOC2H5 + H2O (этерификация, H+, t°)
Этиловый эфир муравьиной кислоты → этанол (гидролиз) HCOOC2H5 + H2O → HCOOH + C2H5OH
Этанол → этилен C2H5OH → CH2=CH2 + H2O (дегидратация, H2SO4 конц., t°)
Этилен → хлорэтан CH2=CH2 + HCl → CH3–CH2Cl (присоединение)
4. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно получить анилин из метана. Укажите условия проведения реакций. Назовите промежуточные вещества. Сколько звеньев в предложенной вами цепи превращений?
CH4 → CH3Cl (хлорирование, Cl2, hv)
CH3Cl → CH3–CN (реакция с KCN, спирт)
CH3–CN → CH3–COOH (гидролиз, H+, t°)
CH3–COOH → C6H5–COOH (реакция с бензолом — Фриделя-Крафтса, AlCl3, t°)
C6H5–COOH → C6H5–NH2 (аминирование через ацилирование и восстановление)
Промежуточные вещества: хлорметан, ацетонитрил, уксусная кислота, бензойная кислота. Звеньев: минимум 5.
5. Придумайте свою цепь превращений и запишите уравнения реакций, которые ей соответствуют.
Этанол → уксусный альдегид → уксусная кислота → ацетат натрия → метан
C2H5OH + [O] → CH3CHO + H2O
CH3CHO + [O] → CH3COOH
CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O
CH3COONa + NaOH → CH4 + Na2CO3 (декарбоксилирование, t°)
Можно продолжить эту цепь далее: Метан → ацетилен → винилхлорид → поливинилхлорид (ПВХ).