IChO 1975 · Theory problem 7
Oxidation products of a saturated hydrocarbon
A certain saturated hydrocarbon A is transformed by a catalytic oxidation partly into a secondary alcohol B, and partly into a ketone C. The ketone when oxidised with nitric acid in the presence of catalyst yields a compound D with a formula of \(\ce{C6H10O4}\). From compound D when heated in the presence of acetic anhydride, a ketone E is formed, its formation being accompanied by evolution of \(\ce{CO2}\) and \(\ce{H2O}\). Compounds E and C have similar structures but compound E contains one methylene group less than ketone C. Compound D is one of the starting materials in the production of an important polycondensation synthetic fibre.
Problem:
7.1 Write the structural formulas of compounds A, B, C, D, and E.
Official English text of the problem.
Answers
- 7.1: The compounds are:
| Compound | Name | Structural description | SMILES |
|---|---|---|---|
| A | Cyclohexane | Six-membered ring of methylene groups | C1CCCCC1 |
| B | Cyclohexanol | Six-membered carbon ring with one \(\ce{CH(OH)}\) group and five methylene groups | OC1CCCCC1 |
| C | Cyclohexanone | Six-membered ring containing one carbonyl carbon and five methylene groups | O=C1CCCCC1 |
| D | Adipic acid (hexanedioic acid) | \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\) | O=C(O)CCCCC(=O)O |
| E | Cyclopentanone | Five-membered ring containing one carbonyl carbon and four methylene groups | O=C1CCCC1 |
Solution
7.1
The fibre-production clue identifies D as adipic acid, a monomer used to manufacture nylon-6,6. Its structure, \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\), has exactly the required molecular formula \(\ce{C6H10O4}\). Its two degrees of unsaturation,
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(6)+2-10}{2}=2, \]
are accounted for by the two carboxyl carbonyl groups.
On heating in the presence of acetic anhydride, CC(=O)OC(C)=O, adipic acid undergoes intramolecular ketonic decarboxylation. The four methylene carbons and one carboxyl carbon form a five-membered ketone ring; the remaining carboxyl carbon is lost as carbon dioxide, O=C=O. The balanced net reaction also produces water, O:
\[ \ce{HOOC(CH2)4COOH ->[acetic\ anhydride][\Delta] C5H8O + CO2 + H2O}. \]
Thus E is cyclopentanone.
Since C has a similar structure but contains one additional methylene group, C must be cyclohexanone. Its six-membered ring contains five methylene groups and one carbonyl carbon, whereas cyclopentanone contains four methylene groups and one carbonyl carbon.
Oxidation of cyclohexanone with nitric acid, O=[N+]([O-])O, cleaves a carbon–carbon bond adjacent to the carbonyl group and opens the ring to give adipic acid:
\[ \ce{C6H10O + 3[O] ->[HNO3,\ catalyst] HOOC(CH2)4COOH}. \]
Here \(\ce{[O]}\) represents a formal oxygen-atom equivalent supplied by the oxidant. This balanced oxidation equation leaves the nitrogen-containing reduction products unspecified, as in the problem.
The corresponding secondary alcohol B is therefore cyclohexanol. The carbon bearing its hydroxyl group is bonded to two other carbon atoms, making it a secondary alcohol. Oxidation of this group gives the ketone:
\[ \ce{C6H12O + [O] -> C6H10O + H2O}. \]
Finally, the saturated hydrocarbon retaining this six-membered carbon skeleton is cyclohexane, A. Its catalytic oxidation with oxygen, O=O, gives cyclohexanol and cyclohexanone through the following balanced overall reactions:
\[ \ce{2C6H12 + O2 ->[catalyst] 2C6H12O}, \]
\[ \ce{C6H12 + O2 ->[catalyst] C6H10O + H2O}. \]
All five structures therefore satisfy the oxidation sequence, the loss of one methylene group between C and E, and the synthetic-fibre clue.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1975 · Theorieaufgabe 7
Oxidationsprodukte eines gesättigten Kohlenwasserstoffs
Ein bestimmter gesättigter Kohlenwasserstoff A wird durch katalytische Oxidation teilweise in einen sekundären Alkohol B und teilweise in ein Keton C umgewandelt. Bei der Oxidation mit Salpetersäure in Gegenwart eines Katalysators liefert das Keton eine Verbindung D mit der Summenformel \(\ce{C6H10O4}\). Beim Erhitzen der Verbindung D in Gegenwart von Essigsäureanhydrid entsteht ein Keton E, wobei \(\ce{CO2}\) und \(\ce{H2O}\) freigesetzt werden. Die Verbindungen E und C haben ähnliche Strukturen, aber die Verbindung E enthält eine Methylengruppe weniger als das Keton C. Die Verbindung D ist einer der Ausgangsstoffe für die Herstellung einer wichtigen, durch Polykondensation gewonnenen Synthesefaser.
Aufgabe:
7.1 Geben Sie die Strukturformeln der Verbindungen A, B, C, D und E an.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 7.1: Die Verbindungen sind:
| Verbindung | Name | Strukturbeschreibung | SMILES |
|---|---|---|---|
| A | Cyclohexan | Sechsgliedriger Ring aus Methylengruppen | C1CCCCC1 |
| B | Cyclohexanol | Sechsgliedriger Kohlenstoffring mit einer \(\ce{CH(OH)}\)-Gruppe und fünf Methylengruppen | OC1CCCCC1 |
| C | Cyclohexanon | Sechsgliedriger Ring mit einem Carbonylkohlenstoffatom und fünf Methylengruppen | O=C1CCCCC1 |
| D | Adipinsäure (Hexandisäure) | \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\) | O=C(O)CCCCC(=O)O |
| E | Cyclopentanon | Fünfgliedriger Ring mit einem Carbonylkohlenstoffatom und vier Methylengruppen | O=C1CCCC1 |
Lösung
7.1
Der Hinweis auf die Faserherstellung identifiziert D als Adipinsäure, ein Monomer, das zur Herstellung von Nylon-6,6 verwendet wird. Ihre Struktur, \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\), entspricht genau der geforderten Summenformel \(\ce{C6H10O4}\). Ihre beiden Ungesättigtheitsgrade,
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(6)+2-10}{2}=2, \]
werden durch die beiden Carbonylgruppen der Carboxylgruppen erklärt.
Beim Erhitzen in Gegenwart von Essigsäureanhydrid, CC(=O)OC(C)=O, geht Adipinsäure eine intramolekulare ketonische Decarboxylierung ein. Die vier Methylenkohlenstoffatome und ein Carboxylkohlenstoffatom bilden einen fünfgliedrigen Ketonring; das verbleibende Carboxylkohlenstoffatom wird als Kohlenstoffdioxid, O=C=O, abgespalten. Bei der ausgeglichenen Nettoreaktion entsteht außerdem Wasser, O:
\[ \ce{HOOC(CH2)4COOH ->[acetic\ anhydride][\Delta] C5H8O + CO2 + H2O}. \]
Somit ist E Cyclopentanon.
Da C eine ähnliche Struktur besitzt, aber eine zusätzliche Methylengruppe enthält, muss C Cyclohexanon sein. Sein sechsgliedriger Ring enthält fünf Methylengruppen und ein Carbonylkohlenstoffatom, während Cyclopentanon vier Methylengruppen und ein Carbonylkohlenstoffatom enthält.
Die Oxidation von Cyclohexanon mit Salpetersäure, O=[N+]([O-])O, spaltet eine der Carbonylgruppe benachbarte Kohlenstoff–Kohlenstoff-Bindung und öffnet den Ring unter Bildung von Adipinsäure:
\[ \ce{C6H10O + 3[O] ->[HNO3,\ catalyst] HOOC(CH2)4COOH}. \]
Hier steht \(\ce{[O]}\) für ein formales Sauerstoffatomäquivalent, das vom Oxidationsmittel bereitgestellt wird. In dieser ausgeglichenen Oxidationsgleichung bleiben die stickstoffhaltigen Reduktionsprodukte wie in der Aufgabenstellung unbestimmt.
Der entsprechende sekundäre Alkohol B ist daher Cyclohexanol. Das Kohlenstoffatom, das seine Hydroxygruppe trägt, ist an zwei weitere Kohlenstoffatome gebunden, wodurch es sich um einen sekundären Alkohol handelt. Die Oxidation dieser Gruppe liefert das Keton:
\[ \ce{C6H12O + [O] -> C6H10O + H2O}. \]
Schließlich ist der gesättigte Kohlenwasserstoff mit diesem unveränderten sechsgliedrigen Kohlenstoffgerüst Cyclohexan, A. Seine katalytische Oxidation mit Sauerstoff, O=O, liefert Cyclohexanol und Cyclohexanon gemäß den folgenden ausgeglichenen Gesamtreaktionen:
\[ \ce{2C6H12 + O2 ->[catalyst] 2C6H12O}, \]
\[ \ce{C6H12 + O2 ->[catalyst] C6H10O + H2O}. \]
Alle fünf Strukturen erfüllen somit die Bedingungen der Oxidationsfolge, des Verlusts einer Methylengruppe zwischen C und E sowie des Hinweises auf die Synthesefaser.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1975 · Teori sorusu 7
Doymuş bir hidrokarbonun yükseltgenme ürünleri
Doymuş bir hidrokarbon olan A, katalitik yükseltgenmeyle kısmen ikincil bir alkol olan B'ye, kısmen de bir keton olan C'ye dönüşür. Bu keton, katalizör varlığında nitrik asitle yükseltgendiğinde, formülü \(\ce{C6H10O4}\) olan D bileşiğini verir. D bileşiği asetik anhidrit varlığında ısıtıldığında bir keton olan E oluşur; bu oluşuma \(\ce{CO2}\) ve \(\ce{H2O}\) çıkışı eşlik eder. E ve C bileşikleri benzer yapılara sahiptir, ancak E bileşiği C ketonundan bir metilen grubu daha az içerir. D bileşiği, polikondenzasyon yoluyla elde edilen önemli bir sentetik lifin üretiminde kullanılan başlangıç maddelerinden biridir.
Soru:
7.1 A, B, C, D ve E bileşiklerinin yapı formüllerini yazınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 7.1: Bileşikler şunlardır:
| Bileşik | Adı | Yapısal açıklama | SMILES |
|---|---|---|---|
| A | Siklohekzan | Metilen gruplarından oluşan altı üyeli halka | C1CCCCC1 |
| B | Siklohekzanol | Bir \(\ce{CH(OH)}\) grubu ve beş metilen grubu içeren altı üyeli karbon halkası | OC1CCCCC1 |
| C | Siklohekzanon | Bir karbonil karbonu ve beş metilen grubu içeren altı üyeli halka | O=C1CCCCC1 |
| D | Adipik asit (hekzandioik asit) | \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\) | O=C(O)CCCCC(=O)O |
| E | Siklopentanon | Bir karbonil karbonu ve dört metilen grubu içeren beş üyeli halka | O=C1CCCC1 |
Çözüm
7.1
Lif üretimine ilişkin ipucu, D'nin naylon-6,6 üretiminde kullanılan bir monomer olan adipik asit olduğunu gösterir. Yapısı, \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\), tam olarak istenen \(\ce{C6H10O4}\) molekül formülüne sahiptir. İki olan doymamışlık derecesi,
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(6)+2-10}{2}=2, \]
iki karboksil grubunun karbonil gruplarıyla açıklanır.
Adipik asit, asetik anhidrit, CC(=O)OC(C)=O, varlığında ısıtıldığında molekül içi ketonik dekarboksilasyona uğrar. Dört metilen karbonu ve bir karboksil karbonu, beş üyeli bir keton halkası oluşturur; diğer karboksil karbonu karbondioksit, O=C=O, olarak ayrılır. Denkleştirilmiş net tepkimede ayrıca su, O, oluşur:
\[ \ce{HOOC(CH2)4COOH ->[acetic\ anhydride][\Delta] C5H8O + CO2 + H2O}. \]
Dolayısıyla E, siklopentanondur.
C benzer bir yapıya sahip olduğundan, ancak bir metilen grubu daha fazla içerdiğinden, C siklohekzanon olmalıdır. Altı üyeli halkası beş metilen grubu ve bir karbonil karbonu içerirken, siklopentanon dört metilen grubu ve bir karbonil karbonu içerir.
Siklohekzanonun nitrik asit, O=[N+]([O-])O, ile yükseltgenmesi, karbonil grubuna komşu bir karbon–karbon bağını koparır ve halkayı açarak adipik asit verir:
\[ \ce{C6H10O + 3[O] ->[HNO3,\ catalyst] HOOC(CH2)4COOH}. \]
Burada \(\ce{[O]}\), yükseltgen tarafından sağlanan biçimsel bir oksijen atomu eşdeğerini temsil eder. Bu denkleştirilmiş yükseltgenme denkleminde, soruda olduğu gibi, azot içeren indirgenme ürünleri belirtilmemiştir.
Buna karşılık gelen ikincil alkol B, dolayısıyla siklohekzanoldür. Hidroksil grubunu taşıyan karbon, başka iki karbon atomuna bağlıdır; bu da onu ikincil bir alkol yapar. Bu grubun yükseltgenmesi ketonu verir:
\[ \ce{C6H12O + [O] -> C6H10O + H2O}. \]
Son olarak, bu altı üyeli karbon iskeletini koruyan doymuş hidrokarbon siklohekzan, A'dır. Oksijen, O=O, ile katalitik yükseltgenmesi, aşağıdaki denkleştirilmiş toplam tepkimeler yoluyla siklohekzanol ve siklohekzanon verir:
\[ \ce{2C6H12 + O2 ->[catalyst] 2C6H12O}, \]
\[ \ce{C6H12 + O2 ->[catalyst] C6H10O + H2O}. \]
Dolayısıyla beş yapının tümü, yükseltgenme dizisiyle, C'den E'ye geçerken bir metilen grubunun eksilmesiyle ve sentetik life ilişkin ipucuyla uyumludur.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1975 · Problema teórico 7
Productos de oxidación de un hidrocarburo saturado
Un determinado hidrocarburo saturado A se transforma mediante una oxidación catalítica en parte en un alcohol secundario B y en parte en una cetona C. La cetona, al oxidarse con ácido nítrico en presencia de un catalizador, da un compuesto D de fórmula \(\ce{C6H10O4}\). Al calentar el compuesto D en presencia de anhídrido acético, se forma una cetona E, cuya formación va acompañada del desprendimiento de \(\ce{CO2}\) y \(\ce{H2O}\). Los compuestos E y C tienen estructuras similares, pero el compuesto E contiene un grupo metileno menos que la cetona C. El compuesto D es una de las materias primas utilizadas en la producción de una importante fibra sintética de policondensación.
Problema:
7.1 Escriba las fórmulas estructurales de los compuestos A, B, C, D y E.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 7.1: Los compuestos son:
| Compuesto | Nombre | Descripción estructural | SMILES |
|---|---|---|---|
| A | Ciclohexano | Anillo de seis miembros formado por grupos metileno | C1CCCCC1 |
| B | Ciclohexanol | Anillo de seis átomos de carbono con un grupo \(\ce{CH(OH)}\) y cinco grupos metileno | OC1CCCCC1 |
| C | Ciclohexanona | Anillo de seis miembros que contiene un carbono carbonílico y cinco grupos metileno | O=C1CCCCC1 |
| D | Ácido adípico (ácido hexanodioico) | \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\) | O=C(O)CCCCC(=O)O |
| E | Ciclopentanona | Anillo de cinco miembros que contiene un carbono carbonílico y cuatro grupos metileno | O=C1CCCC1 |
Solución
7.1
La pista sobre la producción de fibras identifica D como ácido adípico, un monómero utilizado para fabricar nailon-6,6. Su estructura, \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\), corresponde exactamente a la fórmula molecular requerida, \(\ce{C6H10O4}\). Sus dos grados de insaturación,
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(6)+2-10}{2}=2, \]
se deben a los dos grupos carbonilo de los grupos carboxilo.
Al calentarse en presencia de anhídrido acético, CC(=O)OC(C)=O, el ácido adípico experimenta una descarboxilación cetónica intramolecular. Los cuatro carbonos de los grupos metileno y un carbono carboxílico forman un anillo cetónico de cinco miembros; el carbono carboxílico restante se pierde como dióxido de carbono, O=C=O. La reacción neta ajustada también produce agua, O:
\[ \ce{HOOC(CH2)4COOH ->[acetic\ anhydride][\Delta] C5H8O + CO2 + H2O}. \]
Por tanto, E es la ciclopentanona.
Dado que C tiene una estructura similar, pero contiene un grupo metileno adicional, C debe ser la ciclohexanona. Su anillo de seis miembros contiene cinco grupos metileno y un carbono carbonílico, mientras que la ciclopentanona contiene cuatro grupos metileno y un carbono carbonílico.
La oxidación de la ciclohexanona con ácido nítrico, O=[N+]([O-])O, rompe un enlace carbono–carbono adyacente al grupo carbonilo y abre el anillo para dar ácido adípico:
\[ \ce{C6H10O + 3[O] ->[HNO3,\ catalyst] HOOC(CH2)4COOH}. \]
Aquí, \(\ce{[O]}\) representa un equivalente formal de átomo de oxígeno aportado por el oxidante. Esta ecuación de oxidación ajustada deja sin especificar los productos de reducción que contienen nitrógeno, como en el enunciado del problema.
El alcohol secundario correspondiente B es, por tanto, el ciclohexanol. El carbono que porta su grupo hidroxilo está unido a otros dos átomos de carbono, lo que lo convierte en un alcohol secundario. La oxidación de este grupo da la cetona:
\[ \ce{C6H12O + [O] -> C6H10O + H2O}. \]
Finalmente, el hidrocarburo saturado que conserva este esqueleto carbonado de seis miembros es el ciclohexano, A. Su oxidación catalítica con oxígeno, O=O, da ciclohexanol y ciclohexanona mediante las siguientes reacciones globales ajustadas:
\[ \ce{2C6H12 + O2 ->[catalyst] 2C6H12O}, \]
\[ \ce{C6H12 + O2 ->[catalyst] C6H10O + H2O}. \]
Por tanto, las cinco estructuras satisfacen la secuencia de oxidación, la pérdida de un grupo metileno entre C y E, y la pista sobre la fibra sintética.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1975 · 理论题 7
饱和烃的氧化产物
某饱和烃 A 经催化氧化,一部分转化为仲醇 B,另一部分转化为酮 C。该酮在催化剂存在下用硝酸氧化,生成分子式为 \(\ce{C6H10O4}\) 的化合物 D。化合物 D 在乙酸酐存在下加热,生成酮 E,同时放出 \(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{H2O}\)。化合物 E 和 C 的结构相似,但化合物 E 比酮 C 少一个亚甲基。化合物 D 是生产一种重要的缩聚型合成纤维的原料之一。
问题:
7.1 写出化合物 A、B、C、D 和 E 的结构式。
题目译自官方英文原文。
答案
- 7.1: 各化合物如下:
| 化合物 | 名称 | 结构描述 | SMILES |
|---|---|---|---|
| A | 环己烷 | 由亚甲基组成的六元环 | C1CCCCC1 |
| B | 环己醇 | 含有一个 \(\ce{CH(OH)}\) 基团和五个亚甲基的六元碳环 | OC1CCCCC1 |
| C | 环己酮 | 含有一个羰基碳原子和五个亚甲基的六元环 | O=C1CCCCC1 |
| D | 己二酸(己烷二酸) | \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\) | O=C(O)CCCCC(=O)O |
| E | 环戊酮 | 含有一个羰基碳原子和四个亚甲基的五元环 | O=C1CCCC1 |
解答
7.1
根据用于生产纤维这一线索,可以确定 D 为己二酸,它是制造尼龙-6,6 所用的单体。其结构为 \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\),分子式恰好为题目要求的 \(\ce{C6H10O4}\)。其不饱和度为 2,
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(6)+2-10}{2}=2, \]
这两个不饱和度均来自两个羧基中的羰基。
在乙酸酐 CC(=O)OC(C)=O 存在下加热时,己二酸发生分子内脱羧成酮反应。四个亚甲基碳原子和一个羧基碳原子形成五元环酮;剩余的一个羧基碳原子以二氧化碳 O=C=O 的形式逸出。配平后的净反应还生成水 O:
\[ \ce{HOOC(CH2)4COOH ->[acetic\ anhydride][\Delta] C5H8O + CO2 + H2O}. \]
因此,E 是环戊酮。
由于 C 的结构与之相似,但多一个亚甲基,因此 C 必定是环己酮。它的六元环含有五个亚甲基和一个羰基碳原子,而环戊酮含有四个亚甲基和一个羰基碳原子。
用硝酸 O=[N+]([O-])O 氧化环己酮时,与羰基相邻的一根碳—碳键断裂,环随之打开,生成己二酸:
\[ \ce{C6H10O + 3[O] ->[HNO3,\ catalyst] HOOC(CH2)4COOH}. \]
这里的 \(\ce{[O]}\) 表示由氧化剂提供的形式上的一个氧原子当量。与题目中的表述一致,这个配平后的氧化反应方程式未明确列出含氮还原产物。
因此,对应的仲醇 B 是环己醇。与羟基相连的碳原子还与另外两个碳原子相连,因此它是仲醇。该基团经氧化生成酮:
\[ \ce{C6H12O + [O] -> C6H10O + H2O}. \]
最后,保留这一六元碳骨架的饱和烃是环己烷 A。它用氧气 O=O 进行催化氧化,通过以下配平后的总反应生成环己醇和环己酮:
\[ \ce{2C6H12 + O2 ->[catalyst] 2C6H12O}, \]
\[ \ce{C6H12 + O2 ->[catalyst] C6H10O + H2O}. \]
因此,这五种结构均符合上述氧化反应顺序、E 比 C 少一个亚甲基这一条件,以及有关合成纤维的线索。
解答已与官方解答核对。
IChO 1975 · Теоретическая задача 7
Продукты окисления насыщенного углеводорода
Некоторый насыщенный углеводород A при каталитическом окислении частично превращается во вторичный спирт B, а частично — в кетон C. При окислении кетона азотной кислотой в присутствии катализатора образуется соединение D с формулой \(\ce{C6H10O4}\). Из соединения D при нагревании в присутствии уксусного ангидрида образуется кетон E, причём его образование сопровождается выделением \(\ce{CO2}\) и \(\ce{H2O}\). Соединения E и C имеют сходное строение, но соединение E содержит на одну метиленовую группу меньше, чем кетон C. Соединение D является одним из исходных веществ для производства важного синтетического волокна, получаемого поликонденсацией.
Задание:
7.1 Напишите структурные формулы соединений A, B, C, D и E.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 7.1: Искомые соединения:
| Соединение | Название | Описание строения | SMILES |
|---|---|---|---|
| A | Циклогексан | Шестичленный цикл из метиленовых групп | C1CCCCC1 |
| B | Циклогексанол | Шестичленный углеродный цикл с одной группой \(\ce{CH(OH)}\) и пятью метиленовыми группами | OC1CCCCC1 |
| C | Циклогексанон | Шестичленный цикл, содержащий один карбонильный атом углерода и пять метиленовых групп | O=C1CCCCC1 |
| D | Адипиновая кислота (гександиовая кислота) | \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\) | O=C(O)CCCCC(=O)O |
| E | Циклопентанон | Пятичленный цикл, содержащий один карбонильный атом углерода и четыре метиленовые группы | O=C1CCCC1 |
Решение
7.1
Указание на производство волокна позволяет установить, что D — это адипиновая кислота, мономер, используемый для получения нейлона-6,6. Её структура, \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\), в точности соответствует требуемой молекулярной формуле \(\ce{C6H10O4}\). Её две степени ненасыщенности,
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(6)+2-10}{2}=2, \]
обусловлены двумя карбонильными группами в составе карбоксильных групп.
При нагревании в присутствии уксусного ангидрида, CC(=O)OC(C)=O, адипиновая кислота подвергается внутримолекулярному кетонному декарбоксилированию. Четыре атома углерода метиленовых групп и один атом углерода карбоксильной группы образуют пятичленный цикл кетона; оставшийся атом углерода карбоксильной группы отщепляется в виде диоксида углерода, O=C=O. Согласно суммарному уравнению реакции с расставленными коэффициентами, также образуется вода, O:
\[ \ce{HOOC(CH2)4COOH ->[acetic\ anhydride][\Delta] C5H8O + CO2 + H2O}. \]
Таким образом, E — циклопентанон.
Поскольку C имеет сходное строение, но содержит на одну метиленовую группу больше, C должен быть циклогексаноном. Его шестичленный цикл содержит пять метиленовых групп и один карбонильный атом углерода, тогда как циклопентанон содержит четыре метиленовые группы и один карбонильный атом углерода.
При окислении циклогексанона азотной кислотой, O=[N+]([O-])O, разрывается связь углерод–углерод, соседняя с карбонильной группой, и цикл раскрывается с образованием адипиновой кислоты:
\[ \ce{C6H10O + 3[O] ->[HNO3,\ catalyst] HOOC(CH2)4COOH}. \]
Здесь \(\ce{[O]}\) обозначает формальный эквивалент атома кислорода, предоставляемый окислителем. В этом уравнении окисления с расставленными коэффициентами азотсодержащие продукты восстановления не указаны, как и в условии задачи.
Следовательно, соответствующий вторичный спирт B — циклогексанол. Атом углерода, несущий гидроксильную группу, связан с двумя другими атомами углерода, поэтому спирт является вторичным. Окисление этой группы приводит к образованию кетона:
\[ \ce{C6H12O + [O] -> C6H10O + H2O}. \]
Наконец, насыщенный углеводород, сохраняющий этот шестичленный углеродный скелет, — циклогексан, A. При его каталитическом окислении кислородом, O=O, образуются циклогексанол и циклогексанон в соответствии со следующими суммарными уравнениями реакций с расставленными коэффициентами:
\[ \ce{2C6H12 + O2 ->[catalyst] 2C6H12O}, \]
\[ \ce{C6H12 + O2 ->[catalyst] C6H10O + H2O}. \]
Таким образом, все пять структур согласуются с последовательностью окисления, уменьшением числа метиленовых групп на одну при переходе от C к E и указанием на получение синтетического волокна.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1975 · مسألة نظرية 7
نواتج أكسدة هيدروكربون مشبع
يتحول هيدروكربون مشبع معين A بالأكسدة الحفزية جزئيًا إلى كحول ثانوي B، وجزئيًا إلى كيتون C. ويعطي الكيتون، عند أكسدته بحمض النتريك في وجود حفاز، مركبًا D صيغته \(\ce{C6H10O4}\). وعند تسخين المركب D في وجود أنهيدريد الأسيتيك، يتكون كيتون E، ويصاحب تكوّنه انطلاق \(\ce{CO2}\) و\(\ce{H2O}\). وللمركبين E وC بنيتان متشابهتان، لكن المركب E يحتوي على مجموعة ميثيلين واحدة أقل من الكيتون C. ويُعد المركب D إحدى المواد الأولية المستخدمة في إنتاج أحد الألياف الاصطناعية المهمة بالتكاثف المتعدد.
المطلوب:
7.1 اكتب الصيغ البنائية للمركبات A وB وC وD وE.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 7.1: المركبات هي:
| المركب | الاسم | الوصف البنائي | SMILES |
|---|---|---|---|
| A | هكسان حلقي | حلقة سداسية الأعضاء من مجموعات الميثيلين | C1CCCCC1 |
| B | هكسانول حلقي | حلقة كربونية سداسية الأعضاء تحتوي على مجموعة \(\ce{CH(OH)}\) واحدة وخمس مجموعات ميثيلين | OC1CCCCC1 |
| C | هكسانون حلقي | حلقة سداسية الأعضاء تحتوي على ذرة كربون كربونيلية واحدة وخمس مجموعات ميثيلين | O=C1CCCCC1 |
| D | حمض الأديبيك (حمض الهكسانديويك) | \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\) | O=C(O)CCCCC(=O)O |
| E | بنتانون حلقي | حلقة خماسية الأعضاء تحتوي على ذرة كربون كربونيلية واحدة وأربع مجموعات ميثيلين | O=C1CCCC1 |
الحل
7.1
تُحدِّد القرينة المتعلقة بإنتاج الألياف هوية D بأنه حمض الأديبيك، وهو مونومر يُستخدم في تصنيع النايلون-6,6. ولبنيته، \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\)، الصيغة الجزيئية المطلوبة تمامًا، وهي \(\ce{C6H10O4}\). ودرجتا عدم الإشباع فيه،
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(6)+2-10}{2}=2, \]
تعودان إلى مجموعتي الكربونيل في مجموعتي الكربوكسيل.
عند التسخين في وجود أنهيدريد الأسيتيك، CC(=O)OC(C)=O، يخضع حمض الأديبيك لنزع كربوكسيل كيتوني داخل الجزيء. وتُشكِّل ذرات الكربون الأربع في مجموعات الميثيلين وذرة كربون إحدى مجموعتي الكربوكسيل حلقة كيتونية خماسية الأعضاء؛ أما ذرة كربون مجموعة الكربوكسيل المتبقية فتُفقَد على هيئة ثاني أكسيد الكربون، O=C=O. وينتج التفاعل الصافي الموزون أيضًا الماء، O:
\[ \ce{HOOC(CH2)4COOH ->[acetic\ anhydride][\Delta] C5H8O + CO2 + H2O}. \]
إذن E هو البنتانون الحلقي.
بما أن C له بنية مشابهة ولكنه يحتوي على مجموعة ميثيلين إضافية واحدة، فلا بد أن يكون C هو الهكسانون الحلقي. وتحتوي حلقته السداسية الأعضاء على خمس مجموعات ميثيلين وذرة كربون كربونيلية واحدة، في حين يحتوي البنتانون الحلقي على أربع مجموعات ميثيلين وذرة كربون كربونيلية واحدة.
تؤدي أكسدة الهكسانون الحلقي باستخدام حمض النتريك، O=[N+]([O-])O، إلى شطر رابطة كربون–كربون مجاورة لمجموعة الكربونيل وفتح الحلقة لإعطاء حمض الأديبيك:
\[ \ce{C6H10O + 3[O] ->[HNO3,\ catalyst] HOOC(CH2)4COOH}. \]
يمثل \(\ce{[O]}\) هنا مكافئًا صوريًا لذرة أكسجين يوفره العامل المؤكسد. وتترك معادلة الأكسدة الموزونة هذه نواتج الاختزال المحتوية على النيتروجين دون تحديد، كما في المسألة.
وعليه فإن الكحول الثانوي الموافق B هو الهكسانول الحلقي. وترتبط ذرة الكربون الحاملة لمجموعة الهيدروكسيل فيه بذرتي كربون أخريين، مما يجعله كحولًا ثانويًا. وتعطي أكسدة هذه المجموعة الكيتون:
\[ \ce{C6H12O + [O] -> C6H10O + H2O}. \]
وأخيرًا، فإن الهيدروكربون المشبع الذي يحتفظ بهذا الهيكل الكربوني السداسي الأعضاء هو الهكسان الحلقي، A. وتعطي أكسدته الحفزية باستخدام الأكسجين، O=O، الهكسانول الحلقي والهكسانون الحلقي وفق التفاعلين الإجماليين الموزونين الآتيين:
\[ \ce{2C6H12 + O2 ->[catalyst] 2C6H12O}, \]
\[ \ce{C6H12 + O2 ->[catalyst] C6H10O + H2O}. \]
وبذلك تتوافق البنى الخمس جميعها مع تسلسل الأكسدة، ونقص مجموعة ميثيلين واحدة بين C وE، والقرينة المتعلقة بالألياف الاصطناعية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.