IChO 1977 · Theory problem 4
Hydrolysis of an optically active ester C6H12O2
An optically active ester (11.6 g) having the summary formula \(\ce{C6H12O2}\), was hydrolysed by heating with an excess of aqueous sodium hydroxide solution. After terminating the hydrolysis the alkaline reaction mixture was several times extracted with ether. The aqueous solution was not optically active. The united ether extracts were dried with anhydrous magnesium sulphate. The ether solution was filtrated, ether was distilled off from it and the residue was redistilled. 7.4 g (100 %) of a liquid boiling at 100 °C was obtained.
Problems:
- Write the structural formula of the ester.
- What would be the structure of an ester with identical summary formula, i. e. \(\ce{C6H12O2}\), if the aqueous solution after the alkaline hydrolysis obtained in the above mentioned way, were optically active?
- Write down equations for the alkaline hydrolysis of both esters with sodium hydroxide solution.
Official English text of the problem.
Answers
The stereochemical SMILES below depict representative enantiomers. Replacing @ by @@ gives the corresponding opposite enantiomers, which are equally consistent with the information supplied.
-
Butan-2-yl ethanoate (sec-butyl acetate),
CC(=O)O[C@H](C)CC: \[ \ce{CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3}. \] -
Methyl 2-methylbutanoate,
COC(=O)[C@H](C)CC: \[ \ce{CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3}. \] -
The balanced hydrolysis equations are: \[ \ce{CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3 + NaOH -> CH3COONa + CH3CH(OH)CH2CH3} \] \[ \ce{CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3 + NaOH -> CH3CH2CH(CH3)COONa + CH3OH}. \]
The first reaction produces sodium ethanoate, [Na+].CC(=O)[O-], and butan-2-ol, O[C@H](C)CC. The second produces sodium 2-methylbutanoate, [Na+].[O-]C(=O)[C@H](C)CC, and methanol, CO. The reagent is sodium hydroxide, [Na+].[OH-].
Solution
1. Identification of the original ester
Alkaline hydrolysis of an ester produces one mole of alcohol and one mole of sodium carboxylate per mole of ester. The neutral alcohol is recovered from the organic extracts, while the sodium carboxylate remains in the aqueous solution.
Using the usual integer atomic masses, the ester’s molar mass is \[ M_{\text{ester}} =\bigl[6(12)+12(1)+2(16)\bigr]\ \mathrm{g\,mol^{-1}} =116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Thus, \[ n_{\text{ester}} =\frac{11.6\ \mathrm{g}}{116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.100\ \mathrm{mol}. \]
Hydrolysis and alcohol recovery are quantitative, so \[ n_{\text{alcohol}}=0.100\ \mathrm{mol}, \qquad M_{\text{alcohol}} =\frac{7.4\ \mathrm{g}}{0.100\ \mathrm{mol}} =74\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
The ester has one degree of unsaturation: \[ \mathrm{DBE}=\frac{2(6)+2-12}{2}=1. \] Its carbonyl group accounts for this completely; consequently, the alcohol fragment is saturated and acyclic. A saturated monohydric alcohol has formula \(\ce{C_{k}H_{2k+2}O}\), giving \[ M_{\text{alcohol}}=(14k+18)\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Therefore, \[ k=\frac{74-18}{14}=4, \] so the alcohol has molecular formula \(\ce{C4H10O}\).
Four of the ester’s six carbon atoms belong to the alcohol fragment, leaving two in the acid fragment. The latter must therefore be the ethanoate group, which is achiral. The ester’s optical activity must arise from the four-carbon alcohol fragment.
Among the saturated four-carbon alcohols, only butan-2-ol, O[C@H](C)CC, is chiral. Its hydroxyl-bearing carbon has four different substituents: hydroxyl, hydrogen, methyl and ethyl. Its boiling point is consistent with the stated \(100\,^\circ\mathrm{C}\).
The ester is therefore butan-2-yl ethanoate, CC(=O)O[C@H](C)CC. Hydrolysis leaves achiral sodium ethanoate in the aqueous phase, explaining its optical inactivity.
2. Identification when the aqueous solution is optically active
After extraction of the alcohol, optical activity in the aqueous solution requires a chiral, nonracemic carboxylate.
The smallest saturated, acyclic monocarboxylic acid capable of having a stereogenic carbon is 2-methylbutanoic acid, O=C(O)[C@H](C)CC:
\[
\ce{CH3CH2CH(CH3)COOH}.
\]
Its stereogenic carbon bears hydrogen, methyl, ethyl and carboxyl groups, all different. This acid fragment contains five carbon atoms.
Since the ester contains six carbon atoms altogether, only one remains for the alcohol-derived group. That group must be methyl. The required ester is consequently methyl 2-methylbutanoate, COC(=O)[C@H](C)CC.
Its hydrolysis produces optically active sodium 2-methylbutanoate in the aqueous phase and achiral methanol as the alcohol.
3. Hydrolysis equations and stereochemical outcome
On heating with aqueous sodium hydroxide, the first ester undergoes: \[ \boxed{\ce{ CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3 + NaOH -> CH3COONa + CH3CH(OH)CH2CH3 }} \]
The ester’s acyl–oxygen bond is cleaved; the bond between oxygen and the stereogenic carbon remains intact. Thus, the stereogenic centre is retained in butan-2-ol.
For the second ester: \[ \boxed{\ce{ CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3 + NaOH -> CH3CH2CH(CH3)COONa + CH3OH }} \]
Here the stereogenic centre remains in the acid-derived product, sodium 2-methylbutanoate. Both equations consume one mole of sodium hydroxide per mole of ester and are balanced in atoms and charge.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1977 · Theorieaufgabe 4
Hydrolyse eines optisch aktiven Esters C6H12O2
Ein optisch aktiver Ester (11.6 g) mit der Summenformel \(\ce{C6H12O2}\) wurde durch Erhitzen mit einem Überschuss an wässriger Natriumhydroxidlösung hydrolysiert. Nach Beendigung der Hydrolyse wurde das alkalische Reaktionsgemisch mehrmals mit Ether extrahiert. Die wässrige Lösung war nicht optisch aktiv. Die vereinigten Etherextrakte wurden mit wasserfreiem Magnesiumsulfat getrocknet. Die Etherlösung wurde filtriert, der Ether daraus abdestilliert und der Rückstand erneut destilliert. Es wurden 7.4 g (100 %) einer bei 100 °C siedenden Flüssigkeit erhalten.
Aufgaben:
- Geben Sie die Strukturformel des Esters an.
- Welche Struktur hätte ein Ester mit derselben Summenformel, d. h. \(\ce{C6H12O2}\), wenn die nach der alkalischen Hydrolyse auf die oben beschriebene Weise erhaltene wässrige Lösung optisch aktiv wäre?
- Geben Sie die Gleichungen für die alkalische Hydrolyse beider Ester mit Natriumhydroxidlösung an.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
Die nachstehenden stereochemischen SMILES stellen jeweils eines der Enantiomere dar. Durch Ersetzen von @ durch @@ erhält man die entsprechenden entgegengesetzten Enantiomere, die ebenso mit den vorliegenden Angaben vereinbar sind.
-
Butan-2-ylethanoat (sec-Butylacetat),
CC(=O)O[C@H](C)CC: \[ \ce{CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3}. \] -
Methyl-2-methylbutanoat,
COC(=O)[C@H](C)CC: \[ \ce{CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3}. \] -
Die ausgeglichenen Hydrolysegleichungen lauten: \[ \ce{CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3 + NaOH -> CH3COONa + CH3CH(OH)CH2CH3} \] \[ \ce{CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3 + NaOH -> CH3CH2CH(CH3)COONa + CH3OH}. \]
Bei der ersten Reaktion entstehen Natriumethanoat, [Na+].CC(=O)[O-], und Butan-2-ol, O[C@H](C)CC. Bei der zweiten entstehen Natrium-2-methylbutanoat, [Na+].[O-]C(=O)[C@H](C)CC, und Methanol, CO. Das Reagenz ist Natriumhydroxid, [Na+].[OH-].
Lösung
1. Identifizierung des ursprünglichen Esters
Bei der alkalischen Hydrolyse eines Esters entstehen pro Mol Ester ein Mol Alkohol und ein Mol Natriumcarboxylat. Der neutrale Alkohol wird aus den organischen Extrakten gewonnen, während das Natriumcarboxylat in der wässrigen Lösung verbleibt.
Unter Verwendung der üblichen ganzzahligen Atommassen ergibt sich für die molare Masse des Esters \[ M_{\text{Ester}} =\bigl[6(12)+12(1)+2(16)\bigr]\ \mathrm{g\,mol^{-1}} =116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Somit gilt \[ n_{\text{Ester}} =\frac{11.6\ \mathrm{g}}{116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.100\ \mathrm{mol}. \]
Die Hydrolyse und die Gewinnung des Alkohols erfolgen quantitativ, daher gilt \[ n_{\text{Alkohol}}=0.100\ \mathrm{mol}, \qquad M_{\text{Alkohol}} =\frac{7.4\ \mathrm{g}}{0.100\ \mathrm{mol}} =74\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Der Ester weist einen Ungesättigtheitsgrad von eins auf: \[ \mathrm{DBE}=\frac{2(6)+2-12}{2}=1. \] Dieser wird vollständig durch seine Carbonylgruppe erklärt; folglich ist der Alkoholrest gesättigt und acyclisch. Ein gesättigter einwertiger Alkohol hat die Formel \(\ce{C_{k}H_{2k+2}O}\), woraus sich ergibt: \[ M_{\text{Alkohol}}=(14k+18)\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Daher gilt \[ k=\frac{74-18}{14}=4, \] also hat der Alkohol die Summenformel \(\ce{C4H10O}\).
Vier der sechs Kohlenstoffatome des Esters gehören zum Alkoholrest, sodass zwei im Säurerest verbleiben. Letzterer muss daher die achirale Ethanoatgruppe sein. Die optische Aktivität des Esters muss auf den Alkoholrest mit vier Kohlenstoffatomen zurückzuführen sein.
Unter den gesättigten Alkoholen mit vier Kohlenstoffatomen ist nur Butan-2-ol, O[C@H](C)CC, chiral. Sein hydroxylgruppentragendes Kohlenstoffatom besitzt vier verschiedene Substituenten: Hydroxyl, Wasserstoff, Methyl und Ethyl. Sein Siedepunkt stimmt mit den angegebenen \(100\,^\circ\mathrm{C}\) überein.
Der Ester ist daher Butan-2-ylethanoat, CC(=O)O[C@H](C)CC. Nach der Hydrolyse verbleibt achirales Natriumethanoat in der wässrigen Phase, was deren optische Inaktivität erklärt.
2. Identifizierung bei optisch aktiver wässriger Lösung
Nach der Extraktion des Alkohols setzt optische Aktivität in der wässrigen Lösung ein chirales, nicht racemisch vorliegendes Carboxylat voraus.
Die kleinste gesättigte, acyclische Monocarbonsäure, die ein stereogenes Kohlenstoffatom besitzen kann, ist 2-Methylbutansäure, O=C(O)[C@H](C)CC:
\[
\ce{CH3CH2CH(CH3)COOH}.
\]
Ihr stereogenes Kohlenstoffatom trägt Wasserstoff sowie eine Methyl-, eine Ethyl- und eine Carboxylgruppe, die alle verschieden sind. Dieser Säurerest enthält fünf Kohlenstoffatome.
Da der Ester insgesamt sechs Kohlenstoffatome enthält, verbleibt nur eines für die vom Alkohol stammende Gruppe. Diese Gruppe muss eine Methylgruppe sein. Der gesuchte Ester ist folglich Methyl-2-methylbutanoat, COC(=O)[C@H](C)CC.
Bei seiner Hydrolyse entstehen optisch aktives Natrium-2-methylbutanoat in der wässrigen Phase und achirales Methanol als Alkohol.
3. Hydrolysegleichungen und stereochemisches Ergebnis
Beim Erhitzen mit wässriger Natriumhydroxidlösung reagiert der erste Ester wie folgt: \[ \boxed{\ce{ CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3 + NaOH -> CH3COONa + CH3CH(OH)CH2CH3 }} \]
Die Acyl–Sauerstoff-Bindung des Esters wird gespalten; die Bindung zwischen Sauerstoff und dem stereogenen Kohlenstoffatom bleibt intakt. Somit bleibt das stereogene Zentrum im Butan-2-ol erhalten.
Für den zweiten Ester gilt: \[ \boxed{\ce{ CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3 + NaOH -> CH3CH2CH(CH3)COONa + CH3OH }} \]
Hier bleibt das stereogene Zentrum im von der Säure stammenden Produkt, Natrium-2-methylbutanoat, erhalten. In beiden Gleichungen wird pro Mol Ester ein Mol Natriumhydroxid verbraucht; beide sind hinsichtlich der Atome und der Ladung ausgeglichen.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1977 · Teori sorusu 4
Optikçe aktif bir C6H12O2 esterinin hidrolizi
Molekül formülü \(\ce{C6H12O2}\) olan optikçe aktif bir ester (11.6 g), aşırı miktarda sulu sodyum hidroksit çözeltisiyle ısıtılarak hidroliz edildi. Hidroliz tamamlandıktan sonra bazik tepkime karışımı eterle birkaç kez ekstrakte edildi. Sulu çözelti optikçe aktif değildi. Birleştirilen eter ekstraktları susuz magnezyum sülfatla kurutuldu. Eter çözeltisi süzüldü, eter damıtılarak uzaklaştırıldı ve kalan madde yeniden damıtıldı. 100 °C'de kaynayan bir sıvıdan 7.4 g (%100) elde edildi.
Sorular:
- Esterin yapı formülünü yazınız.
- Yukarıda belirtilen şekilde gerçekleştirilen bazik hidrolizden sonra elde edilen sulu çözelti optikçe aktif olsaydı, aynı molekül formülüne, yani \(\ce{C6H12O2}\) formülüne sahip bir esterin yapısı nasıl olurdu?
- Her iki esterin sodyum hidroksit çözeltisiyle bazik hidroliz denklemlerini yazınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
Aşağıdaki stereokimyasal SMILES gösterimleri, enantiyomerlerden birer temsilciyi göstermektedir. @ yerine @@ yazılmasıyla bunların karşıt enantiyomerleri elde edilir; bunlar da verilen bilgilerle aynı ölçüde uyumludur.
-
Bütan-2-il etanoat (sek-bütil asetat),
CC(=O)O[C@H](C)CC: \[ \ce{CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3}. \] -
Metil 2-metilbütanoat,
COC(=O)[C@H](C)CC: \[ \ce{CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3}. \] -
Denkleştirilmiş hidroliz denklemleri şöyledir: \[ \ce{CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3 + NaOH -> CH3COONa + CH3CH(OH)CH2CH3} \] \[ \ce{CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3 + NaOH -> CH3CH2CH(CH3)COONa + CH3OH}. \]
İlk tepkimede sodyum etanoat, [Na+].CC(=O)[O-], ve bütan-2-ol, O[C@H](C)CC, oluşur. İkinci tepkimede sodyum 2-metilbütanoat, [Na+].[O-]C(=O)[C@H](C)CC, ve metanol, CO, oluşur. Kullanılan reaktif sodyum hidroksit, [Na+].[OH-], bileşiğidir.
Çözüm
1. Başlangıçtaki esterin belirlenmesi
Bir esterin bazik hidrolizinde, esterin her molü başına bir mol alkol ve bir mol sodyum karboksilat oluşur. Nötr alkol organik ekstraktlardan geri kazanılırken sodyum karboksilat sulu çözeltide kalır.
Alışılmış tam sayı atom kütleleri kullanıldığında esterin molar kütlesi \[ M_{\text{ester}} =\bigl[6(12)+12(1)+2(16)\bigr]\ \mathrm{g\,mol^{-1}} =116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] olur. Dolayısıyla, \[ n_{\text{ester}} =\frac{11.6\ \mathrm{g}}{116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.100\ \mathrm{mol}. \]
Hidroliz ve alkolün geri kazanılması nicel olarak gerçekleştiğinden \[ n_{\text{alkol}}=0.100\ \mathrm{mol}, \qquad M_{\text{alkol}} =\frac{7.4\ \mathrm{g}}{0.100\ \mathrm{mol}} =74\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Esterin doymamışlık derecesi birdir: \[ \mathrm{DBE}=\frac{2(6)+2-12}{2}=1. \] Karbonil grubu bu doymamışlığı bütünüyle karşılar; dolayısıyla alkol kısmı doymuş ve açık zincirlidir. Doymuş bir monohidrik alkolün formülü \(\ce{C_{k}H_{2k+2}O}\) olduğundan \[ M_{\text{alkol}}=(14k+18)\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Buna göre, \[ k=\frac{74-18}{14}=4, \] dolayısıyla alkolün molekül formülü \(\ce{C4H10O}\) olur.
Esterin altı karbon atomundan dördü alkol kısmına aittir; geriye asit kısmında iki karbon atomu kalır. Bu nedenle asit kısmı, akiral olan etanoat grubu olmalıdır. Esterin optik aktifliği dört karbonlu alkol kısmından kaynaklanmalıdır.
Doymuş dört karbonlu alkoller arasında yalnızca bütan-2-ol, O[C@H](C)CC, kiraldir. Hidroksil grubunu taşıyan karbonuna dört farklı sübstitüent bağlıdır: hidroksil, hidrojen, metil ve etil. Kaynama noktası, belirtilen \(100\,^\circ\mathrm{C}\) değeriyle uyumludur.
Dolayısıyla ester bütan-2-il etanoat, CC(=O)O[C@H](C)CC, bileşiğidir. Hidroliz sonucunda sulu fazda akiral sodyum etanoat kalır; bu da sulu fazın optikçe aktif olmamasını açıklar.
2. Sulu çözeltinin optikçe aktif olduğu durumda esterin belirlenmesi
Alkolün ekstraksiyonundan sonra sulu çözeltinin optikçe aktif olması, kiral ve rasemik olmayan bir karboksilatın bulunmasını gerektirir.
Stereojenik bir karbona sahip olabilen en küçük doymuş, açık zincirli monokarboksilik asit 2-metilbütanoik asit, O=C(O)[C@H](C)CC, bileşiğidir:
\[
\ce{CH3CH2CH(CH3)COOH}.
\]
Stereojenik karbonuna, hepsi birbirinden farklı olan hidrojen, metil, etil ve karboksil grupları bağlıdır. Bu asit kısmı beş karbon atomu içerir.
Ester toplam altı karbon atomu içerdiğinden, alkolden türeyen grup için yalnızca bir karbon atomu kalır. Bu grup metil olmalıdır. Dolayısıyla aranan ester metil 2-metilbütanoat, COC(=O)[C@H](C)CC, bileşiğidir.
Bu esterin hidrolizi sonucunda sulu fazda optikçe aktif sodyum 2-metilbütanoat, alkol olarak ise akiral metanol oluşur.
3. Hidroliz denklemleri ve stereokimyasal sonuç
Sulu sodyum hidroksitle ısıtıldığında ilk ester şu tepkimeyi verir: \[ \boxed{\ce{ CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3 + NaOH -> CH3COONa + CH3CH(OH)CH2CH3 }} \]
Esterin açil–oksijen bağı kırılır; oksijen ile stereojenik karbon arasındaki bağ bozulmadan kalır. Böylece stereojenik merkez bütan-2-olde korunur.
İkinci ester için: \[ \boxed{\ce{ CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3 + NaOH -> CH3CH2CH(CH3)COONa + CH3OH }} \]
Burada stereojenik merkez, asitten türeyen ürün olan sodyum 2-metilbütanoatta kalır. Her iki denklemde de bir mol ester başına bir mol sodyum hidroksit tüketilir ve denklemler atom sayısı ile yük bakımından denktir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1977 · Problema teórico 4
Hidrólisis de un éster ópticamente activo C6H12O2
Un éster ópticamente activo (11.6 g) de fórmula molecular \(\ce{C6H12O2}\) se hidrolizó por calentamiento con un exceso de disolución acuosa de hidróxido de sodio. Una vez terminada la hidrólisis, la mezcla de reacción alcalina se extrajo varias veces con éter. La disolución acuosa no presentaba actividad óptica. Los extractos etéreos reunidos se secaron con sulfato de magnesio anhidro. La disolución etérea se filtró, se eliminó el éter por destilación y el residuo se volvió a destilar. Se obtuvieron 7.4 g (100 %) de un líquido que hervía a 100 °C.
Cuestiones:
- Escriba la fórmula estructural del éster.
- ¿Cuál sería la estructura de un éster con la misma fórmula molecular, es decir, \(\ce{C6H12O2}\), si la disolución acuosa obtenida tras la hidrólisis alcalina realizada de la manera descrita anteriormente fuera ópticamente activa?
- Escriba las ecuaciones de la hidrólisis alcalina de ambos ésteres con disolución de hidróxido de sodio.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
Los SMILES estereoquímicos que se muestran a continuación representan enantiómeros representativos. Al sustituir @ por @@ se obtienen los enantiómeros opuestos correspondientes, que son igualmente compatibles con la información proporcionada.
-
Etanoato de butan-2-ilo (acetato de sec-butilo),
CC(=O)O[C@H](C)CC: \[ \ce{CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3}. \] -
2-Metilbutanoato de metilo,
COC(=O)[C@H](C)CC: \[ \ce{CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3}. \] -
Las ecuaciones ajustadas de hidrólisis son: \[ \ce{CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3 + NaOH -> CH3COONa + CH3CH(OH)CH2CH3} \] \[ \ce{CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3 + NaOH -> CH3CH2CH(CH3)COONa + CH3OH}. \]
La primera reacción produce etanoato de sodio, [Na+].CC(=O)[O-], y butan-2-ol, O[C@H](C)CC. La segunda produce 2-metilbutanoato de sodio, [Na+].[O-]C(=O)[C@H](C)CC, y metanol, CO. El reactivo es hidróxido de sodio, [Na+].[OH-].
Solución
1. Identificación del éster original
La hidrólisis alcalina de un éster produce un mol de alcohol y un mol de carboxilato de sodio por mol de éster. El alcohol neutro se recupera de los extractos orgánicos, mientras que el carboxilato de sodio permanece en la disolución acuosa.
Utilizando las masas atómicas enteras habituales, la masa molar del éster es \[ M_{\text{éster}} =\bigl[6(12)+12(1)+2(16)\bigr]\ \mathrm{g\,mol^{-1}} =116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Por tanto, \[ n_{\text{éster}} =\frac{11.6\ \mathrm{g}}{116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.100\ \mathrm{mol}. \]
La hidrólisis y la recuperación del alcohol son cuantitativas, por lo que \[ n_{\text{alcohol}}=0.100\ \mathrm{mol}, \qquad M_{\text{alcohol}} =\frac{7.4\ \mathrm{g}}{0.100\ \mathrm{mol}} =74\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
El éster tiene un grado de insaturación: \[ \mathrm{DBE}=\frac{2(6)+2-12}{2}=1. \] Su grupo carbonilo explica por completo esta insaturación; en consecuencia, el fragmento alcohólico es saturado y acíclico. Un alcohol monohidroxílico saturado tiene la fórmula \(\ce{C_{k}H_{2k+2}O}\), lo que da \[ M_{\text{alcohol}}=(14k+18)\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Por tanto, \[ k=\frac{74-18}{14}=4, \] de modo que el alcohol tiene la fórmula molecular \(\ce{C4H10O}\).
Cuatro de los seis átomos de carbono del éster pertenecen al fragmento alcohólico, por lo que quedan dos en el fragmento ácido. Este último debe ser, por tanto, el grupo etanoato, que es aquiral. La actividad óptica del éster debe proceder del fragmento alcohólico de cuatro carbonos.
Entre los alcoholes saturados de cuatro carbonos, solo el butan-2-ol, O[C@H](C)CC, es quiral. Su carbono portador del grupo hidroxilo tiene cuatro sustituyentes diferentes: hidroxilo, hidrógeno, metilo y etilo. Su punto de ebullición concuerda con los \(100\,^\circ\mathrm{C}\) indicados.
El éster es, por tanto, etanoato de butan-2-ilo, CC(=O)O[C@H](C)CC. La hidrólisis deja etanoato de sodio aquiral en la fase acuosa, lo que explica su inactividad óptica.
2. Identificación cuando la disolución acuosa es ópticamente activa
Tras la extracción del alcohol, la actividad óptica de la disolución acuosa requiere un carboxilato quiral no racémico.
El ácido monocarboxílico saturado y acíclico más pequeño capaz de tener un carbono estereogénico es el ácido 2-metilbutanoico, O=C(O)[C@H](C)CC:
\[
\ce{CH3CH2CH(CH3)COOH}.
\]
Su carbono estereogénico está unido a hidrógeno y a grupos metilo, etilo y carboxilo, todos diferentes. Este fragmento ácido contiene cinco átomos de carbono.
Como el éster contiene seis átomos de carbono en total, solo queda uno para el grupo derivado del alcohol. Ese grupo debe ser metilo. El éster buscado es, en consecuencia, 2-metilbutanoato de metilo, COC(=O)[C@H](C)CC.
Su hidrólisis produce 2-metilbutanoato de sodio ópticamente activo en la fase acuosa y metanol aquiral como alcohol.
3. Ecuaciones de hidrólisis y resultado estereoquímico
Al calentarlo con hidróxido de sodio acuoso, el primer éster experimenta la siguiente reacción: \[ \boxed{\ce{ CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3 + NaOH -> CH3COONa + CH3CH(OH)CH2CH3 }} \]
Se rompe el enlace acilo–oxígeno del éster; el enlace entre el oxígeno y el carbono estereogénico permanece intacto. Por tanto, el centro estereogénico se conserva en el butan-2-ol.
Para el segundo éster: \[ \boxed{\ce{ CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3 + NaOH -> CH3CH2CH(CH3)COONa + CH3OH }} \]
En este caso, el centro estereogénico permanece en el producto derivado del ácido, el 2-metilbutanoato de sodio. Ambas ecuaciones consumen un mol de hidróxido de sodio por mol de éster y están ajustadas en átomos y carga.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1977 · 理论题 4
具有旋光性的酯 C6H12O2 的水解
将 11.6 g 分子式为 \(\ce{C6H12O2}\) 的具有旋光性的酯与过量氢氧化钠水溶液一起加热,使其水解。水解结束后,用乙醚多次萃取碱性反应混合物。水溶液不具有旋光性。合并乙醚萃取液,用无水硫酸镁干燥。过滤乙醚溶液,蒸去乙醚,再将残留物重新蒸馏,得到 7.4 g(100 %)沸点为 100 °C 的液体。
问题:
- 写出该酯的结构式。
- 如果按上述方法进行碱性水解后得到的水溶液具有旋光性,那么具有相同分子式,即 \(\ce{C6H12O2}\) 的酯应具有怎样的结构?
- 写出这两种酯与氢氧化钠溶液发生碱性水解的反应方程式。
题目译自官方英文原文。
答案
以下立体化学 SMILES 各表示一对对映异构体中的一个。将 @ 替换为 @@ 即得到相应的另一个对映异构体,它们同样符合所给信息。
-
乙酸-2-丁酯(乙酸仲丁酯),
CC(=O)O[C@H](C)CC: \[ \ce{CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3}. \] -
2-甲基丁酸甲酯,
COC(=O)[C@H](C)CC: \[ \ce{CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3}. \] -
配平后的水解反应方程式为: \[ \ce{CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3 + NaOH -> CH3COONa + CH3CH(OH)CH2CH3} \] \[ \ce{CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3 + NaOH -> CH3CH2CH(CH3)COONa + CH3OH}. \]
第一个反应生成乙酸钠,[Na+].CC(=O)[O-],和 2-丁醇,O[C@H](C)CC。第二个反应生成 2-甲基丁酸钠,[Na+].[O-]C(=O)[C@H](C)CC,和甲醇,CO。所用试剂为氢氧化钠,[Na+].[OH-]。
解答
1. 确定原酯的结构
酯发生碱性水解时,每摩尔酯生成一摩尔醇和一摩尔羧酸钠。中性的醇从有机萃取液中回收,而羧酸钠留在水溶液中。
采用通常使用的整数相对原子质量,该酯的摩尔质量为 \[ M_{\text{酯}} =\bigl[6(12)+12(1)+2(16)\bigr]\ \mathrm{g\,mol^{-1}} =116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] 因此, \[ n_{\text{酯}} =\frac{11.6\ \mathrm{g}}{116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.100\ \mathrm{mol}. \]
水解反应和醇的回收均为定量的,因此 \[ n_{\text{醇}}=0.100\ \mathrm{mol}, \qquad M_{\text{醇}} =\frac{7.4\ \mathrm{g}}{0.100\ \mathrm{mol}} =74\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
该酯的不饱和度为一: \[ \mathrm{DBE}=\frac{2(6)+2-12}{2}=1. \] 其羰基已完全占据这一不饱和度;因此,醇部分是饱和且无环的。饱和一元醇的通式为 \(\ce{C_{k}H_{2k+2}O}\),由此得到 \[ M_{\text{醇}}=(14k+18)\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] 因此, \[ k=\frac{74-18}{14}=4, \] 所以该醇的分子式为 \(\ce{C4H10O}\)。
该酯的六个碳原子中有四个属于醇部分,酸部分则含有余下的两个碳原子。因此,后者必定是非手性的乙酸酯基团。该酯的旋光性必定来自含四个碳原子的醇部分。
在饱和四碳醇中,只有 2-丁醇,O[C@H](C)CC,具有手性。其连接羟基的碳原子上连有四种不同的取代基:羟基、氢、甲基和乙基。其沸点与题目给出的 \(100\,^\circ\mathrm{C}\) 一致。
因此,该酯为乙酸仲丁酯,CC(=O)O[C@H](C)CC。水解后,非手性的乙酸钠留在水相中,这就解释了水相不具有旋光性的原因。
2. 水溶液具有旋光性时酯的结构确定
萃取除去醇后,水溶液具有旋光性,意味着其中必须含有具有手性且呈非外消旋状态的羧酸盐。
能够具有立体异构中心碳原子的最小饱和无环一元羧酸是 2-甲基丁酸,O=C(O)[C@H](C)CC:
\[
\ce{CH3CH2CH(CH3)COOH}.
\]
其立体异构中心碳原子上连有氢、甲基、乙基和羧基,四者各不相同。该酸部分含有五个碳原子。
由于该酯总共含有六个碳原子,来自醇的基团只能含有余下的一个碳原子。该基团必定是甲基。因此,所求的酯为 2-甲基丁酸甲酯,COC(=O)[C@H](C)CC。
该酯水解后,在水相中生成具有旋光性的 2-甲基丁酸钠,生成的醇则是非手性的甲醇。
3. 水解反应方程式及立体化学结果
与氢氧化钠水溶液一起加热时,第一种酯发生如下反应: \[ \boxed{\ce{ CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3 + NaOH -> CH3COONa + CH3CH(OH)CH2CH3 }} \]
该酯的酰氧键断裂,而氧原子与立体异构中心碳原子之间的键保持完整。因此,该立体异构中心在 2-丁醇中得以保留。
对于第二种酯: \[ \boxed{\ce{ CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3 + NaOH -> CH3CH2CH(CH3)COONa + CH3OH }} \]
此时,立体异构中心保留在来自酸部分的产物 2-甲基丁酸钠中。两个反应均为每摩尔酯消耗一摩尔氢氧化钠,且两个方程式的原子数和电荷均已配平。
解答已与官方解答核对。
IChO 1977 · Теоретическая задача 4
Гидролиз оптически активного сложного эфира C6H12O2
Оптически активный сложный эфир (11.6 г) с молекулярной формулой \(\ce{C6H12O2}\) подвергли гидролизу при нагревании с избытком водного раствора гидроксида натрия. После завершения гидролиза щелочную реакционную смесь несколько раз экстрагировали диэтиловым эфиром. Водный раствор не проявлял оптической активности. Объединённые эфирные экстракты высушили безводным сульфатом магния. Эфирный раствор отфильтровали, отогнали из него эфир, а остаток перегнали. Было получено 7.4 г (100 %) жидкости, кипящей при 100 °C.
Вопросы:
- Напишите структурную формулу сложного эфира.
- Какова была бы структура сложного эфира с той же молекулярной формулой, т. е. \(\ce{C6H12O2}\), если бы водный раствор, полученный после щелочного гидролиза описанным выше способом, проявлял оптическую активность?
- Напишите уравнения щелочного гидролиза обоих сложных эфиров раствором гидроксида натрия.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
Приведённые ниже стереохимические записи SMILES изображают по одному из возможных энантиомеров. Замена @ на @@ даёт соответствующие противоположные энантиомеры, которые в равной степени согласуются с приведёнными данными.
-
Этаноат бутан-2-ила (втор-бутилацетат),
CC(=O)O[C@H](C)CC: \[ \ce{CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3}. \] -
Метил-2-метилбутаноат,
COC(=O)[C@H](C)CC: \[ \ce{CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3}. \] -
Уравнения гидролиза с расставленными коэффициентами: \[ \ce{CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3 + NaOH -> CH3COONa + CH3CH(OH)CH2CH3} \] \[ \ce{CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3 + NaOH -> CH3CH2CH(CH3)COONa + CH3OH}. \]
В первой реакции образуются этаноат натрия, [Na+].CC(=O)[O-], и бутан-2-ол, O[C@H](C)CC. Во второй образуются 2-метилбутаноат натрия, [Na+].[O-]C(=O)[C@H](C)CC, и метанол, CO. Реагент — гидроксид натрия, [Na+].[OH-].
Решение
1. Установление строения исходного сложного эфира
При щелочном гидролизе сложного эфира из одного моля эфира образуются один моль спирта и один моль натриевой соли карбоновой кислоты. Нейтральный спирт выделяют из органических экстрактов, тогда как натриевая соль карбоновой кислоты остаётся в водном растворе.
При использовании обычных целочисленных значений атомных масс молярная масса сложного эфира составляет \[ M_{\text{эфира}} =\bigl[6(12)+12(1)+2(16)\bigr]\ \mathrm{g\,mol^{-1}} =116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Следовательно, \[ n_{\text{эфира}} =\frac{11.6\ \mathrm{g}}{116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.100\ \mathrm{mol}. \]
Гидролиз и выделение спирта протекают количественно, поэтому \[ n_{\text{спирта}}=0.100\ \mathrm{mol}, \qquad M_{\text{спирта}} =\frac{7.4\ \mathrm{g}}{0.100\ \mathrm{mol}} =74\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Степень ненасыщенности сложного эфира равна единице: \[ \mathrm{DBE}=\frac{2(6)+2-12}{2}=1. \] Она полностью обусловлена карбонильной группой; следовательно, спиртовой фрагмент является насыщенным и ациклическим. Насыщенный одноатомный спирт имеет формулу \(\ce{C_{k}H_{2k+2}O}\), откуда \[ M_{\text{спирта}}=(14k+18)\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Таким образом, \[ k=\frac{74-18}{14}=4, \] поэтому молекулярная формула спирта — \(\ce{C4H10O}\).
Четыре из шести атомов углерода сложного эфира принадлежат спиртовому фрагменту, а два оставшихся — кислотному фрагменту. Следовательно, последний должен представлять собой этаноатную группу, которая ахиральна. Оптическая активность сложного эфира должна быть обусловлена четырёхуглеродным спиртовым фрагментом.
Среди насыщенных четырёхуглеродных спиртов хирален только бутан-2-ол, O[C@H](C)CC. Его атом углерода, несущий гидроксильную группу, имеет четыре различных заместителя: гидроксильную группу, водород, метильную и этильную группы. Его температура кипения согласуется с указанным значением \(100\,^\circ\mathrm{C}\).
Таким образом, сложный эфир — этаноат бутан-2-ила, CC(=O)O[C@H](C)CC. После гидролиза в водной фазе остаётся ахиральный этаноат натрия, что объясняет отсутствие у неё оптической активности.
2. Установление строения в случае оптически активного водного раствора
После экстракции спирта оптическая активность водного раствора требует присутствия хирального карбоксилата в нерацемической форме.
Простейшая насыщенная ациклическая монокарбоновая кислота, способная иметь стереогенный атом углерода, — 2-метилбутановая кислота, O=C(O)[C@H](C)CC:
\[
\ce{CH3CH2CH(CH3)COOH}.
\]
Её стереогенный атом углерода связан с водородом, метильной, этильной и карбоксильной группами — все эти заместители различны. Этот кислотный фрагмент содержит пять атомов углерода.
Поскольку сложный эфир содержит в общей сложности шесть атомов углерода, для группы, происходящей из спирта, остаётся только один. Эта группа должна быть метильной. Следовательно, искомый сложный эфир — метил-2-метилбутаноат, COC(=O)[C@H](C)CC.
При его гидролизе в водной фазе образуется оптически активный 2-метилбутаноат натрия, а в качестве спирта — ахиральный метанол.
3. Уравнения гидролиза и стереохимический результат
При нагревании с водным раствором гидроксида натрия первый сложный эфир вступает в следующую реакцию: \[ \boxed{\ce{ CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3 + NaOH -> CH3COONa + CH3CH(OH)CH2CH3 }} \]
В сложном эфире разрывается связь ацил–кислород; связь между кислородом и стереогенным атомом углерода остаётся неповреждённой. Таким образом, стереогенный центр сохраняется в бутан-2-оле.
Для второго сложного эфира: \[ \boxed{\ce{ CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3 + NaOH -> CH3CH2CH(CH3)COONa + CH3OH }} \]
Здесь стереогенный центр сохраняется в продукте, происходящем из кислотного фрагмента, — 2-метилбутаноате натрия. В обоих уравнениях на один моль сложного эфира расходуется один моль гидроксида натрия; оба уравнения сбалансированы по числу атомов и заряду.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1977 · مسألة نظرية 4
التحلل المائي لإستر نشط ضوئيًا C6H12O2
أُجري التحلل المائي لإستر نشط ضوئيًا (11.6 g)، صيغته المجملة \(\ce{C6H12O2}\)، بتسخينه مع فائض من محلول هيدروكسيد الصوديوم المائي. وبعد انتهاء التحلل المائي، استُخلص مزيج التفاعل القلوي عدة مرات بالإيثر. لم يكن المحلول المائي نشطًا ضوئيًا. جُمعت المستخلصات الإيثرية وجُففت بكبريتات المغنيسيوم اللامائية. رُشِّح المحلول الإيثري، وقُطِّر الإيثر منه، ثم أُعيد تقطير المتبقي. فحُصل على 7.4 g (100 %) من سائل يغلي عند 100 °C.
المطلوب:
- اكتب الصيغة البنائية للإستر.
- ما بنية إستر له الصيغة المجملة نفسها، أي \(\ce{C6H12O2}\)، إذا كان المحلول المائي الناتج بعد التحلل المائي القلوي بالطريقة المذكورة أعلاه نشطًا ضوئيًا؟
- اكتب معادلات التحلل المائي القلوي لكلا الإسترين بمحلول هيدروكسيد الصوديوم.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
تُمثِّل صيغ SMILES الكيميائية الفراغية أدناه متماكبات مرآتية نموذجية. ويعطي استبدال @ بـ @@ المتماكبات المرآتية المقابلة، وهي متوافقة بالقدر نفسه مع المعلومات المعطاة.
-
إيثانوات البوتان-2-يل (أسيتات البوتيل الثانوي)،
CC(=O)O[C@H](C)CC: \[ \ce{CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3}. \] -
2-ميثيل بوتانوات الميثيل،
COC(=O)[C@H](C)CC: \[ \ce{CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3}. \] -
معادلات التحلل المائي الموزونة هي: \[ \ce{CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3 + NaOH -> CH3COONa + CH3CH(OH)CH2CH3} \] \[ \ce{CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3 + NaOH -> CH3CH2CH(CH3)COONa + CH3OH}. \]
ينتج التفاعل الأول إيثانوات الصوديوم، [Na+].CC(=O)[O-]، وبوتان-2-ول، O[C@H](C)CC. وينتج التفاعل الثاني 2-ميثيل بوتانوات الصوديوم، [Na+].[O-]C(=O)[C@H](C)CC، والميثانول، CO. والكاشف هو هيدروكسيد الصوديوم، [Na+].[OH-].
الحل
1. تحديد هوية الإستر الأصلي
ينتج التحلل المائي القلوي للإستر مولًا واحدًا من الكحول ومولًا واحدًا من كربوكسيلات الصوديوم لكل مول من الإستر. ويُستخلص الكحول المتعادل من المستخلصات العضوية، بينما تبقى كربوكسيلات الصوديوم في المحلول المائي.
باستخدام القيم الصحيحة المعتادة للكتل الذرية، تكون الكتلة المولية للإستر \[ M_{\text{الإستر}} =\bigl[6(12)+12(1)+2(16)\bigr]\ \mathrm{g\,mol^{-1}} =116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] ومن ثم، \[ n_{\text{الإستر}} =\frac{11.6\ \mathrm{g}}{116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.100\ \mathrm{mol}. \]
يجري كلٌّ من التحلل المائي واسترجاع الكحول كمّيًا، لذا \[ n_{\text{الكحول}}=0.100\ \mathrm{mol}, \qquad M_{\text{الكحول}} =\frac{7.4\ \mathrm{g}}{0.100\ \mathrm{mol}} =74\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
للإستر درجة واحدة من عدم الإشباع: \[ \mathrm{DBE}=\frac{2(6)+2-12}{2}=1. \] وتستأثر مجموعة الكربونيل بهذه الدرجة بالكامل؛ وبالتالي، فإن الجزء الكحولي مشبع وغير حلقي. وللكحول المشبع الأحادي الهيدروكسيل الصيغة \(\ce{C_{k}H_{2k+2}O}\)، مما يعطي \[ M_{\text{الكحول}}=(14k+18)\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] إذًا، \[ k=\frac{74-18}{14}=4, \] وعليه، فإن الصيغة الجزيئية للكحول هي \(\ce{C4H10O}\).
تنتمي أربع من ذرات الكربون الست في الإستر إلى الجزء الكحولي، وتتبقى ذرتان في الجزء الحمضي. ولذلك لا بد أن يكون هذا الأخير مجموعة الإيثانوات، وهي غير كيرالية. ولا بد أن ينشأ النشاط الضوئي للإستر من الجزء الكحولي ذي ذرات الكربون الأربع.
من بين الكحولات المشبعة ذات ذرات الكربون الأربع، لا يكون كيراليًا سوى بوتان-2-ول، O[C@H](C)CC. وتحمل ذرة الكربون المرتبطة بمجموعة الهيدروكسيل فيه أربعة مستبدلات مختلفة: الهيدروكسيل والهيدروجين والميثيل والإيثيل. وتتفق درجة غليانه مع القيمة المذكورة، وهي \(100\,^\circ\mathrm{C}\).
إذًا، الإستر هو إيثانوات البوتان-2-يل، CC(=O)O[C@H](C)CC. ويُبقي التحلل المائي إيثانوات الصوديوم غير الكيرالية في الطور المائي، مما يفسر عدم نشاطه الضوئي.
2. تحديد الهوية عندما يكون المحلول المائي نشطًا ضوئيًا
بعد استخلاص الكحول، يتطلب وجود نشاط ضوئي في المحلول المائي وجود كربوكسيلات كيرالية غير راسيمية.
أصغر حمض كربوكسيلي مشبع وغير حلقي وأحادي الكربوكسيل يمكن أن يحتوي على ذرة كربون مولِّدة للتصاوغ الفراغي هو حمض 2-ميثيل البوتانويك، O=C(O)[C@H](C)CC:
\[
\ce{CH3CH2CH(CH3)COOH}.
\]
ترتبط ذرة الكربون المولِّدة للتصاوغ الفراغي فيه بالهيدروجين ومجموعات الميثيل والإيثيل والكربوكسيل، وهي جميعًا مختلفة. ويحتوي هذا الجزء الحمضي على خمس ذرات كربون.
بما أن الإستر يحتوي على ست ذرات كربون في المجموع، فلا تتبقى سوى ذرة واحدة للمجموعة المشتقة من الكحول. ولا بد أن تكون هذه المجموعة هي الميثيل. وبالتالي، فإن الإستر المطلوب هو 2-ميثيل بوتانوات الميثيل، COC(=O)[C@H](C)CC.
ينتج تحلله المائي 2-ميثيل بوتانوات الصوديوم النشطة ضوئيًا في الطور المائي، والميثانول غير الكيرالي بوصفه الكحول الناتج.
3. معادلات التحلل المائي والنتيجة الكيميائية الفراغية
عند التسخين مع محلول هيدروكسيد الصوديوم المائي، يخضع الإستر الأول للتفاعل الآتي: \[ \boxed{\ce{ CH3C(=O)OCH(CH3)CH2CH3 + NaOH -> CH3COONa + CH3CH(OH)CH2CH3 }} \]
تنشطر رابطة الأسيل–الأكسجين في الإستر؛ وتبقى الرابطة بين الأكسجين وذرة الكربون المولِّدة للتصاوغ الفراغي سليمة. ومن ثم، يُحتفَظ بالمركز المولِّد للتصاوغ الفراغي في بوتان-2-ول.
بالنسبة إلى الإستر الثاني: \[ \boxed{\ce{ CH3CH2CH(CH3)C(=O)OCH3 + NaOH -> CH3CH2CH(CH3)COONa + CH3OH }} \]
يبقى المركز المولِّد للتصاوغ الفراغي هنا في الناتج المشتق من الحمض، وهو 2-ميثيل بوتانوات الصوديوم. وتستهلك كلتا المعادلتين مولًا واحدًا من هيدروكسيد الصوديوم لكل مول من الإستر، وهما موزونتان من حيث الذرات والشحنة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.