IChO 1978 · Theory problem 5
Liquid compound X from coal tar
A certain liquid organic compound X (being present in coal tar) with a mass of 1.06 g was burned to produce 0.90 g of water and 3.52 g of carbon dioxide. Its vapours were 3.79 times as dense as nitrogen.
The compound X was oxidised by a hot mixture of \(\ce{CrO3 + H2SO4}\). A colourless crystalline substance A was isolated from the reaction mixture. It was soluble in an aqueous solution of \(\ce{NaOH}\) or \(\ce{NaHCO3}\).
Compound A when heated loses water and converts to compound B. Condensation of compound B with phenol in the presence of \(\ce{H2SO4}\) or \(\ce{ZnCl2}\) yields a substance Y which is very often used as an acid-base indicator.
Both compound A and compound B when heated with an access of 1-butanol (some drops of a concentrated \(\ce{H2SO4}\) solution are added) gives the same liquid compound C.
If accepted that a carbon atom shows a tendency to form four bonds in organic compounds, it is possible to write formally two different formulas for the compound X. The formulas written in this way do not correspond, however, to the chemical structure of the molecule X because up to date nobody has succeeded in the preparation of the two hypothetical isomers.
Haayman and Witbaut carried out in 1941 an ozonisation of the compound X in a \(\ce{CH3Cl}\) solution. After hydrolysis of ozonides, it was found that the water layer contains three different organic compounds in a molar ratio of D : E : F = 3 : 2 : 1. Only two of them formed new compounds G and H by a mild oxidation, the third one remains unchanged under these conditions but the effect of stronger oxidising agents as \(\ce{H2O2}\) for example, results in forming a well known liquid compound I with a characteristic sharp smell.
A sample of a pure anhydrous compound G was dissolved in an aqueous 1-molar solution of \(\ce{H2SO4}\) and the resulting solution was titrated with a volumetric 0.05-molar \(\ce{KMnO4}\) solution. An amount of 0.288 g of substance G required 25.6 \(\mathrm{cm^3}\) of the \(\ce{KMnO4}\) solution.
Problems:
5.1 Write the summary formula for the compound X.
5.2 Based on the information and data in the task, write chemical equations for the reactions by which products A, B, and C are formed.
5.3 Give the name for compound Y and write the equation of its synthesis. Write its structural formula and colour in both acidic and basic solutions.
5.4 Write two formal structural formulas for the compound X as well as a more correct structural formula according to the latest findings.
5.5 Write the chemical equation for the ozonolysis of compound X by which the fact can be explained why compounds D, E, and F are after hydrolysis of ozonides present in water layer in a molar ration of 3 : 2 : 1.
5.6 Write chemical equations for the reactions of formation of compounds G, H, and I.
5.7 Write both formal structural formulas used before, and the more correct modern structural formula of another liquid organic compound if you know that the compound is also present in coal tar and it is a derivative of compound X. What name of a known chemist is connected in the history with the formula of this basic compound? What are the products obtained by its ozonolysis?
5.8 Write the names of the substances X, Y, A – I under the corresponding compounds in the equations.
Note:
Use in your calculation:
\(M(\ce{C}) = 12\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{O}) = 16\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{H}) = 1\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{KMnO4}) = 158\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.\)
Official English text of the problem.
Answers
- 5.1 \(\boxed{\ce{C8H10}}\). X is \(o\)-xylene, or 1,2-dimethylbenzene.
- 5.2 Oxidation gives A, phthalic acid; dehydration gives B, phthalic anhydride. Esterification of either with excess 1-butanol gives C, di-\(n\)-butyl phthalate.
- 5.3 Y is phenolphthalein, formed from one molecule of B and two molecules of phenol, with elimination of one molecule of water. Its neutral lactone is colourless; its quinoid dianion is pink/magenta in the usual basic indicator range.
- 5.4 With methyl groups at ring positions 1 and 2, the two formal Kekulé structures have double bonds at \(1=2,\,3=4,\,5=6\) and \(2=3,\,4=5,\,6=1\). The actual molecule has a delocalized aromatic ring.
- 5.5 D = glyoxal, E = methylglyoxal, F = diacetyl. The two formal cleavage patterns give \(D+2E\) and \(2D+F\); equal contributions give \(D:E:F=3:2:1\).
- 5.6 G = oxalic acid, H = pyruvic acid, I = acetic acid. Mild oxidation converts D into G and E into H; peroxide cleavage of F produces two molecules of I. The titration confirms anhydrous oxalic acid, \(M=90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
- 5.7 The intended parent compound is benzene,
c1ccccc1, associated historically with August Kekulé. Its carbonyl-forming ozonolysis gives three molecules of glyoxal per molecule of benzene. The wording about the derivative relationship is reversed. - 5.8 The complete identification key is:
| Label | Name | SMILES |
|---|---|---|
| X | \(o\)-Xylene; 1,2-dimethylbenzene | Cc1ccccc1C |
| Y | Phenolphthalein, neutral lactone | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
| A | Phthalic acid; benzene-1,2-dicarboxylic acid | O=C(O)c1ccccc1C(=O)O |
| B | Phthalic anhydride | O=C1OC(=O)c2ccccc21 |
| C | Di-\(n\)-butyl phthalate | CCCCOC(=O)c1ccccc1C(=O)OCCCC |
| D | Glyoxal; ethanedial | O=CC=O |
| E | Methylglyoxal; 2-oxopropanal | CC(=O)C=O |
| F | Diacetyl; butane-2,3-dione | CC(=O)C(=O)C |
| G | Oxalic acid; ethanedioic acid | O=C(O)C(=O)O |
| H | Pyruvic acid; 2-oxopropanoic acid | CC(=O)C(=O)O |
| I | Acetic acid; ethanoic acid | CC(=O)O |
Solution
5.1 — Molecular formula of X
The combustion products give the amounts of carbon and hydrogen:
\[ n(\ce{C})=n(\ce{CO2}) =\frac{3.52\ \mathrm{g}}{44\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0800\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{H})=2n(\ce{H2O}) =2\frac{0.90\ \mathrm{g}}{18\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.100\ \mathrm{mol}. \]
The corresponding masses, retaining intermediate digits, are
\[ m(\ce{C})=0.960\ \mathrm{g}, \qquad m(\ce{H})=0.100\ \mathrm{g}. \]
Their sum equals the sample mass, \(1.060\ \mathrm{g}\). Thus the analysis accounts for the sample entirely as carbon and hydrogen.
The atomic ratio is
\[ n(\ce{C}):n(\ce{H})=0.0800:0.100=4:5, \]
so the empirical formula is \(\ce{C4H5}\), with empirical formula mass
\[ 4(12)+5(1)=53\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
At equal temperature and pressure, gas densities are proportional to molar masses. Taking \(M(\ce{N2})=28\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ M(X)=3.79(28)=106.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx106\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Consequently,
\[ \frac{M(X)}{M(\ce{C4H5})}\approx\frac{106}{53}=2, \qquad \boxed{X=\ce{C8H10}}. \]
Its degree of unsaturation is
\[ \frac{2(8)+2-10}{2}=4, \]
consistent with a benzene ring.
5.2 — Identification and formation of A, B, and C
Solubility in aqueous bicarbonate indicates an acidic compound, here a carboxylic acid. Formation of an anhydride on heating, followed by condensation with phenol to form an indicator, identifies the phthalic acid–phthalic anhydride pair.
Phthalic acid has adjacent carboxyl groups and readily forms a five-membered cyclic anhydride. Therefore X must have adjacent methyl groups: it is \(o\)-xylene. Hot chromium(VI) oxidizes each methyl group to a carboxyl group.
A fully balanced equation in acidic solution is
\[ \underbrace{\ce{C6H4(CH3)2}}_{\text{X: ortho-xylene}} +\ce{4CrO3 + 12H+} \xrightarrow{\Delta} \underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: phthalic acid}} +\ce{4Cr^3+ + 8H2O}. \]
The two substituents in these condensed aromatic formulas occupy adjacent ring positions.
Heating A eliminates water:
\[ \underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: phthalic acid}} \xrightarrow{\Delta} \underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: phthalic anhydride}} +\ce{H2O}. \]
In B, the oxygen between the two acyl groups closes the five-membered anhydride ring fused to the benzene ring.
Excess butan-1-ol, CCCCO, esterifies both carboxyl groups of A:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: phthalic acid}} +\ce{2HO(CH2)3CH3}\\ &\quad\xrightarrow{\ce{H2SO4},\,\Delta} \underbrace{\ce{C6H4[COO(CH2)3CH3]2}}_{\text{C: di-n-butyl phthalate}} +\ce{2H2O}. \end{aligned} \]
Starting with B gives the same diester, but only one net molecule of water is formed:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: phthalic anhydride}} +\ce{2HO(CH2)3CH3}\\ &\quad\xrightarrow{\ce{H2SO4},\,\Delta} \underbrace{\ce{C6H4[COO(CH2)3CH3]2}}_{\text{C: di-n-butyl phthalate}} +\ce{H2O}. \end{aligned} \]
5.3 — Phenolphthalein: synthesis, structures, and colours
Phthalic anhydride condenses with two molecules of phenol, Oc1ccccc1, to form phenolphthalein:
\[ \underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: phthalic anhydride}} +\underbrace{\ce{2C6H5OH}}_{\text{phenol}} \xrightarrow[\Delta]{\ce{H2SO4}\ \text{or}\ \ce{ZnCl2}} \underbrace{\ce{C20H14O4}}_{\text{Y: phenolphthalein}} +\ce{H2O}. \]
The relevant structures are:
| Medium | Form, name, and colour | SMILES |
|---|---|---|
| Acidic | Neutral phenolphthalein lactone; colourless | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
| Basic, usual indicator range | Phenolphthalein quinoid dianion; pink/magenta | O=C([O-])c1ccccc1C(c1ccc([O-])cc1)=C1C=CC(=O)C=C1 |
To draw the acidic structure, draw a phthalide ring whose tetrahedral carbon bears two para-hydroxyphenyl groups.
For the basic structure, open the lactone ring to give an ortho-carboxylate group. In the displayed resonance contributor, the central carbon is double-bonded to a quinonoid ring and single-bonded to a para-phenoxide ring. The charge and conjugation are delocalized; the single SMILES represents one contributor.
The overall acid–base conversion is
\[ \underbrace{\ce{C20H14O4}}_{\text{colourless lactone}} +\ce{2OH-} \rightleftharpoons \underbrace{\ce{C20H12O4^2-}}_{\text{pink quinoid dianion}} +\ce{2H2O}. \]
Ring opening and the resulting extended conjugation account for the visible colour. The stated basic colour refers to the normal indicator range; very strongly alkaline solutions can undergo further changes.
5.4 — Two formal structures and the aromatic structure of X
Number the ring carbons consecutively from 1 to 6, with methyl groups attached to positions 1 and 2.
| Representation of \(o\)-xylene | Ring double bonds | SMILES |
|---|---|---|
| Kekulé contributor \(K_1\) | \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | CC1=C(C)C=CC=C1 |
| Kekulé contributor \(K_2\) | \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | CC1C(C)=CC=CC=1 |
| Delocalized aromatic structure | No fixed alternating localization | Cc1ccccc1C |
In \(K_1\), the two methyl-bearing ring carbons share a formal double bond; in \(K_2\), they share a formal single bond.
For the modern drawing, draw a hexagon with an internal circle and methyl groups at two adjacent vertices. The aromatic ring is approximately planar, with six delocalized \(\pi\) electrons.
The Kekulé drawings are resonance contributors, not separately existing isomers or molecules in equilibrium. Their SMILES may therefore be converted to the same aromatic structure by chemical software.
5.5 — Ozonolysis and the \(3:2:1\) ratio
Formal ozonolytic cleavage converts each carbon of a localized double bond into a carbonyl carbon:
- A ring carbon bearing hydrogen becomes an aldehyde carbonyl.
- A ring carbon bearing a methyl group becomes a ketone carbonyl.
Cleaving the three formal double bonds leaves three two-carbon fragments, corresponding to the three remaining ring bonds.
| Formal pattern | Remaining carbon pairs | Organic products |
|---|---|---|
| \(K_1\): cleave \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | \(2–3,\ 4–5,\ 6–1\) | One glyoxal D and two methylglyoxal E |
| \(K_2\): cleave \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | \(1–2,\ 3–4,\ 5–6\) | One diacetyl F and two glyoxal D |
Thus one occurrence of each formal cleavage pattern gives
\[ (D+2E)+(2D+F)=3D+2E+F. \]
This reproduces the observed ratio:
\[ \boxed{D:E:F=3:2:1}. \]
Using the conventional formal balance for ozonide hydrolysis, with hydrogen peroxide as coproduct, the combined equation is
\[ \begin{aligned} &2\underbrace{\ce{C8H10}}_{\text{X: ortho-xylene}} +\ce{6O3 + 6H2O}\\ &\quad\longrightarrow 3\underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{D: glyoxal}} +2\underbrace{\ce{CH3COCHO}}_{\text{E: methylglyoxal}} +\underbrace{\ce{CH3COCOCH3}}_{\text{F: diacetyl}} +\ce{6H2O2}. \end{aligned} \]
The solvent is chloromethane, CCl. Carbonyl products are written in their conventional unhydrated forms.
This is a formal cleavage account of the stipulated initial product mixture. It does not mean that X contains two independently existing Kekulé isomers, nor does resonance alone establish quantitative reaction branching.
5.6 — Formation of G, H, and I; verification by titration
Here \(\ce{[O]}\) denotes one oxygen equivalent supplied by an oxidizing reagent, rather than a free oxygen-atom intermediate.
Mild oxidation converts both aldehyde groups of glyoxal into carboxyl groups:
\[ \underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{D: glyoxal}} +\ce{2[O]} \longrightarrow \underbrace{\ce{HOOC-COOH}}_{\text{G: oxalic acid}}. \]
Methylglyoxal has one aldehyde group and one ketone group. Oxidation of the aldehyde group gives pyruvic acid:
\[ \underbrace{\ce{CH3COCHO}}_{\text{E: methylglyoxal}} +\ce{[O]} \longrightarrow \underbrace{\ce{CH3COCOOH}}_{\text{H: pyruvic acid}}. \]
Diacetyl has two ketone groups and no aldehyde group, explaining its resistance to the stipulated mild oxidation. Hydrogen peroxide cleaves the bond between its carbonyl carbons:
\[ \underbrace{\ce{CH3COCOCH3}}_{\text{F: diacetyl}} +\ce{H2O2} \longrightarrow 2\underbrace{\ce{CH3COOH}}_{\text{I: acetic acid}}. \]
Acetic acid is the familiar liquid with a sharp, vinegar-like smell.
The titration independently checks the assignment of G. The relevant half-reactions are
\[ \ce{H2C2O4 -> 2CO2 + 2H+ + 2e-}, \]
\[ \ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}. \]
Combining them gives
\[ 5\underbrace{\ce{H2C2O4}}_{\text{G: oxalic acid}} +\ce{2MnO4- + 6H+} \longrightarrow \ce{10CO2 + 2Mn^2+ + 8H2O}. \]
The amount of permanganate is
\[ n(\ce{MnO4-}) = 0.05\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \times25.6\times10^{-3}\ \mathrm{L} = 1.28\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
From the \(5:2\) stoichiometry,
\[ n(G)=\frac52\,n(\ce{MnO4-}) =3.20\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Hence the implied molar mass is
\[ M(G)= \frac{0.288\ \mathrm{g}} {3.20\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} = 90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
For anhydrous oxalic acid,
\[ M(\ce{H2C2O4})=2(1)+2(12)+4(16) =90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
exactly matching the titration data.
5.7 — Benzene, Kekulé structures, and ozonolysis
The intended basic or parent compound is benzene. More precisely, \(o\)-xylene is a dimethyl derivative of benzene.
Using fixed numbering around a six-membered ring:
| Benzene representation | Ring double bonds | SMILES |
|---|---|---|
| First Kekulé contributor | \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | C1=CC=CC=C1 |
| Second Kekulé contributor | \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | C1C=CC=CC=1 |
| Aromatic structure | Six delocalized \(\pi\) electrons | c1ccccc1 |
The corresponding drawings are two hexagons with alternating double bonds shifted by one edge, and a modern hexagon containing a circle. Every ring carbon bears one hydrogen. Benzene is planar and all six carbon–carbon bonds are equivalent.
The historical chemist is August Kekulé.
Because every ring carbon bears hydrogen, either formal cleavage pattern produces only glyoxal as the organic carbonyl product. The conventional hydrolysis balance is
\[ \underbrace{\ce{C6H6}}_{\text{benzene}} +\ce{3O3 + 3H2O} \longrightarrow 3\underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{glyoxal}} +\ce{3H2O2}. \]
Thus one molecule of benzene gives three molecules of glyoxal under the carbonyl-forming work-up considered here.
5.8 — Names beneath the formulas and remaining SMILES
The names of X, Y, and A–I appear beneath their formulas in the equations above; their complete name–SMILES key is given in Answers 5.8.
For completeness, the other molecular and ionic species used in the solution are:
| Species | SMILES |
|---|---|
| Water | O |
| Carbon dioxide | O=C=O |
| Dinitrogen | N#N |
| Ozone | [O-][O+]=O |
| Hydrogen peroxide | OO |
| Sulfuric acid | OS(=O)(=O)O |
| Chromium(VI) oxide | O=[Cr](=O)=O |
| Chromium(III) ion | [Cr+3] |
| Hydrogen ion | [H+] |
| Hydroxide ion | [OH-] |
| Sodium hydroxide | [Na+].[OH-] |
| Sodium hydrogen carbonate | [Na+].OC(=O)[O-] |
| Zinc chloride | [Zn+2].[Cl-].[Cl-] |
| Potassium permanganate | [K+].[O-][Mn](=O)(=O)=O |
| Permanganate ion | [O-][Mn](=O)(=O)=O |
| Manganese(II) ion | [Mn+2] |
The disconnected salt SMILES specify ionic composition; they do not specify solvation or solid-state coordination.
The solution was checked against the official solution. Where this solution differs from the official solution, the official solution contains an error or a misprint.
IChO 1978 · Theorieaufgabe 5
Flüssige Verbindung X aus Steinkohlenteer
Eine bestimmte flüssige organische Verbindung X (die in Steinkohlenteer vorkommt) mit einer Masse von 1.06 g wurde verbrannt, wobei 0.90 g Wasser und 3.52 g Kohlenstoffdioxid entstanden. Ihre Dämpfe hatten die 3.79-fache Dichte von Stickstoff.
Die Verbindung X wurde mit einem heißen Gemisch aus \(\ce{CrO3 + H2SO4}\) oxidiert. Aus dem Reaktionsgemisch wurde eine farblose kristalline Substanz A isoliert. Sie war in einer wässrigen Lösung von \(\ce{NaOH}\) oder \(\ce{NaHCO3}\) löslich.
Die Verbindung A verliert beim Erhitzen Wasser und geht in die Verbindung B über. Die Kondensation der Verbindung B mit Phenol in Gegenwart von \(\ce{H2SO4}\) oder \(\ce{ZnCl2}\) liefert eine Substanz Y, die sehr häufig als Säure-Base-Indikator verwendet wird.
Sowohl die Verbindung A als auch die Verbindung B ergeben beim Erhitzen mit einem Überschuss an 1-Butanol (unter Zugabe einiger Tropfen einer konzentrierten \(\ce{H2SO4}\)-Lösung) dieselbe flüssige Verbindung C.
Geht man davon aus, dass ein Kohlenstoffatom in organischen Verbindungen zur Ausbildung von vier Bindungen neigt, so lassen sich formal zwei verschiedene Formeln für die Verbindung X aufstellen. Die auf diese Weise aufgestellten Formeln entsprechen jedoch nicht der chemischen Struktur des Moleküls X, denn bis heute ist es niemandem gelungen, die beiden hypothetischen Isomere herzustellen.
Haayman und Witbaut führten 1941 eine Ozonisierung der Verbindung X in einer \(\ce{CH3Cl}\)-Lösung durch. Nach der Hydrolyse der Ozonide wurde festgestellt, dass die wässrige Phase drei verschiedene organische Verbindungen im Stoffmengenverhältnis D : E : F = 3 : 2 : 1 enthält. Nur zwei davon bildeten bei milder Oxidation neue Verbindungen G und H; die dritte bleibt unter diesen Bedingungen unverändert, doch die Einwirkung stärkerer Oxidationsmittel, wie beispielsweise \(\ce{H2O2}\), führt zur Bildung einer wohlbekannten flüssigen Verbindung I mit einem charakteristischen stechenden Geruch.
Eine Probe der reinen wasserfreien Verbindung G wurde in einer wässrigen 1-molaren Lösung von \(\ce{H2SO4}\) gelöst, und die erhaltene Lösung wurde mit einer 0.05-molaren \(\ce{KMnO4}\)-Maßlösung titriert. Für 0.288 g der Substanz G wurden 25.6 \(\mathrm{cm^3}\) der \(\ce{KMnO4}\)-Lösung benötigt.
Aufgaben:
5.1 Geben Sie die Summenformel der Verbindung X an.
5.2 Stellen Sie anhand der Informationen und Daten in der Aufgabe die chemischen Gleichungen der Reaktionen auf, bei denen die Produkte A, B und C entstehen.
5.3 Geben Sie den Namen der Verbindung Y an und stellen Sie die Gleichung ihrer Synthese auf. Geben Sie ihre Strukturformel und ihre Farbe sowohl in saurer als auch in basischer Lösung an.
5.4 Geben Sie zwei formale Strukturformeln der Verbindung X sowie eine nach den neuesten Erkenntnissen zutreffendere Strukturformel an.
5.5 Stellen Sie die chemische Gleichung für die Ozonolyse der Verbindung X auf, mit der sich erklären lässt, warum die Verbindungen D, E und F nach der Hydrolyse der Ozonide in der wässrigen Phase im Stoffmengenverhältnis 3 : 2 : 1 vorliegen.
5.6 Stellen Sie die chemischen Gleichungen der Reaktionen zur Bildung der Verbindungen G, H und I auf.
5.7 Geben Sie sowohl die beiden früher verwendeten formalen Strukturformeln als auch die zutreffendere moderne Strukturformel einer weiteren flüssigen organischen Verbindung an, von der bekannt ist, dass sie ebenfalls in Steinkohlenteer vorkommt und ein Derivat der Verbindung X ist. Mit dem Namen welches bekannten Chemikers ist die Formel dieser Grundverbindung historisch verbunden? Welche Produkte werden bei ihrer Ozonolyse erhalten?
5.8 Schreiben Sie die Namen der Substanzen X, Y, A – I unter die entsprechenden Verbindungen in den Gleichungen.
Hinweis:
Verwenden Sie bei Ihrer Berechnung:
\(M(\ce{C}) = 12\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{O}) = 16\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{H}) = 1\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{KMnO4}) = 158\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.\)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 5.1 \(\boxed{\ce{C8H10}}\). X ist \(o\)-Xylol, auch 1,2-Dimethylbenzol genannt.
- 5.2 Die Oxidation liefert A, Phthalsäure; die Wasserabspaltung liefert B, Phthalsäureanhydrid. Die Veresterung einer der beiden Verbindungen mit überschüssigem 1-Butanol liefert C, Di-\(n\)-butylphthalat.
- 5.3 Y ist Phenolphthalein, das aus einem Molekül B und zwei Molekülen Phenol unter Abspaltung eines Moleküls Wasser entsteht. Sein neutrales Lacton ist farblos; sein chinoides Dianion ist im üblichen basischen Indikatorbereich rosa/magentafarben.
- 5.4 Bei Methylgruppen an den Ringpositionen 1 und 2 weisen die beiden formalen Kekulé-Strukturen Doppelbindungen an \(1=2,\,3=4,\,5=6\) bzw. \(2=3,\,4=5,\,6=1\) auf. Das tatsächliche Molekül besitzt einen delokalisierten aromatischen Ring.
- 5.5 D = Glyoxal, E = Methylglyoxal, F = Diacetyl. Die beiden formalen Spaltungsmuster liefern \(D+2E\) und \(2D+F\); bei gleichen Beiträgen ergibt sich \(D:E:F=3:2:1\).
- 5.6 G = Oxalsäure, H = Brenztraubensäure, I = Essigsäure. Milde Oxidation wandelt D in G und E in H um; die Peroxidspaltung von F liefert zwei Moleküle I. Die Titration bestätigt wasserfreie Oxalsäure, \(M=90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
- 5.7 Die gemeinte Stammverbindung ist Benzol,
c1ccccc1, historisch mit August Kekulé verbunden. Seine zu Carbonylverbindungen führende Ozonolyse liefert drei Moleküle Glyoxal pro Molekül Benzol. Die Formulierung zur Derivatbeziehung ist vertauscht. - 5.8 Die vollständige Zuordnung lautet:
| Bezeichnung | Name | SMILES |
|---|---|---|
| X | \(o\)-Xylol; 1,2-Dimethylbenzol | Cc1ccccc1C |
| Y | Phenolphthalein, neutrales Lacton | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
| A | Phthalsäure; Benzol-1,2-dicarbonsäure | O=C(O)c1ccccc1C(=O)O |
| B | Phthalsäureanhydrid | O=C1OC(=O)c2ccccc21 |
| C | Di-\(n\)-butylphthalat | CCCCOC(=O)c1ccccc1C(=O)OCCCC |
| D | Glyoxal; Ethandial | O=CC=O |
| E | Methylglyoxal; 2-Oxopropanal | CC(=O)C=O |
| F | Diacetyl; Butan-2,3-dion | CC(=O)C(=O)C |
| G | Oxalsäure; Ethandisäure | O=C(O)C(=O)O |
| H | Brenztraubensäure; 2-Oxopropansäure | CC(=O)C(=O)O |
| I | Essigsäure; Ethansäure | CC(=O)O |
Lösung
5.1 — Summenformel von X
Aus den Verbrennungsprodukten ergeben sich die Stoffmengen von Kohlenstoff und Wasserstoff:
\[ n(\ce{C})=n(\ce{CO2}) =\frac{3.52\ \mathrm{g}}{44\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0800\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{H})=2n(\ce{H2O}) =2\frac{0.90\ \mathrm{g}}{18\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.100\ \mathrm{mol}. \]
Die entsprechenden Massen betragen unter Beibehaltung der Stellen in den Zwischenergebnissen
\[ m(\ce{C})=0.960\ \mathrm{g}, \qquad m(\ce{H})=0.100\ \mathrm{g}. \]
Ihre Summe entspricht der Probenmasse von \(1.060\ \mathrm{g}\). Die Analyse erfasst die Probe somit vollständig als Kohlenstoff und Wasserstoff.
Das Atomzahlenverhältnis beträgt
\[ n(\ce{C}):n(\ce{H})=0.0800:0.100=4:5, \]
also lautet die Verhältnisformel \(\ce{C4H5}\), mit der zugehörigen molaren Masse
\[ 4(12)+5(1)=53\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Bei gleicher Temperatur und gleichem Druck sind Gasdichten proportional zu den molaren Massen. Mit \(M(\ce{N2})=28\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) gilt
\[ M(X)=3.79(28)=106.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx106\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Folglich gilt
\[ \frac{M(X)}{M(\ce{C4H5})}\approx\frac{106}{53}=2, \qquad \boxed{X=\ce{C8H10}}. \]
Der Ungesättigtheitsgrad beträgt
\[ \frac{2(8)+2-10}{2}=4, \]
was mit einem Benzolring vereinbar ist.
5.2 — Identifizierung und Bildung von A, B und C
Die Löslichkeit in wässriger Hydrogencarbonatlösung weist auf eine saure Verbindung hin, hier eine Carbonsäure. Die Bildung eines Anhydrids beim Erhitzen mit anschließender Kondensation mit Phenol zu einem Indikator identifiziert das Paar Phthalsäure–Phthalsäureanhydrid.
Phthalsäure besitzt benachbarte Carboxylgruppen und bildet leicht ein fünfgliedriges cyclisches Anhydrid. Daher muss X benachbarte Methylgruppen besitzen: Es handelt sich um \(o\)-Xylol. Chrom(VI) oxidiert in der Hitze jede Methylgruppe zu einer Carboxylgruppe.
Eine vollständig ausgeglichene Gleichung in saurer Lösung lautet
\[ \underbrace{\ce{C6H4(CH3)2}}_{\text{X: ortho-Xylol}} +\ce{4CrO3 + 12H+} \xrightarrow{\Delta} \underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: Phthalsäure}} +\ce{4Cr^3+ + 8H2O}. \]
Die beiden Substituenten in diesen verkürzten aromatischen Strukturformeln besetzen benachbarte Ringpositionen.
Beim Erhitzen von A wird Wasser abgespalten:
\[ \underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: Phthalsäure}} \xrightarrow{\Delta} \underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: Phthalsäureanhydrid}} +\ce{H2O}. \]
In B schließt das Sauerstoffatom zwischen den beiden Acylgruppen den fünfgliedrigen Anhydridring, der mit dem Benzolring kondensiert ist.
Überschüssiges Butan-1-ol, CCCCO, verestert beide Carboxylgruppen von A:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: Phthalsäure}} +\ce{2HO(CH2)3CH3}\\ &\quad\xrightarrow{\ce{H2SO4},\,\Delta} \underbrace{\ce{C6H4[COO(CH2)3CH3]2}}_{\text{C: Di-n-butylphthalat}} +\ce{2H2O}. \end{aligned} \]
Ausgehend von B entsteht derselbe Diester, jedoch wird netto nur ein Molekül Wasser gebildet:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: Phthalsäureanhydrid}} +\ce{2HO(CH2)3CH3}\\ &\quad\xrightarrow{\ce{H2SO4},\,\Delta} \underbrace{\ce{C6H4[COO(CH2)3CH3]2}}_{\text{C: Di-n-butylphthalat}} +\ce{H2O}. \end{aligned} \]
5.3 — Phenolphthalein: Synthese, Strukturen und Farben
Phthalsäureanhydrid kondensiert mit zwei Molekülen Phenol, Oc1ccccc1, zu Phenolphthalein:
\[ \underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: Phthalsäureanhydrid}} +\underbrace{\ce{2C6H5OH}}_{\text{Phenol}} \xrightarrow[\Delta]{\ce{H2SO4}\ \text{oder}\ \ce{ZnCl2}} \underbrace{\ce{C20H14O4}}_{\text{Y: Phenolphthalein}} +\ce{H2O}. \]
Die relevanten Strukturen sind:
| Medium | Form, Name und Farbe | SMILES |
|---|---|---|
| Sauer | Neutrales Phenolphthalein-Lacton; farblos | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
| Basisch, üblicher Indikatorbereich | Chinoides Phenolphthalein-Dianion; rosa/magentafarben | O=C([O-])c1ccccc1C(c1ccc([O-])cc1)=C1C=CC(=O)C=C1 |
Um die Struktur in saurer Lösung zu zeichnen, zeichnet man einen Phthalidring, dessen tetraedrisches Kohlenstoffatom zwei para-Hydroxyphenyl-Gruppen trägt.
Für die Struktur in basischer Lösung öffnet man den Lactonring unter Bildung einer ortho-Carboxylat-Gruppe. In der dargestellten mesomeren Grenzstruktur ist das zentrale Kohlenstoffatom über eine Doppelbindung mit einem chinoiden Ring und über eine Einfachbindung mit einem para-Phenoxidring verbunden. Ladung und Konjugation sind delokalisiert; der einzelne SMILES-Ausdruck stellt eine Grenzstruktur dar.
Die gesamte Säure-Base-Umwandlung lautet
\[ \underbrace{\ce{C20H14O4}}_{\text{farbloses Lacton}} +\ce{2OH-} \rightleftharpoons \underbrace{\ce{C20H12O4^2-}}_{\text{rosa chinoides Dianion}} +\ce{2H2O}. \]
Die Ringöffnung und die dadurch entstehende erweiterte Konjugation erklären die sichtbare Farbe. Die angegebene Farbe im Basischen bezieht sich auf den normalen Indikatorbereich; in sehr stark alkalischen Lösungen können weitere Veränderungen auftreten.
5.4 — Zwei formale Strukturen und die aromatische Struktur von X
Man nummeriert die Ringkohlenstoffatome fortlaufend von 1 bis 6, wobei die Methylgruppen an den Positionen 1 und 2 sitzen.
| Darstellung von \(o\)-Xylol | Doppelbindungen im Ring | SMILES |
|---|---|---|
| Kekulé-Grenzstruktur \(K_1\) | \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | CC1=C(C)C=CC=C1 |
| Kekulé-Grenzstruktur \(K_2\) | \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | CC1C(C)=CC=CC=1 |
| Delokalisierte aromatische Struktur | Keine festgelegte alternierende Lokalisierung | Cc1ccccc1C |
In \(K_1\) sind die beiden methylgruppentragenden Ringkohlenstoffatome durch eine formale Doppelbindung miteinander verbunden; in \(K_2\) durch eine formale Einfachbindung.
Für die moderne Darstellung zeichnet man ein Sechseck mit einem Kreis im Inneren und Methylgruppen an zwei benachbarten Ecken. Der aromatische Ring ist annähernd planar und besitzt sechs delokalisierte \(\pi\)-Elektronen.
Die Kekulé-Darstellungen sind mesomere Grenzstrukturen, keine getrennt existierenden Isomere oder im Gleichgewicht stehenden Moleküle. Ihre SMILES-Ausdrücke können daher von chemischer Software in dieselbe aromatische Struktur umgewandelt werden.
5.5 — Ozonolyse und das Verhältnis \(3:2:1\)
Bei der formalen ozonolytischen Spaltung wird jedes Kohlenstoffatom einer lokalisierten Doppelbindung in ein Carbonylkohlenstoffatom umgewandelt:
- Ein Ringkohlenstoffatom, das Wasserstoff trägt, wird zu einem Aldehydcarbonylkohlenstoffatom.
- Ein Ringkohlenstoffatom, das eine Methylgruppe trägt, wird zu einem Ketoncarbonylkohlenstoffatom.
Die Spaltung der drei formalen Doppelbindungen hinterlässt drei Fragmente mit jeweils zwei Kohlenstoffatomen, die den drei verbleibenden Ringbindungen entsprechen.
| Formales Muster | Verbleibende Kohlenstoffpaare | Organische Produkte |
|---|---|---|
| \(K_1\): Spaltung von \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | \(2–3,\ 4–5,\ 6–1\) | Ein Molekül Glyoxal D und zwei Moleküle Methylglyoxal E |
| \(K_2\): Spaltung von \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | \(1–2,\ 3–4,\ 5–6\) | Ein Molekül Diacetyl F und zwei Moleküle Glyoxal D |
Je eine Anwendung der beiden formalen Spaltungsmuster ergibt somit
\[ (D+2E)+(2D+F)=3D+2E+F. \]
Damit wird das beobachtete Verhältnis wiedergegeben:
\[ \boxed{D:E:F=3:2:1}. \]
Unter Verwendung der üblichen formalen Bilanz für die Ozonidhydrolyse mit Wasserstoffperoxid als Nebenprodukt lautet die zusammengefasste Gleichung
\[ \begin{aligned} &2\underbrace{\ce{C8H10}}_{\text{X: ortho-Xylol}} +\ce{6O3 + 6H2O}\\ &\quad\longrightarrow 3\underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{D: Glyoxal}} +2\underbrace{\ce{CH3COCHO}}_{\text{E: Methylglyoxal}} +\underbrace{\ce{CH3COCOCH3}}_{\text{F: Diacetyl}} +\ce{6H2O2}. \end{aligned} \]
Das Lösungsmittel ist Chlormethan, CCl. Die Carbonylprodukte sind in ihren üblichen nicht hydratisierten Formen angegeben.
Dies ist eine formale Spaltungsbilanz für das vorgegebene anfängliche Produktgemisch. Sie bedeutet weder, dass X zwei unabhängig existierende Kekulé-Isomere enthält, noch legt die Mesomerie allein die quantitativen Anteile der Reaktionswege fest.
5.6 — Bildung von G, H und I; Überprüfung durch Titration
Hier bezeichnet \(\ce{[O]}\) ein von einem Oxidationsmittel bereitgestelltes Sauerstoffäquivalent und kein freies Sauerstoffatom als Zwischenprodukt.
Milde Oxidation wandelt beide Aldehydgruppen des Glyoxals in Carboxylgruppen um:
\[ \underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{D: Glyoxal}} +\ce{2[O]} \longrightarrow \underbrace{\ce{HOOC-COOH}}_{\text{G: Oxalsäure}}. \]
Methylglyoxal besitzt eine Aldehydgruppe und eine Ketogruppe. Die Oxidation der Aldehydgruppe liefert Brenztraubensäure:
\[ \underbrace{\ce{CH3COCHO}}_{\text{E: Methylglyoxal}} +\ce{[O]} \longrightarrow \underbrace{\ce{CH3COCOOH}}_{\text{H: Brenztraubensäure}}. \]
Diacetyl besitzt zwei Ketogruppen und keine Aldehydgruppe, was seine Beständigkeit gegenüber der vorgegebenen milden Oxidation erklärt. Wasserstoffperoxid spaltet die Bindung zwischen seinen Carbonylkohlenstoffatomen:
\[ \underbrace{\ce{CH3COCOCH3}}_{\text{F: Diacetyl}} +\ce{H2O2} \longrightarrow 2\underbrace{\ce{CH3COOH}}_{\text{I: Essigsäure}}. \]
Essigsäure ist die bekannte Flüssigkeit mit stechendem, essigartigem Geruch.
Die Titration überprüft die Zuordnung von G unabhängig. Die relevanten Teilreaktionen lauten
\[ \ce{H2C2O4 -> 2CO2 + 2H+ + 2e-}, \]
\[ \ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}. \]
Ihre Kombination ergibt
\[ 5\underbrace{\ce{H2C2O4}}_{\text{G: Oxalsäure}} +\ce{2MnO4- + 6H+} \longrightarrow \ce{10CO2 + 2Mn^2+ + 8H2O}. \]
Die Stoffmenge an Permanganat beträgt
\[ n(\ce{MnO4-}) = 0.05\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \times25.6\times10^{-3}\ \mathrm{L} = 1.28\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Aus der \(5:2\)-Stöchiometrie folgt
\[ n(G)=\frac52\,n(\ce{MnO4-}) =3.20\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Somit ergibt sich die molare Masse zu
\[ M(G)= \frac{0.288\ \mathrm{g}} {3.20\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} = 90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Für wasserfreie Oxalsäure gilt
\[ M(\ce{H2C2O4})=2(1)+2(12)+4(16) =90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
was genau mit den Titrationsdaten übereinstimmt.
5.7 — Benzol, Kekulé-Strukturen und Ozonolyse
Die gemeinte Grund- oder Stammverbindung ist Benzol. Genauer gesagt ist \(o\)-Xylol ein Dimethylderivat des Benzols.
Bei festgelegter Nummerierung entlang eines sechsgliedrigen Rings:
| Benzoldarstellung | Doppelbindungen im Ring | SMILES |
|---|---|---|
| Erste Kekulé-Grenzstruktur | \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | C1=CC=CC=C1 |
| Zweite Kekulé-Grenzstruktur | \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | C1C=CC=CC=1 |
| Aromatische Struktur | Sechs delokalisierte \(\pi\)-Elektronen | c1ccccc1 |
Die entsprechenden Zeichnungen sind zwei Sechsecke mit alternierenden, um eine Kante gegeneinander verschobenen Doppelbindungen sowie ein modernes Sechseck mit einem Kreis im Inneren. Jedes Ringkohlenstoffatom trägt ein Wasserstoffatom. Benzol ist planar, und alle sechs Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind gleichwertig.
Der historisch damit verbundene Chemiker ist August Kekulé.
Da jedes Ringkohlenstoffatom Wasserstoff trägt, entsteht bei beiden formalen Spaltungsmustern ausschließlich Glyoxal als organisches Carbonylprodukt. Die übliche Hydrolysebilanz lautet
\[ \underbrace{\ce{C6H6}}_{\text{Benzol}} +\ce{3O3 + 3H2O} \longrightarrow 3\underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{Glyoxal}} +\ce{3H2O2}. \]
Ein Molekül Benzol liefert somit bei der hier betrachteten, zu Carbonylverbindungen führenden Aufarbeitung drei Moleküle Glyoxal.
5.8 — Namen unter den Formeln und übrige SMILES-Ausdrücke
Die Namen von X, Y und A–I stehen in den obigen Gleichungen unter ihren Formeln; die vollständige Zuordnung von Namen und SMILES ist in Antworten 5.8 angegeben.
Der Vollständigkeit halber sind die übrigen in der Lösung verwendeten molekularen und ionischen Spezies aufgeführt:
| Spezies | SMILES |
|---|---|
| Wasser | O |
| Kohlenstoffdioxid | O=C=O |
| Distickstoff | N#N |
| Ozon | [O-][O+]=O |
| Wasserstoffperoxid | OO |
| Schwefelsäure | OS(=O)(=O)O |
| Chrom(VI)-oxid | O=[Cr](=O)=O |
| Chrom(III)-Ion | [Cr+3] |
| Wasserstoffion | [H+] |
| Hydroxidion | [OH-] |
| Natriumhydroxid | [Na+].[OH-] |
| Natriumhydrogencarbonat | [Na+].OC(=O)[O-] |
| Zinkchlorid | [Zn+2].[Cl-].[Cl-] |
| Kaliumpermanganat | [K+].[O-][Mn](=O)(=O)=O |
| Permanganation | [O-][Mn](=O)(=O)=O |
| Mangan(II)-Ion | [Mn+2] |
Die durch Punkte getrennten Salz-SMILES geben die ionische Zusammensetzung an; sie legen weder die Solvatation noch die Koordination im Festkörper fest.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen. Wo diese Lösung von der offiziellen Lösung abweicht, enthält die offizielle Lösung einen Fehler oder Druckfehler.
IChO 1978 · Teori sorusu 5
Kömür katranından elde edilen sıvı X bileşiği
Kömür katranında bulunan belirli bir sıvı organik X bileşiğinin 1.06 g'ı yakıldığında 0.90 g su ve 3.52 g karbon dioksit oluşmuştur. Buharlarının yoğunluğu, azotun yoğunluğunun 3.79 katıdır.
X bileşiği, sıcak bir \(\ce{CrO3 + H2SO4}\) karışımıyla yükseltgenmiştir. Tepkime karışımından renksiz, kristal bir A maddesi ayrılmıştır. Bu madde, sulu \(\ce{NaOH}\) veya \(\ce{NaHCO3}\) çözeltisinde çözünmektedir.
A bileşiği ısıtıldığında su kaybederek B bileşiğine dönüşür. B bileşiğinin \(\ce{H2SO4}\) veya \(\ce{ZnCl2}\) varlığında fenolle kondenzasyonu, asit-baz indikatörü olarak çok sık kullanılan bir Y maddesi verir.
Hem A hem de B bileşiği, aşırı miktarda 1-bütanol ile ısıtıldığında (birkaç damla derişik \(\ce{H2SO4}\) çözeltisi eklenir) aynı sıvı C bileşiğini verir.
Bir karbon atomunun organik bileşiklerde dört bağ oluşturma eğilimi gösterdiği kabul edilirse, X bileşiği için biçimsel olarak iki farklı formül yazılabilir. Ancak bu şekilde yazılan formüller, X molekülünün kimyasal yapısını temsil etmez; çünkü bugüne kadar hiç kimse bu iki varsayımsal izomeri hazırlamayı başaramamıştır.
Haayman ve Witbaut, 1941 yılında X bileşiğini \(\ce{CH3Cl}\) çözeltisinde ozonlamıştır. Ozonitlerin hidrolizinden sonra, su tabakasının D : E : F = 3 : 2 : 1 mol oranında üç farklı organik bileşik içerdiği bulunmuştur. Bunlardan yalnızca ikisi, hafif yükseltgenmeyle yeni G ve H bileşiklerini oluşturmuştur; üçüncüsü bu koşullarda değişmeden kalmış, ancak örneğin \(\ce{H2O2}\) gibi daha kuvvetli yükseltgenlerin etkisiyle, kendine özgü keskin kokusu olan, iyi bilinen bir sıvı I bileşiği oluşmuştur.
Saf, susuz G bileşiğinden alınan bir örnek, sulu 1 molar \(\ce{H2SO4}\) çözeltisinde çözülmüş ve elde edilen çözelti, derişimi kesin olarak bilinen 0.05 molar \(\ce{KMnO4}\) çözeltisiyle titre edilmiştir. 0.288 g G maddesi için 25.6 \(\mathrm{cm^3}\) \(\ce{KMnO4}\) çözeltisi gerekmiştir.
Sorular:
5.1 X bileşiğinin molekül formülünü yazınız.
5.2 Soruda verilen bilgi ve verilere dayanarak, A, B ve C ürünlerinin oluştuğu tepkimelerin kimyasal denklemlerini yazınız.
5.3 Y bileşiğinin adını belirtiniz ve sentez denklemini yazınız. Hem asidik hem de bazik çözeltilerdeki yapı formülünü ve rengini yazınız.
5.4 X bileşiği için iki biçimsel yapı formülünün yanı sıra, en son bulgulara göre daha doğru bir yapı formülü yazınız.
5.5 Ozonitlerin hidrolizinden sonra D, E ve F bileşiklerinin su tabakasında neden 3 : 2 : 1 mol oranında bulunduğunu açıklayacak şekilde, X bileşiğinin ozonolizinin kimyasal denklemini yazınız.
5.6 G, H ve I bileşiklerinin oluşum tepkimelerinin kimyasal denklemlerini yazınız.
5.7 Kömür katranında da bulunduğunu ve X bileşiğinin bir türevi olduğunu bildiğiniz başka bir sıvı organik bileşik için, daha önce kullanılan her iki biçimsel yapı formülünü ve daha doğru olan modern yapı formülünü yazınız. Bu ana bileşiğin formülü, tarihsel olarak hangi tanınmış kimyacının adıyla ilişkilidir? Ozonolizinden hangi ürünler elde edilir?
5.8 X, Y, A – I maddelerinin adlarını, denklemlerde karşılık gelen bileşiklerin altına yazınız.
Not:
Hesaplamalarınızda aşağıdaki değerleri kullanınız:
\(M(\ce{C}) = 12\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{O}) = 16\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{H}) = 1\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{KMnO4}) = 158\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.\)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 5.1 \(\boxed{\ce{C8H10}}\). X, \(o\)-ksilen, yani 1,2-dimetilbenzendir.
- 5.2 Yükseltgenmeyle A, ftalik asit; su kaybıyla B, ftalik anhidrit oluşur. Bunlardan herhangi birinin aşırı miktarda 1-bütanol ile esterleşmesi C, di-\(n\)-bütil ftalatı verir.
- 5.3 Y, fenolftaleindir; bir B molekülü ile iki fenol molekülünden, bir su molekülünün ayrılmasıyla oluşur. Nötr laktonu renksizdir; kinoid dianyonu, indikatörün olağan bazik aralığında pembe/macenta renktedir.
- 5.4 Metil grupları halkanın 1 ve 2 konumlarındayken, iki biçimsel Kekulé yapısında çift bağlar \(1=2,\,3=4,\,5=6\) ve \(2=3,\,4=5,\,6=1\) konumlarındadır. Gerçek molekülde delokalize bir aromatik halka bulunur.
- 5.5 D = glioksal, E = metilglioksal, F = diasetil. İki biçimsel parçalanma düzeni \(D+2E\) ve \(2D+F\) verir; eşit katkıları \(D:E:F=3:2:1\) oranını verir.
- 5.6 G = oksalik asit, H = pirüvik asit, I = asetik asit. Hafif yükseltgenme D'yi G'ye, E'yi ise H'ye dönüştürür; F'nin peroksitle parçalanması iki I molekülü oluşturur. Titrasyon, susuz oksalik asidi doğrular: \(M=90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
- 5.7 Kastedilen ana bileşik, tarihsel olarak August Kekulé ile ilişkilendirilen benzen,
c1ccccc1, bileşiğidir. Karbonil ürünleri veren ozonolizi, benzen molekülü başına üç glioksal molekülü verir. Türev ilişkisine ilişkin ifade ters kurulmuştur. - 5.8 Tüm maddelerin kimlikleri aşağıdaki tabloda verilmiştir:
| Etiket | Adı | SMILES |
|---|---|---|
| X | \(o\)-Ksilen; 1,2-dimetilbenzen | Cc1ccccc1C |
| Y | Fenolftalein, nötr lakton | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
| A | Ftalik asit; benzen-1,2-dikarboksilik asit | O=C(O)c1ccccc1C(=O)O |
| B | Ftalik anhidrit | O=C1OC(=O)c2ccccc21 |
| C | Di-\(n\)-bütil ftalat | CCCCOC(=O)c1ccccc1C(=O)OCCCC |
| D | Glioksal; etandial | O=CC=O |
| E | Metilglioksal; 2-oksopropanal | CC(=O)C=O |
| F | Diasetil; bütan-2,3-dion | CC(=O)C(=O)C |
| G | Oksalik asit; etandioik asit | O=C(O)C(=O)O |
| H | Pirüvik asit; 2-oksopropanoik asit | CC(=O)C(=O)O |
| I | Asetik asit; etanoik asit | CC(=O)O |
Çözüm
5.1 — X'in molekül formülü
Yanma ürünlerinden karbon ve hidrojenin madde miktarları bulunur:
\[ n(\ce{C})=n(\ce{CO2}) =\frac{3.52\ \mathrm{g}}{44\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0800\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{H})=2n(\ce{H2O}) =2\frac{0.90\ \mathrm{g}}{18\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.100\ \mathrm{mol}. \]
Ara basamaklardaki rakamlar korunarak hesaplanan karşılık gelen kütleler şöyledir:
\[ m(\ce{C})=0.960\ \mathrm{g}, \qquad m(\ce{H})=0.100\ \mathrm{g}. \]
Bunların toplamı, örneğin kütlesi olan \(1.060\ \mathrm{g}\)'a eşittir. Böylece analiz, örneğin tamamının karbon ve hidrojenden oluştuğunu gösterir.
Atom oranı
\[ n(\ce{C}):n(\ce{H})=0.0800:0.100=4:5, \]
olduğundan, basit formül \(\ce{C4H5}\) olup basit formülün mol kütlesi şöyledir:
\[ 4(12)+5(1)=53\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Eşit sıcaklık ve basınçta gaz yoğunlukları mol kütleleriyle orantılıdır. \(M(\ce{N2})=28\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) alınırsa,
\[ M(X)=3.79(28)=106.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx106\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Dolayısıyla,
\[ \frac{M(X)}{M(\ce{C4H5})}\approx\frac{106}{53}=2, \qquad \boxed{X=\ce{C8H10}}. \]
Doymamışlık derecesi
\[ \frac{2(8)+2-10}{2}=4, \]
olup bir benzen halkasıyla uyumludur.
5.2 — A, B ve C'nin belirlenmesi ve oluşumu
Sulu bikarbonat çözeltisinde çözünürlük, asidik bir bileşiğe, burada bir karboksilik aside işaret eder. Isıtmayla bir anhidrit oluşması ve ardından fenolle kondenzasyon sonucu bir indikatör elde edilmesi, ftalik asit–ftalik anhidrit çiftini belirler.
Ftalik asidin karboksil grupları komşu konumlardadır ve kolayca beş üyeli halkalı bir anhidrit oluşturur. Bu nedenle X'in metil grupları komşu konumlarda olmalıdır: X, \(o\)-ksilendir. Sıcak ortamda krom(VI), her metil grubunu bir karboksil grubuna yükseltger.
Asidik çözeltide tam olarak denkleştirilmiş denklem şöyledir:
\[ \underbrace{\ce{C6H4(CH3)2}}_{\text{X: orto-ksilen}} +\ce{4CrO3 + 12H+} \xrightarrow{\Delta} \underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: ftalik asit}} +\ce{4Cr^3+ + 8H2O}. \]
Bu yoğunlaştırılmış aromatik formüllerdeki iki sübstitüent, halkanın komşu konumlarında bulunur.
A ısıtıldığında su ayrılır:
\[ \underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: ftalik asit}} \xrightarrow{\Delta} \underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: ftalik anhidrit}} +\ce{H2O}. \]
B'de, iki açil grubu arasındaki oksijen, benzen halkasına kaynaşmış beş üyeli anhidrit halkasını kapatır.
Aşırı miktarda bütan-1-ol, CCCCO, A'nın her iki karboksil grubunu da esterleştirir:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: ftalik asit}} +\ce{2HO(CH2)3CH3}\\ &\quad\xrightarrow{\ce{H2SO4},\,\Delta} \underbrace{\ce{C6H4[COO(CH2)3CH3]2}}_{\text{C: di-n-bütil ftalat}} +\ce{2H2O}. \end{aligned} \]
B'den başlandığında aynı diester elde edilir, ancak net olarak yalnızca bir su molekülü oluşur:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: ftalik anhidrit}} +\ce{2HO(CH2)3CH3}\\ &\quad\xrightarrow{\ce{H2SO4},\,\Delta} \underbrace{\ce{C6H4[COO(CH2)3CH3]2}}_{\text{C: di-n-bütil ftalat}} +\ce{H2O}. \end{aligned} \]
5.3 — Fenolftalein: sentezi, yapıları ve renkleri
Ftalik anhidrit, iki fenol, Oc1ccccc1, molekülüyle kondenzasyona girerek fenolftalein oluşturur:
\[ \underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: ftalik anhidrit}} +\underbrace{\ce{2C6H5OH}}_{\text{fenol}} \xrightarrow[\Delta]{\ce{H2SO4}\ \text{veya}\ \ce{ZnCl2}} \underbrace{\ce{C20H14O4}}_{\text{Y: fenolftalein}} +\ce{H2O}. \]
İlgili yapılar şöyledir:
| Ortam | Biçimi, adı ve rengi | SMILES |
|---|---|---|
| Asidik | Nötr fenolftalein laktonu; renksiz | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
| Bazik, olağan indikatör aralığı | Fenolftaleinin kinoid dianyonu; pembe/macenta | O=C([O-])c1ccccc1C(c1ccc([O-])cc1)=C1C=CC(=O)C=C1 |
Asidik ortamdaki yapıyı çizmek için, tetrahedral karbonuna iki para-hidroksifenil grubunun bağlı olduğu bir ftalit halkası çiziniz.
Bazik ortamdaki yapı için, lakton halkasını açarak bir orto-karboksilat grubu oluşturunuz. Gösterilen rezonans katkı yapısında merkez karbon, kinonoid bir halkaya çift bağla, bir para-fenoksit halkasına ise tek bağla bağlıdır. Yük ve konjugasyon delokalizedir; verilen tek SMILES, katkı yapılarından birini temsil eder.
Toplam asit–baz dönüşümü şöyledir:
\[ \underbrace{\ce{C20H14O4}}_{\text{renksiz lakton}} +\ce{2OH-} \rightleftharpoons \underbrace{\ce{C20H12O4^2-}}_{\text{pembe kinoid dianyon}} +\ce{2H2O}. \]
Halkanın açılması ve bunun sonucunda konjugasyonun genişlemesi, gözlenen rengi açıklar. Belirtilen bazik ortam rengi, normal indikatör aralığı için geçerlidir; çok kuvvetli alkali çözeltilerde başka değişimler de gerçekleşebilir.
5.4 — X'in iki biçimsel yapısı ve aromatik yapısı
Halka karbonlarını, metil grupları 1 ve 2 konumlarına bağlı olacak şekilde, 1'den 6'ya kadar sırayla numaralandırınız.
| \(o\)-Ksilenin gösterimi | Halkadaki çift bağlar | SMILES |
|---|---|---|
| Kekulé katkı yapısı \(K_1\) | \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | CC1=C(C)C=CC=C1 |
| Kekulé katkı yapısı \(K_2\) | \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | CC1C(C)=CC=CC=1 |
| Delokalize aromatik yapı | Sabit, dönüşümlü bir yerelleşme yoktur | Cc1ccccc1C |
\(K_1\)'de, metil grubu taşıyan iki halka karbonu arasında biçimsel bir çift bağ; \(K_2\)'de ise biçimsel bir tek bağ vardır.
Modern gösterim için, içinde bir çember bulunan ve iki komşu köşesinde metil grupları olan bir altıgen çiziniz. Aromatik halka yaklaşık olarak düzlemseldir ve altı delokalize \(\pi\) elektronu içerir.
Kekulé çizimleri rezonans katkı yapılarıdır; ayrı ayrı var olan izomerler veya dengedeki moleküller değildir. Bu nedenle bunların SMILES gösterimleri, kimya yazılımları tarafından aynı aromatik yapıya dönüştürülebilir.
5.5 — Ozonoliz ve \(3:2:1\) oranı
Biçimsel ozonolitik parçalanma, yerelleşmiş bir çift bağın her karbonunu bir karbonil karbonuna dönüştürür:
- Hidrojen taşıyan bir halka karbonu, aldehit karboniline dönüşür.
- Metil grubu taşıyan bir halka karbonu, keton karboniline dönüşür.
Üç biçimsel çift bağın parçalanması, geriye kalan üç halka bağına karşılık gelen, ikişer karbonlu üç parça bırakır.
| Biçimsel düzen | Geriye kalan karbon çiftleri | Organik ürünler |
|---|---|---|
| \(K_1\): \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) bağları parçalanır | \(2–3,\ 4–5,\ 6–1\) | Bir glioksal D ve iki metilglioksal E |
| \(K_2\): \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) bağları parçalanır | \(1–2,\ 3–4,\ 5–6\) | Bir diasetil F ve iki glioksal D |
Böylece her biçimsel parçalanma düzeninin birer kez gerçekleşmesi şu sonucu verir:
\[ (D+2E)+(2D+F)=3D+2E+F. \]
Bu, gözlenen oranı verir:
\[ \boxed{D:E:F=3:2:1}. \]
Ozonit hidrolizi için, hidrojen peroksidin de ürün olarak oluştuğu geleneksel biçimsel denkleştirme kullanıldığında, birleşik denklem şöyledir:
\[ \begin{aligned} &2\underbrace{\ce{C8H10}}_{\text{X: orto-ksilen}} +\ce{6O3 + 6H2O}\\ &\quad\longrightarrow 3\underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{D: glioksal}} +2\underbrace{\ce{CH3COCHO}}_{\text{E: metilglioksal}} +\underbrace{\ce{CH3COCOCH3}}_{\text{F: diasetil}} +\ce{6H2O2}. \end{aligned} \]
Çözücü klorometan, CCl, bileşiğidir. Karbonil ürünleri, geleneksel olarak kullanılan hidratlaşmamış biçimleriyle yazılmıştır.
Bu, belirtilen başlangıç ürün karışımını açıklayan biçimsel bir parçalanma hesabıdır. X'in birbirinden bağımsız olarak var olan iki Kekulé izomeri içerdiği anlamına gelmez; rezonans tek başına tepkimenin farklı yollara hangi nicel oranlarda dağıldığını da belirlemez.
5.6 — G, H ve I'nın oluşumu; titrasyonla doğrulama
Burada \(\ce{[O]}\), serbest bir oksijen atomu ara türünü değil, yükseltgen bir reaktifin sağladığı bir oksijen eşdeğerini gösterir.
Hafif yükseltgenme, glioksalin her iki aldehit grubunu da karboksil gruplarına dönüştürür:
\[ \underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{D: glioksal}} +\ce{2[O]} \longrightarrow \underbrace{\ce{HOOC-COOH}}_{\text{G: oksalik asit}}. \]
Metilglioksalin bir aldehit grubu ve bir keton grubu vardır. Aldehit grubunun yükseltgenmesi pirüvik asit verir:
\[ \underbrace{\ce{CH3COCHO}}_{\text{E: metilglioksal}} +\ce{[O]} \longrightarrow \underbrace{\ce{CH3COCOOH}}_{\text{H: pirüvik asit}}. \]
Diasetilin iki keton grubu vardır ve aldehit grubu yoktur; bu durum, belirtilen hafif yükseltgenmeye karşı direncini açıklar. Hidrojen peroksit, karbonil karbonları arasındaki bağı parçalar:
\[ \underbrace{\ce{CH3COCOCH3}}_{\text{F: diasetil}} +\ce{H2O2} \longrightarrow 2\underbrace{\ce{CH3COOH}}_{\text{I: asetik asit}}. \]
Asetik asit, keskin, sirkeye benzer kokusuyla bilinen sıvıdır.
Titrasyon, G'nin kimliğini bağımsız olarak denetler. İlgili yarı tepkimeler şöyledir:
\[ \ce{H2C2O4 -> 2CO2 + 2H+ + 2e-}, \]
\[ \ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}. \]
Bunlar birleştirildiğinde şu denklem elde edilir:
\[ 5\underbrace{\ce{H2C2O4}}_{\text{G: oksalik asit}} +\ce{2MnO4- + 6H+} \longrightarrow \ce{10CO2 + 2Mn^2+ + 8H2O}. \]
Permanganatın madde miktarı şöyledir:
\[ n(\ce{MnO4-}) = 0.05\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \times25.6\times10^{-3}\ \mathrm{L} = 1.28\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
\(5:2\) stokiyometrik oranından,
\[ n(G)=\frac52\,n(\ce{MnO4-}) =3.20\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Buna göre hesaplanan mol kütlesi şöyledir:
\[ M(G)= \frac{0.288\ \mathrm{g}} {3.20\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} = 90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Susuz oksalik asit için,
\[ M(\ce{H2C2O4})=2(1)+2(12)+4(16) =90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
olup titrasyon verileriyle tam olarak örtüşür.
5.7 — Benzen, Kekulé yapıları ve ozonoliz
Kastedilen temel veya ana bileşik benzendir. Daha kesin bir ifadeyle, \(o\)-ksilen benzenin bir dimetil türevidir.
Altı üyeli bir halka çevresinde sabit bir numaralandırma kullanıldığında:
| Benzenin gösterimi | Halkadaki çift bağlar | SMILES |
|---|---|---|
| Birinci Kekulé katkı yapısı | \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | C1=CC=CC=C1 |
| İkinci Kekulé katkı yapısı | \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | C1C=CC=CC=1 |
| Aromatik yapı | Altı delokalize \(\pi\) elektronu | c1ccccc1 |
Bunlara karşılık gelen çizimler, dönüşümlü çift bağları birbirine göre bir kenar kaydırılmış iki altıgen ve içinde bir çember bulunan modern bir altıgendir. Her halka karbonu bir hidrojen taşır. Benzen düzlemseldir ve altı karbon–karbon bağının tümü eşdeğerdir.
Tarihsel olarak ilgili kimyacı August Kekulé'dir.
Her halka karbonu hidrojen taşıdığından, her iki biçimsel parçalanma düzeni de organik karbonil ürünü olarak yalnızca glioksal oluşturur. Geleneksel hidroliz denklemi şöyledir:
\[ \underbrace{\ce{C6H6}}_{\text{benzen}} +\ce{3O3 + 3H2O} \longrightarrow 3\underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{glioksal}} +\ce{3H2O2}. \]
Dolayısıyla bir benzen molekülü, burada ele alınan karbonil oluşumuyla sonuçlanan tepkime sonrası işlemler altında üç glioksal molekülü verir.
5.8 — Formüllerin altındaki adlar ve diğer SMILES gösterimleri
X, Y ve A–I'nın adları, yukarıdaki denklemlerde formüllerinin altında yer almaktadır; tüm ad–SMILES eşleştirmeleri Cevaplar 5.8'de verilmiştir.
Eksiksiz olması için, çözümde kullanılan diğer moleküler ve iyonik türler aşağıda verilmiştir:
| Tür | SMILES |
|---|---|
| Su | O |
| Karbon dioksit | O=C=O |
| Diazot | N#N |
| Ozon | [O-][O+]=O |
| Hidrojen peroksit | OO |
| Sülfürik asit | OS(=O)(=O)O |
| Krom(VI) oksit | O=[Cr](=O)=O |
| Krom(III) iyonu | [Cr+3] |
| Hidrojen iyonu | [H+] |
| Hidroksit iyonu | [OH-] |
| Sodyum hidroksit | [Na+].[OH-] |
| Sodyum hidrojen karbonat | [Na+].OC(=O)[O-] |
| Çinko klorür | [Zn+2].[Cl-].[Cl-] |
| Potasyum permanganat | [K+].[O-][Mn](=O)(=O)=O |
| Permanganat iyonu | [O-][Mn](=O)(=O)=O |
| Mangan(II) iyonu | [Mn+2] |
Bağlantısız parçalar içeren tuz SMILES gösterimleri iyonik bileşimi belirtir; solvatasyonu veya katı hâldeki koordinasyonu belirtmez.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IChO 1978 · Problema teórico 5
Compuesto líquido X del alquitrán de hulla
Se quemó una muestra de 1.06 g de un determinado compuesto orgánico líquido X (presente en el alquitrán de hulla), que produjo 0.90 g de agua y 3.52 g de dióxido de carbono. Sus vapores eran 3.79 veces más densos que el nitrógeno.
El compuesto X se oxidó con una mezcla caliente de \(\ce{CrO3 + H2SO4}\). De la mezcla de reacción se aisló una sustancia cristalina incolora A. Era soluble en una disolución acuosa de \(\ce{NaOH}\) o de \(\ce{NaHCO3}\).
El compuesto A, al calentarse, pierde agua y se transforma en el compuesto B. La condensación del compuesto B con fenol en presencia de \(\ce{H2SO4}\) o de \(\ce{ZnCl2}\) da una sustancia Y que se utiliza muy frecuentemente como indicador ácido-base.
Tanto el compuesto A como el compuesto B, al calentarse con un exceso de 1-butanol (se añaden unas gotas de una disolución concentrada de \(\ce{H2SO4}\)), dan el mismo compuesto líquido C.
Si se acepta que un átomo de carbono tiende a formar cuatro enlaces en los compuestos orgánicos, es posible escribir formalmente dos fórmulas diferentes para el compuesto X. Sin embargo, las fórmulas escritas de este modo no corresponden a la estructura química de la molécula X, porque hasta la fecha nadie ha conseguido preparar los dos isómeros hipotéticos.
Haayman y Witbaut llevaron a cabo en 1941 una ozonización del compuesto X en una disolución de \(\ce{CH3Cl}\). Tras la hidrólisis de los ozónidos, se comprobó que la fase acuosa contenía tres compuestos orgánicos diferentes en una proporción molar D : E : F = 3 : 2 : 1. Solo dos de ellos formaban nuevos compuestos G y H mediante una oxidación suave; el tercero permanecía inalterado en estas condiciones, pero la acción de oxidantes más fuertes, como \(\ce{H2O2}\), por ejemplo, daba lugar a un compuesto líquido muy conocido I, con un olor acre característico.
Se disolvió una muestra del compuesto G puro y anhidro en una disolución acuosa 1-molar de \(\ce{H2SO4}\) y la disolución resultante se valoró con una disolución patrón 0.05-molar de \(\ce{KMnO4}\). Una cantidad de 0.288 g de la sustancia G requirió 25.6 \(\mathrm{cm^3}\) de la disolución de \(\ce{KMnO4}\).
Cuestiones:
5.1 Escriba la fórmula molecular del compuesto X.
5.2 A partir de la información y los datos del enunciado, escriba las ecuaciones químicas de las reacciones mediante las cuales se forman los productos A, B y C.
5.3 Indique el nombre del compuesto Y y escriba la ecuación de su síntesis. Escriba su fórmula estructural e indique su color tanto en disolución ácida como en disolución básica.
5.4 Escriba dos fórmulas estructurales formales del compuesto X, así como una fórmula estructural más correcta según los descubrimientos más recientes.
5.5 Escriba la ecuación química de la ozonólisis del compuesto X que permita explicar por qué los compuestos D, E y F están presentes en la fase acuosa, tras la hidrólisis de los ozónidos, en una proporción molar de 3 : 2 : 1.
5.6 Escriba las ecuaciones químicas de las reacciones de formación de los compuestos G, H e I.
5.7 Escriba las dos fórmulas estructurales formales utilizadas anteriormente y la fórmula estructural moderna más correcta de otro compuesto orgánico líquido, sabiendo que también está presente en el alquitrán de hulla y que es un derivado del compuesto X. ¿Qué nombre de un químico conocido está históricamente relacionado con la fórmula de este compuesto base? ¿Qué productos se obtienen mediante su ozonólisis?
5.8 Escriba los nombres de las sustancias X, Y, A – I debajo de los compuestos correspondientes en las ecuaciones.
Nota:
Utilice en sus cálculos:
\(M(\ce{C}) = 12\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{O}) = 16\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{H}) = 1\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{KMnO4}) = 158\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.\)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 5.1 \(\boxed{\ce{C8H10}}\). X es \(o\)-xileno, o 1,2-dimetilbenceno.
- 5.2 La oxidación da A, ácido ftálico; la deshidratación da B, anhídrido ftálico. La esterificación de cualquiera de ellos con un exceso de 1-butanol da C, ftalato de di-\(n\)-butilo.
- 5.3 Y es fenolftaleína, formada a partir de una molécula de B y dos moléculas de fenol, con eliminación de una molécula de agua. Su lactona neutra es incolora; su dianión quinoide es rosa/magenta en el intervalo básico habitual de uso del indicador.
- 5.4 Con los grupos metilo en las posiciones 1 y 2 del anillo, las dos estructuras formales de Kekulé tienen dobles enlaces en \(1=2,\,3=4,\,5=6\) y \(2=3,\,4=5,\,6=1\). La molécula real tiene un anillo aromático deslocalizado.
- 5.5 D = glioxal, E = metilglioxal, F = diacetilo. Los dos patrones de ruptura formales dan \(D+2E\) y \(2D+F\); contribuciones iguales dan \(D:E:F=3:2:1\).
- 5.6 G = ácido oxálico, H = ácido pirúvico, I = ácido acético. La oxidación suave transforma D en G y E en H; la ruptura de F con peróxido produce dos moléculas de I. La valoración confirma que se trata de ácido oxálico anhidro, \(M=90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
- 5.7 El compuesto precursor al que se refiere el enunciado es el benceno,
c1ccccc1, asociado históricamente con August Kekulé. Su ozonólisis con formación de compuestos carbonílicos da tres moléculas de glioxal por molécula de benceno. La relación de derivación está invertida en la redacción del enunciado. - 5.8 La clave completa de identificación es:
| Etiqueta | Nombre | SMILES |
|---|---|---|
| X | \(o\)-Xileno; 1,2-dimetilbenceno | Cc1ccccc1C |
| Y | Fenolftaleína, lactona neutra | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
| A | Ácido ftálico; ácido benceno-1,2-dicarboxílico | O=C(O)c1ccccc1C(=O)O |
| B | Anhídrido ftálico | O=C1OC(=O)c2ccccc21 |
| C | Ftalato de di-\(n\)-butilo | CCCCOC(=O)c1ccccc1C(=O)OCCCC |
| D | Glioxal; etanodial | O=CC=O |
| E | Metilglioxal; 2-oxopropanal | CC(=O)C=O |
| F | Diacetilo; butano-2,3-diona | CC(=O)C(=O)C |
| G | Ácido oxálico; ácido etanodioico | O=C(O)C(=O)O |
| H | Ácido pirúvico; ácido 2-oxopropanoico | CC(=O)C(=O)O |
| I | Ácido acético; ácido etanoico | CC(=O)O |
Solución
5.1 — Fórmula molecular de X
Los productos de combustión permiten obtener las cantidades de carbono e hidrógeno:
\[ n(\ce{C})=n(\ce{CO2}) =\frac{3.52\ \mathrm{g}}{44\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0800\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{H})=2n(\ce{H2O}) =2\frac{0.90\ \mathrm{g}}{18\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.100\ \mathrm{mol}. \]
Las masas correspondientes, conservando las cifras intermedias, son
\[ m(\ce{C})=0.960\ \mathrm{g}, \qquad m(\ce{H})=0.100\ \mathrm{g}. \]
Su suma es igual a la masa de la muestra, \(1.060\ \mathrm{g}\). Por tanto, el análisis muestra que la muestra está constituida íntegramente por carbono e hidrógeno.
La proporción atómica es
\[ n(\ce{C}):n(\ce{H})=0.0800:0.100=4:5, \]
por lo que la fórmula empírica es \(\ce{C4H5}\), cuya masa de fórmula empírica es
\[ 4(12)+5(1)=53\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
A igual temperatura y presión, las densidades de los gases son proporcionales a sus masas molares. Tomando \(M(\ce{N2})=28\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ M(X)=3.79(28)=106.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx106\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
En consecuencia,
\[ \frac{M(X)}{M(\ce{C4H5})}\approx\frac{106}{53}=2, \qquad \boxed{X=\ce{C8H10}}. \]
Su grado de insaturación es
\[ \frac{2(8)+2-10}{2}=4, \]
lo que es compatible con un anillo bencénico.
5.2 — Identificación y formación de A, B y C
La solubilidad en una disolución acuosa de hidrogenocarbonato indica que se trata de un compuesto ácido, en este caso un ácido carboxílico. La formación de un anhídrido al calentar, seguida de la condensación con fenol para formar un indicador, permite identificar el par ácido ftálico–anhídrido ftálico.
El ácido ftálico tiene grupos carboxilo adyacentes y forma fácilmente un anhídrido cíclico de cinco miembros. Por tanto, X debe tener grupos metilo adyacentes: es \(o\)-xileno. El cromo(VI) en caliente oxida cada grupo metilo a un grupo carboxilo.
Una ecuación completamente ajustada en disolución ácida es
\[ \underbrace{\ce{C6H4(CH3)2}}_{\text{X: orto-xileno}} +\ce{4CrO3 + 12H+} \xrightarrow{\Delta} \underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: ácido ftálico}} +\ce{4Cr^3+ + 8H2O}. \]
Los dos sustituyentes de estas fórmulas aromáticas condensadas ocupan posiciones adyacentes en el anillo.
Al calentar A, se elimina agua:
\[ \underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: ácido ftálico}} \xrightarrow{\Delta} \underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: anhídrido ftálico}} +\ce{H2O}. \]
En B, el oxígeno situado entre los dos grupos acilo cierra el anillo de anhídrido de cinco miembros fusionado con el anillo bencénico.
Un exceso de butan-1-ol, CCCCO, esterifica ambos grupos carboxilo de A:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: ácido ftálico}} +\ce{2HO(CH2)3CH3}\\ &\quad\xrightarrow{\ce{H2SO4},\,\Delta} \underbrace{\ce{C6H4[COO(CH2)3CH3]2}}_{\text{C: ftalato de di-n-butilo}} +\ce{2H2O}. \end{aligned} \]
Partiendo de B se obtiene el mismo diéster, pero el balance neto solo da una molécula de agua:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: anhídrido ftálico}} +\ce{2HO(CH2)3CH3}\\ &\quad\xrightarrow{\ce{H2SO4},\,\Delta} \underbrace{\ce{C6H4[COO(CH2)3CH3]2}}_{\text{C: ftalato de di-n-butilo}} +\ce{H2O}. \end{aligned} \]
5.3 — Fenolftaleína: síntesis, estructuras y colores
El anhídrido ftálico se condensa con dos moléculas de fenol, Oc1ccccc1, para formar fenolftaleína:
\[ \underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: anhídrido ftálico}} +\underbrace{\ce{2C6H5OH}}_{\text{fenol}} \xrightarrow[\Delta]{\ce{H2SO4}\ \text{o}\ \ce{ZnCl2}} \underbrace{\ce{C20H14O4}}_{\text{Y: fenolftaleína}} +\ce{H2O}. \]
Las estructuras pertinentes son:
| Medio | Forma, nombre y color | SMILES |
|---|---|---|
| Ácido | Lactona neutra de la fenolftaleína; incolora | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
| Básico, intervalo habitual de uso del indicador | Dianión quinoide de la fenolftaleína; rosa/magenta | O=C([O-])c1ccccc1C(c1ccc([O-])cc1)=C1C=CC(=O)C=C1 |
Para representar la estructura en medio ácido, dibuje un anillo de ftalida cuyo carbono tetraédrico lleve dos grupos para-hidroxifenilo.
Para la estructura en medio básico, abra el anillo de lactona para dar un grupo orto-carboxilato. En la forma resonante representada, el carbono central está unido por un doble enlace a un anillo quinonoide y por un enlace sencillo a un anillo de para-fenóxido. La carga y la conjugación están deslocalizadas; el único SMILES mostrado representa una de las formas resonantes.
La transformación ácido-base global es
\[ \underbrace{\ce{C20H14O4}}_{\text{lactona incolora}} +\ce{2OH-} \rightleftharpoons \underbrace{\ce{C20H12O4^2-}}_{\text{dianión quinoide rosa}} +\ce{2H2O}. \]
La apertura del anillo y la consiguiente extensión de la conjugación explican el color visible. El color indicado en medio básico corresponde al intervalo normal de uso del indicador; en disoluciones muy fuertemente alcalinas pueden producirse cambios adicionales.
5.4 — Dos estructuras formales y la estructura aromática de X
Numere los carbonos del anillo consecutivamente del 1 al 6, con los grupos metilo unidos a las posiciones 1 y 2.
| Representación del \(o\)-xileno | Dobles enlaces del anillo | SMILES |
|---|---|---|
| Forma resonante de Kekulé \(K_1\) | \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | CC1=C(C)C=CC=C1 |
| Forma resonante de Kekulé \(K_2\) | \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | CC1C(C)=CC=CC=1 |
| Estructura aromática deslocalizada | Sin localización alternante fija | Cc1ccccc1C |
En \(K_1\), los dos carbonos del anillo que llevan grupos metilo comparten un doble enlace formal; en \(K_2\), comparten un enlace sencillo formal.
Para la representación moderna, dibuje un hexágono con un círculo interior y grupos metilo en dos vértices adyacentes. El anillo aromático es aproximadamente plano, con seis electrones \(\pi\) deslocalizados.
Las representaciones de Kekulé son formas resonantes, no isómeros que existan por separado ni moléculas en equilibrio. Por tanto, los programas de química pueden convertir sus SMILES en una misma estructura aromática.
5.5 — Ozonólisis y proporción \(3:2:1\)
La ruptura ozonolítica formal convierte cada carbono de un doble enlace localizado en un carbono carbonílico:
- Un carbono del anillo que lleva hidrógeno se convierte en un carbonilo de aldehído.
- Un carbono del anillo que lleva un grupo metilo se convierte en un carbonilo de cetona.
La ruptura de los tres dobles enlaces formales deja tres fragmentos de dos carbonos, correspondientes a los tres enlaces restantes del anillo.
| Patrón formal | Pares de carbonos restantes | Productos orgánicos |
|---|---|---|
| \(K_1\): ruptura de \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | \(2–3,\ 4–5,\ 6–1\) | Una molécula de glioxal D y dos de metilglioxal E |
| \(K_2\): ruptura de \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | \(1–2,\ 3–4,\ 5–6\) | Una molécula de diacetilo F y dos de glioxal D |
Así, una aplicación de cada patrón de ruptura formal da
\[ (D+2E)+(2D+F)=3D+2E+F. \]
Esto reproduce la proporción observada:
\[ \boxed{D:E:F=3:2:1}. \]
Utilizando el balance formal convencional de la hidrólisis de los ozónidos, con peróxido de hidrógeno como coproducto, la ecuación combinada es
\[ \begin{aligned} &2\underbrace{\ce{C8H10}}_{\text{X: orto-xileno}} +\ce{6O3 + 6H2O}\\ &\quad\longrightarrow 3\underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{D: glioxal}} +2\underbrace{\ce{CH3COCHO}}_{\text{E: metilglioxal}} +\underbrace{\ce{CH3COCOCH3}}_{\text{F: diacetilo}} +\ce{6H2O2}. \end{aligned} \]
El disolvente es clorometano, CCl. Los productos carbonílicos se escriben en sus formas convencionales no hidratadas.
Esta es una descripción formal de la ruptura que da cuenta de la mezcla inicial de productos especificada. No significa que X contenga dos isómeros de Kekulé que existan independientemente, ni que la resonancia por sí sola establezca cuantitativamente la distribución entre las vías de reacción.
5.6 — Formación de G, H e I; verificación mediante valoración
Aquí, \(\ce{[O]}\) denota un equivalente de oxígeno aportado por un reactivo oxidante, y no un átomo de oxígeno libre como intermedio.
La oxidación suave transforma ambos grupos aldehído del glioxal en grupos carboxilo:
\[ \underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{D: glioxal}} +\ce{2[O]} \longrightarrow \underbrace{\ce{HOOC-COOH}}_{\text{G: ácido oxálico}}. \]
El metilglioxal tiene un grupo aldehído y un grupo cetona. La oxidación del grupo aldehído da ácido pirúvico:
\[ \underbrace{\ce{CH3COCHO}}_{\text{E: metilglioxal}} +\ce{[O]} \longrightarrow \underbrace{\ce{CH3COCOOH}}_{\text{H: ácido pirúvico}}. \]
El diacetilo tiene dos grupos cetona y ningún grupo aldehído, lo que explica su resistencia a la oxidación suave especificada. El peróxido de hidrógeno rompe el enlace entre sus carbonos carbonílicos:
\[ \underbrace{\ce{CH3COCOCH3}}_{\text{F: diacetilo}} +\ce{H2O2} \longrightarrow 2\underbrace{\ce{CH3COOH}}_{\text{I: ácido acético}}. \]
El ácido acético es el conocido líquido de olor acre, semejante al del vinagre.
La valoración comprueba de manera independiente la identificación de G. Las semirreacciones pertinentes son
\[ \ce{H2C2O4 -> 2CO2 + 2H+ + 2e-}, \]
\[ \ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}. \]
Al combinarlas se obtiene
\[ 5\underbrace{\ce{H2C2O4}}_{\text{G: ácido oxálico}} +\ce{2MnO4- + 6H+} \longrightarrow \ce{10CO2 + 2Mn^2+ + 8H2O}. \]
La cantidad de permanganato es
\[ n(\ce{MnO4-}) = 0.05\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \times25.6\times10^{-3}\ \mathrm{L} = 1.28\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
A partir de la estequiometría \(5:2\),
\[ n(G)=\frac52\,n(\ce{MnO4-}) =3.20\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Por tanto, la masa molar deducida es
\[ M(G)= \frac{0.288\ \mathrm{g}} {3.20\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} = 90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Para el ácido oxálico anhidro,
\[ M(\ce{H2C2O4})=2(1)+2(12)+4(16) =90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
lo que coincide exactamente con los datos de la valoración.
5.7 — Benceno, estructuras de Kekulé y ozonólisis
El compuesto base o precursor al que se refiere el enunciado es el benceno. Más precisamente, el \(o\)-xileno es un derivado dimetilado del benceno.
Utilizando una numeración fija alrededor de un anillo de seis miembros:
| Representación del benceno | Dobles enlaces del anillo | SMILES |
|---|---|---|
| Primera forma resonante de Kekulé | \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | C1=CC=CC=C1 |
| Segunda forma resonante de Kekulé | \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | C1C=CC=CC=1 |
| Estructura aromática | Seis electrones \(\pi\) deslocalizados | c1ccccc1 |
Las representaciones correspondientes son dos hexágonos con dobles enlaces alternantes desplazados un lado entre sí, y un hexágono moderno que contiene un círculo. Cada carbono del anillo lleva un hidrógeno. El benceno es plano y sus seis enlaces carbono–carbono son equivalentes.
El químico histórico es August Kekulé.
Como cada carbono del anillo lleva hidrógeno, cualquiera de los dos patrones de ruptura formales produce únicamente glioxal como producto carbonílico orgánico. El balance convencional de la hidrólisis es
\[ \underbrace{\ce{C6H6}}_{\text{benceno}} +\ce{3O3 + 3H2O} \longrightarrow 3\underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{glioxal}} +\ce{3H2O2}. \]
Así, una molécula de benceno da tres moléculas de glioxal en las condiciones de tratamiento posterior con formación de compuestos carbonílicos consideradas aquí.
5.8 — Nombres debajo de las fórmulas y SMILES restantes
Los nombres de X, Y y A–I aparecen debajo de sus fórmulas en las ecuaciones anteriores; la clave completa de correspondencia entre nombres y SMILES se da en Respuestas 5.8.
Para completar la información, las demás especies moleculares e iónicas utilizadas en la solución son:
| Especie | SMILES |
|---|---|
| Agua | O |
| Dióxido de carbono | O=C=O |
| Dinitrógeno | N#N |
| Ozono | [O-][O+]=O |
| Peróxido de hidrógeno | OO |
| Ácido sulfúrico | OS(=O)(=O)O |
| Óxido de cromo(VI) | O=[Cr](=O)=O |
| Ion cromo(III) | [Cr+3] |
| Ion hidrógeno | [H+] |
| Ion hidróxido | [OH-] |
| Hidróxido de sodio | [Na+].[OH-] |
| Hidrogenocarbonato de sodio | [Na+].OC(=O)[O-] |
| Cloruro de zinc | [Zn+2].[Cl-].[Cl-] |
| Permanganato de potasio | [K+].[O-][Mn](=O)(=O)=O |
| Ion permanganato | [O-][Mn](=O)(=O)=O |
| Ion manganeso(II) | [Mn+2] |
Los SMILES de las sales con componentes desconectados especifican la composición iónica; no especifican la solvatación ni la coordinación en estado sólido.
La solución se comprobó con la solución oficial. Donde esta solución difiere de la solución oficial, la solución oficial contiene un error o una errata.
IChO 1978 · 理论题 5
煤焦油中的液态化合物 X
将质量为 1.06 g 的某种液态有机化合物 X(存在于煤焦油中)燃烧,生成 0.90 g 水和 3.52 g 二氧化碳。其蒸气的密度是氮气的 3.79 倍。
用热的 \(\ce{CrO3 + H2SO4}\) 混合物氧化化合物 X。从反应混合物中分离出一种无色晶体物质 A。它可溶于 \(\ce{NaOH}\) 或 \(\ce{NaHCO3}\) 的水溶液。
化合物 A 加热时失水,转化为化合物 B。化合物 B 在 \(\ce{H2SO4}\) 或 \(\ce{ZnCl2}\) 存在下与苯酚缩合,生成一种经常用作酸碱指示剂的物质 Y。
化合物 A 和化合物 B 分别与过量的 1-丁醇一起加热(加入几滴浓 \(\ce{H2SO4}\) 溶液),均生成同一种液态化合物 C。
如果认为碳原子在有机化合物中倾向于形成四个键,则可以在形式上为化合物 X 写出两种不同的结构式。然而,这样写出的结构式并不对应于分子 X 的化学结构,因为迄今尚无人成功制备出这两种假想的异构体。
Haayman 和 Witbaut 于 1941 年在 \(\ce{CH3Cl}\) 溶液中对化合物 X 进行了臭氧化反应。臭氧化物水解后,发现水层中含有三种不同的有机化合物,其物质的量之比为 D : E : F = 3 : 2 : 1。其中只有两种在温和氧化条件下生成新化合物 G 和 H,第三种在这些条件下保持不变,但在较强氧化剂(例如 \(\ce{H2O2}\))作用下,会生成一种众所周知、具有特征性刺激气味的液态化合物 I。
将一份纯净的无水化合物 G 样品溶于 1 摩尔每升的 \(\ce{H2SO4}\) 水溶液中,再用 0.05 摩尔每升的 \(\ce{KMnO4}\) 标准溶液滴定所得溶液。0.288 g 物质 G 消耗了 25.6 \(\mathrm{cm^3}\) 的 \(\ce{KMnO4}\) 溶液。
问题:
5.1 写出化合物 X 的分子式。
5.2 根据题目中的信息和数据,写出生成产物 A、B 和 C 的反应的化学方程式。
5.3 给出化合物 Y 的名称,并写出其合成反应的方程式。写出它在酸性和碱性溶液中的结构式及颜色。
5.4 写出化合物 X 的两种形式结构式,以及根据最新研究结果得到的更准确的结构式。
5.5 写出化合物 X 臭氧分解的化学方程式,用以解释为什么臭氧化物水解后,水层中化合物 D、E 和 F 的物质的量之比为 3 : 2 : 1。
5.6 写出生成化合物 G、H 和 I 的反应的化学方程式。
5.7 已知另一种液态有机化合物也存在于煤焦油中,且是化合物 X 的衍生物,请写出它过去使用的两种形式结构式,以及更准确的现代结构式。历史上,哪位著名化学家的名字与这种母体化合物的结构式有关?它的臭氧分解产物是什么?
5.8 在方程式中相应化合物的下方写出物质 X、Y、A – I 的名称。
注:
计算时使用:
\(M(\ce{C}) = 12\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{O}) = 16\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{H}) = 1\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{KMnO4}) = 158\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.\)
题目译自官方英文原文。
答案
- 5.1 \(\boxed{\ce{C8H10}}\)。X 是\(o\)-二甲苯,即 1,2-二甲基苯。
- 5.2 氧化生成 A,邻苯二甲酸;脱水生成 B,邻苯二甲酸酐。二者分别与过量的 1-丁醇发生酯化反应,均生成 C,邻苯二甲酸二\(n\)-丁酯。
- 5.3 Y 是酚酞,由一分子 B 与两分子苯酚反应,并脱去一分子水而形成。其中性内酯为无色;在通常的碱性指示剂变色范围内,其醌式二阴离子呈粉红色/品红色。
- 5.4 甲基位于环的 1 位和 2 位时,两种形式上的凯库勒结构的双键分别位于 \(1=2,\,3=4,\,5=6\) 和 \(2=3,\,4=5,\,6=1\)。实际分子具有离域的芳香环。
- 5.5 D = 乙二醛,E = 甲基乙二醛,F = 丁二酮。两种形式断裂模式分别生成 \(D+2E\) 和 \(2D+F\);两者贡献相等时得到 \(D:E:F=3:2:1\)。
- 5.6 G = 草酸,H = 丙酮酸,I = 乙酸。温和氧化使 D 转化为 G、E 转化为 H;过氧化物使 F 断裂,生成两分子 I。滴定结果证实 G 为无水草酸,\(M=90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
- 5.7 题目所指的母体化合物是苯,
c1ccccc1,其结构在历史上与 August Kekulé(奥古斯特·凯库勒)有关。在生成羰基化合物的臭氧分解处理中,每分子苯生成三分子乙二醛。题目中关于衍生物关系的表述颠倒了。 - 5.8 完整的物质对应表如下:
| 标号 | 名称 | SMILES |
|---|---|---|
| X | \(o\)-二甲苯;1,2-二甲基苯 | Cc1ccccc1C |
| Y | 酚酞,中性内酯 | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
| A | 邻苯二甲酸;苯-1,2-二甲酸 | O=C(O)c1ccccc1C(=O)O |
| B | 邻苯二甲酸酐 | O=C1OC(=O)c2ccccc21 |
| C | 邻苯二甲酸二\(n\)-丁酯 | CCCCOC(=O)c1ccccc1C(=O)OCCCC |
| D | 乙二醛;1,2-乙二醛 | O=CC=O |
| E | 甲基乙二醛;2-氧代丙醛 | CC(=O)C=O |
| F | 丁二酮;2,3-丁二酮 | CC(=O)C(=O)C |
| G | 草酸;乙二酸 | O=C(O)C(=O)O |
| H | 丙酮酸;2-氧代丙酸 | CC(=O)C(=O)O |
| I | 醋酸;乙酸 | CC(=O)O |
解答
5.1 — X 的分子式
由燃烧产物可得碳和氢的物质的量:
\[ n(\ce{C})=n(\ce{CO2}) =\frac{3.52\ \mathrm{g}}{44\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0800\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{H})=2n(\ce{H2O}) =2\frac{0.90\ \mathrm{g}}{18\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.100\ \mathrm{mol}. \]
保留中间计算位数,相应的质量为
\[ m(\ce{C})=0.960\ \mathrm{g}, \qquad m(\ce{H})=0.100\ \mathrm{g}. \]
二者之和等于样品质量 \(1.060\ \mathrm{g}\)。因此,分析结果表明样品完全由碳和氢组成。
原子数之比为
\[ n(\ce{C}):n(\ce{H})=0.0800:0.100=4:5, \]
所以最简式为 \(\ce{C4H5}\),其对应的摩尔质量为
\[ 4(12)+5(1)=53\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
在相同温度和压强下,气体密度与摩尔质量成正比。取 \(M(\ce{N2})=28\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ M(X)=3.79(28)=106.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx106\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
因此,
\[ \frac{M(X)}{M(\ce{C4H5})}\approx\frac{106}{53}=2, \qquad \boxed{X=\ce{C8H10}}. \]
其不饱和度为
\[ \frac{2(8)+2-10}{2}=4, \]
这与存在一个苯环相符。
5.2 — A、B 和 C 的鉴定与生成
可溶于碳酸氢盐水溶液表明该物质具有酸性,此处为羧酸。加热生成酸酐,随后与苯酚缩合生成指示剂,据此可确定这对化合物为邻苯二甲酸和邻苯二甲酸酐。
邻苯二甲酸的两个羧基相邻,容易形成五元环状酸酐。因此,X 的两个甲基必须相邻:它是\(o\)-二甲苯。热的六价铬氧化剂将每个甲基氧化为羧基。
在酸性溶液中,完全配平的方程式为
\[ \underbrace{\ce{C6H4(CH3)2}}_{\text{X: 邻二甲苯}} +\ce{4CrO3 + 12H+} \xrightarrow{\Delta} \underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: 邻苯二甲酸}} +\ce{4Cr^3+ + 8H2O}. \]
这些芳香化合物的结构简式中,两个取代基占据环上相邻的位置。
加热 A 使其脱水:
\[ \underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: 邻苯二甲酸}} \xrightarrow{\Delta} \underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: 邻苯二甲酸酐}} +\ce{H2O}. \]
在 B 中,两个酰基之间的氧原子使环闭合,形成与苯环稠合的五元酸酐环。
过量的 1-丁醇,CCCCO,使 A 的两个羧基均发生酯化:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: 邻苯二甲酸}} +\ce{2HO(CH2)3CH3}\\ &\quad\xrightarrow{\ce{H2SO4},\,\Delta} \underbrace{\ce{C6H4[COO(CH2)3CH3]2}}_{\text{C: 邻苯二甲酸二正丁酯}} +\ce{2H2O}. \end{aligned} \]
以 B 为原料得到相同的二酯,但净生成的水只有一分子:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: 邻苯二甲酸酐}} +\ce{2HO(CH2)3CH3}\\ &\quad\xrightarrow{\ce{H2SO4},\,\Delta} \underbrace{\ce{C6H4[COO(CH2)3CH3]2}}_{\text{C: 邻苯二甲酸二正丁酯}} +\ce{H2O}. \end{aligned} \]
5.3 — 酚酞:合成、结构和颜色
邻苯二甲酸酐与两分子苯酚(Oc1ccccc1)缩合,生成酚酞:
\[ \underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: 邻苯二甲酸酐}} +\underbrace{\ce{2C6H5OH}}_{\text{苯酚}} \xrightarrow[\Delta]{\ce{H2SO4}\ \text{或}\ \ce{ZnCl2}} \underbrace{\ce{C20H14O4}}_{\text{Y: 酚酞}} +\ce{H2O}. \]
相关结构如下:
| 介质 | 形态、名称和颜色 | SMILES |
|---|---|---|
| 酸性 | 中性酚酞内酯;无色 | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
| 碱性,通常的指示剂变色范围 | 酚酞醌式二阴离子;粉红色/品红色 | O=C([O-])c1ccccc1C(c1ccc([O-])cc1)=C1C=CC(=O)C=C1 |
绘制酸性条件下的结构时,画出一个苯酞环,其四面体构型的碳原子上连接两个对羟基苯基。
对于碱性条件下的结构,将内酯环打开,形成一个邻位羧酸根基团。在所示的共振式中,中心碳原子以双键连接一个醌式环,并以单键连接一个对位酚氧负离子环。电荷与共轭体系是离域的;这一条 SMILES 仅表示其中一个共振式。
总的酸碱转化为
\[ \underbrace{\ce{C20H14O4}}_{\text{无色内酯}} +\ce{2OH-} \rightleftharpoons \underbrace{\ce{C20H12O4^2-}}_{\text{粉红色醌式二阴离子}} +\ce{2H2O}. \]
开环及由此产生的共轭体系扩展解释了可见的颜色。上述碱性条件下的颜色指正常的指示剂变色范围;在碱性极强的溶液中,还可能发生进一步变化。
5.4 — X 的两种形式结构和芳香结构
将环上碳原子从 1 到 6 依次编号,甲基连接在 1 位和 2 位。
| \(o\)-二甲苯的表示方式 | 环上双键 | SMILES |
|---|---|---|
| 凯库勒共振式 \(K_1\) | \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | CC1=C(C)C=CC=C1 |
| 凯库勒共振式 \(K_2\) | \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | CC1C(C)=CC=CC=1 |
| 离域的芳香结构 | 不存在固定的交替定域键 | Cc1ccccc1C |
在 \(K_1\) 中,两个连接甲基的环碳原子之间形式上为双键;在 \(K_2\) 中,它们之间形式上为单键。
现代结构的画法是在六边形内部画一个圆,并在两个相邻顶点上连接甲基。芳香环近似为平面,具有六个离域的 \(\pi\) 电子。
凯库勒结构图是共振式,而不是独立存在的异构体,也不是处于平衡中的不同分子。因此,化学软件可能将它们的 SMILES 转换为相同的芳香结构。
5.5 — 臭氧分解与 \(3:2:1\) 比例
形式上的臭氧分解断裂将定域双键中的每个碳原子转化为羰基碳:
- 连接氢的环碳原子变成醛羰基。
- 连接甲基的环碳原子变成酮羰基。
断开三个形式双键后,留下三个含两个环碳原子的片段,分别对应于剩余的三个环键。
| 形式模式 | 剩余的碳原子对 | 有机产物 |
|---|---|---|
| \(K_1\):断开 \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | \(2–3,\ 4–5,\ 6–1\) | 一分子乙二醛 D 和两分子甲基乙二醛 E |
| \(K_2\):断开 \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | \(1–2,\ 3–4,\ 5–6\) | 一分子丁二酮 F 和两分子乙二醛 D |
因此,两种形式断裂模式各发生一次,得到
\[ (D+2E)+(2D+F)=3D+2E+F. \]
这再现了观察到的比例:
\[ \boxed{D:E:F=3:2:1}. \]
采用臭氧化物水解的常规形式配平方式,以过氧化氢为共同生成的产物,总方程式为
\[ \begin{aligned} &2\underbrace{\ce{C8H10}}_{\text{X: 邻二甲苯}} +\ce{6O3 + 6H2O}\\ &\quad\longrightarrow 3\underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{D: 乙二醛}} +2\underbrace{\ce{CH3COCHO}}_{\text{E: 甲基乙二醛}} +\underbrace{\ce{CH3COCOCH3}}_{\text{F: 丁二酮}} +\ce{6H2O2}. \end{aligned} \]
溶剂为氯甲烷,CCl。羰基产物按惯例写为未水合的形式。
这是对题目所给初始产物混合物的形式断裂解释。它并不意味着 X 含有两种独立存在的凯库勒异构体,也不能仅凭共振就确定各反应途径的定量分支比例。
5.6 — G、H 和 I 的生成;通过滴定验证
此处 \(\ce{[O]}\) 表示由氧化剂提供的一个氧当量,而不是游离氧原子中间体。
温和氧化将乙二醛的两个醛基均转化为羧基:
\[ \underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{D: 乙二醛}} +\ce{2[O]} \longrightarrow \underbrace{\ce{HOOC-COOH}}_{\text{G: 草酸}}. \]
甲基乙二醛具有一个醛基和一个酮基。醛基氧化生成丙酮酸:
\[ \underbrace{\ce{CH3COCHO}}_{\text{E: 甲基乙二醛}} +\ce{[O]} \longrightarrow \underbrace{\ce{CH3COCOOH}}_{\text{H: 丙酮酸}}. \]
丁二酮具有两个酮基,没有醛基,这解释了它为何不被题目所述的温和氧化条件氧化。过氧化氢使其两个羰基碳之间的键断裂:
\[ \underbrace{\ce{CH3COCOCH3}}_{\text{F: 丁二酮}} +\ce{H2O2} \longrightarrow 2\underbrace{\ce{CH3COOH}}_{\text{I: 乙酸}}. \]
乙酸是一种熟知的液体,具有类似食醋的刺激性气味。
滴定可以独立验证对 G 的鉴定。相关半反应为
\[ \ce{H2C2O4 -> 2CO2 + 2H+ + 2e-}, \]
\[ \ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}. \]
合并两式,得到
\[ 5\underbrace{\ce{H2C2O4}}_{\text{G: 草酸}} +\ce{2MnO4- + 6H+} \longrightarrow \ce{10CO2 + 2Mn^2+ + 8H2O}. \]
高锰酸根的物质的量为
\[ n(\ce{MnO4-}) = 0.05\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \times25.6\times10^{-3}\ \mathrm{L} = 1.28\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
根据 \(5:2\) 的化学计量比,
\[ n(G)=\frac52\,n(\ce{MnO4-}) =3.20\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
因此,推得的摩尔质量为
\[ M(G)= \frac{0.288\ \mathrm{g}} {3.20\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} = 90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
对于无水草酸,
\[ M(\ce{H2C2O4})=2(1)+2(12)+4(16) =90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
与滴定数据完全吻合。
5.7 — 苯、凯库勒结构和臭氧分解
题目所指的基本化合物或母体化合物是苯。更准确地说,\(o\)-二甲苯是苯的二甲基衍生物。
沿六元环采用固定编号:
| 苯的表示方式 | 环上双键 | SMILES |
|---|---|---|
| 第一种凯库勒共振式 | \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | C1=CC=CC=C1 |
| 第二种凯库勒共振式 | \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | C1C=CC=CC=1 |
| 芳香结构 | 六个离域的 \(\pi\) 电子 | c1ccccc1 |
相应的结构图为两个具有交替双键、且双键位置相互错开一条边的六边形,以及一个内部带圆的现代六边形结构图。每个环碳原子都连接一个氢原子。苯为平面结构,六个碳碳键全部等价。
历史上相关的化学家是 August Kekulé(奥古斯特·凯库勒)。
由于每个环碳原子都连接氢原子,无论采用哪一种形式断裂模式,有机羰基产物都只有乙二醛。按常规配平的水解方程式为
\[ \underbrace{\ce{C6H6}}_{\text{苯}} +\ce{3O3 + 3H2O} \longrightarrow 3\underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{乙二醛}} +\ce{3H2O2}. \]
因此,在这里所考虑的生成羰基化合物的后处理条件下,一分子苯生成三分子乙二醛。
5.8 — 化学式下方的名称及其余 SMILES
X、Y 和 A–I 的名称已标在上述方程式中相应化学式的下方;完整的名称与 SMILES 对应表见答案 5.8。
为求完整,解答中使用的其他分子和离子物种如下:
| 物种 | SMILES |
|---|---|
| 水 | O |
| 二氧化碳 | O=C=O |
| 氮气 | N#N |
| 臭氧 | [O-][O+]=O |
| 过氧化氢 | OO |
| 硫酸 | OS(=O)(=O)O |
| 氧化铬(VI) | O=[Cr](=O)=O |
| 铬(III)离子 | [Cr+3] |
| 氢离子 | [H+] |
| 氢氧根离子 | [OH-] |
| 氢氧化钠 | [Na+].[OH-] |
| 碳酸氢钠 | [Na+].OC(=O)[O-] |
| 氯化锌 | [Zn+2].[Cl-].[Cl-] |
| 高锰酸钾 | [K+].[O-][Mn](=O)(=O)=O |
| 高锰酸根离子 | [O-][Mn](=O)(=O)=O |
| 锰(II)离子 | [Mn+2] |
盐的 SMILES 中彼此断开的部分表示离子组成;它们不表示溶剂化状态或固态配位情况。
解答已与官方解答核对。本解答与官方解答不同之处,均为官方解答中的错误或印刷错误。
IChO 1978 · Теоретическая задача 5
Жидкое соединение X из каменноугольной смолы
При сжигании некоторого жидкого органического соединения X (содержащегося в каменноугольной смоле) массой 1.06 g образовалось 0.90 g воды и 3.52 g диоксида углерода. Плотность его паров была в 3.79 раза больше плотности азота.
Соединение X окислили горячей смесью \(\ce{CrO3 + H2SO4}\). Из реакционной смеси выделили бесцветное кристаллическое вещество A. Оно растворялось в водном растворе \(\ce{NaOH}\) или \(\ce{NaHCO3}\).
При нагревании соединение A теряет воду и превращается в соединение B. Конденсация соединения B с фенолом в присутствии \(\ce{H2SO4}\) или \(\ce{ZnCl2}\) приводит к образованию вещества Y, которое очень часто используется в качестве кислотно-основного индикатора.
Как соединение A, так и соединение B при нагревании с избытком 1-бутанола (с добавлением нескольких капель концентрированного раствора \(\ce{H2SO4}\)) дают одно и то же жидкое соединение C.
Если принять, что атом углерода в органических соединениях имеет тенденцию образовывать четыре связи, то для соединения X можно формально записать две различные формулы. Однако записанные таким образом формулы не соответствуют химическому строению молекулы X, поскольку до настоящего времени никому не удалось получить эти два гипотетических изомера.
Хаайман и Витбаут в 1941 году провели озонирование соединения X в растворе \(\ce{CH3Cl}\). После гидролиза озонидов было установлено, что водный слой содержит три различных органических соединения в молярном отношении D : E : F = 3 : 2 : 1. Только два из них при мягком окислении образовали новые соединения G и H; третье в этих условиях остаётся неизменным, однако действие более сильных окислителей, например \(\ce{H2O2}\), приводит к образованию хорошо известного жидкого соединения I с характерным резким запахом.
Образец чистого безводного соединения G растворили в водном 1-молярном растворе \(\ce{H2SO4}\), а полученный раствор оттитровали стандартным 0.05-молярным раствором \(\ce{KMnO4}\). На 0.288 g вещества G потребовалось 25.6 \(\mathrm{cm^3}\) раствора \(\ce{KMnO4}\).
Задания:
5.1 Запишите молекулярную формулу соединения X.
5.2 На основании сведений и данных условия запишите химические уравнения реакций, в которых образуются продукты A, B и C.
5.3 Назовите соединение Y и запишите уравнение его синтеза. Приведите его структурную формулу и окраску как в кислом, так и в щелочном растворе.
5.4 Запишите две формальные структурные формулы соединения X, а также более правильную структурную формулу в соответствии с новейшими данными.
5.5 Запишите химическое уравнение озонолиза соединения X, позволяющее объяснить, почему после гидролиза озонидов соединения D, E и F присутствуют в водном слое в молярном отношении 3 : 2 : 1.
5.6 Запишите химические уравнения реакций образования соединений G, H и I.
5.7 Запишите обе использовавшиеся ранее формальные структурные формулы и более правильную современную структурную формулу другого жидкого органического соединения, если известно, что оно также содержится в каменноугольной смоле и является производным соединения X. Имя какого известного химика исторически связано с формулой этого исходного соединения? Какие продукты получаются при его озонолизе?
5.8 Подпишите названия веществ X, Y, A – I под соответствующими соединениями в уравнениях.
Примечание:
Используйте в расчётах:
\(M(\ce{C}) = 12\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{O}) = 16\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{H}) = 1\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{KMnO4}) = 158\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.\)
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 5.1 \(\boxed{\ce{C8H10}}\). X — \(o\)-ксилол, или 1,2-диметилбензол.
- 5.2 Окисление даёт A, фталевую кислоту; дегидратация даёт B, фталевый ангидрид. Этерификация любого из них избытком 1-бутанола даёт C, ди-\(n\)-бутилфталат.
- 5.3 Y — фенолфталеин, образующийся из одной молекулы B и двух молекул фенола с отщеплением одной молекулы воды. Его нейтральная лактонная форма бесцветна; его хиноидный дианион имеет розовую/малиновую окраску в обычном щелочном диапазоне применения индикатора.
- 5.4 При расположении метильных групп в положениях 1 и 2 кольца две формальные структуры Кекуле имеют двойные связи \(1=2,\,3=4,\,5=6\) и \(2=3,\,4=5,\,6=1\). Реальная молекула содержит ароматическое кольцо с делокализованными связями.
- 5.5 D = глиоксаль, E = метилглиоксаль, F = диацетил. Две формальные схемы расщепления дают \(D+2E\) и \(2D+F\); при равных вкладах получается \(D:E:F=3:2:1\).
- 5.6 G = щавелевая кислота, H = пировиноградная кислота, I = уксусная кислота. Мягкое окисление превращает D в G, а E в H; расщепление F пероксидом даёт две молекулы I. Титрование подтверждает, что G — безводная щавелевая кислота, \(M=90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
- 5.7 Подразумеваемое родоначальное соединение — бензол,
c1ccccc1, исторически связанный с именем Августа Кекуле. При его озонолизе с образованием карбонильных продуктов на одну молекулу бензола получаются три молекулы глиоксаля. В условии направление связи между исходным соединением и его производным указано наоборот. - 5.8 Полное соответствие обозначений веществам:
| Обозначение | Название | SMILES |
|---|---|---|
| X | \(o\)-Ксилол; 1,2-диметилбензол | Cc1ccccc1C |
| Y | Фенолфталеин, нейтральная лактонная форма | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
| A | Фталевая кислота; бензол-1,2-дикарбоновая кислота | O=C(O)c1ccccc1C(=O)O |
| B | Фталевый ангидрид | O=C1OC(=O)c2ccccc21 |
| C | Ди-\(n\)-бутилфталат | CCCCOC(=O)c1ccccc1C(=O)OCCCC |
| D | Глиоксаль; этандиаль | O=CC=O |
| E | Метилглиоксаль; 2-оксопропаналь | CC(=O)C=O |
| F | Диацетил; бутан-2,3-дион | CC(=O)C(=O)C |
| G | Щавелевая кислота; этандиовая кислота | O=C(O)C(=O)O |
| H | Пировиноградная кислота; 2-оксопропановая кислота | CC(=O)C(=O)O |
| I | Уксусная кислота; этановая кислота | CC(=O)O |
Решение
5.1 — Молекулярная формула X
По продуктам сгорания определяем количества углерода и водорода:
\[ n(\ce{C})=n(\ce{CO2}) =\frac{3.52\ \mathrm{g}}{44\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0800\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{H})=2n(\ce{H2O}) =2\frac{0.90\ \mathrm{g}}{18\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.100\ \mathrm{mol}. \]
Соответствующие массы, с сохранением промежуточных цифр, равны
\[ m(\ce{C})=0.960\ \mathrm{g}, \qquad m(\ce{H})=0.100\ \mathrm{g}. \]
Их сумма равна массе образца, \(1.060\ \mathrm{g}\). Следовательно, результаты анализа показывают, что образец целиком состоит из углерода и водорода.
Атомное отношение равно
\[ n(\ce{C}):n(\ce{H})=0.0800:0.100=4:5, \]
поэтому простейшая формула — \(\ce{C4H5}\), а соответствующая ей молярная масса равна
\[ 4(12)+5(1)=53\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
При одинаковых температуре и давлении плотности газов пропорциональны их молярным массам. Принимая \(M(\ce{N2})=28\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), получаем
\[ M(X)=3.79(28)=106.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx106\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Следовательно,
\[ \frac{M(X)}{M(\ce{C4H5})}\approx\frac{106}{53}=2, \qquad \boxed{X=\ce{C8H10}}. \]
Степень ненасыщенности составляет
\[ \frac{2(8)+2-10}{2}=4, \]
что согласуется с наличием бензольного кольца.
5.2 — Идентификация и образование A, B и C
Растворимость в водном растворе гидрокарбоната указывает на соединение с кислотными свойствами, в данном случае на карбоновую кислоту. Образование ангидрида при нагревании с последующей конденсацией с фенолом, дающей индикатор, позволяет установить пару фталевая кислота–фталевый ангидрид.
Фталевая кислота содержит соседние карбоксильные группы и легко образует пятичленный циклический ангидрид. Следовательно, в X метильные группы должны находиться рядом: это \(o\)-ксилол. При нагревании хром(VI) окисляет каждую метильную группу до карбоксильной.
Полностью уравненное уравнение в кислом растворе имеет вид
\[ \underbrace{\ce{C6H4(CH3)2}}_{\text{X: орто-ксилол}} +\ce{4CrO3 + 12H+} \xrightarrow{\Delta} \underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: фталевая кислота}} +\ce{4Cr^3+ + 8H2O}. \]
Два заместителя в этих сокращённых формулах ароматических соединений занимают соседние положения в кольце.
При нагревании A отщепляется вода:
\[ \underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: фталевая кислота}} \xrightarrow{\Delta} \underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: фталевый ангидрид}} +\ce{H2O}. \]
В B атом кислорода между двумя ацильными группами замыкает пятичленное ангидридное кольцо, конденсированное с бензольным кольцом.
Избыток бутан-1-ола, CCCCO, этерифицирует обе карбоксильные группы A:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: фталевая кислота}} +\ce{2HO(CH2)3CH3}\\ &\quad\xrightarrow{\ce{H2SO4},\,\Delta} \underbrace{\ce{C6H4[COO(CH2)3CH3]2}}_{\text{C: ди-n-бутилфталат}} +\ce{2H2O}. \end{aligned} \]
При использовании B получается тот же диэфир, но в суммарной реакции образуется только одна молекула воды:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: фталевый ангидрид}} +\ce{2HO(CH2)3CH3}\\ &\quad\xrightarrow{\ce{H2SO4},\,\Delta} \underbrace{\ce{C6H4[COO(CH2)3CH3]2}}_{\text{C: ди-n-бутилфталат}} +\ce{H2O}. \end{aligned} \]
5.3 — Фенолфталеин: синтез, структуры и окраска
Фталевый ангидрид конденсируется с двумя молекулами фенола, Oc1ccccc1, с образованием фенолфталеина:
\[ \underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: фталевый ангидрид}} +\underbrace{\ce{2C6H5OH}}_{\text{фенол}} \xrightarrow[\Delta]{\ce{H2SO4}\ \text{или}\ \ce{ZnCl2}} \underbrace{\ce{C20H14O4}}_{\text{Y: фенолфталеин}} +\ce{H2O}. \]
Соответствующие структуры:
| Среда | Форма, название и окраска | SMILES |
|---|---|---|
| Кислая | Нейтральная лактонная форма фенолфталеина; бесцветная | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
| Щелочная, обычный диапазон применения индикатора | Хиноидный дианион фенолфталеина; розовый/малиновый | O=C([O-])c1ccccc1C(c1ccc([O-])cc1)=C1C=CC(=O)C=C1 |
Чтобы изобразить структуру в кислой среде, нарисуйте фталидное кольцо, тетраэдрический атом углерода которого несёт две пара-гидроксифенильные группы.
Для структуры в щелочной среде раскройте лактонное кольцо с образованием орто-карбоксилатной группы. В приведённой резонансной структуре центральный атом углерода связан двойной связью с хиноидным кольцом и одинарной связью с пара-феноксидным кольцом. Заряд и сопряжение делокализованы; одна запись SMILES представляет одну резонансную структуру.
Суммарное кислотно-основное превращение имеет вид
\[ \underbrace{\ce{C20H14O4}}_{\text{бесцветный лактон}} +\ce{2OH-} \rightleftharpoons \underbrace{\ce{C20H12O4^2-}}_{\text{розовый хиноидный дианион}} +\ce{2H2O}. \]
Раскрытие кольца и возникающая при этом протяжённая система сопряжения объясняют появление видимой окраски. Указанная окраска в щелочной среде относится к обычному диапазону применения индикатора; в очень сильнощелочных растворах возможны дальнейшие изменения.
5.4 — Две формальные структуры и ароматическая структура X
Последовательно пронумеруйте атомы углерода кольца от 1 до 6, расположив метильные группы в положениях 1 и 2.
| Представление \(o\)-ксилола | Двойные связи в кольце | SMILES |
|---|---|---|
| Резонансная структура Кекуле \(K_1\) | \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | CC1=C(C)C=CC=C1 |
| Резонансная структура Кекуле \(K_2\) | \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | CC1C(C)=CC=CC=1 |
| Делокализованная ароматическая структура | Нет фиксированной локализации чередующихся связей | Cc1ccccc1C |
В \(K_1\) два атома углерода кольца, несущие метильные группы, соединены формальной двойной связью; в \(K_2\) они соединены формальной одинарной связью.
Для современного изображения нарисуйте шестиугольник с окружностью внутри и метильными группами при двух соседних вершинах. Ароматическое кольцо приблизительно плоское и содержит шесть делокализованных \(\pi\)-электронов.
Формулы Кекуле — это резонансные структуры, а не отдельно существующие изомеры или молекулы, находящиеся в равновесии. Поэтому химическое программное обеспечение может преобразовывать их SMILES в одну и ту же ароматическую структуру.
5.5 — Озонолиз и отношение \(3:2:1\)
Формальное озонолитическое расщепление превращает каждый атом углерода локализованной двойной связи в карбонильный атом углерода:
- Атом углерода кольца, несущий водород, становится атомом углерода альдегидной карбонильной группы.
- Атом углерода кольца, несущий метильную группу, становится атомом углерода кетонной карбонильной группы.
После расщепления трёх формальных двойных связей остаются три двухуглеродных фрагмента, соответствующих трём сохранившимся связям кольца.
| Формальная схема | Сохранившиеся пары атомов углерода | Органические продукты |
|---|---|---|
| \(K_1\): расщепление \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | \(2–3,\ 4–5,\ 6–1\) | Одна молекула глиоксаля D и две молекулы метилглиоксаля E |
| \(K_2\): расщепление \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | \(1–2,\ 3–4,\ 5–6\) | Одна молекула диацетила F и две молекулы глиоксаля D |
Таким образом, однократное осуществление каждой формальной схемы расщепления даёт
\[ (D+2E)+(2D+F)=3D+2E+F. \]
Это воспроизводит наблюдаемое отношение:
\[ \boxed{D:E:F=3:2:1}. \]
Используя общепринятый формальный баланс гидролиза озонидов с пероксидом водорода в качестве сопутствующего продукта, получаем суммарное уравнение
\[ \begin{aligned} &2\underbrace{\ce{C8H10}}_{\text{X: орто-ксилол}} +\ce{6O3 + 6H2O}\\ &\quad\longrightarrow 3\underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{D: глиоксаль}} +2\underbrace{\ce{CH3COCHO}}_{\text{E: метилглиоксаль}} +\underbrace{\ce{CH3COCOCH3}}_{\text{F: диацетил}} +\ce{6H2O2}. \end{aligned} \]
Растворитель — хлорметан, CCl. Карбонильные продукты записаны в их обычных негидратированных формах.
Это формальное описание расщепления, объясняющее заданный состав исходной смеси продуктов. Оно не означает, что X содержит два независимо существующих изомера Кекуле; само по себе явление резонанса также не устанавливает количественного соотношения путей реакции.
5.6 — Образование G, H и I; проверка титрованием
Здесь \(\ce{[O]}\) обозначает один эквивалент кислорода, предоставляемый окислителем, а не свободный атом кислорода в качестве промежуточной частицы.
Мягкое окисление превращает обе альдегидные группы глиоксаля в карбоксильные:
\[ \underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{D: глиоксаль}} +\ce{2[O]} \longrightarrow \underbrace{\ce{HOOC-COOH}}_{\text{G: щавелевая кислота}}. \]
Метилглиоксаль содержит одну альдегидную и одну кетонную группу. Окисление альдегидной группы даёт пировиноградную кислоту:
\[ \underbrace{\ce{CH3COCHO}}_{\text{E: метилглиоксаль}} +\ce{[O]} \longrightarrow \underbrace{\ce{CH3COCOOH}}_{\text{H: пировиноградная кислота}}. \]
Диацетил содержит две кетонные группы и не содержит альдегидной группы, что объясняет его устойчивость к указанному мягкому окислению. Пероксид водорода расщепляет связь между его карбонильными атомами углерода:
\[ \underbrace{\ce{CH3COCOCH3}}_{\text{F: диацетил}} +\ce{H2O2} \longrightarrow 2\underbrace{\ce{CH3COOH}}_{\text{I: уксусная кислота}}. \]
Уксусная кислота — хорошо известная жидкость с резким запахом уксуса.
Титрование позволяет независимо проверить идентификацию G. Соответствующие полуреакции имеют вид
\[ \ce{H2C2O4 -> 2CO2 + 2H+ + 2e-}, \]
\[ \ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}. \]
Их объединение даёт
\[ 5\underbrace{\ce{H2C2O4}}_{\text{G: щавелевая кислота}} +\ce{2MnO4- + 6H+} \longrightarrow \ce{10CO2 + 2Mn^2+ + 8H2O}. \]
Количество перманганата равно
\[ n(\ce{MnO4-}) = 0.05\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \times25.6\times10^{-3}\ \mathrm{L} = 1.28\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Из стехиометрического отношения \(5:2\) следует
\[ n(G)=\frac52\,n(\ce{MnO4-}) =3.20\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Отсюда получаем молярную массу
\[ M(G)= \frac{0.288\ \mathrm{g}} {3.20\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} = 90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Для безводной щавелевой кислоты
\[ M(\ce{H2C2O4})=2(1)+2(12)+4(16) =90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
что в точности соответствует данным титрования.
5.7 — Бензол, структуры Кекуле и озонолиз
Подразумеваемое исходное, или родоначальное, соединение — бензол. Точнее, \(o\)-ксилол является диметильным производным бензола.
При фиксированной нумерации атомов шестичленного кольца:
| Представление бензола | Двойные связи в кольце | SMILES |
|---|---|---|
| Первая резонансная структура Кекуле | \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | C1=CC=CC=C1 |
| Вторая резонансная структура Кекуле | \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | C1C=CC=CC=1 |
| Ароматическая структура | Шесть делокализованных \(\pi\)-электронов | c1ccccc1 |
Соответствующие изображения — два шестиугольника с чередующимися двойными связями, сдвинутыми на одну сторону, и современный шестиугольник с окружностью внутри. Каждый атом углерода кольца несёт один атом водорода. Бензол имеет плоское строение, и все шесть связей углерод–углерод равноценны.
Исторически связанный с этой формулой химик — Август Кекуле.
Поскольку каждый атом углерода кольца несёт водород, любая из формальных схем расщепления даёт в качестве органического карбонильного продукта только глиоксаль. Общепринятый баланс гидролиза имеет вид
\[ \underbrace{\ce{C6H6}}_{\text{бензол}} +\ce{3O3 + 3H2O} \longrightarrow 3\underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{глиоксаль}} +\ce{3H2O2}. \]
Таким образом, при рассматриваемой здесь обработке с образованием карбонильных продуктов одна молекула бензола даёт три молекулы глиоксаля.
5.8 — Названия под формулами и остальные SMILES
Названия X, Y и A–I приведены под их формулами в уравнениях выше; полное соответствие названий и SMILES дано в пункте 5.8 раздела «Ответы».
Для полноты ниже приведены остальные молекулы и ионы, использованные в решении:
| Частица | SMILES |
|---|---|
| Вода | O |
| Диоксид углерода | O=C=O |
| Молекулярный азот | N#N |
| Озон | [O-][O+]=O |
| Пероксид водорода | OO |
| Серная кислота | OS(=O)(=O)O |
| Оксид хрома(VI) | O=[Cr](=O)=O |
| Ион хрома(III) | [Cr+3] |
| Ион водорода | [H+] |
| Гидроксид-ион | [OH-] |
| Гидроксид натрия | [Na+].[OH-] |
| Гидрокарбонат натрия | [Na+].OC(=O)[O-] |
| Хлорид цинка | [Zn+2].[Cl-].[Cl-] |
| Перманганат калия | [K+].[O-][Mn](=O)(=O)=O |
| Перманганат-ион | [O-][Mn](=O)(=O)=O |
| Ион марганца(II) | [Mn+2] |
Записи SMILES солей с несвязанными фрагментами задают ионный состав; они не задают сольватацию или координацию в твёрдом состоянии.
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IChO 1978 · مسألة نظرية 5
المركب السائل X المستخلص من قطران الفحم
أُحرقت عينة كتلتها 1.06 g من مركب عضوي سائل معين X (يوجد في قطران الفحم)، فأنتجت 0.90 g من الماء و3.52 g من ثاني أكسيد الكربون. وكانت كثافة أبخرته تساوي 3.79 ضعف كثافة النيتروجين.
أُكسد المركب X بمزيج ساخن من \(\ce{CrO3 + H2SO4}\). وعُزلت من مزيج التفاعل مادة بلورية عديمة اللون A. وكانت قابلة للذوبان في محلول مائي من \(\ce{NaOH}\) أو \(\ce{NaHCO3}\).
يفقد المركب A الماء عند تسخينه ويتحول إلى المركب B. ويؤدي تكاثف المركب B مع الفينول في وجود \(\ce{H2SO4}\) أو \(\ce{ZnCl2}\) إلى مادة Y تُستخدم كثيرًا دليلًا حمضيًا قاعديًا.
عند تسخين كل من المركبين A وB مع فائض من 1-بيوتانول (مع إضافة بضع قطرات من محلول مركز من \(\ce{H2SO4}\))، ينتج المركب السائل نفسه C.
إذا سُلّم بأن ذرة الكربون تميل إلى تكوين أربع روابط في المركبات العضوية، أمكن كتابة صيغتين مختلفتين للمركب X شكليًا. غير أن الصيغتين المكتوبتين بهذه الطريقة لا تتوافقان مع البنية الكيميائية للجزيء X، إذ لم ينجح أحد حتى الآن في تحضير المتماكبين الافتراضيين.
أجرى هايمان وويتبوت عام 1941 أوزنة المركب X في محلول من \(\ce{CH3Cl}\). وبعد التحلل المائي للأوزونيدات، وُجد أن الطبقة المائية تحتوي على ثلاثة مركبات عضوية مختلفة بنسبة مولية D : E : F = 3 : 2 : 1. ولم يُكوّن سوى اثنين منها مركبين جديدين G وH بالأكسدة المعتدلة، أما الثالث فيبقى دون تغير في هذه الظروف، لكن تأثير عوامل مؤكسدة أقوى، مثل \(\ce{H2O2}\)، يؤدي إلى تكوّن مركب سائل معروف جيدًا I ذي رائحة نفاذة مميزة.
أُذيبت عينة من المركب G النقي اللامائي في محلول مائي من \(\ce{H2SO4}\) تركيزه 1 مولاري، ثم عُوير المحلول الناتج بمحلول قياسي من \(\ce{KMnO4}\) تركيزه 0.05 مولاري. وقد تطلبت كمية مقدارها 0.288 g من المادة G حجمًا قدره 25.6 \(\mathrm{cm^3}\) من محلول \(\ce{KMnO4}\).
المطلوب:
5.1 اكتب الصيغة الجزيئية للمركب X.
5.2 استنادًا إلى المعلومات والمعطيات الواردة في المسألة، اكتب المعادلات الكيميائية للتفاعلات التي تتكون بها النواتج A وB وC.
5.3 اذكر اسم المركب Y واكتب معادلة تحضيره. واكتب صيغته البنائية ولونه في كل من المحاليل الحمضية والقاعدية.
5.4 اكتب صيغتين بنائيتين شكليتين للمركب X، وكذلك صيغة بنائية أدق وفقًا لأحدث النتائج.
5.5 اكتب المعادلة الكيميائية للتحلل بالأوزون للمركب X التي يمكن بها تفسير وجود المركبات D وE وF في الطبقة المائية بعد التحلل المائي للأوزونيدات بنسبة مولية 3 : 2 : 1.
5.6 اكتب المعادلات الكيميائية لتفاعلات تكوّن المركبات G وH وI.
5.7 اكتب الصيغتين البنائيتين الشكليتين المستخدمتين سابقًا، والصيغة البنائية الحديثة الأدق، لمركب عضوي سائل آخر إذا علمت أن هذا المركب يوجد أيضًا في قطران الفحم وأنه مشتق من المركب X. ما اسم الكيميائي المعروف الذي ارتبط تاريخيًا بصيغة هذا المركب الأساسي؟ وما النواتج التي يُحصل عليها بتحلله بالأوزون؟
5.8 اكتب أسماء المواد X وY وA – I تحت المركبات المقابلة لها في المعادلات.
ملاحظة:
استخدم في حساباتك:
\(M(\ce{C}) = 12\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{O}) = 16\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{H}) = 1\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\quad M(\ce{KMnO4}) = 158\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.\)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 5.1 \(\boxed{\ce{C8H10}}\). المركب X هو \(o\)-زايلين، أو 1,2-ثنائي ميثيل بنزين.
- 5.2 تعطي الأكسدة A، حمض الفثاليك؛ ويعطي نزع الماء B، أنهيدريد الفثاليك. وتعطي أسترة أي منهما بفائض من 1-بيوتانول C، فثالات ثنائي \(n\)-بيوتيل.
- 5.3 Y هو الفينولفثالين، ويتكون من جزيء واحد من B وجزيئين من الفينول، مع فقد جزيء واحد من الماء. ولاكتونه المتعادل عديم اللون؛ أما أنيونه الكينويدي الثنائي الشحنة فهو وردي/أرجواني في المجال القاعدي المعتاد للدليل.
- 5.4 مع وجود مجموعتي الميثيل في الموضعين 1 و2 من الحلقة، تكون الروابط المزدوجة في صيغتي كيكوله الشكليتين عند \(1=2,\,3=4,\,5=6\) وعند \(2=3,\,4=5,\,6=1\). ويحتوي الجزيء الفعلي على حلقة عطرية ذات إلكترونات غير متمركزة.
- 5.5 D = غليوكسال، وE = ميثيل غليوكسال، وF = ثنائي الأسيتيل. ويعطي نمطا الانشطار الشكليان \(D+2E\) و\(2D+F\)؛ وتعطي المساهمتان المتساويتان \(D:E:F=3:2:1\).
- 5.6 G = حمض الأكساليك، وH = حمض البيروفيك، وI = حمض الأسيتيك. تحوّل الأكسدة المعتدلة D إلى G وE إلى H؛ وينتج عن انشطار F بالبيروكسيد جزيئان من I. وتؤكد المعايرة أنه حمض الأكساليك اللامائي، \(M=90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
- 5.7 المركب الأم المقصود هو البنزين،
c1ccccc1، المرتبط تاريخيًا باسم أوغست كيكوله. ويعطي تحلله بالأوزون المكوِّن للكربونيلات ثلاثة جزيئات من الغليوكسال لكل جزيء من البنزين. وقد عُكست علاقة الاشتقاق في صياغة السؤال. - 5.8 دليل التعرف الكامل هو:
| الرمز | الاسم | SMILES |
|---|---|---|
| X | \(o\)-زايلين؛ 1,2-ثنائي ميثيل بنزين | Cc1ccccc1C |
| Y | الفينولفثالين، اللاكتون المتعادل | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
| A | حمض الفثاليك؛ حمض البنزين-1,2-ثنائي الكربوكسيليك | O=C(O)c1ccccc1C(=O)O |
| B | أنهيدريد الفثاليك | O=C1OC(=O)c2ccccc21 |
| C | فثالات ثنائي \(n\)-بيوتيل | CCCCOC(=O)c1ccccc1C(=O)OCCCC |
| D | غليوكسال؛ إيثانديال | O=CC=O |
| E | ميثيل غليوكسال؛ 2-أوكسوبروبانال | CC(=O)C=O |
| F | ثنائي الأسيتيل؛ بيوتان-2,3-ديون | CC(=O)C(=O)C |
| G | حمض الأكساليك؛ حمض الإيثانيديويك | O=C(O)C(=O)O |
| H | حمض البيروفيك؛ حمض 2-أوكسوبروبانويك | CC(=O)C(=O)O |
| I | حمض الأسيتيك؛ حمض الإيثانويك | CC(=O)O |
الحل
5.1 — الصيغة الجزيئية للمركب X
تعطي نواتج الاحتراق كميتي مادة الكربون والهيدروجين:
\[ n(\ce{C})=n(\ce{CO2}) =\frac{3.52\ \mathrm{g}}{44\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0800\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{H})=2n(\ce{H2O}) =2\frac{0.90\ \mathrm{g}}{18\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.100\ \mathrm{mol}. \]
والكتلتان المقابلتان، مع الاحتفاظ بالأرقام في الحسابات الوسيطة، هما
\[ m(\ce{C})=0.960\ \mathrm{g}, \qquad m(\ce{H})=0.100\ \mathrm{g}. \]
يساوي مجموعهما كتلة العينة، \(1.060\ \mathrm{g}\). وهكذا يبيّن التحليل أن العينة تتكون بالكامل من الكربون والهيدروجين.
النسبة الذرية هي
\[ n(\ce{C}):n(\ce{H})=0.0800:0.100=4:5, \]
ومن ثم فإن الصيغة الأولية هي \(\ce{C4H5}\)، وكتلة الصيغة الأولية هي
\[ 4(12)+5(1)=53\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
عند تساوي درجة الحرارة والضغط، تتناسب كثافات الغازات طرديًا مع كتلها المولية. وبأخذ \(M(\ce{N2})=28\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)،
\[ M(X)=3.79(28)=106.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx106\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
وعليه،
\[ \frac{M(X)}{M(\ce{C4H5})}\approx\frac{106}{53}=2, \qquad \boxed{X=\ce{C8H10}}. \]
ودرجة عدم الإشباع هي
\[ \frac{2(8)+2-10}{2}=4, \]
وهو ما يتوافق مع وجود حلقة بنزين.
5.2 — تحديد هوية A وB وC وتكوّنها
تشير الذوبانية في محلول البيكربونات المائي إلى مركب حمضي، وهو هنا حمض كربوكسيلي. ويحدد تكوّن أنهيدريد عند التسخين، ثم تكاثفه مع الفينول لتكوين دليل، هوية الزوج حمض الفثاليك–أنهيدريد الفثاليك.
يحتوي حمض الفثاليك على مجموعتي كربوكسيل متجاورتين، ويكوّن بسهولة أنهيدريدًا حلقيًا خماسي الأعضاء. لذلك لا بد أن تكون مجموعتا الميثيل في X متجاورتين: فهو \(o\)-زايلين. ويؤكسد الكروم(VI) الساخن كل مجموعة ميثيل إلى مجموعة كربوكسيل.
المعادلة الموزونة بالكامل في محلول حمضي هي
\[ \underbrace{\ce{C6H4(CH3)2}}_{\text{X: أورثو-زايلين}} +\ce{4CrO3 + 12H+} \xrightarrow{\Delta} \underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: حمض الفثاليك}} +\ce{4Cr^3+ + 8H2O}. \]
يشغل المستبدلان في هذه الصيغ العطرية المكثفة موضعين متجاورين على الحلقة.
يؤدي تسخين A إلى فقد الماء:
\[ \underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: حمض الفثاليك}} \xrightarrow{\Delta} \underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: أنهيدريد الفثاليك}} +\ce{H2O}. \]
في B، تغلق ذرة الأكسجين الواقعة بين مجموعتي الأسيل حلقة الأنهيدريد الخماسية الأعضاء المندمجة مع حلقة البنزين.
يؤدي فائض من بيوتان-1-ول، CCCCO، إلى أسترة مجموعتي الكربوكسيل في A:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{C6H4(COOH)2}}_{\text{A: حمض الفثاليك}} +\ce{2HO(CH2)3CH3}\\ &\quad\xrightarrow{\ce{H2SO4},\,\Delta} \underbrace{\ce{C6H4[COO(CH2)3CH3]2}}_{\text{C: فثالات ثنائي n-بيوتيل}} +\ce{2H2O}. \end{aligned} \]
يعطي البدء بالمركب B ثنائي الإستر نفسه، لكن المحصلة هي تكوّن جزيء واحد فقط من الماء:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: أنهيدريد الفثاليك}} +\ce{2HO(CH2)3CH3}\\ &\quad\xrightarrow{\ce{H2SO4},\,\Delta} \underbrace{\ce{C6H4[COO(CH2)3CH3]2}}_{\text{C: فثالات ثنائي n-بيوتيل}} +\ce{H2O}. \end{aligned} \]
5.3 — الفينولفثالين: التحضير والبنى والألوان
يتكاثف أنهيدريد الفثاليك مع جزيئين من الفينول، Oc1ccccc1، لتكوين الفينولفثالين:
\[ \underbrace{\ce{C6H4(CO)2O}}_{\text{B: أنهيدريد الفثاليك}} +\underbrace{\ce{2C6H5OH}}_{\text{الفينول}} \xrightarrow[\Delta]{\ce{H2SO4}\ \text{أو}\ \ce{ZnCl2}} \underbrace{\ce{C20H14O4}}_{\text{Y: الفينولفثالين}} +\ce{H2O}. \]
البنى ذات الصلة هي:
| الوسط | الشكل والاسم واللون | SMILES |
|---|---|---|
| حمضي | لاكتون الفينولفثالين المتعادل؛ عديم اللون | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
| قاعدي، في المجال المعتاد للدليل | أنيون الفينولفثالين الكينويدي الثنائي الشحنة؛ وردي/أرجواني | O=C([O-])c1ccccc1C(c1ccc([O-])cc1)=C1C=CC(=O)C=C1 |
لرسم البنية في الوسط الحمضي، ارسم حلقة فثاليد تحمل ذرة الكربون رباعية السطوح فيها مجموعتي بارا-هيدروكسي فينيل.
أما البنية في الوسط القاعدي، فافتح حلقة اللاكتون لتعطي مجموعة أورثو-كربوكسيلات. في الصيغة الرنينية المساهمة المعروضة، ترتبط ذرة الكربون المركزية برابطة مزدوجة بحلقة كينونويدية، وبرابطة أحادية بحلقة بارا-فينوكسيد. والشحنة والترافق غير متمركزين؛ وتمثل صيغة SMILES الواحدة صيغة مساهمة واحدة.
التحول الحمضي القاعدي الكلي هو
\[ \underbrace{\ce{C20H14O4}}_{\text{لاكتون عديم اللون}} +\ce{2OH-} \rightleftharpoons \underbrace{\ce{C20H12O4^2-}}_{\text{أنيون كينويدي ثنائي الشحنة وردي}} +\ce{2H2O}. \]
يفسر انفتاح الحلقة والترافق الممتد الناتج عنه اللون المرئي. ويشير اللون المذكور في الوسط القاعدي إلى المجال المعتاد للدليل؛ إذ قد تحدث تغيرات إضافية في المحاليل شديدة القلوية.
5.4 — صيغتان شكليتان والبنية العطرية للمركب X
رقّم ذرات كربون الحلقة بالتتابع من 1 إلى 6، مع ارتباط مجموعتي الميثيل بالموضعين 1 و2.
| تمثيل \(o\)-زايلين | الروابط المزدوجة في الحلقة | SMILES |
|---|---|---|
| صيغة كيكوله المساهمة \(K_1\) | \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | CC1=C(C)C=CC=C1 |
| صيغة كيكوله المساهمة \(K_2\) | \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | CC1C(C)=CC=CC=1 |
| البنية العطرية ذات الإلكترونات غير المتمركزة | لا يوجد تمركز متناوب ثابت | Cc1ccccc1C |
في \(K_1\)، تشترك ذرتا كربون الحلقة الحاملتان لمجموعتي الميثيل في رابطة مزدوجة شكلية؛ وفي \(K_2\)، تشتركان في رابطة أحادية شكلية.
للرسم الحديث، ارسم مسدسًا بداخله دائرة، وضع مجموعتي ميثيل عند رأسين متجاورين. والحلقة العطرية مستوية تقريبًا، وتحتوي على ستة إلكترونات \(\pi\) غير متمركزة.
رسما كيكوله هما صيغتان مساهمتان في الرنين، وليسا متماكبين موجودين بصورة منفصلة أو جزيئين في حالة اتزان. ولذلك قد تحوّل البرمجيات الكيميائية صيغتي SMILES الخاصتين بهما إلى البنية العطرية نفسها.
5.5 — التحلل بالأوزون والنسبة \(3:2:1\)
يحوّل الانشطار الشكلي بالأوزون كل ذرة كربون في رابطة مزدوجة متمركزة إلى ذرة كربون كربونيلية:
- تتحول ذرة كربون الحلقة التي تحمل هيدروجينًا إلى كربونيل ألدهيدي.
- تتحول ذرة كربون الحلقة التي تحمل مجموعة ميثيل إلى كربونيل كيتوني.
يترك شطر الروابط المزدوجة الشكلية الثلاث ثلاث شظايا ذات ذرتي كربون، تقابل الروابط الحلقية الثلاث المتبقية.
| النمط الشكلي | أزواج الكربون المتبقية | النواتج العضوية |
|---|---|---|
| \(K_1\): شطر \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | \(2–3,\ 4–5,\ 6–1\) | جزيء واحد من الغليوكسال D وجزيئان من ميثيل غليوكسال E |
| \(K_2\): شطر \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | \(1–2,\ 3–4,\ 5–6\) | جزيء واحد من ثنائي الأسيتيل F وجزيئان من الغليوكسال D |
وهكذا فإن حدوث كل نمط من نمطي الانشطار الشكلي مرة واحدة يعطي
\[ (D+2E)+(2D+F)=3D+2E+F. \]
وهذا يعيد إنتاج النسبة المرصودة:
\[ \boxed{D:E:F=3:2:1}. \]
وباستخدام الموازنة الشكلية المعتادة للتحلل المائي للأوزونيدات، مع بيروكسيد الهيدروجين ناتجًا مرافقًا، تكون المعادلة المجمعة
\[ \begin{aligned} &2\underbrace{\ce{C8H10}}_{\text{X: أورثو-زايلين}} +\ce{6O3 + 6H2O}\\ &\quad\longrightarrow 3\underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{D: غليوكسال}} +2\underbrace{\ce{CH3COCHO}}_{\text{E: ميثيل غليوكسال}} +\underbrace{\ce{CH3COCOCH3}}_{\text{F: ثنائي الأسيتيل}} +\ce{6H2O2}. \end{aligned} \]
المذيب هو كلوروميثان، CCl. وقد كُتبت النواتج الكربونيلية بأشكالها المعتادة غير المميهة.
هذا وصف شكلي للانشطار يفسر مزيج النواتج الأولي المعطى. ولا يعني أن X يحتوي على متماكبين من نوع كيكوله موجودين بصورة مستقلة، كما أن الرنين وحده لا يحدد كميًا تفرع مسارات التفاعل.
5.6 — تكوّن G وH وI؛ والتحقق بالمعايرة
يرمز \(\ce{[O]}\) هنا إلى مكافئ واحد من الأكسجين يوفره كاشف مؤكسد، وليس إلى ذرة أكسجين حرة بوصفها وسيطًا تفاعليًا.
تحوّل الأكسدة المعتدلة مجموعتي الألدهيد في الغليوكسال إلى مجموعتي كربوكسيل:
\[ \underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{D: غليوكسال}} +\ce{2[O]} \longrightarrow \underbrace{\ce{HOOC-COOH}}_{\text{G: حمض الأكساليك}}. \]
يحتوي ميثيل غليوكسال على مجموعة ألدهيد واحدة ومجموعة كيتون واحدة. وتعطي أكسدة مجموعة الألدهيد حمض البيروفيك:
\[ \underbrace{\ce{CH3COCHO}}_{\text{E: ميثيل غليوكسال}} +\ce{[O]} \longrightarrow \underbrace{\ce{CH3COCOOH}}_{\text{H: حمض البيروفيك}}. \]
يحتوي ثنائي الأسيتيل على مجموعتي كيتون ولا يحتوي على مجموعة ألدهيد، مما يفسر مقاومته للأكسدة المعتدلة المحددة في المسألة. ويشطر بيروكسيد الهيدروجين الرابطة بين ذرتي كربون مجموعتي الكربونيل:
\[ \underbrace{\ce{CH3COCOCH3}}_{\text{F: ثنائي الأسيتيل}} +\ce{H2O2} \longrightarrow 2\underbrace{\ce{CH3COOH}}_{\text{I: حمض الأسيتيك}}. \]
حمض الأسيتيك هو السائل المألوف ذو الرائحة النفاذة الشبيهة برائحة الخل.
تتحقق المعايرة بصورة مستقلة من تحديد هوية G. ونصفا التفاعل ذوا الصلة هما
\[ \ce{H2C2O4 -> 2CO2 + 2H+ + 2e-}, \]
\[ \ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}. \]
وبجمعهما نحصل على
\[ 5\underbrace{\ce{H2C2O4}}_{\text{G: حمض الأكساليك}} +\ce{2MnO4- + 6H+} \longrightarrow \ce{10CO2 + 2Mn^2+ + 8H2O}. \]
كمية مادة البرمنغنات هي
\[ n(\ce{MnO4-}) = 0.05\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \times25.6\times10^{-3}\ \mathrm{L} = 1.28\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
ومن النسبة الستوكيومترية \(5:2\)،
\[ n(G)=\frac52\,n(\ce{MnO4-}) =3.20\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
وعليه فإن الكتلة المولية المستنتجة هي
\[ M(G)= \frac{0.288\ \mathrm{g}} {3.20\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} = 90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
ولحمض الأكساليك اللامائي،
\[ M(\ce{H2C2O4})=2(1)+2(12)+4(16) =90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
وهو ما يطابق بيانات المعايرة تمامًا.
5.7 — البنزين وصيغ كيكوله والتحلل بالأوزون
المركب الأساسي أو الأم المقصود هو البنزين. وبصورة أدق، فإن \(o\)-زايلين مشتق ثنائي الميثيل من البنزين.
باستخدام ترقيم ثابت حول حلقة سداسية الأعضاء:
| تمثيل البنزين | الروابط المزدوجة في الحلقة | SMILES |
|---|---|---|
| صيغة كيكوله المساهمة الأولى | \(1=2,\ 3=4,\ 5=6\) | C1=CC=CC=C1 |
| صيغة كيكوله المساهمة الثانية | \(2=3,\ 4=5,\ 6=1\) | C1C=CC=CC=1 |
| البنية العطرية | ستة إلكترونات \(\pi\) غير متمركزة | c1ccccc1 |
الرسوم المقابلة هي مسدسان بروابط مزدوجة متناوبة أُزيحت بمقدار ضلع واحد، ومسدس حديث يحتوي على دائرة. وتحمل كل ذرة كربون في الحلقة ذرة هيدروجين واحدة. والبنزين مستوٍ، وروابط الكربون–الكربون الست كلها متكافئة.
الكيميائي التاريخي هو أوغست كيكوله.
لأن كل ذرة كربون في الحلقة تحمل هيدروجينًا، فإن أيًا من نمطي الانشطار الشكليين لا ينتج إلا الغليوكسال بوصفه الناتج الكربونيلي العضوي. والموازنة المعتادة للتحلل المائي هي
\[ \underbrace{\ce{C6H6}}_{\text{البنزين}} +\ce{3O3 + 3H2O} \longrightarrow 3\underbrace{\ce{OHC-CHO}}_{\text{غليوكسال}} +\ce{3H2O2}. \]
وهكذا يعطي جزيء واحد من البنزين ثلاثة جزيئات من الغليوكسال في المعالجة النهائية المكوِّنة للكربونيلات التي تُبحث هنا.
5.8 — الأسماء تحت الصيغ وصيغ SMILES المتبقية
تظهر أسماء X وY وA–I تحت صيغها في المعادلات أعلاه؛ ويرد الدليل الكامل الذي يربط أسماءها بصيغ SMILES في الإجابة 5.8.
وللاستكمال، فإن الأنواع الجزيئية والأيونية الأخرى المستخدمة في الحل هي:
| النوع الكيميائي | SMILES |
|---|---|
| الماء | O |
| ثاني أكسيد الكربون | O=C=O |
| ثنائي النيتروجين | N#N |
| الأوزون | [O-][O+]=O |
| بيروكسيد الهيدروجين | OO |
| حمض الكبريتيك | OS(=O)(=O)O |
| أكسيد الكروم(VI) | O=[Cr](=O)=O |
| أيون الكروم(III) | [Cr+3] |
| أيون الهيدروجين | [H+] |
| أيون الهيدروكسيد | [OH-] |
| هيدروكسيد الصوديوم | [Na+].[OH-] |
| هيدروجين كربونات الصوديوم | [Na+].OC(=O)[O-] |
| كلوريد الزنك | [Zn+2].[Cl-].[Cl-] |
| برمنغنات البوتاسيوم | [K+].[O-][Mn](=O)(=O)=O |
| أيون البرمنغنات | [O-][Mn](=O)(=O)=O |
| أيون المنغنيز(II) | [Mn+2] |
تحدد صيغ SMILES للأملاح ذات الأجزاء غير المتصلة التركيب الأيوني؛ ولا تحدد الإذابة أو التناسق في الحالة الصلبة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.