IChO 1979 · Theory problem 5
Structure of a benzene derivative C9H12 from its bromination products
Benzene derivative X has the empirical formula \(\ce{C9H12}\). Its bromination in the light leads to the formation of two monobromo derivatives in approximately identical yield. Bromination in the dark in the presence of iron also gives two monobromo derivatives. If the reaction is carried out to a higher degree, the formation of four dibromo derivatives may occur.
Suggest the structure for compound X and for the bromination products. Write schemes for the reactions.
Official English text of the problem.
Answers
The problem has no numbered subparts.
- Compound X: 4-ethyltoluene (1-ethyl-4-methylbenzene),
Cc1ccc(CC)cc1. - Bromination in light: the two side-chain products \(L_1\) and \(L_2\) below, in approximately equal yields. \(L_2\) is racemic.
- Bromination in the dark with iron: the two ring-monobromination products \(M_2\) and \(M_3\).
- Further bromination in the dark with iron: the four ring-dibromination products \(D_{23}\), \(D_{25}\), \(D_{26}\), and \(D_{35}\).
For all ring-product labels, keep the original methyl group at ring position 1 and the ethyl group at position 4.
| Label | Product name | SMILES |
|---|---|---|
| \(L_1\) | 1-(Bromomethyl)-4-ethylbenzene | CCc1ccc(CBr)cc1 |
| \(L_2\) | Racemic 1-(1-bromoethyl)-4-methylbenzene | C[C@H](Br)c1ccc(C)cc1 and C[C@@H](Br)c1ccc(C)cc1, in equal amounts |
| \(M_2\) | 2-Bromo-4-ethyltoluene | Cc1c(Br)cc(CC)cc1 |
| \(M_3\) | 3-Bromo-4-ethyltoluene | Cc1cc(Br)c(CC)cc1 |
| \(D_{23}\) | 2,3-Dibromo-4-ethyltoluene | Cc1c(Br)c(Br)c(CC)cc1 |
| \(D_{25}\) | 2,5-Dibromo-4-ethyltoluene | Cc1c(Br)cc(CC)c(Br)c1 |
| \(D_{26}\) | 2,6-Dibromo-4-ethyltoluene | Cc1c(Br)cc(CC)cc1Br |
| \(D_{35}\) | 3,5-Dibromo-4-ethyltoluene | Cc1cc(Br)c(CC)c(Br)c1 |
Solution
Identification of X.
The degree of unsaturation is \[ \mathrm{DBE}=\frac{2(9)+2-12}{2}=4. \] The benzene ring accounts for all four degrees of unsaturation. Thus the three carbons outside the ring belong to saturated, acyclic alkyl substituents. They can form one propyl group, an ethyl group plus a methyl group, or three methyl groups.
The possible structures and their numbers of constitutionally distinct ring-monobromination products are:
| Candidate | SMILES | Ring-monobromination products |
|---|---|---|
| Propylbenzene | CCCc1ccccc1 |
3 |
| Isopropylbenzene (cumene) | CC(C)c1ccccc1 |
3 |
| 2-Ethyltoluene | Cc1ccccc1CC |
4 |
| 3-Ethyltoluene | Cc1cc(CC)ccc1 |
4 |
| 4-Ethyltoluene | Cc1ccc(CC)cc1 |
2 |
| 1,2,3-Trimethylbenzene | Cc1c(C)c(C)ccc1 |
2 |
| 1,2,4-Trimethylbenzene | Cc1c(C)cc(C)cc1 |
3 |
| 1,3,5-Trimethylbenzene | Cc1cc(C)cc(C)c1 |
1 |
These counts follow from the equivalence of ring positions under molecular symmetry. In particular, the ethyl and methyl groups are different, so a symmetry operation cannot interchange them.
The observation of two ring-monobromination products leaves 4-ethyltoluene and 1,2,3-trimethylbenzene.
For 1,2,3-trimethylbenzene, the available ring positions are 4, 5, and 6, with 4 and 6 equivalent. Introducing two bromines therefore gives only two arrangements: \[ \{4,5\}\equiv\{5,6\}, \qquad \{4,6\}. \] It cannot account for four ring-dibromination products.
For 4-ethyltoluene, the four available positions give four distinct dibromo arrangements, as demonstrated below. Hence \[ \boxed{X=\text{4-ethyltoluene}.} \]
Bromination in light.
Under the selective benzylic bromination assumed in the problem, light promotes radical substitution at a carbon directly attached to the aromatic ring. X has two different benzylic sites:
- the carbon of its methyl group;
- the methylene carbon of its ethyl group.
The two balanced reactions are \[ \ce{CH3-C6H4-CH2CH3 + Br2 ->[h\nu] BrCH2-C6H4-CH2CH3 + HBr} \qquad (L_1) \] and \[ \ce{CH3-C6H4-CH2CH3 + Br2 ->[h\nu] CH3-C6H4-CHBrCH3 + HBr}. \qquad (L_2) \] The two side chains remain para to one another in both equations.
Here molecular bromine is BrBr, and hydrogen bromide is Br.
In \(L_2\), the carbon bearing bromine has four different substituents and is stereogenic. Bromination under achiral conditions gives equal amounts of its two enantiomers, whose SMILES appear in the answer table. They constitute one constitutional product, so the light reaction gives two constitutional monobromo derivatives overall.
The approximately equal yields of \(L_1\) and \(L_2\) are supplied experimental information; their ratio cannot be calculated from symmetry alone.
Monobromination in the dark with iron.
With iron, [Fe], bromination in the dark proceeds by electrophilic aromatic substitution.
Numbering the ring with methyl at C1 and ethyl at C4, reflection through these two positions gives \[ 2\longleftrightarrow6, \qquad 3\longleftrightarrow5. \] Consequently, bromination at C2 or C6 gives \(M_2\), whereas bromination at C3 or C5 gives \(M_3\).
The following balanced equation applies separately to each product, with the bromine at the position specified in the answer table: \[ \ce{C6H4(CH3)(C2H5) + Br2 ->[Fe] C6H3Br(CH3)(C2H5) + HBr} \qquad (M_2\ \text{or}\ M_3;\ \text{dark}). \]
Further bromination: the four dibromo derivatives.
Two ring hydrogens must now be replaced among positions \(2,3,5,6\). There are initially \[ \binom{4}{2}=6 \] pairs, but reflection makes two pairs of arrangements equivalent:
| Distinct product | Equivalent choices of brominated positions |
|---|---|
| \(D_{23}\) | \(\{2,3\}\equiv\{5,6\}\) |
| \(D_{25}\) | \(\{2,5\}\equiv\{3,6\}\) |
| \(D_{26}\) | \(\{2,6\}\) |
| \(D_{35}\) | \(\{3,5\}\) |
Thus there are exactly four constitutional ring-dibromination products.
Each further substitution obeys \[ \ce{C6H3Br(CH3)(C2H5) + Br2 ->[Fe] C6H2Br2(CH3)(C2H5) + HBr} \qquad (\text{dark}). \] The possible pathways are:
- From \(M_2\), substitution at C3, C5, or C6 gives \(D_{23}\), \(D_{25}\), or \(D_{26}\), respectively.
- From \(M_3\), substitution at C2, C5, or C6 gives \(D_{23}\), \(D_{35}\), or \(D_{25}\), respectively.
The balanced overall reaction, applying separately to each of the four dibromo isomers, is \[ \ce{C6H4(CH3)(C2H5) + 2Br2 ->[Fe] C6H2Br2(CH3)(C2H5) + 2HBr} \qquad (\text{dark}). \]
The solution was checked against the official solution.
IChO 1979 · Theorieaufgabe 5
Struktur eines Benzolderivats C9H12 anhand seiner Bromierungsprodukte
Das Benzolderivat X hat die Verhältnisformel \(\ce{C9H12}\). Seine Bromierung unter Lichteinwirkung führt zur Bildung zweier Monobromderivate in annähernd gleicher Ausbeute. Die Bromierung im Dunkeln in Gegenwart von Eisen ergibt ebenfalls zwei Monobromderivate. Wird die Reaktion weitergeführt, können vier Dibromderivate entstehen.
Schlagen Sie die Struktur der Verbindung X und der Bromierungsprodukte vor. Stellen Sie die Reaktionsschemata auf.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
Die Aufgabe hat keine nummerierten Teilaufgaben.
- Verbindung X: 4-Ethyltoluol (1-Ethyl-4-methylbenzol),
Cc1ccc(CC)cc1. - Bromierung unter Lichteinwirkung: die beiden unten aufgeführten Seitenkettenprodukte \(L_1\) und \(L_2\) in annähernd gleichen Ausbeuten. \(L_2\) liegt als Racemat vor.
- Bromierung im Dunkeln mit Eisen: die beiden Produkte der Monobromierung am Ring \(M_2\) und \(M_3\).
- Weitere Bromierung im Dunkeln mit Eisen: die vier Produkte der Dibromierung am Ring \(D_{23}\), \(D_{25}\), \(D_{26}\) und \(D_{35}\).
Bei allen Bezeichnungen der Ringprodukte bleibt die ursprüngliche Methylgruppe an Ringposition 1 und die Ethylgruppe an Position 4.
| Bezeichnung | Produktname | SMILES |
|---|---|---|
| \(L_1\) | 1-(Brommethyl)-4-ethylbenzol | CCc1ccc(CBr)cc1 |
| \(L_2\) | Racemisches 1-(1-Bromethyl)-4-methylbenzol | C[C@H](Br)c1ccc(C)cc1 und C[C@@H](Br)c1ccc(C)cc1, in gleichen Mengen |
| \(M_2\) | 2-Brom-4-ethyltoluol | Cc1c(Br)cc(CC)cc1 |
| \(M_3\) | 3-Brom-4-ethyltoluol | Cc1cc(Br)c(CC)cc1 |
| \(D_{23}\) | 2,3-Dibrom-4-ethyltoluol | Cc1c(Br)c(Br)c(CC)cc1 |
| \(D_{25}\) | 2,5-Dibrom-4-ethyltoluol | Cc1c(Br)cc(CC)c(Br)c1 |
| \(D_{26}\) | 2,6-Dibrom-4-ethyltoluol | Cc1c(Br)cc(CC)cc1Br |
| \(D_{35}\) | 3,5-Dibrom-4-ethyltoluol | Cc1cc(Br)c(CC)c(Br)c1 |
Lösung
Identifizierung von X.
Der Ungesättigtheitsgrad beträgt \[ \mathrm{DBE}=\frac{2(9)+2-12}{2}=4. \] Der Benzolring beansprucht alle vier Doppelbindungsäquivalente. Somit gehören die drei Kohlenstoffatome außerhalb des Rings zu gesättigten, acyclischen Alkylsubstituenten. Sie können eine Propylgruppe, eine Ethylgruppe und eine Methylgruppe oder drei Methylgruppen bilden.
Die möglichen Strukturen und die jeweilige Anzahl ihrer konstitutionell verschiedenen Produkte der Monobromierung am Ring sind:
| Kandidat | SMILES | Produkte der Monobromierung am Ring |
|---|---|---|
| Propylbenzol | CCCc1ccccc1 |
3 |
| Isopropylbenzol (Cumol) | CC(C)c1ccccc1 |
3 |
| 2-Ethyltoluol | Cc1ccccc1CC |
4 |
| 3-Ethyltoluol | Cc1cc(CC)ccc1 |
4 |
| 4-Ethyltoluol | Cc1ccc(CC)cc1 |
2 |
| 1,2,3-Trimethylbenzol | Cc1c(C)c(C)ccc1 |
2 |
| 1,2,4-Trimethylbenzol | Cc1c(C)cc(C)cc1 |
3 |
| 1,3,5-Trimethylbenzol | Cc1cc(C)cc(C)c1 |
1 |
Diese Anzahlen ergeben sich aus der Äquivalenz der Ringpositionen aufgrund der Molekülsymmetrie. Insbesondere sind die Ethyl- und die Methylgruppe verschieden, sodass eine Symmetrieoperation sie nicht miteinander vertauschen kann.
Aufgrund der Beobachtung zweier Produkte der Monobromierung am Ring bleiben 4-Ethyltoluol und 1,2,3-Trimethylbenzol übrig.
Bei 1,2,3-Trimethylbenzol sind die Ringpositionen 4, 5 und 6 verfügbar, wobei 4 und 6 äquivalent sind. Die Einführung zweier Bromatome ergibt daher nur zwei Anordnungen: \[ \{4,5\}\equiv\{5,6\}, \qquad \{4,6\}. \] Damit lässt sich die Bildung von vier Produkten der Dibromierung am Ring nicht erklären.
Bei 4-Ethyltoluol ergeben die vier verfügbaren Positionen vier verschiedene Dibromanordnungen, wie unten gezeigt wird. Daher gilt \[ \boxed{X=\text{4-Ethyltoluol}.} \]
Bromierung unter Lichteinwirkung.
Bei der in der Aufgabe vorausgesetzten selektiven Bromierung in Benzylstellung fördert Licht die radikalische Substitution an einem Kohlenstoffatom, das direkt an den aromatischen Ring gebunden ist. X besitzt zwei verschiedene benzylische Positionen:
- das Kohlenstoffatom seiner Methylgruppe;
- das Methylenkohlenstoffatom seiner Ethylgruppe.
Die beiden ausgeglichenen Reaktionsgleichungen lauten \[ \ce{CH3-C6H4-CH2CH3 + Br2 ->[h\nu] BrCH2-C6H4-CH2CH3 + HBr} \qquad (L_1) \] und \[ \ce{CH3-C6H4-CH2CH3 + Br2 ->[h\nu] CH3-C6H4-CHBrCH3 + HBr}. \qquad (L_2) \] Die beiden Seitenketten bleiben in beiden Gleichungen para zueinander angeordnet.
Hier ist molekulares Brom BrBr und Bromwasserstoff Br.
In \(L_2\) trägt das an Brom gebundene Kohlenstoffatom vier verschiedene Substituenten und ist stereogen. Die Bromierung unter achiralen Bedingungen ergibt gleiche Mengen seiner beiden Enantiomere, deren SMILES in der Antworttabelle aufgeführt sind. Sie stellen ein einziges konstitutionelles Produkt dar, sodass die Reaktion unter Lichteinwirkung insgesamt zwei konstitutionelle Monobromderivate ergibt.
Die annähernd gleichen Ausbeuten von \(L_1\) und \(L_2\) sind eine vorgegebene experimentelle Information; ihr Verhältnis lässt sich nicht allein aus der Symmetrie berechnen.
Monobromierung im Dunkeln mit Eisen.
Mit Eisen, [Fe], verläuft die Bromierung im Dunkeln als elektrophile aromatische Substitution.
Nummeriert man den Ring mit der Methylgruppe an C1 und der Ethylgruppe an C4, so ergibt die Spiegelung an der durch diese beiden Positionen verlaufenden Achse \[ 2\longleftrightarrow6, \qquad 3\longleftrightarrow5. \] Folglich ergibt die Bromierung an C2 oder C6 \(M_2\), während die Bromierung an C3 oder C5 \(M_3\) ergibt.
Die folgende ausgeglichene Gleichung gilt für jedes Produkt einzeln, wobei sich das Bromatom an der in der Antworttabelle angegebenen Position befindet: \[ \ce{C6H4(CH3)(C2H5) + Br2 ->[Fe] C6H3Br(CH3)(C2H5) + HBr} \qquad (M_2\ \text{oder}\ M_3;\ \text{im Dunkeln}). \]
Weitere Bromierung: die vier Dibromderivate.
Nun müssen zwei Ringwasserstoffatome an den Positionen \(2,3,5,6\) ersetzt werden. Zunächst gibt es \[ \binom{4}{2}=6 \] Positionspaare, doch durch Spiegelung sind jeweils zwei Anordnungen in zwei Fällen äquivalent:
| Verschiedenes Produkt | Äquivalente Möglichkeiten für die bromierten Positionen |
|---|---|
| \(D_{23}\) | \(\{2,3\}\equiv\{5,6\}\) |
| \(D_{25}\) | \(\{2,5\}\equiv\{3,6\}\) |
| \(D_{26}\) | \(\{2,6\}\) |
| \(D_{35}\) | \(\{3,5\}\) |
Somit gibt es genau vier konstitutionelle Produkte der Dibromierung am Ring.
Jede weitere Substitution folgt der Gleichung \[ \ce{C6H3Br(CH3)(C2H5) + Br2 ->[Fe] C6H2Br2(CH3)(C2H5) + HBr} \qquad (\text{im Dunkeln}). \] Die möglichen Reaktionswege sind:
- Ausgehend von \(M_2\) ergibt die Substitution an C3, C5 oder C6 jeweils \(D_{23}\), \(D_{25}\) oder \(D_{26}\).
- Ausgehend von \(M_3\) ergibt die Substitution an C2, C5 oder C6 jeweils \(D_{23}\), \(D_{35}\) oder \(D_{25}\).
Die ausgeglichene Gesamtreaktion, die für jedes der vier Dibromisomere einzeln gilt, lautet \[ \ce{C6H4(CH3)(C2H5) + 2Br2 ->[Fe] C6H2Br2(CH3)(C2H5) + 2HBr} \qquad (\text{im Dunkeln}). \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1979 · Teori sorusu 5
Bromlama ürünlerinden hareketle bir C9H12 benzen türevinin yapısının belirlenmesi
Benzen türevi X'in basit formülü \(\ce{C9H12}\)'dir. Işıkta bromlanması, yaklaşık olarak aynı verimle iki monobromo türevinin oluşmasına yol açar. Demir varlığında karanlıkta bromlanması da iki monobromo türevi verir. Tepkime daha ileri götürülürse dört dibromo türevi oluşabilir.
X bileşiği ve bromlama ürünleri için yapılar öneriniz. Tepkime şemalarını yazınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
Sorunun numaralandırılmış alt bölümleri yoktur.
- X bileşiği: 4-etiltoluen (1-etil-4-metilbenzen),
Cc1ccc(CC)cc1. - Işıkta bromlama: aşağıdaki iki yan zincir ürünü \(L_1\) ve \(L_2\), yaklaşık olarak eşit verimlerle oluşur. \(L_2\) rasemiktir.
- Demir varlığında karanlıkta bromlama: halkada monobromlama sonucu oluşan iki ürün, \(M_2\) ve \(M_3\).
- Demir varlığında karanlıkta bromlamanın sürdürülmesi: halkada dibromlama sonucu oluşan dört ürün, \(D_{23}\), \(D_{25}\), \(D_{26}\) ve \(D_{35}\).
Tüm halka ürünü etiketlerinde, başlangıçtaki metil grubunu halkanın 1 konumunda, etil grubunu ise 4 konumunda tutunuz.
| Etiket | Ürün adı | SMILES |
|---|---|---|
| \(L_1\) | 1-(Bromometil)-4-etilbenzen | CCc1ccc(CBr)cc1 |
| \(L_2\) | Rasemik 1-(1-bromoetil)-4-metilbenzen | C[C@H](Br)c1ccc(C)cc1 ve C[C@@H](Br)c1ccc(C)cc1, eşit miktarlarda |
| \(M_2\) | 2-Bromo-4-etiltoluen | Cc1c(Br)cc(CC)cc1 |
| \(M_3\) | 3-Bromo-4-etiltoluen | Cc1cc(Br)c(CC)cc1 |
| \(D_{23}\) | 2,3-Dibromo-4-etiltoluen | Cc1c(Br)c(Br)c(CC)cc1 |
| \(D_{25}\) | 2,5-Dibromo-4-etiltoluen | Cc1c(Br)cc(CC)c(Br)c1 |
| \(D_{26}\) | 2,6-Dibromo-4-etiltoluen | Cc1c(Br)cc(CC)cc1Br |
| \(D_{35}\) | 3,5-Dibromo-4-etiltoluen | Cc1cc(Br)c(CC)c(Br)c1 |
Çözüm
X'in belirlenmesi.
Doymamışlık derecesi \[ \mathrm{DBE}=\frac{2(9)+2-12}{2}=4. \] Benzen halkası, dört doymamışlık derecesinin tamamını karşılar. Dolayısıyla halka dışındaki üç karbon, doymuş, açık zincirli alkil sübstitüentlerine aittir. Bunlar bir propil grubu, bir etil grubu ile bir metil grubu veya üç metil grubu oluşturabilir.
Olası yapılar ve bunların halkada monobromlanmasıyla oluşan, atomların bağlanma düzenleri bakımından farklı ürünlerin sayıları şöyledir:
| Aday | SMILES | Halkada monobromlama ürünleri |
|---|---|---|
| Propilbenzen | CCCc1ccccc1 |
3 |
| İzopropilbenzen (kümen) | CC(C)c1ccccc1 |
3 |
| 2-Etiltoluen | Cc1ccccc1CC |
4 |
| 3-Etiltoluen | Cc1cc(CC)ccc1 |
4 |
| 4-Etiltoluen | Cc1ccc(CC)cc1 |
2 |
| 1,2,3-Trimetilbenzen | Cc1c(C)c(C)ccc1 |
2 |
| 1,2,4-Trimetilbenzen | Cc1c(C)cc(C)cc1 |
3 |
| 1,3,5-Trimetilbenzen | Cc1cc(C)cc(C)c1 |
1 |
Bu sayılar, molekül simetrisi altında halka konumlarının eşdeğerliğinden elde edilir. Özellikle etil ve metil grupları farklı olduğundan, bir simetri işlemi bunları birbiriyle yer değiştiremez.
Halkada iki monobromlama ürününün gözlenmesi, geriye 4-etiltoluen ve 1,2,3-trimetilbenzen seçeneklerini bırakır.
1,2,3-Trimetilbenzende, halkadaki kullanılabilir konumlar 4, 5 ve 6'dır; 4 ve 6 eşdeğerdir. Dolayısıyla iki brom atomunun bağlanması yalnızca iki düzenlenme verir: \[ \{4,5\}\equiv\{5,6\}, \qquad \{4,6\}. \] Bu yapı, halkada dört dibromlama ürününün oluşmasını açıklayamaz.
4-Etiltoluende, kullanılabilir dört konum, aşağıda gösterildiği gibi dört farklı dibromo düzenlenmesi verir. Dolayısıyla \[ \boxed{X=\text{4-etiltoluen}.} \]
Işıkta bromlama.
Soruda varsayılan seçici benzilik bromlama koşullarında ışık, aromatik halkaya doğrudan bağlı bir karbonda radikalik yer değiştirmeyi başlatır. X'in iki farklı benzilik konumu vardır:
- metil grubunun karbonu;
- etil grubunun metilen karbonu.
Denkleştirilmiş iki tepkime şöyledir: \[ \ce{CH3-C6H4-CH2CH3 + Br2 ->[h\nu] BrCH2-C6H4-CH2CH3 + HBr} \qquad (L_1) \] ve \[ \ce{CH3-C6H4-CH2CH3 + Br2 ->[h\nu] CH3-C6H4-CHBrCH3 + HBr}. \qquad (L_2) \] Her iki denklemde de iki yan zincir birbirine göre para konumunda kalır.
Burada moleküler brom BrBr, hidrojen bromür ise Br ile gösterilir.
\(L_2\)'de brom taşıyan karbonun dört farklı sübstitüenti vardır ve bu karbon stereojeniktir. Akiral koşullarda bromlama, SMILES gösterimleri cevap tablosunda verilen iki enantiyomeri eşit miktarlarda oluşturur. Bunlar bağlanma düzeni bakımından tek bir ürün oluşturur; dolayısıyla ışıkta yürütülen tepkime toplamda bağlanma düzenleri farklı iki monobromo türevi verir.
\(L_1\) ve \(L_2\)'nin yaklaşık olarak eşit verimlerle oluşması, soruda verilen deneysel bir bilgidir; bunların oranı yalnızca simetriden hesaplanamaz.
Demir varlığında karanlıkta monobromlama.
Demir, [Fe], varlığında karanlıkta bromlama, elektrofilik aromatik yer değiştirme yoluyla ilerler.
Halka, metil C1'de ve etil C4'te olacak şekilde numaralandırıldığında, bu iki konumdan geçen yansıma işlemi şu eşleşmeleri verir: \[ 2\longleftrightarrow6, \qquad 3\longleftrightarrow5. \] Sonuç olarak C2 veya C6'da bromlama \(M_2\)'yi, C3 veya C5'te bromlama ise \(M_3\)'ü verir.
Aşağıdaki denkleştirilmiş denklem, brom atomu cevap tablosunda belirtilen konumda olmak üzere her bir ürün için ayrı ayrı geçerlidir: \[ \ce{C6H4(CH3)(C2H5) + Br2 ->[Fe] C6H3Br(CH3)(C2H5) + HBr} \qquad (M_2\ \text{veya}\ M_3;\ \text{karanlıkta}). \]
Bromlamanın sürdürülmesi: dört dibromo türevi.
Bu kez \(2,3,5,6\) konumlarındaki iki halka hidrojeninin yer değiştirmesi gerekir. Başlangıçta \[ \binom{4}{2}=6 \] konum çifti vardır, ancak yansıma işlemi iki düzenlenme çiftini eşdeğer kılar:
| Farklı ürün | Bromlanan konumlar için eşdeğer seçimler |
|---|---|
| \(D_{23}\) | \(\{2,3\}\equiv\{5,6\}\) |
| \(D_{25}\) | \(\{2,5\}\equiv\{3,6\}\) |
| \(D_{26}\) | \(\{2,6\}\) |
| \(D_{35}\) | \(\{3,5\}\) |
Böylece halkada dibromlama sonucu bağlanma düzenleri farklı tam dört ürün oluşur.
Sonraki her yer değiştirme şu denkleme uyar: \[ \ce{C6H3Br(CH3)(C2H5) + Br2 ->[Fe] C6H2Br2(CH3)(C2H5) + HBr} \qquad (\text{karanlıkta}). \] Olası tepkime yolları şunlardır:
- \(M_2\)'den başlayarak C3, C5 veya C6'da yer değiştirme, sırasıyla \(D_{23}\), \(D_{25}\) veya \(D_{26}\)'yı verir.
- \(M_3\)'ten başlayarak C2, C5 veya C6'da yer değiştirme, sırasıyla \(D_{23}\), \(D_{35}\) veya \(D_{25}\)'i verir.
Dört dibromo izomerinin her biri için ayrı ayrı geçerli olan denkleştirilmiş toplam tepkime şöyledir: \[ \ce{C6H4(CH3)(C2H5) + 2Br2 ->[Fe] C6H2Br2(CH3)(C2H5) + 2HBr} \qquad (\text{karanlıkta}). \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1979 · Problema teórico 5
Estructura de un derivado del benceno C9H12 a partir de sus productos de bromación
El derivado del benceno X tiene la fórmula empírica \(\ce{C9H12}\). Su bromación en presencia de luz da lugar a la formación de dos derivados monobromados con rendimientos aproximadamente iguales. La bromación en la oscuridad en presencia de hierro también da dos derivados monobromados. Si la reacción se lleva a un grado de bromación mayor, puede producirse la formación de cuatro derivados dibromados.
Proponga la estructura del compuesto X y de los productos de bromación. Escriba los esquemas de las reacciones.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
El problema no tiene apartados numerados.
- Compuesto X: 4-etiltolueno (1-etil-4-metilbenceno),
Cc1ccc(CC)cc1. - Bromación en presencia de luz: los dos productos de bromación de las cadenas laterales \(L_1\) y \(L_2\) que se indican a continuación, con rendimientos aproximadamente iguales. \(L_2\) es racémico.
- Bromación en la oscuridad con hierro: los dos productos de monobromación del anillo \(M_2\) y \(M_3\).
- Bromación adicional en la oscuridad con hierro: los cuatro productos de dibromación del anillo \(D_{23}\), \(D_{25}\), \(D_{26}\) y \(D_{35}\).
Para todas las etiquetas de los productos de bromación del anillo, mantenga el grupo metilo original en la posición 1 del anillo y el grupo etilo en la posición 4.
| Etiqueta | Nombre del producto | SMILES |
|---|---|---|
| \(L_1\) | 1-(Bromometil)-4-etilbenceno | CCc1ccc(CBr)cc1 |
| \(L_2\) | 1-(1-Bromoetil)-4-metilbenceno racémico | C[C@H](Br)c1ccc(C)cc1 y C[C@@H](Br)c1ccc(C)cc1, en cantidades iguales |
| \(M_2\) | 2-Bromo-4-etiltolueno | Cc1c(Br)cc(CC)cc1 |
| \(M_3\) | 3-Bromo-4-etiltolueno | Cc1cc(Br)c(CC)cc1 |
| \(D_{23}\) | 2,3-Dibromo-4-etiltolueno | Cc1c(Br)c(Br)c(CC)cc1 |
| \(D_{25}\) | 2,5-Dibromo-4-etiltolueno | Cc1c(Br)cc(CC)c(Br)c1 |
| \(D_{26}\) | 2,6-Dibromo-4-etiltolueno | Cc1c(Br)cc(CC)cc1Br |
| \(D_{35}\) | 3,5-Dibromo-4-etiltolueno | Cc1cc(Br)c(CC)c(Br)c1 |
Solución
Identificación de X.
El grado de insaturación es \[ \mathrm{DBE}=\frac{2(9)+2-12}{2}=4. \] El anillo de benceno da cuenta de los cuatro grados de insaturación. Por tanto, los tres carbonos externos al anillo pertenecen a sustituyentes alquilo saturados y acíclicos. Pueden formar un grupo propilo, un grupo etilo y un grupo metilo, o tres grupos metilo.
Las estructuras posibles y sus números de productos de monobromación del anillo constitucionalmente distintos son:
| Candidato | SMILES | Productos de monobromación del anillo |
|---|---|---|
| Propilbenceno | CCCc1ccccc1 |
3 |
| Isopropilbenceno (cumeno) | CC(C)c1ccccc1 |
3 |
| 2-Etiltolueno | Cc1ccccc1CC |
4 |
| 3-Etiltolueno | Cc1cc(CC)ccc1 |
4 |
| 4-Etiltolueno | Cc1ccc(CC)cc1 |
2 |
| 1,2,3-Trimetilbenceno | Cc1c(C)c(C)ccc1 |
2 |
| 1,2,4-Trimetilbenceno | Cc1c(C)cc(C)cc1 |
3 |
| 1,3,5-Trimetilbenceno | Cc1cc(C)cc(C)c1 |
1 |
Estos recuentos se deducen de la equivalencia de las posiciones del anillo bajo las operaciones de simetría molecular. En particular, los grupos etilo y metilo son diferentes, por lo que una operación de simetría no puede intercambiarlos.
La observación de dos productos de monobromación del anillo deja como candidatos al 4-etiltolueno y al 1,2,3-trimetilbenceno.
En el 1,2,3-trimetilbenceno, las posiciones disponibles del anillo son 4, 5 y 6, siendo 4 y 6 equivalentes. Por tanto, la introducción de dos átomos de bromo da únicamente dos disposiciones: \[ \{4,5\}\equiv\{5,6\}, \qquad \{4,6\}. \] No puede dar cuenta de cuatro productos de dibromación del anillo.
En el 4-etiltolueno, las cuatro posiciones disponibles dan cuatro disposiciones dibromadas distintas, como se demuestra a continuación. Por tanto, \[ \boxed{X=\text{4-etiltolueno}.} \]
Bromación en presencia de luz.
En las condiciones de bromación bencílica selectiva que se suponen en el problema, la luz promueve la sustitución radicalaria en un carbono unido directamente al anillo aromático. X tiene dos sitios bencílicos diferentes:
- el carbono de su grupo metilo;
- el carbono metilénico de su grupo etilo.
Las dos reacciones ajustadas son \[ \ce{CH3-C6H4-CH2CH3 + Br2 ->[h\nu] BrCH2-C6H4-CH2CH3 + HBr} \qquad (L_1) \] y \[ \ce{CH3-C6H4-CH2CH3 + Br2 ->[h\nu] CH3-C6H4-CHBrCH3 + HBr}. \qquad (L_2) \] Las dos cadenas laterales permanecen en posición para entre sí en ambas ecuaciones.
Aquí, el bromo molecular es BrBr y el bromuro de hidrógeno es Br.
En \(L_2\), el carbono que lleva el bromo tiene cuatro sustituyentes diferentes y es estereogénico. La bromación en condiciones aquirales da cantidades iguales de sus dos enantiómeros, cuyos SMILES aparecen en la tabla de respuestas. Constituyen un único producto constitucional, de modo que la reacción en presencia de luz da en total dos derivados monobromados constitucionalmente distintos.
Los rendimientos aproximadamente iguales de \(L_1\) y \(L_2\) son información experimental proporcionada; su proporción no puede calcularse únicamente a partir de la simetría.
Monobromación en la oscuridad con hierro.
Con hierro, [Fe], la bromación en la oscuridad transcurre mediante sustitución electrófila aromática.
Al numerar el anillo con el metilo en C1 y el etilo en C4, la reflexión a través de estas dos posiciones da \[ 2\longleftrightarrow6, \qquad 3\longleftrightarrow5. \] En consecuencia, la bromación en C2 o C6 da \(M_2\), mientras que la bromación en C3 o C5 da \(M_3\).
La siguiente ecuación ajustada se aplica por separado a cada producto, con el bromo en la posición especificada en la tabla de respuestas: \[ \ce{C6H4(CH3)(C2H5) + Br2 ->[Fe] C6H3Br(CH3)(C2H5) + HBr} \qquad (M_2\ \text{o}\ M_3;\ \text{oscuridad}). \]
Bromación adicional: los cuatro derivados dibromados.
Ahora deben sustituirse dos hidrógenos del anillo entre las posiciones \(2,3,5,6\). Inicialmente hay \[ \binom{4}{2}=6 \] pares, pero la reflexión hace que dos pares de disposiciones sean equivalentes:
| Producto distinto | Elecciones equivalentes de las posiciones bromadas |
|---|---|
| \(D_{23}\) | \(\{2,3\}\equiv\{5,6\}\) |
| \(D_{25}\) | \(\{2,5\}\equiv\{3,6\}\) |
| \(D_{26}\) | \(\{2,6\}\) |
| \(D_{35}\) | \(\{3,5\}\) |
Por tanto, hay exactamente cuatro productos de dibromación del anillo constitucionalmente distintos.
Cada sustitución adicional obedece a \[ \ce{C6H3Br(CH3)(C2H5) + Br2 ->[Fe] C6H2Br2(CH3)(C2H5) + HBr} \qquad (\text{oscuridad}). \] Las vías posibles son:
- A partir de \(M_2\), la sustitución en C3, C5 o C6 da \(D_{23}\), \(D_{25}\) o \(D_{26}\), respectivamente.
- A partir de \(M_3\), la sustitución en C2, C5 o C6 da \(D_{23}\), \(D_{35}\) o \(D_{25}\), respectivamente.
La reacción global ajustada, que se aplica por separado a cada uno de los cuatro isómeros dibromados, es \[ \ce{C6H4(CH3)(C2H5) + 2Br2 ->[Fe] C6H2Br2(CH3)(C2H5) + 2HBr} \qquad (\text{oscuridad}). \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1979 · 理论题 5
根据溴化产物确定苯的衍生物 C9H12 的结构
苯的衍生物 X 的实验式为 \(\ce{C9H12}\)。它在光照下发生溴化反应,生成两种产率近似相同的一溴衍生物。在避光且有铁存在的条件下进行溴化,也得到两种一溴衍生物。若使反应进一步进行,则可能生成四种二溴衍生物。
提出化合物 X 及其溴化产物的结构,并写出反应式。
题目译自官方英文原文。
答案
本题没有编号小题。
- 化合物 X: 4-乙基甲苯(1-乙基-4-甲基苯),
Cc1ccc(CC)cc1。 - 光照下的溴化: 生成下列两种侧链产物 \(L_1\) 和 \(L_2\),产率近似相等。\(L_2\) 为外消旋体。
- 避光且有铁存在时的溴化: 生成两种苯环一溴取代产物 \(M_2\) 和 \(M_3\)。
- 避光且有铁存在时的进一步溴化: 生成四种苯环二溴取代产物 \(D_{23}\)、\(D_{25}\)、\(D_{26}\) 和 \(D_{35}\)。
对于所有苯环取代产物的标记,均将原有甲基所在的环上位置定为 1 位,乙基所在位置定为 4 位。
| 标记 | 产物名称 | SMILES |
|---|---|---|
| \(L_1\) | 1-(溴甲基)-4-乙基苯 | CCc1ccc(CBr)cc1 |
| \(L_2\) | 外消旋的 1-(1-溴乙基)-4-甲基苯 | C[C@H](Br)c1ccc(C)cc1 和 C[C@@H](Br)c1ccc(C)cc1,等量 |
| \(M_2\) | 2-溴-4-乙基甲苯 | Cc1c(Br)cc(CC)cc1 |
| \(M_3\) | 3-溴-4-乙基甲苯 | Cc1cc(Br)c(CC)cc1 |
| \(D_{23}\) | 2,3-二溴-4-乙基甲苯 | Cc1c(Br)c(Br)c(CC)cc1 |
| \(D_{25}\) | 2,5-二溴-4-乙基甲苯 | Cc1c(Br)cc(CC)c(Br)c1 |
| \(D_{26}\) | 2,6-二溴-4-乙基甲苯 | Cc1c(Br)cc(CC)cc1Br |
| \(D_{35}\) | 3,5-二溴-4-乙基甲苯 | Cc1cc(Br)c(CC)c(Br)c1 |
解答
确定 X 的结构。
不饱和度为 \[ \mathrm{DBE}=\frac{2(9)+2-12}{2}=4. \] 苯环占据了全部四个不饱和度。因此,环外的三个碳原子属于饱和、无环的烷基取代基。它们可以组成一个丙基、一个乙基和一个甲基,或三个甲基。
可能的结构及其构造不同的苯环一溴取代产物数目如下:
| 候选化合物 | SMILES | 苯环一溴取代产物数目 |
|---|---|---|
| 丙苯 | CCCc1ccccc1 |
3 |
| 异丙苯(枯烯) | CC(C)c1ccccc1 |
3 |
| 2-乙基甲苯 | Cc1ccccc1CC |
4 |
| 3-乙基甲苯 | Cc1cc(CC)ccc1 |
4 |
| 4-乙基甲苯 | Cc1ccc(CC)cc1 |
2 |
| 1,2,3-三甲基苯 | Cc1c(C)c(C)ccc1 |
2 |
| 1,2,4-三甲基苯 | Cc1c(C)cc(C)cc1 |
3 |
| 1,3,5-三甲基苯 | Cc1cc(C)cc(C)c1 |
1 |
这些数目由分子对称性所决定的环上位置等价关系得出。特别要注意,乙基和甲基不同,因此对称操作不能将二者互换。
根据观察到的两种苯环一溴取代产物,剩下的候选化合物为 4-乙基甲苯和 1,2,3-三甲基苯。
对于 1,2,3-三甲基苯,可供取代的环上位置为 4、5 和 6 位,其中 4 位和 6 位等价。因此,引入两个溴原子只会得到两种排列: \[ \{4,5\}\equiv\{5,6\}, \qquad \{4,6\}. \] 它无法解释四种苯环二溴取代产物的形成。
对于 4-乙基甲苯,四个可供取代的位置可形成四种不同的二溴取代排列,具体论证如下。因此 \[ \boxed{X=\text{4-乙基甲苯}.} \]
光照下的溴化。
在题目所假定的选择性苄位溴化条件下,光照促进与芳环直接相连的碳原子上的自由基取代反应。X 具有两个不同的苄位:
- 甲基中的碳原子;
- 乙基中的亚甲基碳原子。
两个配平的反应式为 \[ \ce{CH3-C6H4-CH2CH3 + Br2 ->[h\nu] BrCH2-C6H4-CH2CH3 + HBr} \qquad (L_1) \] 和 \[ \ce{CH3-C6H4-CH2CH3 + Br2 ->[h\nu] CH3-C6H4-CHBrCH3 + HBr}. \qquad (L_2) \] 在这两个反应式中,两条侧链均保持互为对位。
这里,溴分子的 SMILES 为 BrBr,溴化氢的 SMILES 为 Br。
在 \(L_2\) 中,与溴相连的碳原子具有四个不同的取代基,是一个立体生成中心。在非手性条件下进行溴化,会生成等量的两种对映异构体,其 SMILES 列于答案表中。它们属于同一种构造产物,因此光照反应总共生成两种构造不同的一溴衍生物。
\(L_1\) 和 \(L_2\) 的产率近似相等是题目给出的实验信息;仅凭对称性无法计算二者的比例。
避光且有铁存在时的一溴化。
在铁([Fe])存在时,避光条件下的溴化通过芳香亲电取代反应进行。
将苯环编号,使甲基位于 C1、乙基位于 C4,经过这两个位置的镜面对称操作给出 \[ 2\longleftrightarrow6, \qquad 3\longleftrightarrow5. \] 因此,在 C2 或 C6 处溴化生成 \(M_2\),而在 C3 或 C5 处溴化生成 \(M_3\)。
以下配平的反应式分别适用于每一种产物,其中溴的位置由答案表指定: \[ \ce{C6H4(CH3)(C2H5) + Br2 ->[Fe] C6H3Br(CH3)(C2H5) + HBr} \qquad (M_2\ \text{或}\ M_3;\ \text{避光}). \]
进一步溴化:四种二溴衍生物。
现在需要在 \(2,3,5,6\) 位的环上氢原子中取代两个。最初共有 \[ \binom{4}{2}=6 \] 种位置组合,但镜面对称使其中两对排列分别等价:
| 不同产物 | 等价的溴取代位置选择 |
|---|---|
| \(D_{23}\) | \(\{2,3\}\equiv\{5,6\}\) |
| \(D_{25}\) | \(\{2,5\}\equiv\{3,6\}\) |
| \(D_{26}\) | \(\{2,6\}\) |
| \(D_{35}\) | \(\{3,5\}\) |
因此,恰好有四种构造不同的苯环二溴取代产物。
每一次进一步取代均遵循 \[ \ce{C6H3Br(CH3)(C2H5) + Br2 ->[Fe] C6H2Br2(CH3)(C2H5) + HBr} \qquad (\text{避光}). \] 可能的反应路径如下:
- 从 \(M_2\) 出发,在 C3、C5 或 C6 处发生取代,分别生成 \(D_{23}\)、\(D_{25}\) 或 \(D_{26}\)。
- 从 \(M_3\) 出发,在 C2、C5 或 C6 处发生取代,分别生成 \(D_{23}\)、\(D_{35}\) 或 \(D_{25}\)。
配平的总反应式如下,分别适用于四种二溴异构体中的每一种: \[ \ce{C6H4(CH3)(C2H5) + 2Br2 ->[Fe] C6H2Br2(CH3)(C2H5) + 2HBr} \qquad (\text{避光}). \]
解答已与官方解答核对。
IChO 1979 · Теоретическая задача 5
Определение строения производного бензола C9H12 по продуктам его бромирования
Производное бензола X имеет эмпирическую формулу \(\ce{C9H12}\). При его бромировании на свету образуются два монобромпроизводных с приблизительно одинаковыми выходами. Бромирование в темноте в присутствии железа также даёт два монобромпроизводных. При более глубоком протекании реакции возможно образование четырёх дибромпроизводных.
Предложите структуры соединения X и продуктов его бромирования. Напишите схемы реакций.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
В задаче нет пронумерованных подпунктов.
- Соединение X: 4-этилтолуол (1-этил-4-метилбензол),
Cc1ccc(CC)cc1. - Бромирование на свету: два приведённых ниже продукта бромирования боковых цепей \(L_1\) и \(L_2\) с приблизительно одинаковыми выходами. \(L_2\) представляет собой рацемат.
- Бромирование в темноте в присутствии железа: два продукта монобромирования кольца \(M_2\) и \(M_3\).
- Дальнейшее бромирование в темноте в присутствии железа: четыре продукта дибромирования кольца \(D_{23}\), \(D_{25}\), \(D_{26}\) и \(D_{35}\).
Во всех обозначениях продуктов бромирования кольца исходная метильная группа остаётся в положении 1, а этильная группа — в положении 4.
| Обозначение | Название продукта | SMILES |
|---|---|---|
| \(L_1\) | 1-(Бромметил)-4-этилбензол | CCc1ccc(CBr)cc1 |
| \(L_2\) | Рацемический 1-(1-бромэтил)-4-метилбензол | C[C@H](Br)c1ccc(C)cc1 и C[C@@H](Br)c1ccc(C)cc1, в равных количествах |
| \(M_2\) | 2-Бром-4-этилтолуол | Cc1c(Br)cc(CC)cc1 |
| \(M_3\) | 3-Бром-4-этилтолуол | Cc1cc(Br)c(CC)cc1 |
| \(D_{23}\) | 2,3-Дибром-4-этилтолуол | Cc1c(Br)c(Br)c(CC)cc1 |
| \(D_{25}\) | 2,5-Дибром-4-этилтолуол | Cc1c(Br)cc(CC)c(Br)c1 |
| \(D_{26}\) | 2,6-Дибром-4-этилтолуол | Cc1c(Br)cc(CC)cc1Br |
| \(D_{35}\) | 3,5-Дибром-4-этилтолуол | Cc1cc(Br)c(CC)c(Br)c1 |
Решение
Установление структуры X.
Степень ненасыщенности равна \[ \mathrm{DBE}=\frac{2(9)+2-12}{2}=4. \] Все четыре единицы ненасыщенности приходятся на бензольное кольцо. Следовательно, три атома углерода вне кольца входят в состав насыщенных ациклических алкильных заместителей. Они могут образовывать одну пропильную группу, этильную и метильную группы или три метильные группы.
Возможные структуры и число структурно различных продуктов монобромирования кольца для каждой из них приведены ниже:
| Возможное соединение | SMILES | Число продуктов монобромирования кольца |
|---|---|---|
| Пропилбензол | CCCc1ccccc1 |
3 |
| Изопропилбензол (кумол) | CC(C)c1ccccc1 |
3 |
| 2-Этилтолуол | Cc1ccccc1CC |
4 |
| 3-Этилтолуол | Cc1cc(CC)ccc1 |
4 |
| 4-Этилтолуол | Cc1ccc(CC)cc1 |
2 |
| 1,2,3-Триметилбензол | Cc1c(C)c(C)ccc1 |
2 |
| 1,2,4-Триметилбензол | Cc1c(C)cc(C)cc1 |
3 |
| 1,3,5-Триметилбензол | Cc1cc(C)cc(C)c1 |
1 |
Эти числа следуют из эквивалентности положений в кольце при операциях симметрии молекулы. В частности, этильная и метильная группы различны, поэтому операция симметрии не может менять их местами.
Наблюдаемое образование двух продуктов монобромирования кольца оставляет два варианта: 4-этилтолуол и 1,2,3-триметилбензол.
В 1,2,3-триметилбензоле доступными положениями в кольце являются 4, 5 и 6, причём положения 4 и 6 эквивалентны. Поэтому введение двух атомов брома даёт лишь два варианта их расположения: \[ \{4,5\}\equiv\{5,6\}, \qquad \{4,6\}. \] Это соединение не может объяснить образование четырёх продуктов дибромирования кольца.
В случае 4-этилтолуола четыре доступных положения дают четыре различных варианта расположения двух атомов брома, как показано ниже. Следовательно, \[ \boxed{X=\text{4-этилтолуол}.} \]
Бромирование на свету.
При предполагаемом в задаче селективном бромировании в бензильном положении свет инициирует радикальное замещение у атома углерода, непосредственно связанного с ароматическим кольцом. В X имеются два различных бензильных положения:
- атом углерода метильной группы;
- метиленовый атом углерода этильной группы.
Два уравнения реакций с расставленными коэффициентами имеют вид \[ \ce{CH3-C6H4-CH2CH3 + Br2 ->[h\nu] BrCH2-C6H4-CH2CH3 + HBr} \qquad (L_1) \] и \[ \ce{CH3-C6H4-CH2CH3 + Br2 ->[h\nu] CH3-C6H4-CHBrCH3 + HBr}. \qquad (L_2) \] В обоих уравнениях две боковые цепи остаются в пара-положении друг относительно друга.
Здесь молекулярному брому соответствует BrBr, а бромоводороду — Br.
В \(L_2\) атом углерода, связанный с бромом, имеет четыре различных заместителя и является стереогенным центром. Бромирование в ахиральных условиях даёт равные количества двух его энантиомеров, SMILES которых приведены в таблице ответов. Они представляют собой один продукт с точки зрения структурной изомерии, поэтому в общей сложности реакция на свету даёт два структурно различных монобромпроизводных.
Приблизительно одинаковые выходы \(L_1\) и \(L_2\) — это экспериментальные данные, приведённые в условии; их соотношение нельзя рассчитать только на основании симметрии.
Монобромирование в темноте в присутствии железа.
В присутствии железа, [Fe], бромирование в темноте протекает по механизму электрофильного ароматического замещения.
При нумерации кольца, в которой метильная группа находится при C1, а этильная — при C4, отражение относительно оси, проходящей через эти два положения, даёт \[ 2\longleftrightarrow6, \qquad 3\longleftrightarrow5. \] Следовательно, бромирование при C2 или C6 даёт \(M_2\), а бромирование при C3 или C5 — \(M_3\).
Следующее уравнение с расставленными коэффициентами применимо отдельно к каждому продукту, в котором бром находится в положении, указанном в таблице ответов: \[ \ce{C6H4(CH3)(C2H5) + Br2 ->[Fe] C6H3Br(CH3)(C2H5) + HBr} \qquad (M_2\ \text{или}\ M_3;\ \text{в темноте}). \]
Дальнейшее бромирование: четыре дибромпроизводных.
Теперь необходимо заместить два атома водорода кольца в положениях \(2,3,5,6\). Изначально имеется \[ \binom{4}{2}=6 \] пар, но вследствие отражения дважды возникают пары эквивалентных вариантов расположения:
| Различные продукты | Эквивалентные варианты выбора бромируемых положений |
|---|---|
| \(D_{23}\) | \(\{2,3\}\equiv\{5,6\}\) |
| \(D_{25}\) | \(\{2,5\}\equiv\{3,6\}\) |
| \(D_{26}\) | \(\{2,6\}\) |
| \(D_{35}\) | \(\{3,5\}\) |
Таким образом, существует ровно четыре структурно различных продукта дибромирования кольца.
Каждое последующее замещение описывается уравнением \[ \ce{C6H3Br(CH3)(C2H5) + Br2 ->[Fe] C6H2Br2(CH3)(C2H5) + HBr} \qquad (\text{в темноте}). \] Возможны следующие пути:
- Из \(M_2\) при замещении в положениях C3, C5 или C6 образуются соответственно \(D_{23}\), \(D_{25}\) или \(D_{26}\).
- Из \(M_3\) при замещении в положениях C2, C5 или C6 образуются соответственно \(D_{23}\), \(D_{35}\) или \(D_{25}\).
Суммарное уравнение реакции с расставленными коэффициентами, применимое отдельно к каждому из четырёх дибромизомеров, имеет вид \[ \ce{C6H4(CH3)(C2H5) + 2Br2 ->[Fe] C6H2Br2(CH3)(C2H5) + 2HBr} \qquad (\text{в темноте}). \]
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1979 · مسألة نظرية 5
بنية مشتق للبنزين C9H12 من نواتج برومته
لمشتق البنزين X الصيغة الأولية \(\ce{C9H12}\). تؤدي برومته في الضوء إلى تكوّن مشتقين أحاديي البروم بمردودين متساويين تقريبًا. كما تعطي البرومة في الظلام بوجود الحديد مشتقين أحاديي البروم. وإذا أُجري التفاعل إلى مدى أكبر، فقد تتكوّن أربعة مشتقات ثنائية البروم.
اقترح بنية للمركب X ولناتج كل تفاعل من تفاعلات البرومة. اكتب مخططات التفاعلات.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
لا تتضمن المسألة أجزاء فرعية مرقمة.
- المركب X: 4-إيثيل تولوين (1-إيثيل-4-ميثيل بنزين)،
Cc1ccc(CC)cc1. - البرومة في الضوء: ناتجا البرومة في السلسلتين الجانبيتين \(L_1\) و\(L_2\) الواردان أدناه، بمردودين متساويين تقريبًا. ويكون \(L_2\) راسيميًا.
- البرومة في الظلام بوجود الحديد: ناتجا أحادية البرومة في الحلقة \(M_2\) و\(M_3\).
- مواصلة البرومة في الظلام بوجود الحديد: نواتج ثنائية البرومة في الحلقة الأربعة \(D_{23}\)، و\(D_{25}\)، و\(D_{26}\)، و\(D_{35}\).
في جميع رموز نواتج البرومة في الحلقة، أبقِ مجموعة الميثيل الأصلية في الموضع 1 من الحلقة ومجموعة الإيثيل في الموضع 4.
| الرمز | اسم الناتج | SMILES |
|---|---|---|
| \(L_1\) | 1-(بروموميثيل)-4-إيثيل بنزين | CCc1ccc(CBr)cc1 |
| \(L_2\) | 1-(1-بروموإيثيل)-4-ميثيل بنزين الراسيمي | C[C@H](Br)c1ccc(C)cc1 وC[C@@H](Br)c1ccc(C)cc1، بكميتين متساويتين |
| \(M_2\) | 2-برومو-4-إيثيل تولوين | Cc1c(Br)cc(CC)cc1 |
| \(M_3\) | 3-برومو-4-إيثيل تولوين | Cc1cc(Br)c(CC)cc1 |
| \(D_{23}\) | 2,3-ثنائي برومو-4-إيثيل تولوين | Cc1c(Br)c(Br)c(CC)cc1 |
| \(D_{25}\) | 2,5-ثنائي برومو-4-إيثيل تولوين | Cc1c(Br)cc(CC)c(Br)c1 |
| \(D_{26}\) | 2,6-ثنائي برومو-4-إيثيل تولوين | Cc1c(Br)cc(CC)cc1Br |
| \(D_{35}\) | 3,5-ثنائي برومو-4-إيثيل تولوين | Cc1cc(Br)c(CC)c(Br)c1 |
الحل
تحديد هوية X.
درجة عدم الإشباع هي \[ \mathrm{DBE}=\frac{2(9)+2-12}{2}=4. \] تمثل حلقة البنزين درجات عدم الإشباع الأربع جميعها. لذا فإن ذرات الكربون الثلاث خارج الحلقة تنتمي إلى مستبدلات ألكيلية مشبعة غير حلقية. ويمكن أن تكوّن مجموعة بروبيل واحدة، أو مجموعة إيثيل ومجموعة ميثيل، أو ثلاث مجموعات ميثيل.
البنى الممكنة وأعداد نواتج أحادية البرومة في الحلقة المختلفة من حيث الترابط الذري لكل منها هي:
| المركب المرشح | SMILES | نواتج أحادية البرومة في الحلقة |
|---|---|---|
| بروبيل بنزين | CCCc1ccccc1 |
3 |
| أيزوبروبيل بنزين (الكومين) | CC(C)c1ccccc1 |
3 |
| 2-إيثيل تولوين | Cc1ccccc1CC |
4 |
| 3-إيثيل تولوين | Cc1cc(CC)ccc1 |
4 |
| 4-إيثيل تولوين | Cc1ccc(CC)cc1 |
2 |
| 1,2,3-ثلاثي ميثيل بنزين | Cc1c(C)c(C)ccc1 |
2 |
| 1,2,4-ثلاثي ميثيل بنزين | Cc1c(C)cc(C)cc1 |
3 |
| 1,3,5-ثلاثي ميثيل بنزين | Cc1cc(C)cc(C)c1 |
1 |
تنتج هذه الأعداد من تكافؤ مواضع الحلقة بفعل التناظر الجزيئي. وعلى وجه الخصوص، تختلف مجموعتا الإيثيل والميثيل، ولذلك لا يمكن لعملية تناظر أن تتبادل موضعيهما.
إن ملاحظة ناتجين لأحادية البرومة في الحلقة تُبقي على احتمالَي 4-إيثيل تولوين و1,2,3-ثلاثي ميثيل بنزين.
في 1,2,3-ثلاثي ميثيل بنزين، تكون مواضع الحلقة المتاحة هي 4 و5 و6، ويكون الموضعان 4 و6 متكافئين. ومن ثم فإن إدخال ذرتَي بروم يعطي ترتيبين فقط: \[ \{4,5\}\equiv\{5,6\}, \qquad \{4,6\}. \] ولذلك لا يمكنه تفسير وجود أربعة نواتج لثنائية البرومة في الحلقة.
أما في 4-إيثيل تولوين، فتعطي المواضع الأربعة المتاحة أربعة ترتيبات متميزة لثنائية البروم، كما هو موضح أدناه. ومن ثم \[ \boxed{X=\text{4-إيثيل تولوين}.} \]
البرومة في الضوء.
في ظل البرومة البنزيلية الانتقائية المفترضة في المسألة، يحفّز الضوء الاستبدال الجذري عند ذرة كربون متصلة مباشرة بالحلقة العطرية. وللمركب X موضعان بنزيليان مختلفان:
- ذرة الكربون في مجموعة الميثيل؛
- ذرة كربون الميثيلين في مجموعة الإيثيل.
التفاعلان الموزونان هما \[ \ce{CH3-C6H4-CH2CH3 + Br2 ->[h\nu] BrCH2-C6H4-CH2CH3 + HBr} \qquad (L_1) \] و \[ \ce{CH3-C6H4-CH2CH3 + Br2 ->[h\nu] CH3-C6H4-CHBrCH3 + HBr}. \qquad (L_2) \] تبقى السلسلتان الجانبيتان في وضع بارا إحداهما بالنسبة إلى الأخرى في كلتا المعادلتين.
هنا يُمثَّل البروم الجزيئي بالرمز BrBr، وبروميد الهيدروجين بالرمز Br.
في \(L_2\)، تحمل ذرة الكربون المرتبطة بالبروم أربعة مستبدلات مختلفة، وهي مركز مولِّد للتصاوغ الفراغي. وتعطي البرومة في ظروف غير كيرالية كميتين متساويتين من المتماكبين المرآتيين، اللذين ترد صيغتا SMILES لهما في جدول الإجابات. وهما يشكّلان ناتجًا واحدًا من حيث الترابط الذري، ولذلك يعطي التفاعل في الضوء مشتقين أحاديي البروم مختلفين من حيث الترابط الذري إجمالًا.
إن تساوي مردودَي \(L_1\) و\(L_2\) تقريبًا معلومة تجريبية معطاة؛ ولا يمكن حساب نسبتهما من التناظر وحده.
أحادية البرومة في الظلام بوجود الحديد.
بوجود الحديد، [Fe]، تجري البرومة في الظلام بآلية الاستبدال العطري الإلكتروفيلي.
عند ترقيم الحلقة بحيث تكون مجموعة الميثيل عند C1 ومجموعة الإيثيل عند C4، يعطي الانعكاس عبر هذين الموضعين \[ 2\longleftrightarrow6, \qquad 3\longleftrightarrow5. \] وبالتالي، تعطي البرومة عند C2 أو C6 الناتج \(M_2\)، بينما تعطي البرومة عند C3 أو C5 الناتج \(M_3\).
تنطبق المعادلة الموزونة التالية على كل ناتج على حدة، مع وجود البروم في الموضع المحدد في جدول الإجابات: \[ \ce{C6H4(CH3)(C2H5) + Br2 ->[Fe] C6H3Br(CH3)(C2H5) + HBr} \qquad (M_2\ \text{أو}\ M_3;\ \text{الظلام}). \]
مواصلة البرومة: المشتقات ثنائية البروم الأربعة.
يجب الآن استبدال ذرتَي هيدروجين في الحلقة من بين المواضع \(2,3,5,6\). ويوجد في البداية \[ \binom{4}{2}=6 \] أزواج، لكن الانعكاس يجعل ترتيبين متكافئين في كلٍّ من زوجين من الترتيبات:
| الناتج المتميز | الخيارات المتكافئة للمواضع التي خضعت للبرومة |
|---|---|
| \(D_{23}\) | \(\{2,3\}\equiv\{5,6\}\) |
| \(D_{25}\) | \(\{2,5\}\equiv\{3,6\}\) |
| \(D_{26}\) | \(\{2,6\}\) |
| \(D_{35}\) | \(\{3,5\}\) |
إذن يوجد بالضبط أربعة نواتج لثنائية البرومة في الحلقة مختلفة من حيث الترابط الذري.
يتبع كل استبدال إضافي المعادلة \[ \ce{C6H3Br(CH3)(C2H5) + Br2 ->[Fe] C6H2Br2(CH3)(C2H5) + HBr} \qquad (\text{الظلام}). \] المسارات الممكنة هي:
- انطلاقًا من \(M_2\)، يعطي الاستبدال عند C3 أو C5 أو C6 النواتج \(D_{23}\) أو \(D_{25}\) أو \(D_{26}\)، على الترتيب.
- انطلاقًا من \(M_3\)، يعطي الاستبدال عند C2 أو C5 أو C6 النواتج \(D_{23}\) أو \(D_{35}\) أو \(D_{25}\)، على الترتيب.
التفاعل الإجمالي الموزون، الذي ينطبق على كلٍّ من المتماكبات ثنائية البروم الأربعة على حدة، هو \[ \ce{C6H4(CH3)(C2H5) + 2Br2 ->[Fe] C6H2Br2(CH3)(C2H5) + 2HBr} \qquad (\text{الظلام}). \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.