IChO 1980 · Theory problem 6
Organic chemistry, syntheses: products from benzaldehyde and malonic acid
(Organic chemistry, syntheses)
Benzaldehyde and malonic acid reacted in pyridine at 80 °C yielding (among others) \(\ce{CO2}\) and compound A in a yield of ca. 80 % of the theoretical value. Catalytic hydrogenation of 1.48 g A on Pt at room temperature and normal pressure yielded B with a consumption of 0.25 litre of hydrogen. On reaction of B with a polyphosphoric acid (the Friedel-Crafts' conditions) compound C can be isolated accompanied by two acidic, isomeric side products. The side products Da and Db can be formed in a greater amount at a high concentration of B in the reaction medium, and can be suppressed by dilution.
The elemental analysis of C yields 81.8 % of carbon and 6.1 % of hydrogen. The corresponding values for Da and Db, identical within the experimental error, are 76.6 % and 6.4 %, respectively. An amount of 2.82 g Da, as well as Db requires ca. 100 \(\mathrm{cm^3}\) 0.1 N potassium hydroxide solution for its neutralization. C can be purified by distillation (b. p. 243 – 245 °C) and then exhibits a melting point of 40 °C and density of 1.09 \(\mathrm{g/cm^3}\). The relative molecular mass can be obtained by mass spectrometry and its value is 132.
Using this information solve the following problems:
6.1 The structural formula of A.
6.2 The structural formula of B.
6.3 The structural formula of C.
6.4 The structural formulae of Da and Db.
6.5 Give an alternative pathway for the synthesis of A using the simplest possible starting materials and forming at least one C–C bond.
6.6 Give an alternative pathway for the synthesis of B using the simplest possible starting materials and forming at least one C–C bond.
6.7 Give structural formulae for the products of the following reactions:
Official English text of the problem.
Answers
- 6.1 — A: Cinnamic acid, normally predominantly the \(E\) isomer:
O=C(O)/C=C/c1ccccc1. - 6.2 — B: 3-Phenylpropanoic acid (hydrocinnamic acid):
O=C(O)CCc1ccccc1. - 6.3 — C: Indan-1-one:
O=C1CCc2ccccc21. - 6.4 — Da and Db: Assigning the labels arbitrarily:
- Da: 3-[2-(3-Phenylpropanoyl)phenyl]propanoic acid, the ortho isomer:
O=C(O)CCc1ccccc1C(=O)CCc1ccccc1. - Db: 3-[4-(3-Phenylpropanoyl)phenyl]propanoic acid, the para isomer:
O=C(O)CCc1ccc(C(=O)CCc2ccccc2)cc1. - 6.5: Perkin synthesis of A from benzaldehyde and acetic anhydride, using sodium acetate and heat, followed by hydrolysis.
- 6.6: Malonic ester synthesis of B: benzylate diethyl malonate, then hydrolyze and decarboxylate.
- 6.7(a): Indan-1-one oxime:
ON=C1CCc2ccccc21; its \(E/Z\) composition is unspecified. - 6.7(b): 3-Phenyl-1H-indene:
c1ccc(C2=CCc3ccccc32)cc1, formed by acid-catalyzed dehydration of the initially produced tertiary alcohol. - 6.7(c): 2-Benzylideneindan-1-one, normally predominantly \(E\):
O=C1/C(=C/c2ccccc2)Cc2ccccc21.
Solution
6.1 — Identification of A
Benzaldehyde O=Cc1ccccc1 and malonic acid O=C(O)CC(=O)O undergo a Knoevenagel–Doebner condensation in pyridine c1ccncc1.
Condensation first gives benzylidenemalonic acid O=C(O)C(=Cc1ccccc1)C(=O)O:
\[ \ce{C6H5CHO + CH2(COOH)2 -> C6H5CH=C(COOH)2 + H2O}. \]
Decarboxylation then gives cinnamic acid:
\[ \ce{C6H5CH=C(COOH)2 -> C6H5CH=CHCOOH + CO2}. \]
The by-products are water O and carbon dioxide O=C=O. The overall balanced reaction is therefore
\[ \boxed{\ce{C6H5CHO + CH2(COOH)2 -> C6H5CH=CHCOOH + CO2 + H2O}}. \]
Thus A is cinnamic acid, \(\ce{C9H8O2}\), with molar mass
\[ M_A=9(12)+8(1)+2(16)=148\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
The usual major product is the more stable \(E\) isomer.
6.2 — Identification of B
The amount of A hydrogenated is
\[ n_A=\frac{1.48\ \mathrm{g}}{148\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0100\ \mathrm{mol}. \]
If one mole of molecular hydrogen, [H][H], reacts per mole of A, the observed volume corresponds to
\[ V_m=\frac{0.25\ \mathrm{L}}{0.0100\ \mathrm{mol}} =25\ \mathrm{L\,mol^{-1}}, \]
consistent, at the precision of the problem, with a gas at room temperature and normal pressure. Thus approximately one equivalent of hydrogen is consumed.
Hydrogenation reduces the side-chain double bond:
\[ \boxed{\ce{C6H5CH=CHCOOH + H2 ->[Pt] C6H5CH2CH2COOH}}. \]
Therefore B is 3-phenylpropanoic acid, \(\ce{C9H10O2}\), with \(M_B=150\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
6.3 — Identification of C
The oxygen percentage is
\[ 100-81.8-6.1=12.1\%. \]
Using \(M_C=132\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) and the usual integer atomic masses gives the numbers of atoms per molecule:
\[ N_{\mathrm C}=\frac{0.818(132)}{12}=9.00, \qquad N_{\mathrm H}=\frac{0.061(132)}{1}=8.05, \qquad N_{\mathrm O}=\frac{0.121(132)}{16}=1.00. \]
Hence the molecular formula is
\[ \boxed{\ce{C9H8O}}. \]
This differs from B, \(\ce{C9H10O2}\), by one molecule of water:
\[ \ce{C9H10O2 ->[PPA] C9H8O + H2O}. \]
Polyphosphoric acid activates the carboxyl group for an intramolecular Friedel–Crafts acylation. An ortho carbon of the aromatic ring bonds to the carboxyl carbon, closing a five-membered ring.
Consequently, C is indan-1-one. Its five-membered ring contains the carbonyl carbon and two methylene groups, and shares an edge with the benzene ring. Its formula also gives six degrees of unsaturation:
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(9)+2-8}{2}=6, \]
accounted for by the benzene ring, the additional ring, and the carbonyl bond.
6.4 — Identification of Da and Db
Potassium hydroxide [K+].[OH-] is monobasic. The quantity used in the titration is
\[ n_{\mathrm{eq}} =(0.100\ \mathrm{L})(0.1\ \mathrm{eq\,L^{-1}}) \simeq0.010\ \mathrm{eq}. \]
Thus each side product has equivalent mass
\[ E=\frac{2.82\ \mathrm{g}}{0.010\ \mathrm{eq}} \simeq282\ \mathrm{g\,eq^{-1}}. \]
The concentration dependence suggests an intermolecular reaction involving two molecules of B. If the activated carboxyl group of one molecule acylates the aromatic ring of another, the resulting product retains one carboxyl group:
\[ \boxed{ \ce{2 C6H5CH2CH2COOH -> HOOCCH2CH2C6H4COCH2CH2C6H5 + H2O} }. \]
The predicted molecular formula and molar mass are
\[ \ce{2 C9H10O2 - H2O = C18H18O3}, \]
\[ M_D=2(150)-18=282\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Because this product has one carboxyl group, its equivalent mass is also \(282\ \mathrm{g\,eq^{-1}}\), matching the titration. Its calculated elemental composition is
\[ w_{\mathrm C}=\frac{18(12)}{282}\times100=76.6\%, \]
\[ w_{\mathrm H}=\frac{18(1)}{282}\times100=6.38\%\approx6.4\%. \]
Both agree with the measured values.
The existing \(\ce{-CH2CH2COOH}\) substituent is attached to the aromatic ring through an alkyl carbon and directs electrophilic substitution principally ortho and para. The incoming group is \(\ce{-COCH2CH2C6H5}\). This gives the two structures listed as Da and Db.
Dilution suppresses these products because intermolecular acylation requires a second molecule of B, whereas formation of C closes a ring within one molecule. The labels Da and Db may be interchanged.
6.5 — Alternative synthesis of A
A suitable alternative is the Perkin reaction.
Heat benzaldehyde with acetic anhydride CC(=O)OC(C)=O in the presence of sodium acetate CC(=O)[O-].[Na+], then perform an aqueous work-up. The overall balanced equation is
\[ \boxed{ \ce{C6H5CHO + (CH3CO)2O -> C6H5CH=CHCOOH + CH3COOH} }. \]
The other organic product is acetic acid CC(=O)O.
The new C–C bond joins the original aldehyde carbon to a methyl carbon supplied by acetic anhydride. Condensation and subsequent hydrolysis yield A, normally predominantly \(E\)-cinnamic acid.
6.6 — Alternative synthesis of B
A standard alternative is the malonic ester synthesis, using diethyl malonate CCOC(=O)CC(=O)OCC and benzyl chloride ClCc1ccccc1.
First, sodium ethoxide CC[O-].[Na+] removes a proton from diethyl malonate. The resulting malonate anion, CCOC(=O)[CH-]C(=O)OCC, attacks benzyl chloride in an \(S_\mathrm{N}2\) reaction. The combined balanced equation is
\[ \ce{ CH2(COOC2H5)2 + C2H5ONa + C6H5CH2Cl -> C6H5CH2CH(COOC2H5)2 + C2H5OH + NaCl }. \]
The organic product is diethyl benzylmalonate CCOC(=O)C(Cc1ccccc1)C(=O)OCC. The coproducts are ethanol CCO and sodium chloride [Na+].[Cl-].
Hydrolysis of both ester groups gives benzylmalonic acid O=C(O)C(Cc1ccccc1)C(=O)O:
\[ \ce{ C6H5CH2CH(COOC2H5)2 + 2 H2O ->[H+] C6H5CH2CH(COOH)2 + 2 C2H5OH }. \]
Heating then causes decarboxylation:
\[ \boxed{ \ce{C6H5CH2CH(COOH)2 ->[\Delta] C6H5CH2CH2COOH + CO2} }. \]
The product is B. The required new C–C bond is formed between the benzyl carbon and the central carbon of malonate.
6.7(a) — Reaction with hydroxylamine
Hydroxylamine NO condenses with the ketone carbonyl group under acid catalysis, producing indan-1-one oxime:
\[ \boxed{\ce{C9H8O + NH2OH ->[H+] C9H9NO + H2O}}. \]
The original \(\ce{C=O}\) group becomes \(\ce{C=N-OH}\).
The connectivity is ON=C1CCc2ccccc21. Because the two ring paths attached to the imine carbon differ, geometrical isomers are possible:
- \((E)\)-Indan-1-one oxime:
O/N=C1\CCc2ccccc21. - \((Z)\)-Indan-1-one oxime:
O/N=C1/CCc2ccccc21.
The problem does not establish their proportions.
6.7(b) — Grignard addition and subsequent acidic treatment
Phenylmagnesium bromide Br[Mg]c1ccccc1 adds a phenyl group to the carbonyl carbon. This SMILES represents formal connectivity; it omits solvent coordination and aggregation.
Protonation initially gives 1-phenylindan-1-ol, OC1(c2ccccc2)CCc2ccccc21, formed as a racemate. A balanced equation for addition and acidic work-up is
\[ \ce{ C9H8O + C6H5MgBr + H+ -> C15H14O + Mg^2+ + Br- }. \]
Here the work-up ions are hydrogen ion [H+], magnesium(II) ion [Mg+2], and bromide [Br-].
The tertiary benzylic alcohol then undergoes acid-catalyzed dehydration:
\[ \boxed{\ce{C15H14O ->[H+] C15H12 + H2O}}. \]
Protonation of the hydroxyl group permits loss of water. Removal of a proton from the adjacent methylene group forms a double bond between that carbon and the former carbonyl carbon.
The final product is therefore 3-phenyl-1H-indene, c1ccc(C2=CCc3ccccc32)cc1. In the original indanone numbering, the phenyl group remains at C1 and the new double bond lies between C1 and C2; renumbering the indene gives the name above.
6.7(c) — Reaction with benzaldehyde and sodium ethoxide
Ethoxide removes an \(\alpha\)-hydrogen from C2 of indan-1-one. The resulting enolate attacks benzaldehyde, and the aldol addition product loses water to form a conjugated enone. This is a Claisen–Schmidt condensation:
\[ \boxed{ \ce{C9H8O + C6H5CHO ->[C2H5ONa] C16H12O + H2O} }. \]
The product is 2-benzylideneindan-1-one. The original ketone carbonyl remains, and C2 bears an exocyclic \(\ce{=CHC6H5}\) group.
The normally favored \(E\) product is O=C1/C(=C/c2ccccc2)Cc2ccccc21; the phenyl group and the carbonyl-bearing side of the ring lie on opposite sides of the exocyclic double bond.
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 1980 · Theorieaufgabe 6
Organische Chemie, Synthesen: Produkte aus Benzaldehyd und Malonsäure
(Organische Chemie, Synthesen)
Benzaldehyd und Malonsäure reagierten in Pyridin bei 80 °C, wobei (unter anderem) \(\ce{CO2}\) und die Verbindung A in einer Ausbeute von ca. 80 % des theoretischen Wertes entstanden. Die katalytische Hydrierung von 1.48 g A an Pt bei Raumtemperatur und Normaldruck ergab B unter Verbrauch von 0.25 Litern Wasserstoff. Bei der Reaktion von B mit einer Polyphosphorsäure (unter Friedel–Crafts-Bedingungen) lässt sich die Verbindung C neben zwei sauren, isomeren Nebenprodukten isolieren. Die Nebenprodukte Da und Db können bei hoher Konzentration von B im Reaktionsmedium in größerer Menge entstehen; ihre Bildung lässt sich durch Verdünnung unterdrücken.
Die Elementaranalyse von C ergibt 81.8 % Kohlenstoff und 6.1 % Wasserstoff. Die entsprechenden Werte für Da und Db, die innerhalb des experimentellen Fehlers übereinstimmen, betragen 76.6 % bzw. 6.4 %. Eine Menge von jeweils 2.82 g Da bzw. Db benötigt zur Neutralisation ca. 100 \(\mathrm{cm^3}\) 0.1 N Kaliumhydroxidlösung. C lässt sich durch Destillation reinigen (Sdp. 243 – 245 °C) und weist anschließend einen Schmelzpunkt von 40 °C und eine Dichte von 1.09 \(\mathrm{g/cm^3}\) auf. Die relative Molekülmasse lässt sich massenspektrometrisch bestimmen und beträgt 132.
Lösen Sie mithilfe dieser Angaben die folgenden Aufgaben:
6.1 Die Strukturformel von A.
6.2 Die Strukturformel von B.
6.3 Die Strukturformel von C.
6.4 Die Strukturformeln von Da und Db.
6.5 Geben Sie einen alternativen Syntheseweg für A an, der von möglichst einfachen Ausgangsstoffen ausgeht und bei dem mindestens eine C–C-Bindung gebildet wird.
6.6 Geben Sie einen alternativen Syntheseweg für B an, der von möglichst einfachen Ausgangsstoffen ausgeht und bei dem mindestens eine C–C-Bindung gebildet wird.
6.7 Geben Sie die Strukturformeln der Produkte der folgenden Reaktionen an:
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 6.1 — A: Zimtsäure, normalerweise überwiegend das \(E\)-Isomer:
O=C(O)/C=C/c1ccccc1. - 6.2 — B: 3-Phenylpropansäure (Hydrozimtsäure):
O=C(O)CCc1ccccc1. - 6.3 — C: Indan-1-on:
O=C1CCc2ccccc21. - 6.4 — Da und Db: Bei willkürlicher Zuordnung der Bezeichnungen:
- Da: 3-[2-(3-Phenylpropanoyl)phenyl]propansäure, das ortho-Isomer:
O=C(O)CCc1ccccc1C(=O)CCc1ccccc1. - Db: 3-[4-(3-Phenylpropanoyl)phenyl]propansäure, das para-Isomer:
O=C(O)CCc1ccc(C(=O)CCc2ccccc2)cc1. - 6.5: Perkin-Synthese von A aus Benzaldehyd und Essigsäureanhydrid unter Verwendung von Natriumacetat und Erwärmen, gefolgt von Hydrolyse.
- 6.6: Malonestersynthese von B: Malonsäurediethylester benzylieren, anschließend hydrolysieren und decarboxylieren.
- 6.7(a): Indan-1-onoxim:
ON=C1CCc2ccccc21; seine \(E/Z\)-Zusammensetzung ist nicht angegeben. - 6.7(b): 3-Phenyl-1H-inden:
c1ccc(C2=CCc3ccccc32)cc1, gebildet durch säurekatalysierte Dehydratisierung des zunächst entstandenen tertiären Alkohols. - 6.7(c): 2-Benzylidenindan-1-on, normalerweise überwiegend \(E\):
O=C1/C(=C/c2ccccc2)Cc2ccccc21.
Lösung
6.1 — Identifizierung von A
Benzaldehyd O=Cc1ccccc1 und Malonsäure O=C(O)CC(=O)O gehen in Pyridin c1ccncc1 eine Knoevenagel–Doebner-Kondensation ein.
Durch Kondensation entsteht zunächst Benzylidenmalonsäure O=C(O)C(=Cc1ccccc1)C(=O)O:
\[ \ce{C6H5CHO + CH2(COOH)2 -> C6H5CH=C(COOH)2 + H2O}. \]
Die anschließende Decarboxylierung ergibt Zimtsäure:
\[ \ce{C6H5CH=C(COOH)2 -> C6H5CH=CHCOOH + CO2}. \]
Die Nebenprodukte sind Wasser O und Kohlenstoffdioxid O=C=O. Die ausgeglichene Gesamtreaktion lautet daher
\[ \boxed{\ce{C6H5CHO + CH2(COOH)2 -> C6H5CH=CHCOOH + CO2 + H2O}}. \]
Somit ist A Zimtsäure, \(\ce{C9H8O2}\), mit der molaren Masse
\[ M_A=9(12)+8(1)+2(16)=148\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Das übliche Hauptprodukt ist das stabilere \(E\)-Isomer.
6.2 — Identifizierung von B
Die Stoffmenge des hydrierten A beträgt
\[ n_A=\frac{1.48\ \mathrm{g}}{148\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0100\ \mathrm{mol}. \]
Wenn ein Mol molekularer Wasserstoff, [H][H], pro Mol A reagiert, entspricht das beobachtete Volumen einem molaren Volumen von
\[ V_m=\frac{0.25\ \mathrm{L}}{0.0100\ \mathrm{mol}} =25\ \mathrm{L\,mol^{-1}}, \]
was im Rahmen der Genauigkeit der Aufgabenangaben mit einem Gas bei Raumtemperatur und Normaldruck vereinbar ist. Somit wird ungefähr ein Äquivalent Wasserstoff verbraucht.
Die Hydrierung reduziert die Doppelbindung der Seitenkette:
\[ \boxed{\ce{C6H5CH=CHCOOH + H2 ->[Pt] C6H5CH2CH2COOH}}. \]
Daher ist B 3-Phenylpropansäure, \(\ce{C9H10O2}\), mit \(M_B=150\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
6.3 — Identifizierung von C
Der prozentuale Sauerstoffanteil beträgt
\[ 100-81.8-6.1=12.1\%. \]
Mit \(M_C=132\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) und den üblichen ganzzahligen Atommassen ergeben sich die Anzahlen der Atome pro Molekül:
\[ N_{\mathrm C}=\frac{0.818(132)}{12}=9.00, \qquad N_{\mathrm H}=\frac{0.061(132)}{1}=8.05, \qquad N_{\mathrm O}=\frac{0.121(132)}{16}=1.00. \]
Die Summenformel lautet somit
\[ \boxed{\ce{C9H8O}}. \]
Sie unterscheidet sich von derjenigen von B, \(\ce{C9H10O2}\), um ein Molekül Wasser:
\[ \ce{C9H10O2 ->[PPA] C9H8O + H2O}. \]
Polyphosphorsäure aktiviert die Carboxylgruppe für eine intramolekulare Friedel–Crafts-Acylierung. Ein Kohlenstoffatom in ortho-Stellung des aromatischen Rings bildet eine Bindung zum Carboxylkohlenstoffatom, wodurch sich ein fünfgliedriger Ring schließt.
Folglich ist C Indan-1-on. Sein fünfgliedriger Ring enthält das Carbonylkohlenstoffatom und zwei Methylengruppen und hat mit dem Benzolring eine gemeinsame Kante. Aus seiner Summenformel ergeben sich außerdem sechs Doppelbindungsäquivalente:
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(9)+2-8}{2}=6, \]
die auf den Benzolring, den zusätzlichen Ring und die Carbonylbindung entfallen.
6.4 — Identifizierung von Da und Db
Kaliumhydroxid [K+].[OH-] ist eine einwertige Base. Die bei der Titration eingesetzte Äquivalentmenge beträgt
\[ n_{\mathrm{eq}} =(0.100\ \mathrm{L})(0.1\ \mathrm{eq\,L^{-1}}) \simeq0.010\ \mathrm{eq}. \]
Somit besitzt jedes Nebenprodukt die Äquivalentmasse
\[ E=\frac{2.82\ \mathrm{g}}{0.010\ \mathrm{eq}} \simeq282\ \mathrm{g\,eq^{-1}}. \]
Die Konzentrationsabhängigkeit deutet auf eine intermolekulare Reaktion hin, an der zwei Moleküle von B beteiligt sind. Wenn die aktivierte Carboxylgruppe eines Moleküls den aromatischen Ring eines anderen acyliert, bleibt im entstehenden Produkt eine Carboxylgruppe erhalten:
\[ \boxed{ \ce{2 C6H5CH2CH2COOH -> HOOCCH2CH2C6H4COCH2CH2C6H5 + H2O} }. \]
Die vorhergesagte Summenformel und molare Masse sind
\[ \ce{2 C9H10O2 - H2O = C18H18O3}, \]
\[ M_D=2(150)-18=282\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Da dieses Produkt eine Carboxylgruppe besitzt, beträgt seine Äquivalentmasse ebenfalls \(282\ \mathrm{g\,eq^{-1}}\), in Übereinstimmung mit der Titration. Seine berechnete Elementarzusammensetzung ist
\[ w_{\mathrm C}=\frac{18(12)}{282}\times100=76.6\%, \]
\[ w_{\mathrm H}=\frac{18(1)}{282}\times100=6.38\%\approx6.4\%. \]
Beide Werte stimmen mit den Messwerten überein.
Der bereits vorhandene Substituent \(\ce{-CH2CH2COOH}\) ist über ein Alkylkohlenstoffatom an den aromatischen Ring gebunden und dirigiert die elektrophile Substitution hauptsächlich in ortho- und para-Stellung. Die eintretende Gruppe ist \(\ce{-COCH2CH2C6H5}\). Daraus ergeben sich die beiden als Da und Db aufgeführten Strukturen.
Verdünnung unterdrückt die Bildung dieser Produkte, da die intermolekulare Acylierung ein zweites Molekül von B erfordert, während bei der Bildung von C ein Ringschluss innerhalb eines Moleküls erfolgt. Die Bezeichnungen Da und Db können vertauscht werden.
6.5 — Alternative Synthese von A
Eine geeignete Alternative ist die Perkin-Reaktion.
Man erhitzt Benzaldehyd mit Essigsäureanhydrid CC(=O)OC(C)=O in Gegenwart von Natriumacetat CC(=O)[O-].[Na+] und führt anschließend eine wässrige Aufarbeitung durch. Die ausgeglichene Gesamtgleichung lautet
\[ \boxed{ \ce{C6H5CHO + (CH3CO)2O -> C6H5CH=CHCOOH + CH3COOH} }. \]
Das andere organische Produkt ist Essigsäure CC(=O)O.
Die neue C–C-Bindung verbindet das ursprüngliche Aldehydkohlenstoffatom mit einem Methylkohlenstoffatom aus dem Essigsäureanhydrid. Kondensation und anschließende Hydrolyse ergeben A, normalerweise überwiegend \(E\)-Zimtsäure.
6.6 — Alternative Synthese von B
Eine gängige Alternative ist die Malonestersynthese unter Verwendung von Malonsäurediethylester CCOC(=O)CC(=O)OCC und Benzylchlorid ClCc1ccccc1.
Zunächst entfernt Natriumethanolat CC[O-].[Na+] ein Proton aus Malonsäurediethylester. Das entstehende Malonat-Anion, CCOC(=O)[CH-]C(=O)OCC, greift Benzylchlorid in einer \(S_\mathrm{N}2\)-Reaktion an. Die zusammengefasste ausgeglichene Gleichung lautet
\[ \ce{ CH2(COOC2H5)2 + C2H5ONa + C6H5CH2Cl -> C6H5CH2CH(COOC2H5)2 + C2H5OH + NaCl }. \]
Das organische Produkt ist Benzylmalonsäurediethylester CCOC(=O)C(Cc1ccccc1)C(=O)OCC. Die Koppelprodukte sind Ethanol CCO und Natriumchlorid [Na+].[Cl-].
Die Hydrolyse beider Estergruppen ergibt Benzylmalonsäure O=C(O)C(Cc1ccccc1)C(=O)O:
\[ \ce{ C6H5CH2CH(COOC2H5)2 + 2 H2O ->[H+] C6H5CH2CH(COOH)2 + 2 C2H5OH }. \]
Anschließendes Erhitzen bewirkt die Decarboxylierung:
\[ \boxed{ \ce{C6H5CH2CH(COOH)2 ->[\Delta] C6H5CH2CH2COOH + CO2} }. \]
Das Produkt ist B. Die geforderte neue C–C-Bindung wird zwischen dem Benzylkohlenstoffatom und dem zentralen Kohlenstoffatom des Malonats gebildet.
6.7(a) — Reaktion mit Hydroxylamin
Hydroxylamin NO kondensiert unter Säurekatalyse mit der Carbonylgruppe des Ketons zu Indan-1-onoxim:
\[ \boxed{\ce{C9H8O + NH2OH ->[H+] C9H9NO + H2O}}. \]
Die ursprüngliche \(\ce{C=O}\)-Gruppe wird zur \(\ce{C=N-OH}\)-Gruppe.
Die Konnektivität ist ON=C1CCc2ccccc21. Da sich die beiden an das Iminkohlenstoffatom gebundenen Ringwege unterscheiden, sind geometrische Isomere möglich:
- \((E)\)-Indan-1-onoxim:
O/N=C1\CCc2ccccc21. - \((Z)\)-Indan-1-onoxim:
O/N=C1/CCc2ccccc21.
Aus der Aufgabenstellung gehen ihre Anteile nicht hervor.
6.7(b) — Grignard-Addition und anschließende Behandlung mit Säure
Phenylmagnesiumbromid Br[Mg]c1ccccc1 addiert eine Phenylgruppe an das Carbonylkohlenstoffatom. Diese SMILES-Darstellung gibt die formale Konnektivität wieder; Lösungsmittelkoordination und Aggregation sind darin nicht berücksichtigt.
Durch Protonierung entsteht zunächst 1-Phenylindan-1-ol, OC1(c2ccccc2)CCc2ccccc21, als Racemat. Eine ausgeglichene Gleichung für die Addition und die saure Aufarbeitung lautet
\[ \ce{ C9H8O + C6H5MgBr + H+ -> C15H14O + Mg^2+ + Br- }. \]
Die bei der Aufarbeitung auftretenden Ionen sind hier das Wasserstoffion [H+], das Magnesium(II)-Ion [Mg+2] und das Bromidion [Br-].
Der tertiäre benzylische Alkohol wird anschließend säurekatalysiert dehydratisiert:
\[ \boxed{\ce{C15H14O ->[H+] C15H12 + H2O}}. \]
Die Protonierung der Hydroxygruppe ermöglicht die Abspaltung von Wasser. Durch Abspaltung eines Protons aus der benachbarten Methylengruppe entsteht eine Doppelbindung zwischen diesem Kohlenstoffatom und dem ehemaligen Carbonylkohlenstoffatom.
Das Endprodukt ist daher 3-Phenyl-1H-inden, c1ccc(C2=CCc3ccccc32)cc1. Bei der ursprünglichen Nummerierung des Indanons verbleibt die Phenylgruppe an C1, und die neue Doppelbindung liegt zwischen C1 und C2; die Neunummerierung des Indens ergibt den oben genannten Namen.
6.7(c) — Reaktion mit Benzaldehyd und Natriumethanolat
Ethanolat entfernt ein \(\alpha\)-Wasserstoffatom von C2 des Indan-1-ons. Das entstehende Enolat greift Benzaldehyd an, und das Aldoladditionsprodukt spaltet Wasser unter Bildung eines konjugierten Enons ab. Dies ist eine Claisen–Schmidt-Kondensation:
\[ \boxed{ \ce{C9H8O + C6H5CHO ->[C2H5ONa] C16H12O + H2O} }. \]
Das Produkt ist 2-Benzylidenindan-1-on. Die ursprüngliche Ketoncarbonylgruppe bleibt erhalten, und C2 trägt eine exocyclische \(\ce{=CHC6H5}\)-Gruppe.
Das normalerweise bevorzugte \(E\)-Produkt ist O=C1/C(=C/c2ccccc2)Cc2ccccc21; die Phenylgruppe und die carbonyltragende Seite des Rings liegen auf gegenüberliegenden Seiten der exocyclischen Doppelbindung.
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 1980 · Teori sorusu 6
Organik kimya, sentezler: benzaldehit ve malonik asitten elde edilen ürünler
(Organik kimya, sentezler)
Benzaldehit ve malonik asit, piridin içinde 80 °C'de tepkimeye girerek (diğer ürünlerin yanı sıra) \(\ce{CO2}\) ve teorik değerin yaklaşık % 80'i kadar verimle A bileşiğini oluşturmuştur. 1.48 g A'nın oda sıcaklığında ve normal basınçta Pt üzerinde katalitik hidrojenlenmesi, 0.25 litre hidrojen tüketimiyle B'yi vermiştir. B'nin bir polifosforik asitle tepkimesinde (Friedel–Crafts koşulları), asidik özellikte iki izomerik yan ürünle birlikte C bileşiği izole edilebilir. Da ve Db yan ürünleri, tepkime ortamında B'nin derişimi yüksek olduğunda daha fazla miktarda oluşabilir; seyreltilerek oluşumları baskılanabilir.
C'nin element analizi, % 81.8 karbon ve % 6.1 hidrojen içerdiğini göstermektedir. Da ve Db için deneysel hata sınırları içinde aynı olan karşılık gelen değerler, sırasıyla % 76.6 ve % 6.4'tür. Hem 2.82 g Da'nın hem de aynı miktarda Db'nin nötralleştirilmesi için yaklaşık 100 \(\mathrm{cm^3}\) 0.1 N potasyum hidroksit çözeltisi gerekir. C, damıtılarak saflaştırılabilir (kaynama noktası 243 – 245 °C); saflaştırıldıktan sonra erime noktası 40 °C ve yoğunluğu 1.09 \(\mathrm{g/cm^3}\) olarak bulunur. Bağıl molekül kütlesi kütle spektrometrisiyle elde edilebilir ve değeri 132'dir.
Bu bilgileri kullanarak aşağıdaki soruları çözünüz:
6.1 A'nın yapı formülü.
6.2 B'nin yapı formülü.
6.3 C'nin yapı formülü.
6.4 Da ve Db'nin yapı formülleri.
6.5 Mümkün olan en basit başlangıç maddelerini kullanarak ve en az bir C–C bağı oluşturarak A'nın sentezi için alternatif bir yol veriniz.
6.6 Mümkün olan en basit başlangıç maddelerini kullanarak ve en az bir C–C bağı oluşturarak B'nin sentezi için alternatif bir yol veriniz.
6.7 Aşağıdaki tepkimelerin ürünlerinin yapı formüllerini veriniz:
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 6.1 — A: Sinnamik asit, genellikle baskın olarak \(E\) izomeri:
O=C(O)/C=C/c1ccccc1. - 6.2 — B: 3-Fenilpropanoik asit (hidrosinnamik asit):
O=C(O)CCc1ccccc1. - 6.3 — C: İndan-1-on:
O=C1CCc2ccccc21. - 6.4 — Da ve Db: Etiketler keyfî olarak atanırsa:
- Da: 3-[2-(3-Fenilpropanoil)fenil]propanoik asit, orto izomeri:
O=C(O)CCc1ccccc1C(=O)CCc1ccccc1. - Db: 3-[4-(3-Fenilpropanoil)fenil]propanoik asit, para izomeri:
O=C(O)CCc1ccc(C(=O)CCc2ccccc2)cc1. - 6.5: Benzaldehit ve asetik anhidritten, sodyum asetat ve ısı kullanılarak, ardından hidroliz uygulanarak A'nın Perkin sentezi.
- 6.6: B'nin malonik ester sentezi: dietil malonatı benzilleyiniz, ardından hidroliz ve dekarboksilasyon uygulayınız.
- 6.7(a): İndan-1-on oksim:
ON=C1CCc2ccccc21; \(E/Z\) bileşimi belirtilmemiştir. - 6.7(b): Başlangıçta oluşan tersiyer alkolün asit katalizli dehidrasyonuyla oluşan 3-fenil-1H-inden:
c1ccc(C2=CCc3ccccc32)cc1. - 6.7(c): 2-Benzilidenindan-1-on, genellikle baskın olarak \(E\):
O=C1/C(=C/c2ccccc2)Cc2ccccc21.
Çözüm
6.1 — A'nın belirlenmesi
Benzaldehit O=Cc1ccccc1 ve malonik asit O=C(O)CC(=O)O, piridin c1ccncc1 içinde Knoevenagel–Doebner kondenzasyonuna uğrar.
Kondenzasyon ilk olarak benzilidenmalonik asidi O=C(O)C(=Cc1ccccc1)C(=O)O verir:
\[ \ce{C6H5CHO + CH2(COOH)2 -> C6H5CH=C(COOH)2 + H2O}. \]
Ardından dekarboksilasyonla sinnamik asit oluşur:
\[ \ce{C6H5CH=C(COOH)2 -> C6H5CH=CHCOOH + CO2}. \]
Yan ürünler su O ve karbon dioksittir O=C=O. Dolayısıyla toplam denkleştirilmiş tepkime şöyledir:
\[ \boxed{\ce{C6H5CHO + CH2(COOH)2 -> C6H5CH=CHCOOH + CO2 + H2O}}. \]
Buna göre A, \(\ce{C9H8O2}\) formüllü sinnamik asittir ve molar kütlesi şöyledir:
\[ M_A=9(12)+8(1)+2(16)=148\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Genellikle ana ürün, daha kararlı olan \(E\) izomeridir.
6.2 — B'nin belirlenmesi
Hidrojenlenen A'nın madde miktarı şöyledir:
\[ n_A=\frac{1.48\ \mathrm{g}}{148\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0100\ \mathrm{mol}. \]
A'nın her bir molü başına bir mol moleküler hidrojen, [H][H], tepkimeye giriyorsa gözlenen hacim şu değere karşılık gelir:
\[ V_m=\frac{0.25\ \mathrm{L}}{0.0100\ \mathrm{mol}} =25\ \mathrm{L\,mol^{-1}}, \]
Bu değer, sorudaki verilerin hassasiyeti çerçevesinde, oda sıcaklığında ve normal basınçta bir gazla tutarlıdır. Dolayısıyla yaklaşık bir eşdeğer hidrojen tüketilir.
Hidrojenleme, yan zincirdeki çift bağı indirger:
\[ \boxed{\ce{C6H5CH=CHCOOH + H2 ->[Pt] C6H5CH2CH2COOH}}. \]
Bu nedenle B, \(\ce{C9H10O2}\) formüllü 3-fenilpropanoik asittir ve \(M_B=150\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) değerine sahiptir.
6.3 — C'nin belirlenmesi
Oksijen yüzdesi şöyledir:
\[ 100-81.8-6.1=12.1\%. \]
\(M_C=132\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) ve yaygın olarak kullanılan tam sayı atom kütleleri kullanıldığında, molekül başına atom sayıları elde edilir:
\[ N_{\mathrm C}=\frac{0.818(132)}{12}=9.00, \qquad N_{\mathrm H}=\frac{0.061(132)}{1}=8.05, \qquad N_{\mathrm O}=\frac{0.121(132)}{16}=1.00. \]
Dolayısıyla molekül formülü şöyledir:
\[ \boxed{\ce{C9H8O}}. \]
Bu formül, B'nin formülü olan \(\ce{C9H10O2}\)'den bir su molekülü kadar farklıdır:
\[ \ce{C9H10O2 ->[PPA] C9H8O + H2O}. \]
Polifosforik asit, karboksil grubunu molekül içi Friedel–Crafts açillemesi için etkinleştirir. Aromatik halkanın orto konumundaki bir karbonu, karboksil karbonuna bağlanarak beş üyeli bir halka oluşturur.
Sonuç olarak C, indan-1-ondur. Beş üyeli halkası, karbonil karbonunu ve iki metilen grubunu içerir ve benzen halkasıyla ortak bir kenara sahiptir. Formülü ayrıca altı doymamışlık derecesi verir:
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(9)+2-8}{2}=6, \]
Bunlar benzen halkası, ek halka ve karbonil bağıyla açıklanır.
6.4 — Da ve Db'nin belirlenmesi
Potasyum hidroksit [K+].[OH-] tek değerlikli bir bazdır. Titrasyonda kullanılan miktar şöyledir:
\[ n_{\mathrm{eq}} =(0.100\ \mathrm{L})(0.1\ \mathrm{eq\,L^{-1}}) \simeq0.010\ \mathrm{eq}. \]
Dolayısıyla her bir yan ürünün eşdeğer kütlesi şöyledir:
\[ E=\frac{2.82\ \mathrm{g}}{0.010\ \mathrm{eq}} \simeq282\ \mathrm{g\,eq^{-1}}. \]
Derişime bağımlılık, iki B molekülünün katıldığı moleküller arası bir tepkimeye işaret eder. Bir molekülün etkinleştirilmiş karboksil grubu, diğer molekülün aromatik halkasını açillerse oluşan üründe bir karboksil grubu korunur:
\[ \boxed{ \ce{2 C6H5CH2CH2COOH -> HOOCCH2CH2C6H4COCH2CH2C6H5 + H2O} }. \]
Öngörülen molekül formülü ve molar kütle şöyledir:
\[ \ce{2 C9H10O2 - H2O = C18H18O3}, \]
\[ M_D=2(150)-18=282\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Bu ürün bir karboksil grubu içerdiği için eşdeğer kütlesi de \(282\ \mathrm{g\,eq^{-1}}\) olup titrasyonla uyumludur. Hesaplanan element bileşimi şöyledir:
\[ w_{\mathrm C}=\frac{18(12)}{282}\times100=76.6\%, \]
\[ w_{\mathrm H}=\frac{18(1)}{282}\times100=6.38\%\approx6.4\%. \]
Her ikisi de ölçülen değerlerle uyumludur.
Mevcut \(\ce{-CH2CH2COOH}\) sübstitüenti, aromatik halkaya bir alkil karbonu üzerinden bağlanır ve elektrofilik yer değiştirmeyi başlıca orto ve para konumlarına yönlendirir. Halkaya gelen grup \(\ce{-COCH2CH2C6H5}\)'tir. Böylece Da ve Db olarak listelenen iki yapı elde edilir.
Seyreltme, bu ürünlerin oluşumunu baskılar; çünkü moleküller arası açilleme ikinci bir B molekülü gerektirirken C'nin oluşumunda tek bir molekül içinde halka kapanması gerçekleşir. Da ve Db etiketleri birbirleriyle değiştirilebilir.
6.5 — A'nın alternatif sentezi
Uygun bir alternatif, Perkin tepkimesidir.
Benzaldehiti, sodyum asetat CC(=O)[O-].[Na+] varlığında asetik anhidrit CC(=O)OC(C)=O ile ısıtınız, ardından sulu ortamda tepkime sonrası işlem uygulayınız. Toplam denkleştirilmiş denklem şöyledir:
\[ \boxed{ \ce{C6H5CHO + (CH3CO)2O -> C6H5CH=CHCOOH + CH3COOH} }. \]
Diğer organik ürün asetik asittir CC(=O)O.
Yeni C–C bağı, başlangıçtaki aldehit karbonunu asetik anhidritten gelen bir metil karbonuna bağlar. Kondenzasyon ve ardından gerçekleşen hidroliz, genellikle baskın olarak \(E\)-sinnamik asit olan A'yı verir.
6.6 — B'nin alternatif sentezi
Standart bir alternatif, dietil malonat CCOC(=O)CC(=O)OCC ve benzil klorür ClCc1ccccc1 kullanılarak gerçekleştirilen malonik ester sentezidir.
İlk olarak sodyum etoksit CC[O-].[Na+], dietil malonattan bir proton uzaklaştırır. Oluşan malonat anyonu, CCOC(=O)[CH-]C(=O)OCC, bir \(S_\mathrm{N}2\) tepkimesinde benzil klorüre saldırır. Birleştirilmiş denkleştirilmiş denklem şöyledir:
\[ \ce{ CH2(COOC2H5)2 + C2H5ONa + C6H5CH2Cl -> C6H5CH2CH(COOC2H5)2 + C2H5OH + NaCl }. \]
Organik ürün dietil benzilmalonattır CCOC(=O)C(Cc1ccccc1)C(=O)OCC. Birlikte oluşan ürünler etanol CCO ve sodyum klorürdür [Na+].[Cl-].
Her iki ester grubunun hidrolizi, benzilmalonik asidi O=C(O)C(Cc1ccccc1)C(=O)O verir:
\[ \ce{ C6H5CH2CH(COOC2H5)2 + 2 H2O ->[H+] C6H5CH2CH(COOH)2 + 2 C2H5OH }. \]
Ardından ısıtma, dekarboksilasyona yol açar:
\[ \boxed{ \ce{C6H5CH2CH(COOH)2 ->[\Delta] C6H5CH2CH2COOH + CO2} }. \]
Ürün B'dir. Gerekli yeni C–C bağı, benzil karbonu ile malonatın merkez karbonu arasında oluşur.
6.7(a) — Hidroksilaminle tepkime
Hidroksilamin NO, asit katalizi altında ketonun karbonil grubuyla kondenzasyona girerek indan-1-on oksim oluşturur:
\[ \boxed{\ce{C9H8O + NH2OH ->[H+] C9H9NO + H2O}}. \]
Başlangıçtaki \(\ce{C=O}\) grubu, \(\ce{C=N-OH}\) grubuna dönüşür.
Atomların bağlanma düzeni ON=C1CCc2ccccc21 şeklindedir. İmin karbonuna bağlı iki halka yolu farklı olduğundan geometrik izomerler mümkündür:
- \((E)\)-İndan-1-on oksim:
O/N=C1\CCc2ccccc21. - \((Z)\)-İndan-1-on oksim:
O/N=C1/CCc2ccccc21.
Soruda bunların oranları belirlenmemiştir.
6.7(b) — Grignard katılması ve ardından asidik işlem
Fenilmagnezyum bromür Br[Mg]c1ccccc1, karbonil karbonuna bir fenil grubu katar. Bu SMILES, biçimsel bağlanma düzenini temsil eder; çözücü koordinasyonunu ve agregasyonu içermez.
Protonlanma başlangıçta rasemat olarak oluşan 1-fenilindan-1-olü, OC1(c2ccccc2)CCc2ccccc21, verir. Katılma ve asidik tepkime sonrası işlem için denkleştirilmiş denklem şöyledir:
\[ \ce{ C9H8O + C6H5MgBr + H+ -> C15H14O + Mg^2+ + Br- }. \]
Burada tepkime sonrası işlemde yer alan iyonlar hidrojen iyonu [H+], magnezyum(II) iyonu [Mg+2] ve bromürdür [Br-].
Tersiyer benzilik alkol daha sonra asit katalizli dehidrasyona uğrar:
\[ \boxed{\ce{C15H14O ->[H+] C15H12 + H2O}}. \]
Hidroksil grubunun protonlanması, suyun ayrılmasını sağlar. Komşu metilen grubundan bir protonun uzaklaştırılması, bu karbon ile önceden karbonil karbonu olan karbon arasında bir çift bağ oluşturur.
Dolayısıyla son ürün 3-fenil-1H-indendir, c1ccc(C2=CCc3ccccc32)cc1. Başlangıçtaki indanon numaralandırmasında fenil grubu C1'de kalır ve yeni çift bağ C1 ile C2 arasında yer alır; indenin yeniden numaralandırılması yukarıdaki adı verir.
6.7(c) — Benzaldehit ve sodyum etoksitle tepkime
Etoksit, indan-1-onun C2 karbonundan bir \(\alpha\)-hidrojeni uzaklaştırır. Oluşan enolat benzaldehite saldırır ve aldol katılma ürünü su kaybederek konjuge bir enon oluşturur. Bu, bir Claisen–Schmidt kondenzasyonudur:
\[ \boxed{ \ce{C9H8O + C6H5CHO ->[C2H5ONa] C16H12O + H2O} }. \]
Ürün 2-benzilidenindan-1-ondur. Başlangıçtaki keton karbonili korunur ve C2, ekzosiklik bir \(\ce{=CHC6H5}\) grubu taşır.
Genellikle tercih edilen \(E\) ürünü O=C1/C(=C/c2ccccc2)Cc2ccccc21 şeklindedir; fenil grubu ile halkanın karbonil taşıyan tarafı, ekzosiklik çift bağın karşı taraflarında yer alır.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IChO 1980 · Problema teórico 6
Química orgánica, síntesis: productos a partir de benzaldehído y ácido malónico
(Química orgánica, síntesis)
El benzaldehído y el ácido malónico reaccionaron en piridina a 80 °C, dando lugar (entre otros productos) a \(\ce{CO2}\) y al compuesto A con un rendimiento de aproximadamente el 80 % del valor teórico. La hidrogenación catalítica de 1.48 g de A sobre Pt a temperatura ambiente y presión normal produjo B, con un consumo de 0.25 litros de hidrógeno. Al hacer reaccionar B con un ácido polifosfórico (en las condiciones de Friedel-Crafts), se puede aislar el compuesto C, acompañado de dos subproductos ácidos isómeros. Los subproductos Da y Db pueden formarse en mayor cantidad cuando la concentración de B en el medio de reacción es elevada, y su formación puede suprimirse mediante dilución.
El análisis elemental de C da un 81.8 % de carbono y un 6.1 % de hidrógeno. Los valores correspondientes para Da y Db, idénticos dentro del error experimental, son 76.6 % y 6.4 %, respectivamente. Una cantidad de 2.82 g tanto de Da como de Db requiere aproximadamente 100 \(\mathrm{cm^3}\) de disolución de hidróxido de potasio 0.1 N para su neutralización. C puede purificarse por destilación (p. eb. 243 – 245 °C), tras lo cual presenta un punto de fusión de 40 °C y una densidad de 1.09 \(\mathrm{g/cm^3}\). La masa molecular relativa puede obtenerse mediante espectrometría de masas y su valor es 132.
Utilizando esta información, resuelva los siguientes problemas:
6.1 La fórmula estructural de A.
6.2 La fórmula estructural de B.
6.3 La fórmula estructural de C.
6.4 Las fórmulas estructurales de Da y Db.
6.5 Proponga una vía alternativa para la síntesis de A utilizando los materiales de partida más sencillos posibles y formando al menos un enlace C–C.
6.6 Proponga una vía alternativa para la síntesis de B utilizando los materiales de partida más sencillos posibles y formando al menos un enlace C–C.
6.7 Indique las fórmulas estructurales de los productos de las siguientes reacciones:
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 6.1 — A: Ácido cinámico, normalmente con predominio del isómero \(E\):
O=C(O)/C=C/c1ccccc1. - 6.2 — B: Ácido 3-fenilpropanoico (ácido hidrocinámico):
O=C(O)CCc1ccccc1. - 6.3 — C: Indan-1-ona:
O=C1CCc2ccccc21. - 6.4 — Da y Db: Asignando las etiquetas arbitrariamente:
- Da: Ácido 3-[2-(3-fenilpropanoil)fenil]propanoico, el isómero orto:
O=C(O)CCc1ccccc1C(=O)CCc1ccccc1. - Db: Ácido 3-[4-(3-fenilpropanoil)fenil]propanoico, el isómero para:
O=C(O)CCc1ccc(C(=O)CCc2ccccc2)cc1. - 6.5: Síntesis de Perkin de A a partir de benzaldehído y anhídrido acético, utilizando acetato de sodio y calor, seguida de hidrólisis.
- 6.6: Síntesis malónica de B: bencilación del malonato de dietilo, seguida de hidrólisis y descarboxilación.
- 6.7(a): Oxima de la indan-1-ona:
ON=C1CCc2ccccc21; no se especifica su composición \(E/Z\). - 6.7(b): 3-Fenil-1H-indeno:
c1ccc(C2=CCc3ccccc32)cc1, formado por deshidratación catalizada por ácido del alcohol terciario producido inicialmente. - 6.7(c): 2-Bencilidenindan-1-ona, normalmente con predominio de \(E\):
O=C1/C(=C/c2ccccc2)Cc2ccccc21.
Solución
6.1 — Identificación de A
El benzaldehído O=Cc1ccccc1 y el ácido malónico O=C(O)CC(=O)O experimentan una condensación de Knoevenagel–Doebner en piridina c1ccncc1.
La condensación da primero ácido bencilidenmalónico O=C(O)C(=Cc1ccccc1)C(=O)O:
\[ \ce{C6H5CHO + CH2(COOH)2 -> C6H5CH=C(COOH)2 + H2O}. \]
La descarboxilación produce después ácido cinámico:
\[ \ce{C6H5CH=C(COOH)2 -> C6H5CH=CHCOOH + CO2}. \]
Los subproductos son agua O y dióxido de carbono O=C=O. Por tanto, la reacción global ajustada es
\[ \boxed{\ce{C6H5CHO + CH2(COOH)2 -> C6H5CH=CHCOOH + CO2 + H2O}}. \]
Así, A es el ácido cinámico, \(\ce{C9H8O2}\), con masa molar
\[ M_A=9(12)+8(1)+2(16)=148\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
El producto mayoritario habitual es el isómero \(E\), más estable.
6.2 — Identificación de B
La cantidad de A hidrogenada es
\[ n_A=\frac{1.48\ \mathrm{g}}{148\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0100\ \mathrm{mol}. \]
Si reacciona un mol de hidrógeno molecular, [H][H], por cada mol de A, el volumen observado corresponde a
\[ V_m=\frac{0.25\ \mathrm{L}}{0.0100\ \mathrm{mol}} =25\ \mathrm{L\,mol^{-1}}, \]
lo que concuerda, con la precisión de los datos del problema, con un gas a temperatura ambiente y presión normal. Por tanto, se consume aproximadamente un equivalente de hidrógeno.
La hidrogenación reduce el doble enlace de la cadena lateral:
\[ \boxed{\ce{C6H5CH=CHCOOH + H2 ->[Pt] C6H5CH2CH2COOH}}. \]
Por tanto, B es el ácido 3-fenilpropanoico, \(\ce{C9H10O2}\), con \(M_B=150\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
6.3 — Identificación de C
El porcentaje de oxígeno es
\[ 100-81.8-6.1=12.1\%. \]
Utilizando \(M_C=132\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) y las masas atómicas enteras habituales, se obtienen los números de átomos por molécula:
\[ N_{\mathrm C}=\frac{0.818(132)}{12}=9.00, \qquad N_{\mathrm H}=\frac{0.061(132)}{1}=8.05, \qquad N_{\mathrm O}=\frac{0.121(132)}{16}=1.00. \]
Por consiguiente, la fórmula molecular es
\[ \boxed{\ce{C9H8O}}. \]
Esta difiere de la de B, \(\ce{C9H10O2}\), en una molécula de agua:
\[ \ce{C9H10O2 ->[PPA] C9H8O + H2O}. \]
El ácido polifosfórico activa el grupo carboxilo para una acilación de Friedel–Crafts intramolecular. Un carbono en posición orto del anillo aromático se enlaza con el carbono del carboxilo, cerrando un anillo de cinco miembros.
En consecuencia, C es la indan-1-ona. Su anillo de cinco miembros contiene el carbono carbonílico y dos grupos metileno, y comparte una arista con el anillo bencénico. Su fórmula también da seis grados de insaturación:
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(9)+2-8}{2}=6, \]
que corresponden al anillo bencénico, al anillo adicional y al enlace carbonílico.
6.4 — Identificación de Da y Db
El hidróxido de potasio [K+].[OH-] es monobásico. La cantidad utilizada en la valoración es
\[ n_{\mathrm{eq}} =(0.100\ \mathrm{L})(0.1\ \mathrm{eq\,L^{-1}}) \simeq0.010\ \mathrm{eq}. \]
Así, cada subproducto tiene una masa equivalente de
\[ E=\frac{2.82\ \mathrm{g}}{0.010\ \mathrm{eq}} \simeq282\ \mathrm{g\,eq^{-1}}. \]
La dependencia de la concentración sugiere una reacción intermolecular en la que intervienen dos moléculas de B. Si el grupo carboxilo activado de una molécula acila el anillo aromático de otra, el producto resultante conserva un grupo carboxilo:
\[ \boxed{ \ce{2 C6H5CH2CH2COOH -> HOOCCH2CH2C6H4COCH2CH2C6H5 + H2O} }. \]
La fórmula molecular y la masa molar previstas son
\[ \ce{2 C9H10O2 - H2O = C18H18O3}, \]
\[ M_D=2(150)-18=282\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Como este producto tiene un grupo carboxilo, su masa equivalente también es \(282\ \mathrm{g\,eq^{-1}}\), en concordancia con la valoración. Su composición elemental calculada es
\[ w_{\mathrm C}=\frac{18(12)}{282}\times100=76.6\%, \]
\[ w_{\mathrm H}=\frac{18(1)}{282}\times100=6.38\%\approx6.4\%. \]
Ambos valores concuerdan con los valores medidos.
El sustituyente \(\ce{-CH2CH2COOH}\) ya presente está unido al anillo aromático a través de un carbono alquílico y dirige la sustitución electrófila principalmente a las posiciones orto y para. El grupo entrante es \(\ce{-COCH2CH2C6H5}\). Esto da las dos estructuras indicadas como Da y Db.
La dilución suprime la formación de estos productos porque la acilación intermolecular requiere una segunda molécula de B, mientras que la formación de C cierra un anillo dentro de una sola molécula. Las etiquetas Da y Db pueden intercambiarse.
6.5 — Síntesis alternativa de A
Una alternativa adecuada es la reacción de Perkin.
Caliente benzaldehído con anhídrido acético CC(=O)OC(C)=O en presencia de acetato de sodio CC(=O)[O-].[Na+] y, a continuación, realice un tratamiento acuoso. La ecuación global ajustada es
\[ \boxed{ \ce{C6H5CHO + (CH3CO)2O -> C6H5CH=CHCOOH + CH3COOH} }. \]
El otro producto orgánico es el ácido acético CC(=O)O.
El nuevo enlace C–C une el carbono aldehídico original con un carbono metílico aportado por el anhídrido acético. La condensación y la posterior hidrólisis producen A, normalmente con predominio del ácido \(E\)-cinámico.
6.6 — Síntesis alternativa de B
Una alternativa habitual es la síntesis malónica, utilizando malonato de dietilo CCOC(=O)CC(=O)OCC y cloruro de bencilo ClCc1ccccc1.
En primer lugar, el etóxido de sodio CC[O-].[Na+] extrae un protón del malonato de dietilo. El anión malonato resultante, CCOC(=O)[CH-]C(=O)OCC, ataca al cloruro de bencilo en una reacción \(S_\mathrm{N}2\). La ecuación combinada ajustada es
\[ \ce{ CH2(COOC2H5)2 + C2H5ONa + C6H5CH2Cl -> C6H5CH2CH(COOC2H5)2 + C2H5OH + NaCl }. \]
El producto orgánico es el bencilmalonato de dietilo CCOC(=O)C(Cc1ccccc1)C(=O)OCC. Los coproductos son etanol CCO y cloruro de sodio [Na+].[Cl-].
La hidrólisis de ambos grupos éster da ácido bencilmalónico O=C(O)C(Cc1ccccc1)C(=O)O:
\[ \ce{ C6H5CH2CH(COOC2H5)2 + 2 H2O ->[H+] C6H5CH2CH(COOH)2 + 2 C2H5OH }. \]
El calentamiento provoca después la descarboxilación:
\[ \boxed{ \ce{C6H5CH2CH(COOH)2 ->[\Delta] C6H5CH2CH2COOH + CO2} }. \]
El producto es B. El nuevo enlace C–C requerido se forma entre el carbono bencílico y el carbono central del malonato.
6.7(a) — Reacción con hidroxilamina
La hidroxilamina NO se condensa con el grupo carbonilo cetónico bajo catálisis ácida, produciendo la oxima de la indan-1-ona:
\[ \boxed{\ce{C9H8O + NH2OH ->[H+] C9H9NO + H2O}}. \]
El grupo \(\ce{C=O}\) original se convierte en \(\ce{C=N-OH}\).
La conectividad es ON=C1CCc2ccccc21. Como los dos recorridos por el anillo unidos al carbono imínico son diferentes, pueden existir isómeros geométricos:
- Oxima \((E)\) de la indan-1-ona:
O/N=C1\CCc2ccccc21. - Oxima \((Z)\) de la indan-1-ona:
O/N=C1/CCc2ccccc21.
El problema no establece sus proporciones.
6.7(b) — Adición de Grignard y posterior tratamiento ácido
El bromuro de fenilmagnesio Br[Mg]c1ccccc1 adiciona un grupo fenilo al carbono carbonílico. Este SMILES representa la conectividad formal; omite la coordinación del disolvente y la agregación.
La protonación da inicialmente 1-fenilindan-1-ol, OC1(c2ccccc2)CCc2ccccc21, formado como racemato. Una ecuación ajustada para la adición y el tratamiento ácido es
\[ \ce{ C9H8O + C6H5MgBr + H+ -> C15H14O + Mg^2+ + Br- }. \]
Aquí, los iones del tratamiento son el ion hidrógeno [H+], el ion magnesio(II) [Mg+2] y el bromuro [Br-].
El alcohol bencílico terciario experimenta después una deshidratación catalizada por ácido:
\[ \boxed{\ce{C15H14O ->[H+] C15H12 + H2O}}. \]
La protonación del grupo hidroxilo permite la pérdida de agua. La eliminación de un protón del grupo metileno adyacente forma un doble enlace entre ese carbono y el antiguo carbono carbonílico.
Por tanto, el producto final es 3-fenil-1H-indeno, c1ccc(C2=CCc3ccccc32)cc1. En la numeración original de la indanona, el grupo fenilo permanece en C1 y el nuevo doble enlace se sitúa entre C1 y C2; la renumeración del indeno da el nombre indicado anteriormente.
6.7(c) — Reacción con benzaldehído y etóxido de sodio
El etóxido extrae un hidrógeno \(\alpha\) de C2 de la indan-1-ona. El enolato resultante ataca al benzaldehído y el producto de adición aldólica pierde agua para formar una enona conjugada. Se trata de una condensación de Claisen–Schmidt:
\[ \boxed{ \ce{C9H8O + C6H5CHO ->[C2H5ONa] C16H12O + H2O} }. \]
El producto es 2-bencilidenindan-1-ona. El carbonilo cetónico original se conserva y C2 lleva un grupo exocíclico \(\ce{=CHC6H5}\).
El producto \(E\), normalmente favorecido, es O=C1/C(=C/c2ccccc2)Cc2ccccc21; el grupo fenilo y el lado del anillo que contiene el carbonilo se encuentran en lados opuestos del doble enlace exocíclico.
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 1980 · 理论题 6
有机化学，合成：苯甲醛与丙二酸反应的产物
（有机化学，合成）
苯甲醛与丙二酸在吡啶中于 80 °C 反应，生成的产物包括 \(\ce{CO2}\) 和化合物 A，其中 A 的产率约为理论值的 80 %。在室温、常压下，以 Pt 为催化剂对 1.48 g A 进行催化氢化，消耗 0.25 升氢气，得到 B。B 与多聚磷酸反应（傅–克反应条件），可分离出化合物 C，同时生成两种互为异构体的酸性副产物。当反应介质中 B 的浓度较高时，副产物 Da 和 Db 的生成量较大；稀释则可抑制其生成。
C 的元素分析结果为碳含量 81.8 %、氢含量 6.1 %。Da 和 Db 的相应数值在实验误差范围内相同，分别为 76.6 % 和 6.4 %。中和 2.82 g Da 或 Db 均需约 100 \(\mathrm{cm^3}\) 的 0.1 N 氢氧化钾溶液。C 可通过蒸馏提纯（沸点 243 – 245 °C），提纯后其熔点为 40 °C，密度为 1.09 \(\mathrm{g/cm^3}\)。其相对分子质量可通过质谱法测得，数值为 132。
利用这些信息解答下列问题：
6.1 写出 A 的结构式。
6.2 写出 B 的结构式。
6.3 写出 C 的结构式。
6.4 写出 Da 和 Db 的结构式。
6.5 提出另一条合成 A 的路线，使用尽可能简单的起始原料，并形成至少一个 C–C 键。
6.6 提出另一条合成 B 的路线，使用尽可能简单的起始原料，并形成至少一个 C–C 键。
6.7 写出下列反应产物的结构式：
题目译自官方英文原文。
答案
- 6.1 — A： 肉桂酸，通常以 \(E\) 异构体为主：
O=C(O)/C=C/c1ccccc1。 - 6.2 — B： 3-苯基丙酸（氢化肉桂酸）：
O=C(O)CCc1ccccc1。 - 6.3 — C： 茚满-1-酮：
O=C1CCc2ccccc21。 - 6.4 — Da 和 Db： 任意指定标号如下：
- Da： 3-[2-(3-苯基丙酰基)苯基]丙酸，即邻位异构体：
O=C(O)CCc1ccccc1C(=O)CCc1ccccc1。 - Db： 3-[4-(3-苯基丙酰基)苯基]丙酸，即对位异构体：
O=C(O)CCc1ccc(C(=O)CCc2ccccc2)cc1。 - 6.5： 以苯甲醛和乙酸酐为原料，在乙酸钠存在下加热进行珀金反应，随后水解，合成 A。
- 6.6： 用丙二酸酯合成法合成 B：将丙二酸二乙酯苄基化，再水解并脱羧。
- 6.7(a)： 茚满-1-酮肟：
ON=C1CCc2ccccc21；其 \(E/Z\) 组成未作规定。 - 6.7(b)： 3-苯基-1H-茚：
c1ccc(C2=CCc3ccccc32)cc1，由最初生成的叔醇经酸催化脱水形成。 - 6.7(c)： 2-苄叉茚满-1-酮，通常以 \(E\) 构型为主：
O=C1/C(=C/c2ccccc2)Cc2ccccc21。
解答
6.1 — A 的鉴定
苯甲醛 O=Cc1ccccc1 与丙二酸 O=C(O)CC(=O)O 在吡啶 c1ccncc1 中发生克脑文盖尔–德布纳缩合反应。
缩合首先生成苄叉丙二酸 O=C(O)C(=Cc1ccccc1)C(=O)O：
\[ \ce{C6H5CHO + CH2(COOH)2 -> C6H5CH=C(COOH)2 + H2O}. \]
随后脱羧生成肉桂酸：
\[ \ce{C6H5CH=C(COOH)2 -> C6H5CH=CHCOOH + CO2}. \]
副产物为水 O 和二氧化碳 O=C=O。因此，配平后的总反应为
\[ \boxed{\ce{C6H5CHO + CH2(COOH)2 -> C6H5CH=CHCOOH + CO2 + H2O}}. \]
因此，A 为肉桂酸，分子式为 \(\ce{C9H8O2}\)，其摩尔质量为
\[ M_A=9(12)+8(1)+2(16)=148\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
通常的主要产物是较稳定的 \(E\) 异构体。
6.2 — B 的鉴定
参与氢化的 A 的物质的量为
\[ n_A=\frac{1.48\ \mathrm{g}}{148\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0100\ \mathrm{mol}. \]
若每摩尔 A 与一摩尔氢分子 [H][H] 反应，则实测体积对应的摩尔体积为
\[ V_m=\frac{0.25\ \mathrm{L}}{0.0100\ \mathrm{mol}} =25\ \mathrm{L\,mol^{-1}}, \]
在本题给定的精度下，这与室温、常压下气体的摩尔体积相符。因此，所消耗的氢气约为一当量。
氢化使侧链双键还原：
\[ \boxed{\ce{C6H5CH=CHCOOH + H2 ->[Pt] C6H5CH2CH2COOH}}. \]
因此，B 为 3-苯基丙酸，分子式为 \(\ce{C9H10O2}\)，其摩尔质量为 \(M_B=150\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
6.3 — C 的鉴定
氧的质量百分含量为
\[ 100-81.8-6.1=12.1\%. \]
利用 \(M_C=132\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) 及常用的整数相对原子质量，可得每个分子中的原子数：
\[ N_{\mathrm C}=\frac{0.818(132)}{12}=9.00, \qquad N_{\mathrm H}=\frac{0.061(132)}{1}=8.05, \qquad N_{\mathrm O}=\frac{0.121(132)}{16}=1.00. \]
因此，分子式为
\[ \boxed{\ce{C9H8O}}. \]
它与 B 的分子式 \(\ce{C9H10O2}\) 相差一分子水：
\[ \ce{C9H10O2 ->[PPA] C9H8O + H2O}. \]
多聚磷酸活化羧基，使其发生分子内傅–克酰基化反应。芳环的一个邻位碳原子与羧基碳原子成键，闭合形成五元环。
因此，C 为茚满-1-酮。其五元环包含羰基碳原子和两个亚甲基，并与苯环共用一条边。由其分子式还可算出不饱和度为 6：
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(9)+2-8}{2}=6, \]
这些不饱和度由苯环、额外的环和羰基双键共同贡献。
6.4 — Da 和 Db 的鉴定
氢氧化钾 [K+].[OH-] 是一元碱。滴定中所用的当量数为
\[ n_{\mathrm{eq}} =(0.100\ \mathrm{L})(0.1\ \mathrm{eq\,L^{-1}}) \simeq0.010\ \mathrm{eq}. \]
因此，每种副产物的当量质量为
\[ E=\frac{2.82\ \mathrm{g}}{0.010\ \mathrm{eq}} \simeq282\ \mathrm{g\,eq^{-1}}. \]
生成量对浓度的依赖关系表明，这是涉及两个 B 分子的分子间反应。若一个分子中被活化的羧基对另一个分子的芳环进行酰基化，则所得产物保留一个羧基：
\[ \boxed{ \ce{2 C6H5CH2CH2COOH -> HOOCCH2CH2C6H4COCH2CH2C6H5 + H2O} }. \]
由此预测的分子式和摩尔质量为
\[ \ce{2 C9H10O2 - H2O = C18H18O3}, \]
\[ M_D=2(150)-18=282\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
由于该产物含有一个羧基，其当量质量也为 \(282\ \mathrm{g\,eq^{-1}}\)，与滴定结果相符。计算得到的元素组成为
\[ w_{\mathrm C}=\frac{18(12)}{282}\times100=76.6\%, \]
\[ w_{\mathrm H}=\frac{18(1)}{282}\times100=6.38\%\approx6.4\%. \]
两者均与实测值相符。
原有的 \(\ce{-CH2CH2COOH}\) 取代基通过烷基碳原子与芳环相连，主要将亲电取代引导至邻位和对位。引入的基团为 \(\ce{-COCH2CH2C6H5}\)。由此得到列为 Da 和 Db 的两种结构。
稀释可抑制这些产物的生成，因为分子间酰基化需要第二个 B 分子，而 C 的生成是在一个分子内部闭环。标号 Da 和 Db 可以互换。
6.5 — A 的另一种合成方法
一种合适的替代方法是珀金反应。
在乙酸钠 CC(=O)[O-].[Na+] 存在下，将苯甲醛与乙酸酐 CC(=O)OC(C)=O 一起加热，然后进行水处理。配平后的总反应方程式为
\[ \boxed{ \ce{C6H5CHO + (CH3CO)2O -> C6H5CH=CHCOOH + CH3COOH} }. \]
另一种有机产物是乙酸 CC(=O)O。
新形成的 C–C 键连接原来的醛基碳原子与乙酸酐提供的一个甲基碳原子。缩合及随后的水解生成 A，通常以 \(E\)-肉桂酸为主。
6.6 — B 的另一种合成方法
一种常规的替代方法是丙二酸酯合成法，使用丙二酸二乙酯 CCOC(=O)CC(=O)OCC 和氯化苄 ClCc1ccccc1。
首先，乙醇钠 CC[O-].[Na+] 从丙二酸二乙酯上夺取一个质子。生成的丙二酸酯负离子 CCOC(=O)[CH-]C(=O)OCC 通过 \(S_\mathrm{N}2\) 反应进攻氯化苄。合并并配平后的方程式为
\[ \ce{ CH2(COOC2H5)2 + C2H5ONa + C6H5CH2Cl -> C6H5CH2CH(COOC2H5)2 + C2H5OH + NaCl }. \]
有机产物为苄基丙二酸二乙酯 CCOC(=O)C(Cc1ccccc1)C(=O)OCC。同时生成的产物为乙醇 CCO 和氯化钠 [Na+].[Cl-]。
两个酯基均水解，生成苄基丙二酸 O=C(O)C(Cc1ccccc1)C(=O)O：
\[ \ce{ C6H5CH2CH(COOC2H5)2 + 2 H2O ->[H+] C6H5CH2CH(COOH)2 + 2 C2H5OH }. \]
随后加热使其脱羧：
\[ \boxed{ \ce{C6H5CH2CH(COOH)2 ->[\Delta] C6H5CH2CH2COOH + CO2} }. \]
产物即为 B。所要求的新 C–C 键在苄基碳原子与丙二酸酯的中心碳原子之间形成。
6.7(a) — 与羟胺的反应
羟胺 NO 在酸催化下与酮羰基缩合，生成茚满-1-酮肟：
\[ \boxed{\ce{C9H8O + NH2OH ->[H+] C9H9NO + H2O}}. \]
原来的 \(\ce{C=O}\) 基团转变为 \(\ce{C=N-OH}\)。
其原子连接方式为 ON=C1CCc2ccccc21。由于与亚胺碳原子相连的两个环内路径不同，因此可能存在几何异构体：
- \((E)\)-茚满-1-酮肟：
O/N=C1\CCc2ccccc21。 - \((Z)\)-茚满-1-酮肟：
O/N=C1/CCc2ccccc21。
题目未确定它们的比例。
6.7(b) — 格氏加成及随后的酸处理
苯基溴化镁 Br[Mg]c1ccccc1 向羰基碳原子上加成一个苯基。这一 SMILES 表示形式上的原子连接方式；它省略了溶剂配位和聚集情况。
质子化最初生成1-苯基茚满-1-醇，OC1(c2ccccc2)CCc2ccccc21，产物为外消旋体。加成及酸性后处理的配平方程式为
\[ \ce{ C9H8O + C6H5MgBr + H+ -> C15H14O + Mg^2+ + Br- }. \]
这里，后处理涉及的离子为氢离子 [H+]、镁(II)离子 [Mg+2] 和溴离子 [Br-]。
随后，该苄位叔醇发生酸催化脱水：
\[ \boxed{\ce{C15H14O ->[H+] C15H12 + H2O}}. \]
羟基质子化后可脱去水。从相邻亚甲基上脱去一个质子，使该碳原子与原来的羰基碳原子之间形成双键。
因此，最终产物为 3-苯基-1H-茚，c1ccc(C2=CCc3ccccc32)cc1。按原来茚满酮的编号，苯基仍位于 C1，新双键位于 C1 与 C2 之间；对茚重新编号即得到上述名称。
6.7(c) — 与苯甲醛和乙醇钠的反应
乙氧基负离子从茚满-1-酮的 C2 上夺取一个 \(\alpha\)-氢。生成的烯醇负离子进攻苯甲醛，羟醛加成产物失水，形成共轭烯酮。这是克莱森–施密特缩合反应：
\[ \boxed{ \ce{C9H8O + C6H5CHO ->[C2H5ONa] C16H12O + H2O} }. \]
产物为 2-苄叉茚满-1-酮。原来的酮羰基保留，C2 上带有一个环外 \(\ce{=CHC6H5}\) 基团。
通常优先生成的 \(E\) 产物为 O=C1/C(=C/c2ccccc2)Cc2ccccc21；苯基与环中含羰基的一侧位于环外双键的两侧。
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 1980 · Теоретическая задача 6
Органическая химия, синтезы: продукты из бензальдегида и малоновой кислоты
(Органическая химия, синтезы)
Бензальдегид и малоновая кислота реагировали в пиридине при 80 °C с образованием (среди прочего) \(\ce{CO2}\) и соединения A с выходом около 80 % от теоретического. При каталитическом гидрировании 1.48 г A на Pt при комнатной температуре и нормальном давлении получено B, причём израсходовано 0.25 литра водорода. При взаимодействии B с полифосфорной кислотой (в условиях реакции Фриделя–Крафтса) можно выделить соединение C, образование которого сопровождается образованием двух изомерных побочных продуктов кислотного характера. Побочные продукты Da и Db могут образовываться в большем количестве при высокой концентрации B в реакционной среде, а их образование можно подавить разбавлением.
Элементный анализ C даёт содержание углерода 81.8 % и водорода 6.1 %. Соответствующие значения для Da и Db, совпадающие в пределах экспериментальной погрешности, составляют 76.6 % и 6.4 % соответственно. Для нейтрализации 2.82 г как Da, так и Db требуется около 100 \(\mathrm{cm^3}\) 0.1 н. раствора гидроксида калия. C можно очистить перегонкой (т. кип. 243 – 245 °C); после этого его температура плавления составляет 40 °C, а плотность — 1.09 \(\mathrm{g/cm^3}\). Относительную молекулярную массу можно определить методом масс-спектрометрии; её значение равно 132.
Используя эту информацию, решите следующие задания:
6.1 Структурная формула A.
6.2 Структурная формула B.
6.3 Структурная формула C.
6.4 Структурные формулы Da и Db.
6.5 Предложите альтернативный путь синтеза A с использованием как можно более простых исходных веществ и образованием хотя бы одной связи C–C.
6.6 Предложите альтернативный путь синтеза B с использованием как можно более простых исходных веществ и образованием хотя бы одной связи C–C.
6.7 Приведите структурные формулы продуктов следующих реакций:
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 6.1 — A: Коричная кислота, обычно преимущественно \(E\)-изомер:
O=C(O)/C=C/c1ccccc1. - 6.2 — B: 3-Фенилпропановая кислота (гидрокоричная кислота):
O=C(O)CCc1ccccc1. - 6.3 — C: Индан-1-он:
O=C1CCc2ccccc21. - 6.4 — Da и Db: При произвольном присвоении обозначений:
- Da: 3-[2-(3-Фенилпропаноил)фенил]пропановая кислота, орто-изомер:
O=C(O)CCc1ccccc1C(=O)CCc1ccccc1. - Db: 3-[4-(3-Фенилпропаноил)фенил]пропановая кислота, пара-изомер:
O=C(O)CCc1ccc(C(=O)CCc2ccccc2)cc1. - 6.5: Синтез A по Перкину из бензальдегида и уксусного ангидрида в присутствии ацетата натрия при нагревании с последующим гидролизом.
- 6.6: Синтез B с помощью малонового эфира: бензилирование диэтилмалоната с последующими гидролизом и декарбоксилированием.
- 6.7(a): Оксим индан-1-она:
ON=C1CCc2ccccc21; его \(E/Z\)-состав не указан. - 6.7(b): 3-Фенил-1H-инден:
c1ccc(C2=CCc3ccccc32)cc1, образующийся при катализируемой кислотой дегидратации первоначально полученного третичного спирта. - 6.7(c): 2-Бензилидениндан-1-он, обычно преимущественно \(E\)-изомер:
O=C1/C(=C/c2ccccc2)Cc2ccccc21.
Решение
6.1 — Идентификация A
Бензальдегид O=Cc1ccccc1 и малоновая кислота O=C(O)CC(=O)O вступают в конденсацию Кнёвенагеля–Дёбнера в пиридине c1ccncc1.
При конденсации сначала образуется бензилиденмалоновая кислота O=C(O)C(=Cc1ccccc1)C(=O)O:
\[ \ce{C6H5CHO + CH2(COOH)2 -> C6H5CH=C(COOH)2 + H2O}. \]
Затем при декарбоксилировании образуется коричная кислота:
\[ \ce{C6H5CH=C(COOH)2 -> C6H5CH=CHCOOH + CO2}. \]
Побочные продукты — вода O и диоксид углерода O=C=O. Таким образом, суммарное уравнение реакции с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \boxed{\ce{C6H5CHO + CH2(COOH)2 -> C6H5CH=CHCOOH + CO2 + H2O}}. \]
Следовательно, A — коричная кислота, \(\ce{C9H8O2}\), с молярной массой
\[ M_A=9(12)+8(1)+2(16)=148\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Обычно основным продуктом является более устойчивый \(E\)-изомер.
6.2 — Идентификация B
Количество вещества A, подвергнутого гидрированию, составляет
\[ n_A=\frac{1.48\ \mathrm{g}}{148\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0100\ \mathrm{mol}. \]
Если на один моль A расходуется один моль молекулярного водорода, [H][H], то наблюдаемый объём соответствует
\[ V_m=\frac{0.25\ \mathrm{L}}{0.0100\ \mathrm{mol}} =25\ \mathrm{L\,mol^{-1}}, \]
что в пределах точности данных задачи согласуется с газом при комнатной температуре и нормальном давлении. Таким образом, расходуется приблизительно один эквивалент водорода.
При гидрировании восстанавливается двойная связь боковой цепи:
\[ \boxed{\ce{C6H5CH=CHCOOH + H2 ->[Pt] C6H5CH2CH2COOH}}. \]
Следовательно, B — 3-фенилпропановая кислота, \(\ce{C9H10O2}\), с \(M_B=150\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
6.3 — Идентификация C
Процентное содержание кислорода составляет
\[ 100-81.8-6.1=12.1\%. \]
Используя \(M_C=132\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) и обычные целочисленные атомные массы, получаем число атомов каждого элемента в молекуле:
\[ N_{\mathrm C}=\frac{0.818(132)}{12}=9.00, \qquad N_{\mathrm H}=\frac{0.061(132)}{1}=8.05, \qquad N_{\mathrm O}=\frac{0.121(132)}{16}=1.00. \]
Следовательно, молекулярная формула имеет вид
\[ \boxed{\ce{C9H8O}}. \]
Она отличается от формулы B, \(\ce{C9H10O2}\), на одну молекулу воды:
\[ \ce{C9H10O2 ->[PPA] C9H8O + H2O}. \]
Полифосфорная кислота активирует карбоксильную группу для внутримолекулярного ацилирования по Фриделю–Крафтсу. Атом углерода ароматического кольца в орто-положении образует связь с карбоксильным атомом углерода, замыкая пятичленный цикл.
Таким образом, C — индан-1-он. Его пятичленный цикл содержит карбонильный атом углерода и две метиленовые группы и имеет общую сторону с бензольным кольцом. Его формуле также соответствуют шесть степеней ненасыщенности:
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(9)+2-8}{2}=6, \]
которые обусловлены бензольным кольцом, дополнительным циклом и карбонильной связью.
6.4 — Идентификация Da и Db
Гидроксид калия [K+].[OH-] — однокислотное основание. Количество эквивалентов, израсходованное при титровании, составляет
\[ n_{\mathrm{eq}} =(0.100\ \mathrm{L})(0.1\ \mathrm{eq\,L^{-1}}) \simeq0.010\ \mathrm{eq}. \]
Таким образом, эквивалентная масса каждого побочного продукта равна
\[ E=\frac{2.82\ \mathrm{g}}{0.010\ \mathrm{eq}} \simeq282\ \mathrm{g\,eq^{-1}}. \]
Зависимость от концентрации указывает на межмолекулярную реакцию с участием двух молекул B. Если активированная карбоксильная группа одной молекулы ацилирует ароматическое кольцо другой, в полученном продукте сохраняется одна карбоксильная группа:
\[ \boxed{ \ce{2 C6H5CH2CH2COOH -> HOOCCH2CH2C6H4COCH2CH2C6H5 + H2O} }. \]
Предполагаемые молекулярная формула и молярная масса имеют вид
\[ \ce{2 C9H10O2 - H2O = C18H18O3}, \]
\[ M_D=2(150)-18=282\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Поскольку этот продукт содержит одну карбоксильную группу, его эквивалентная масса также равна \(282\ \mathrm{g\,eq^{-1}}\), что согласуется с результатами титрования. Его расчётный элементный состав:
\[ w_{\mathrm C}=\frac{18(12)}{282}\times100=76.6\%, \]
\[ w_{\mathrm H}=\frac{18(1)}{282}\times100=6.38\%\approx6.4\%. \]
Оба значения согласуются с измеренными.
Имеющийся заместитель \(\ce{-CH2CH2COOH}\) связан с ароматическим кольцом через алкильный атом углерода и направляет электрофильное замещение преимущественно в орто- и пара-положения. Вступающая группа — \(\ce{-COCH2CH2C6H5}\). В результате образуются две структуры, приведённые под обозначениями Da и Db.
Разбавление подавляет образование этих продуктов, поскольку межмолекулярное ацилирование требует второй молекулы B, тогда как при образовании C цикл замыкается в пределах одной молекулы. Обозначения Da и Db можно поменять местами.
6.5 — Альтернативный синтез A
Подходящим альтернативным способом является реакция Перкина.
Нагрейте бензальдегид с уксусным ангидридом CC(=O)OC(C)=O в присутствии ацетата натрия CC(=O)[O-].[Na+], затем обработайте реакционную смесь водой. Суммарное уравнение с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \boxed{ \ce{C6H5CHO + (CH3CO)2O -> C6H5CH=CHCOOH + CH3COOH} }. \]
Другой органический продукт — уксусная кислота CC(=O)O.
Новая связь C–C соединяет исходный альдегидный атом углерода с метильным атомом углерода уксусного ангидрида. Конденсация и последующий гидролиз дают A, обычно преимущественно \(E\)-коричную кислоту.
6.6 — Альтернативный синтез B
Стандартным альтернативным способом является синтез с помощью малонового эфира с использованием диэтилмалоната CCOC(=O)CC(=O)OCC и бензилхлорида ClCc1ccccc1.
Сначала этилат натрия CC[O-].[Na+] отщепляет протон от диэтилмалоната. Образующийся малонат-анион, CCOC(=O)[CH-]C(=O)OCC, атакует бензилхлорид в реакции \(S_\mathrm{N}2\). Объединённое уравнение с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \ce{ CH2(COOC2H5)2 + C2H5ONa + C6H5CH2Cl -> C6H5CH2CH(COOC2H5)2 + C2H5OH + NaCl }. \]
Органический продукт — диэтилбензилмалонат CCOC(=O)C(Cc1ccccc1)C(=O)OCC. Сопутствующие продукты — этанол CCO и хлорид натрия [Na+].[Cl-].
Гидролиз обеих сложноэфирных групп даёт бензилмалоновую кислоту O=C(O)C(Cc1ccccc1)C(=O)O:
\[ \ce{ C6H5CH2CH(COOC2H5)2 + 2 H2O ->[H+] C6H5CH2CH(COOH)2 + 2 C2H5OH }. \]
При последующем нагревании происходит декарбоксилирование:
\[ \boxed{ \ce{C6H5CH2CH(COOH)2 ->[\Delta] C6H5CH2CH2COOH + CO2} }. \]
Продуктом является B. Требуемая новая связь C–C образуется между бензильным атомом углерода и центральным атомом углерода малоната.
6.7(a) — Реакция с гидроксиламином
Гидроксиламин NO конденсируется с карбонильной группой кетона при кислотном катализе с образованием оксима индан-1-она:
\[ \boxed{\ce{C9H8O + NH2OH ->[H+] C9H9NO + H2O}}. \]
Исходная группа \(\ce{C=O}\) превращается в \(\ce{C=N-OH}\).
Порядок соединения атомов задаётся записью ON=C1CCc2ccccc21. Поскольку два направления обхода цикла от иминного атома углерода неэквивалентны, возможны геометрические изомеры:
- \((E)\)-Оксим индан-1-она:
O/N=C1\CCc2ccccc21. - \((Z)\)-Оксим индан-1-она:
O/N=C1/CCc2ccccc21.
Условие задачи не позволяет установить их соотношение.
6.7(b) — Присоединение реактива Гриньяра и последующая обработка кислотой
Фенилмагнийбромид Br[Mg]c1ccccc1 присоединяет фенильную группу к карбонильному атому углерода. Эта запись SMILES отражает формальный порядок соединения атомов; она не учитывает координацию растворителя и агрегацию.
При протонировании первоначально образуется 1-фенилиндан-1-ол, OC1(c2ccccc2)CCc2ccccc21, в виде рацемата. Уравнение присоединения и последующей обработки кислотой с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \ce{ C9H8O + C6H5MgBr + H+ -> C15H14O + Mg^2+ + Br- }. \]
Здесь ионы, участвующие в обработке реакционной смеси, — ион водорода [H+], ион магния(II) [Mg+2] и бромид-ион [Br-].
Затем третичный бензильный спирт подвергается катализируемой кислотой дегидратации:
\[ \boxed{\ce{C15H14O ->[H+] C15H12 + H2O}}. \]
Протонирование гидроксильной группы делает возможным отщепление воды. Отщепление протона от соседней метиленовой группы приводит к образованию двойной связи между этим атомом углерода и бывшим карбонильным атомом углерода.
Таким образом, конечный продукт — 3-фенил-1H-инден, c1ccc(C2=CCc3ccccc32)cc1. В исходной нумерации инданона фенильная группа остаётся при C1, а новая двойная связь находится между C1 и C2; перенумерация индена даёт приведённое выше название.
6.7(c) — Реакция с бензальдегидом и этилатом натрия
Этилат-ион отщепляет \(\alpha\)-водород от C2 индан-1-она. Образующийся енолят атакует бензальдегид, и продукт альдольного присоединения отщепляет воду с образованием сопряжённого енона. Это конденсация Кляйзена–Шмидта:
\[ \boxed{ \ce{C9H8O + C6H5CHO ->[C2H5ONa] C16H12O + H2O} }. \]
Продукт — 2-бензилидениндан-1-он. Исходная кетонная карбонильная группа сохраняется, а при C2 находится экзоциклическая группа \(\ce{=CHC6H5}\).
Обычно преимущественно образующийся \(E\)-продукт имеет запись O=C1/C(=C/c2ccccc2)Cc2ccccc21; фенильная группа и сторона цикла, содержащая карбонильную группу, находятся по разные стороны экзоциклической двойной связи.
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IChO 1980 · مسألة نظرية 6
الكيمياء العضوية، التخليق: نواتج البنزالدهيد وحمض المالونيك
(الكيمياء العضوية، التخليق)
تفاعل البنزالدهيد وحمض المالونيك في البيريدين عند 80 °C، فأنتجا (من بين نواتج أخرى) \(\ce{CO2}\) والمركب A بمردود يقارب 80 % من القيمة النظرية. وأدت الهدرجة الحفزية لـ 1.48 g من A على Pt عند درجة حرارة الغرفة والضغط العادي إلى إنتاج B مع استهلاك 0.25 لتر من الهيدروجين. وعند تفاعل B مع حمض متعدد الفوسفوريك (في شروط فريدل–كرافتس)، يمكن عزل المركب C مصحوبًا بناتجين جانبيين حمضيين متماكبين. ويمكن أن يتكون الناتجان الجانبيان Da وDb بكمية أكبر عند ارتفاع تركيز B في وسط التفاعل، ويمكن الحد من تكوّنهما بالتخفيف.
يعطي التحليل العنصري للمركب C نسبة 81.8 % من الكربون و6.1 % من الهيدروجين. أما القيم المقابلة للمركبين Da وDb، المتطابقة ضمن حدود الخطأ التجريبي، فهي 76.6 % و6.4 %، على الترتيب. وتتطلب كمية مقدارها 2.82 g من Da، وكذلك من Db، نحو 100 \(\mathrm{cm^3}\) من محلول هيدروكسيد البوتاسيوم بتركيز 0.1 N لمعادلتها. ويمكن تنقية C بالتقطير (درجة الغليان 243 – 245 °C)، وعندئذ تكون درجة انصهاره 40 °C وكثافته 1.09 \(\mathrm{g/cm^3}\). ويمكن الحصول على الكتلة الجزيئية النسبية بواسطة مطيافية الكتلة، وقيمتها 132.
باستخدام هذه المعلومات، حل المسائل الآتية:
6.1 الصيغة البنائية للمركب A.
6.2 الصيغة البنائية للمركب B.
6.3 الصيغة البنائية للمركب C.
6.4 الصيغتان البنائيتان للمركبين Da وDb.
6.5 أعطِ مسارًا بديلًا لتخليق A باستخدام أبسط مواد ابتدائية ممكنة، مع تكوين رابطة C–C واحدة على الأقل.
6.6 أعطِ مسارًا بديلًا لتخليق B باستخدام أبسط مواد ابتدائية ممكنة، مع تكوين رابطة C–C واحدة على الأقل.
6.7 أعطِ الصيغ البنائية لنواتج التفاعلات الآتية:
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 6.1 — A: حمض السيناميك، ويكون عادةً المتماكب \(E\) هو الغالب:
O=C(O)/C=C/c1ccccc1. - 6.2 — B: حمض 3-فينيل بروبانويك (حمض الهيدروسيناميك):
O=C(O)CCc1ccccc1. - 6.3 — C: إندان-1-ون:
O=C1CCc2ccccc21. - 6.4 — Da وDb: بتعيين الرمزين تعيينًا اعتباطيًا:
- Da: حمض 3-[2-(3-فينيل بروبانويل)فينيل]بروبانويك، وهو متماكب أورثو:
O=C(O)CCc1ccccc1C(=O)CCc1ccccc1. - Db: حمض 3-[4-(3-فينيل بروبانويل)فينيل]بروبانويك، وهو متماكب بارا:
O=C(O)CCc1ccc(C(=O)CCc2ccccc2)cc1. - 6.5: تخليق A بتفاعل بيركن من البنزالدهيد وأنهيدريد الأسيتيك، باستخدام أسيتات الصوديوم والتسخين، ثم التحلل المائي.
- 6.6: تخليق B بطريقة إستر المالونيك: إجراء بنزلة لمالونات ثنائي الإيثيل، ثم التحلل المائي ونزع الكربوكسيل.
- 6.7(a): أكسيم إندان-1-ون:
ON=C1CCc2ccccc21؛ تركيبه من المتماكبين \(E/Z\) غير محدد. - 6.7(b): 3-فينيل-1H-إندين:
c1ccc(C2=CCc3ccccc32)cc1، ويتكون بنزع الماء المحفَّز حمضيًا من الكحول الثالثي الناتج أولًا. - 6.7(c): 2-بنزيليدين إندان-1-ون، ويكون عادةً المتماكب \(E\) هو الغالب:
O=C1/C(=C/c2ccccc2)Cc2ccccc21.
الحل
6.1 — تعيين هوية A
يخضع البنزالدهيد O=Cc1ccccc1 وحمض المالونيك O=C(O)CC(=O)O لتكاثف كنوفيناغل–دوبنر في البيريدين c1ccncc1.
يعطي التكاثف أولًا حمض البنزيليدين مالونيك O=C(O)C(=Cc1ccccc1)C(=O)O:
\[ \ce{C6H5CHO + CH2(COOH)2 -> C6H5CH=C(COOH)2 + H2O}. \]
ثم يعطي نزع الكربوكسيل حمض السيناميك:
\[ \ce{C6H5CH=C(COOH)2 -> C6H5CH=CHCOOH + CO2}. \]
الناتجان الجانبيان هما الماء O وثاني أكسيد الكربون O=C=O. ومن ثم يكون التفاعل الكلي الموزون
\[ \boxed{\ce{C6H5CHO + CH2(COOH)2 -> C6H5CH=CHCOOH + CO2 + H2O}}. \]
إذن A هو حمض السيناميك، \(\ce{C9H8O2}\)، وكتلته المولية
\[ M_A=9(12)+8(1)+2(16)=148\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
الناتج الرئيسي المعتاد هو المتماكب \(E\) الأكثر استقرارًا.
6.2 — تعيين هوية B
كمية A التي خضعت للهدرجة هي
\[ n_A=\frac{1.48\ \mathrm{g}}{148\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0100\ \mathrm{mol}. \]
إذا تفاعل مول واحد من الهيدروجين الجزيئي، [H][H]، لكل مول من A، فإن الحجم المرصود يقابل
\[ V_m=\frac{0.25\ \mathrm{L}}{0.0100\ \mathrm{mol}} =25\ \mathrm{L\,mol^{-1}}, \]
وهو ما يتفق، في حدود دقة معطيات المسألة، مع غاز عند درجة حرارة الغرفة والضغط العادي. وبذلك يُستهلك نحو مكافئ واحد من الهيدروجين.
تختزل الهدرجة الرابطة المزدوجة في السلسلة الجانبية:
\[ \boxed{\ce{C6H5CH=CHCOOH + H2 ->[Pt] C6H5CH2CH2COOH}}. \]
لذلك فإن B هو حمض 3-فينيل بروبانويك، \(\ce{C9H10O2}\)، وتبلغ كتلته المولية \(M_B=150\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
6.3 — تعيين هوية C
النسبة المئوية للأكسجين هي
\[ 100-81.8-6.1=12.1\%. \]
باستخدام \(M_C=132\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) والكتل الذرية الصحيحة المعتادة، نحصل على أعداد الذرات في كل جزيء:
\[ N_{\mathrm C}=\frac{0.818(132)}{12}=9.00, \qquad N_{\mathrm H}=\frac{0.061(132)}{1}=8.05, \qquad N_{\mathrm O}=\frac{0.121(132)}{16}=1.00. \]
ومن ثم فإن الصيغة الجزيئية هي
\[ \boxed{\ce{C9H8O}}. \]
وتختلف هذه عن صيغة B، \(\ce{C9H10O2}\)، بمقدار جزيء ماء واحد:
\[ \ce{C9H10O2 ->[PPA] C9H8O + H2O}. \]
ينشّط حمض متعدد الفوسفوريك مجموعة الكربوكسيل لإجراء أسيلة فريدل–كرافتس داخل الجزيء. وترتبط ذرة كربون في موضع أورثو من الحلقة العطرية بذرة كربون الكربوكسيل، فتُغلق حلقة خماسية الأعضاء.
وبالتالي، فإن C هو إندان-1-ون. تحتوي حلقته الخماسية على ذرة كربون الكربونيل ومجموعتي ميثيلين، وتشترك مع حلقة البنزين في ضلع. وتعطي صيغته أيضًا ست درجات من عدم الإشباع:
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(9)+2-8}{2}=6, \]
تُعزى إلى حلقة البنزين والحلقة الإضافية ورابطة الكربونيل.
6.4 — تعيين هوية Da وDb
هيدروكسيد البوتاسيوم [K+].[OH-] قاعدة أحادية. والكمية المستخدمة في المعايرة هي
\[ n_{\mathrm{eq}} =(0.100\ \mathrm{L})(0.1\ \mathrm{eq\,L^{-1}}) \simeq0.010\ \mathrm{eq}. \]
إذن لكل ناتج جانبي كتلة مكافئة مقدارها
\[ E=\frac{2.82\ \mathrm{g}}{0.010\ \mathrm{eq}} \simeq282\ \mathrm{g\,eq^{-1}}. \]
يشير الاعتماد على التركيز إلى تفاعل بين الجزيئات يشترك فيه جزيئان من B. فإذا أجرت مجموعة الكربوكسيل المنشَّطة في أحد الجزيئين أسيلةً للحلقة العطرية للجزيء الآخر، فإن الناتج يحتفظ بمجموعة كربوكسيل واحدة:
\[ \boxed{ \ce{2 C6H5CH2CH2COOH -> HOOCCH2CH2C6H4COCH2CH2C6H5 + H2O} }. \]
الصيغة الجزيئية والكتلة المولية المتوقعتان هما
\[ \ce{2 C9H10O2 - H2O = C18H18O3}, \]
\[ M_D=2(150)-18=282\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
ولأن هذا الناتج يحتوي على مجموعة كربوكسيل واحدة، فإن كتلته المكافئة تساوي أيضًا \(282\ \mathrm{g\,eq^{-1}}\)، بما يتفق مع المعايرة. وتركيبه العنصري المحسوب هو
\[ w_{\mathrm C}=\frac{18(12)}{282}\times100=76.6\%, \]
\[ w_{\mathrm H}=\frac{18(1)}{282}\times100=6.38\%\approx6.4\%. \]
وتتفق كلتا القيمتين مع القيم المقيسة.
يرتبط المستبدَل الموجود أصلًا، \(\ce{-CH2CH2COOH}\)، بالحلقة العطرية عبر ذرة كربون ألكيلية، ويوجّه الاستبدال الإلكتروفيلي أساسًا إلى موضعي أورثو وبارا. أما المجموعة الداخلة فهي \(\ce{-COCH2CH2C6H5}\). وينتج عن ذلك البنيتان المدرجتان بالرمزين Da وDb.
يحدّ التخفيف من تكوّن هذين الناتجين لأن الأسيلة بين الجزيئات تتطلب جزيئًا ثانيًا من B، بينما يتضمن تكوّن C إغلاق حلقة داخل جزيء واحد. ويمكن تبادل الرمزين Da وDb.
6.5 — تخليق بديل للمركب A
من البدائل المناسبة تفاعل بيركن.
سخّن البنزالدهيد مع أنهيدريد الأسيتيك CC(=O)OC(C)=O في وجود أسيتات الصوديوم CC(=O)[O-].[Na+]، ثم أجرِ معالجة مائية لمزيج التفاعل. والمعادلة الكلية الموزونة هي
\[ \boxed{ \ce{C6H5CHO + (CH3CO)2O -> C6H5CH=CHCOOH + CH3COOH} }. \]
الناتج العضوي الآخر هو حمض الأسيتيك CC(=O)O.
تصل رابطة C–C الجديدة بين ذرة كربون الألدهيد الأصلية وذرة كربون ميثيلية مصدرها أنهيدريد الأسيتيك. ويعطي التكاثف ثم التحلل المائي اللاحق المركب A، الذي يكون عادةً حمض السيناميك ذي الهيئة \(E\) هو الغالب فيه.
6.6 — تخليق بديل للمركب B
من البدائل المعروفة التخليق بإستر المالونيك، باستخدام مالونات ثنائي الإيثيل CCOC(=O)CC(=O)OCC وكلوريد البنزيل ClCc1ccccc1.
أولًا، ينتزع إيثوكسيد الصوديوم CC[O-].[Na+] بروتونًا من مالونات ثنائي الإيثيل. ويهاجم أنيون المالونات الناتج، CCOC(=O)[CH-]C(=O)OCC، كلوريد البنزيل في تفاعل \(S_\mathrm{N}2\). والمعادلة الموزونة الجامعة للخطوتين هي
\[ \ce{ CH2(COOC2H5)2 + C2H5ONa + C6H5CH2Cl -> C6H5CH2CH(COOC2H5)2 + C2H5OH + NaCl }. \]
الناتج العضوي هو بنزيل مالونات ثنائي الإيثيل CCOC(=O)C(Cc1ccccc1)C(=O)OCC. والناتجان المصاحبان هما الإيثانول CCO وكلوريد الصوديوم [Na+].[Cl-].
يعطي التحلل المائي لكلتا مجموعتي الإستر حمض البنزيل مالونيك O=C(O)C(Cc1ccccc1)C(=O)O:
\[ \ce{ C6H5CH2CH(COOC2H5)2 + 2 H2O ->[H+] C6H5CH2CH(COOH)2 + 2 C2H5OH }. \]
ثم يؤدي التسخين إلى نزع الكربوكسيل:
\[ \boxed{ \ce{C6H5CH2CH(COOH)2 ->[\Delta] C6H5CH2CH2COOH + CO2} }. \]
الناتج هو B. وتتكون رابطة C–C الجديدة المطلوبة بين ذرة كربون البنزيل وذرة الكربون المركزية في المالونات.
6.7(a) — التفاعل مع الهيدروكسيل أمين
يتكاثف الهيدروكسيل أمين NO مع مجموعة الكربونيل الكيتونية بوجود حفاز حمضي، منتجًا أكسيم إندان-1-ون:
\[ \boxed{\ce{C9H8O + NH2OH ->[H+] C9H9NO + H2O}}. \]
تتحول مجموعة \(\ce{C=O}\) الأصلية إلى \(\ce{C=N-OH}\).
يُمثَّل اتصال الذرات بالصيغة ON=C1CCc2ccccc21. ولأن المسارين الحلقيين المرتبطين بذرة كربون الإيمين مختلفان، فمن الممكن وجود متماكبات هندسية:
- أكسيم \((E)\)-إندان-1-ون:
O/N=C1\CCc2ccccc21. - أكسيم \((Z)\)-إندان-1-ون:
O/N=C1/CCc2ccccc21.
لا تحدد المسألة نسبهما.
6.7(b) — إضافة غرينيار والمعالجة الحمضية اللاحقة
يضيف بروميد فينيل المغنيسيوم Br[Mg]c1ccccc1 مجموعة فينيل إلى ذرة كربون الكربونيل. وتمثل صيغة SMILES هذه الاتصال الشكلي للذرات؛ فهي لا تُظهر تناسق المذيب ولا التجمّع.
تعطي البروتنة أولًا 1-فينيل إندان-1-ول، OC1(c2ccccc2)CCc2ccccc21، الذي يتكون على هيئة مزيج راسيمي. والمعادلة الموزونة للإضافة والمعالجة الحمضية هي
\[ \ce{ C9H8O + C6H5MgBr + H+ -> C15H14O + Mg^2+ + Br- }. \]
أيونات المعالجة هنا هي أيون الهيدروجين [H+]، وأيون المغنيسيوم(II) [Mg+2]، وأيون البروميد [Br-].
ثم يخضع الكحول البنزيلي الثالثي لعملية نزع ماء محفَّزة حمضيًا:
\[ \boxed{\ce{C15H14O ->[H+] C15H12 + H2O}}. \]
تتيح بروتنة مجموعة الهيدروكسيل فقدان الماء. ويؤدي انتزاع بروتون من مجموعة الميثيلين المجاورة إلى تكوين رابطة مزدوجة بين ذرة الكربون تلك وذرة كربون الكربونيل السابقة.
لذلك فإن الناتج النهائي هو 3-فينيل-1H-إندين، c1ccc(C2=CCc3ccccc32)cc1. وفق الترقيم الأصلي للإندانون، تبقى مجموعة الفينيل عند C1 وتقع الرابطة المزدوجة الجديدة بين C1 وC2؛ وتعطي إعادة ترقيم الإندين الاسم المذكور أعلاه.
6.7(c) — التفاعل مع البنزالدهيد وإيثوكسيد الصوديوم
ينتزع الإيثوكسيد هيدروجينًا من نوع \(\alpha\) من C2 في إندان-1-ون. ويهاجم الإينولات الناتج البنزالدهيد، ويفقد ناتج إضافة الألدول الماء ليشكّل إينونًا مترافقًا. وهذا تكاثف كلايزن–شميدت:
\[ \boxed{ \ce{C9H8O + C6H5CHO ->[C2H5ONa] C16H12O + H2O} }. \]
الناتج هو 2-بنزيليدين إندان-1-ون. وتبقى مجموعة الكربونيل الكيتونية الأصلية، وتحمل C2 مجموعة \(\ce{=CHC6H5}\) ذات رابطة مزدوجة خارج الحلقة.
الناتج \(E\) المرجَّح عادةً هو O=C1/C(=C/c2ccccc2)Cc2ccccc21؛ وتقع مجموعة الفينيل وجانب الحلقة الحامل للكربونيل على جهتين متقابلتين من الرابطة المزدوجة الواقعة خارج الحلقة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.