IChO 1991 · Theory problem 2
Structure of a hydrocarbon polymer and its degradation products
A polymer X contains 88.25 % \(\ce{C}\) and 11.75 % \(\ce{H}\). In dilute solutions it reacts with bromine and ozone. The thermal degradation of X produces a volatile liquid Y in 58 % yield. Y starts boiling at 34 °C and contains 88.25 % \(\ce{C}\) and 11.72 % \(\ce{H}\). Some higher boiling products are formed both from the cracking of X and from Diels-Alder type cyclization of Y. The vapour of Y was 34 times as dense as hydrogen.
The product of bromination of Y yields a compound containing 82.5 % bromine by mass. Ozonolysis of Y followed by mild reduction gave A and B in a molar ratio A : B = 2 : 1. Only compound B gave a positive result for the iodoform reaction.
2.1 Determine the molecular formula and the molar mass of Y.
2.2 Show the structures of compounds Y, A, and B.
2.3 Give an equation for the reaction of Y with bromine.
In the catalytic hydrogenation of 13.6 g of X, 0.2 mole of hydrogen was absorbed. Ozonolysis of X followed by mild reduction yielded compound Z (60.0 % \(\ce{C}\), 8.0 % \(\ce{H}\)).
2.4 Give the molecular formula of Z and the degree of unsaturation of X.
Compound Z gave a positive reaction with Fehling's solution. Mild oxidation of Z gave an acid C. A solution of acid C was titrated with aqueous \(\ce{KOH}\) solution (phenolphthalein as indicator). 0.001 mol \(\ce{KOH}\) was necessary for neutralization of 0.116 g of C.
In the iodoform reaction a probe 2.90 g of C yielded 9.85 g of iodoform. In addition, the alkaline filtrate yielded compound D upon acidification.
2.5 What is the molar mass of C and what functional groups are present in Z?
When heated, D loses water to form E. Both D and E react with an excess of acidified ethanol to F (\(\ce{C8H14O4}\)).
2.6 Sketch the structures of C, D, E, F and Z.
2.7 X exists in isomeric forms which are stereoregular. Show the structure (containing at least 3 monomer units) for two possible stereoisomers of X.
Official English text of the problem.
Answers
-
2.1 Y: \(\boxed{\ce{C5H8}}\), with \(\boxed{M=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\).
-
2.2 Y is isoprene (2-methylbuta-1,3-diene),
C=C(C)C=C. A is methanal (formaldehyde),C=O. B is 2-oxopropanal (methylglyoxal),CC(=O)C=O. -
2.3 \[ \ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2Br2 -> BrCH2-C(Br)(CH3)-CHBr-CH2Br} \] The product is 1,2,3,4-tetrabromo-2-methylbutane,
BrCC(Br)(C)C(Br)CBr; its stereochemistry is not specified by the data. -
2.4 Z: \(\boxed{\ce{C5H8O2}}\). X contains \(\boxed{\text{one C=C bond per }\ce{C5H8}\text{ repeat unit}}\).
-
2.5 \(\boxed{M(\mathbf C)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\). Z contains one aldehyde group and one methyl ketone group.
-
2.6
| Compound | Name | SMILES |
|---|---|---|
| C | 4-Oxopentanoic acid, or levulinic acid | CC(=O)CCC(=O)O |
| D | Butanedioic acid, or succinic acid | O=C(O)CCC(=O)O |
| E | Succinic anhydride | O=C1CCC(=O)O1 |
| F | Diethyl butanedioate, or diethyl succinate | CCOC(=O)CCC(=O)OCC |
| Z | 4-Oxopentanal | CC(=O)CCC=O |
- 2.7 X is 1,4-polyisoprene, with repeat unit \[ \boxed{\left[\ce{-CH2-C(CH3)=CH-CH2-}\right]_n}. \] Three-repeat fragments of the two stereoregular forms are:
cis-1,4-Polyisoprene: *C/C(C)=C\CC/C(C)=C\CC/C(C)=C\C*
trans-1,4-Polyisoprene: *C/C(C)=C/CC/C(C)=C/CC/C(C)=C/C*
Here * denotes continuation of the polymer chain. The backbone substituents are on the same side of every double bond in the cis form and on opposite sides in the trans form.
Solution
Calculations use the conventional rounded atomic masses \(12,\ 1,\ 16,\ 80,\ 127\) for carbon, hydrogen, oxygen, bromine and iodine, respectively.
2.1 — Molecular formula and molar mass of Y
At equal temperature and pressure, gas densities are proportional to molar masses. The reference is molecular hydrogen, \(\ce{H2}\), [H][H], so
\[ M(\mathbf Y)=34M(\ce{H2}) =34(2)=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
The elemental analysis gives
\[ n(\ce C):n(\ce H) =\frac{88.25}{12}:\frac{11.72}{1} =7.354:11.72 \simeq5:8. \]
Thus the empirical formula is \(\ce{C5H8}\), whose formula mass is
\[ 5(12)+8(1)=68. \]
It is therefore also the molecular formula:
\[ \boxed{\mathbf Y=\ce{C5H8},\qquad M(\mathbf Y)=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
The quoted percentages total 99.97%; this small discrepancy does not change the formula.
2.2 — Identification of Y, A and B
The degree of unsaturation of Y is
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(5)+2-8}{2}=2. \]
Let \(x\) be the number of moles of bromine added per mole of Y. The bromine mass fraction of the addition product gives
\[ \frac{160x}{68+160x}=0.825, \]
hence \(x\simeq2\). Together with the Diels–Alder behavior and ozonolysis, this identifies Y as a diene.
Ozonolysis produces two molecules of A and one of B, containing five carbon atoms altogether. Because an iodoform-positive carbonyl compound needs at least two carbon atoms, A must contain one carbon and B three carbons.
The one-carbon carbonyl product is therefore methanal, C=O:
\[ \mathbf A=\ce{HCHO}. \]
Cleavage of two double bonds produces four carbonyl oxygen atoms in total. After accounting for two molecules of methanal, the remaining product has formula \(\ce{C3H4O2}\). Its positive iodoform reaction identifies a methyl ketone group. Consequently, B is 2-oxopropanal, CC(=O)C=O:
\[ \mathbf B=\ce{CH3-C(=O)-CHO}. \]
Reconnecting each of its carbonyl carbons to a terminal methylene group reconstructs isoprene, C=C(C)C=C:
\[ \boxed{\mathbf Y=\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2}}. \]
A balanced overall ozonolysis equation, choosing zinc as the mild reducing reagent, is
\[ \ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2O3 + 2Zn -> 2HCHO + CH3-C(=O)-CHO + 2ZnO}. \]
This gives precisely the observed ratio \(\mathbf A:\mathbf B=2:1\).
2.3 — Bromination of Y
Excess bromine, BrBr, adds across both double bonds:
\[ \boxed{\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2Br2 -> BrCH2-C(Br)(CH3)-CHBr-CH2Br}}. \]
The product is 1,2,3,4-tetrabromo-2-methylbutane, BrCC(Br)(C)C(Br)CBr, with formula \(\ce{C5H8Br4}\). Its bromine content is
\[ w(\ce{Br}) =\frac{4(80)}{68+4(80)}\times100\% =82.47\% \simeq82.5\%. \]
The reported product therefore corresponds to complete addition of two equivalents of bromine.
2.4 — Formula of Z and unsaturation of X
The composition of X corresponds to \(\ce{C5H8}\) repeat units, each of molar mass \(68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Thus 13.6 g contains
\[ n(\text{repeat units}) =\frac{13.6\ \mathrm g}{68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.200\ \mathrm{mol}. \]
This absorbs 0.2 mol of hydrogen. Since each carbon–carbon double bond consumes one molecule of hydrogen,
\[ \boxed{\text{X contains one C=C bond per }\ce{C5H8}\text{ repeat unit}}. \]
For Z, the oxygen percentage is
\[ 100.0-60.0-8.0=32.0\%. \]
Its atomic ratio is
\[ \frac{60.0}{12}:\frac{8.0}{1}:\frac{32.0}{16} =5:8:2, \]
giving empirical formula \(\ce{C5H8O2}\).
Cleavage of successive backbone double bonds produces fragments with two carbonyl ends. There is one such double bond per five-carbon repeat interval, so the fragment contains one empirical formula unit:
\[ \boxed{\mathbf Z=\ce{C5H8O2}},\qquad M(\mathbf Z)=100\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
These polymer calculations neglect end groups. The measured unsaturation is a per-repeat quantity; the total whole-chain DBE requires the chain length and end-group structures.
2.5 — Molar mass of C and functional groups in Z
Reductive ozonolysis gives carbonyl groups. The positive Fehling reaction shows that at least one of the two carbonyl groups in Z is an aldehyde.
Let \(q\) be the number of aldehyde groups oxidized to carboxyl groups. Each oxidation adds one oxygen atom without changing the carbon or hydrogen count, so
\[ M(\mathbf C)=100+16q. \]
The titration gives the acid’s equivalent mass:
\[ \frac{M(\mathbf C)}{q} =\frac{0.116\ \mathrm g}{0.001\ \mathrm{mol}} =116\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \]
per mole of neutralized carboxyl groups. Therefore,
\[ 100+16q=116q, \qquad q=1. \]
Hence Z contains one aldehyde group and one ketone group, and
\[ \boxed{M(\mathbf C)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}, \qquad \mathbf C=\ce{C5H8O3}. \]
Iodoform, or triiodomethane, IC(I)I, has molar mass
\[ M(\ce{CHI3})=12+1+3(127)=394\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
The experimental amounts are
\[ n(\mathbf C) =\frac{2.90}{116} =0.0250\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{CHI3}) =\frac{9.85}{394} =0.0250\ \mathrm{mol}. \]
Thus each molecule of C produces one molecule of iodoform, establishing one methyl ketone group. Mild oxidation preserves this ketone group, so Z contains
\[ \boxed{\text{one }\ce{-CHO}\text{ group and one }\ce{-C(=O)CH3}\text{ group}}. \]
2.6 — Structures of C, D, E, F and Z
The haloform reaction converts the methyl ketone group of C into a carboxyl group while removing its methyl carbon as iodoform. After acidification, D is therefore a four-carbon dicarboxylic acid.
Formation of the diethyl ester F, \(\ce{C8H14O4}\), is consistent with
\[ \mathbf D=\ce{C4H6O4}, \]
because replacing the two acidic hydrogens by ethyl groups adds \(\ce{C4H8}\) overall.
The loss of water on heating identifies D as succinic acid, O=C(O)CCC(=O)O:
\[ \mathbf D=\ce{HOOC-CH2-CH2-COOH}. \]
Its two carboxyl groups form a stable five-membered cyclic anhydride. The alternative four-carbon diacid, methylmalonic acid, CC(C(=O)O)C(=O)O, characteristically decarboxylates on heating instead.
Working backward from succinic acid gives:
\[ \boxed{\mathbf C=\ce{CH3-C(=O)-CH2-CH2-COOH}} \]
and
\[ \boxed{\mathbf Z=\ce{CH3-C(=O)-CH2-CH2-CHO}}. \]
Thus C is levulinic acid, CC(=O)CCC(=O)O, and Z is 4-oxopentanal, CC(=O)CCC=O.
The balanced haloform reaction in alkaline solution is
\[ \ce{CH3COCH2CH2COOH + 3I2 + 5OH- -> C4H4O4^2- + CHI3 + 3I- + 4H2O}. \]
The product \(\ce{C4H4O4^2-}\) is the succinate ion, O=C([O-])CCC(=O)[O-]. Acidification gives D:
\[ \ce{C4H4O4^2- + 2H+ -> HOOC-CH2-CH2-COOH}. \]
Heating gives succinic anhydride E, O=C1CCC(=O)O1:
\[ \ce{C4H6O4 ->[\Delta] C4H4O3 + H2O}. \]
To sketch E, draw a five-membered ring containing, consecutively, one oxygen atom, a carbonyl carbon, two methylene carbons and a second carbonyl carbon, closing back to the ring oxygen.
Both D and E give diethyl succinate F, CCOC(=O)CCC(=O)OCC, with excess acidified ethanol, CCO:
\[ \ce{C4H6O4 + 2C2H5OH <=>[H+] C8H14O4 + 2H2O}, \]
\[ \ce{C4H4O3 + 2C2H5OH <=>[H+] C8H14O4 + H2O}. \]
The structure of F is
\[ \boxed{\ce{C2H5O-C(=O)-CH2-CH2-C(=O)-OC2H5}}. \]
2.7 — Two stereoregular structures of X
The ozonolysis product
\[ \ce{OHC-CH2-CH2-C(=O)-CH3} \]
shows that successive double bonds in X are separated by two methylene groups. One alkene carbon bears hydrogen, and the other bears methyl. Reconnecting successive carbonyl ends therefore gives 1,4-polyisoprene:
\[ n\,\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2} \longrightarrow \left[\ce{-CH2-C(CH3)=CH-CH2-}\right]_n. \]
Its two stereoregular forms are:
- cis-1,4-Polyisoprene, the principal polymer of natural rubber:
*C/C(C)=C\CC/C(C)=C\CC/C(C)=C\C*
At every double bond, draw the two backbone methylene substituents on the same side. These double bonds have \(Z\) configuration in the continuing polymer chain.
- trans-1,4-Polyisoprene, the principal polymer of gutta-percha:
*C/C(C)=C/CC/C(C)=C/CC/C(C)=C/C*
At every double bond, draw the two backbone methylene substituents on opposite sides. These double bonds have \(E\) configuration.
Each SMILES contains three complete five-carbon repeat units. The asterisks denote chain continuation; the SMILES specify double-bond configuration, without imposing a particular three-dimensional chain conformation.
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 1991 · Theorieaufgabe 2
Struktur eines Kohlenwasserstoffpolymers und seiner Abbauprodukte
Ein Polymer X enthält 88.25 % \(\ce{C}\) und 11.75 % \(\ce{H}\). In verdünnten Lösungen reagiert es mit Brom und Ozon. Beim thermischen Abbau von X entsteht eine flüchtige Flüssigkeit Y mit einer Ausbeute von 58 %. Y beginnt bei 34 °C zu sieden und enthält 88.25 % \(\ce{C}\) und 11.72 % \(\ce{H}\). Einige höher siedende Produkte entstehen sowohl beim Cracken von X als auch durch Cyclisierung von Y nach dem Diels-Alder-Typ. Der Dampf von Y hatte die 34-fache Dichte von Wasserstoff.
Bei der Bromierung von Y entsteht eine Verbindung mit einem Brom-Massenanteil von 82.5 %. Die Ozonolyse von Y mit anschließender milder Reduktion ergab A und B im Stoffmengenverhältnis A : B = 2 : 1. Nur Verbindung B zeigte eine positive Iodoformreaktion.
2.1 Bestimmen Sie die Summenformel und die molare Masse von Y.
2.2 Geben Sie die Strukturen der Verbindungen Y, A und B an.
2.3 Geben Sie eine Gleichung für die Reaktion von Y mit Brom an.
Bei der katalytischen Hydrierung von 13.6 g X wurden 0.2 mol Wasserstoff aufgenommen. Die Ozonolyse von X mit anschließender milder Reduktion ergab die Verbindung Z (60.0 % \(\ce{C}\), 8.0 % \(\ce{H}\)).
2.4 Geben Sie die Summenformel von Z und den Ungesättigtheitsgrad von X an.
Verbindung Z zeigte eine positive Reaktion mit Fehling-Lösung. Die milde Oxidation von Z ergab eine Säure C. Eine Lösung der Säure C wurde mit wässriger \(\ce{KOH}\)-Lösung titriert (Phenolphthalein als Indikator). Zur Neutralisation von 0.116 g C waren 0.001 mol \(\ce{KOH}\) erforderlich.
Bei der Iodoformreaktion ergab eine Probe von 2.90 g C 9.85 g Iodoform. Außerdem wurde aus dem alkalischen Filtrat beim Ansäuern die Verbindung D erhalten.
2.5 Wie groß ist die molare Masse von C, und welche funktionellen Gruppen sind in Z vorhanden?
Beim Erhitzen spaltet D Wasser ab und bildet E. Sowohl D als auch E reagieren mit einem Überschuss an angesäuertem Ethanol zu F (\(\ce{C8H14O4}\)).
2.6 Skizzieren Sie die Strukturen von C, D, E, F und Z.
2.7 X liegt in stereoregulären isomeren Formen vor. Geben Sie für zwei mögliche Stereoisomere von X jeweils eine Struktur mit mindestens 3 Monomereinheiten an.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
2.1 Y: \(\boxed{\ce{C5H8}}\), mit \(\boxed{M=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\).
-
2.2 Y ist Isopren (2-Methylbuta-1,3-dien),
C=C(C)C=C. A ist Methanal (Formaldehyd),C=O. B ist 2-Oxopropanal (Methylglyoxal),CC(=O)C=O. -
2.3 \[ \ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2Br2 -> BrCH2-C(Br)(CH3)-CHBr-CH2Br} \] Das Produkt ist 1,2,3,4-Tetrabrom-2-methylbutan,
BrCC(Br)(C)C(Br)CBr; seine Stereochemie ist durch die Angaben nicht festgelegt. -
2.4 Z: \(\boxed{\ce{C5H8O2}}\). X enthält \(\boxed{\text{eine C=C-Bindung pro }\ce{C5H8}\text{-Wiederholungseinheit}}\).
-
2.5 \(\boxed{M(\mathbf C)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\). Z enthält eine Aldehydgruppe und eine Methylketongruppe.
-
2.6
| Verbindung | Name | SMILES |
|---|---|---|
| C | 4-Oxopentansäure oder Lävulinsäure | CC(=O)CCC(=O)O |
| D | Butandisäure oder Bernsteinsäure | O=C(O)CCC(=O)O |
| E | Bernsteinsäureanhydrid | O=C1CCC(=O)O1 |
| F | Butandisäurediethylester oder Bernsteinsäurediethylester | CCOC(=O)CCC(=O)OCC |
| Z | 4-Oxopentanal | CC(=O)CCC=O |
- 2.7 X ist 1,4-Polyisopren mit der Wiederholungseinheit \[ \boxed{\left[\ce{-CH2-C(CH3)=CH-CH2-}\right]_n}. \] Fragmente der beiden stereoregulären Formen mit jeweils drei Wiederholungseinheiten sind:
cis-1,4-Polyisopren: *C/C(C)=C\CC/C(C)=C\CC/C(C)=C\C*
trans-1,4-Polyisopren: *C/C(C)=C/CC/C(C)=C/CC/C(C)=C/C*
Dabei bezeichnet * die Fortsetzung der Polymerkette. Die Hauptkettensubstituenten liegen in der cis-Form an jeder Doppelbindung auf derselben Seite und in der trans-Form auf gegenüberliegenden Seiten.
Lösung
Für die Berechnungen werden die üblichen gerundeten Atommassen \(12,\ 1,\ 16,\ 80,\ 127\) für Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Brom bzw. Iod verwendet.
2.1 — Summenformel und molare Masse von Y
Bei gleicher Temperatur und gleichem Druck sind Gasdichten proportional zu den molaren Massen. Als Bezug dient molekularer Wasserstoff, \(\ce{H2}\), [H][H], also gilt
\[ M(\mathbf Y)=34M(\ce{H2}) =34(2)=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Die Elementaranalyse ergibt
\[ n(\ce C):n(\ce H) =\frac{88.25}{12}:\frac{11.72}{1} =7.354:11.72 \simeq5:8. \]
Die Verhältnisformel ist somit \(\ce{C5H8}\), deren Formelmasse beträgt
\[ 5(12)+8(1)=68. \]
Sie ist daher zugleich die Summenformel:
\[ \boxed{\mathbf Y=\ce{C5H8},\qquad M(\mathbf Y)=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
Die angegebenen Prozentanteile ergeben zusammen 99.97 %; diese kleine Abweichung ändert nichts an der Formel.
2.2 — Identifizierung von Y, A und B
Der Ungesättigtheitsgrad von Y beträgt
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(5)+2-8}{2}=2. \]
Es sei \(x\) die Anzahl der pro Mol Y addierten Mole Brom. Aus dem Brom-Massenanteil des Additionsprodukts folgt
\[ \frac{160x}{68+160x}=0.825, \]
also \(x\simeq2\). Zusammen mit dem Diels–Alder-Verhalten und der Ozonolyse weist dies Y als Dien aus.
Die Ozonolyse liefert zwei Moleküle A und ein Molekül B, die insgesamt fünf Kohlenstoffatome enthalten. Da eine Carbonylverbindung mit positiver Iodoformreaktion mindestens zwei Kohlenstoffatome benötigt, muss A ein Kohlenstoffatom und B drei Kohlenstoffatome enthalten.
Das Carbonylprodukt mit einem Kohlenstoffatom ist daher Methanal, C=O:
\[ \mathbf A=\ce{HCHO}. \]
Bei der Spaltung zweier Doppelbindungen entstehen insgesamt vier Carbonylsauerstoffatome. Nach Berücksichtigung der zwei Moleküle Methanal hat das verbleibende Produkt die Formel \(\ce{C3H4O2}\). Seine positive Iodoformreaktion weist eine Methylketongruppe nach. Folglich ist B 2-Oxopropanal, CC(=O)C=O:
\[ \mathbf B=\ce{CH3-C(=O)-CHO}. \]
Verknüpft man jedes seiner Carbonylkohlenstoffatome wieder mit einer endständigen Methylengruppe, erhält man Isopren, C=C(C)C=C:
\[ \boxed{\mathbf Y=\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2}}. \]
Eine ausgeglichene Gesamtgleichung der Ozonolyse mit Zink als mildem Reduktionsmittel lautet
\[ \ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2O3 + 2Zn -> 2HCHO + CH3-C(=O)-CHO + 2ZnO}. \]
Dies ergibt genau das beobachtete Verhältnis \(\mathbf A:\mathbf B=2:1\).
2.3 — Bromierung von Y
Brom im Überschuss, BrBr, wird an beide Doppelbindungen addiert:
\[ \boxed{\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2Br2 -> BrCH2-C(Br)(CH3)-CHBr-CH2Br}}. \]
Das Produkt ist 1,2,3,4-Tetrabrom-2-methylbutan, BrCC(Br)(C)C(Br)CBr, mit der Formel \(\ce{C5H8Br4}\). Sein Bromgehalt beträgt
\[ w(\ce{Br}) =\frac{4(80)}{68+4(80)}\times100\% =82.47\% \simeq82.5\%. \]
Das angegebene Produkt entspricht somit der vollständigen Addition von zwei Äquivalenten Brom.
2.4 — Formel von Z und Ungesättigtheit von X
Die Zusammensetzung von X entspricht \(\ce{C5H8}\)-Wiederholungseinheiten mit einer molaren Masse von jeweils \(68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Somit enthalten 13.6 g
\[ n(\text{Wiederholungseinheiten}) =\frac{13.6\ \mathrm g}{68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.200\ \mathrm{mol}. \]
Diese Menge nimmt 0.2 mol Wasserstoff auf. Da jede Kohlenstoff–Kohlenstoff-Doppelbindung ein Molekül Wasserstoff verbraucht, gilt
\[ \boxed{\text{X enthält eine C=C-Bindung pro }\ce{C5H8}\text{-Wiederholungseinheit}}. \]
Für Z beträgt der Sauerstoffanteil
\[ 100.0-60.0-8.0=32.0\%. \]
Das Atomzahlenverhältnis beträgt
\[ \frac{60.0}{12}:\frac{8.0}{1}:\frac{32.0}{16} =5:8:2, \]
woraus sich die Verhältnisformel \(\ce{C5H8O2}\) ergibt.
Die Spaltung aufeinanderfolgender Doppelbindungen der Hauptkette liefert Fragmente mit zwei Carbonylenden. Auf jeden Wiederholungsabschnitt mit fünf Kohlenstoffatomen entfällt eine solche Doppelbindung, sodass das Fragment eine Einheit der Verhältnisformel enthält:
\[ \boxed{\mathbf Z=\ce{C5H8O2}},\qquad M(\mathbf Z)=100\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Bei diesen Polymerberechnungen werden die Endgruppen vernachlässigt. Die gemessene Ungesättigtheit bezieht sich auf eine Wiederholungseinheit; zur Bestimmung des gesamten DBE-Werts der vollständigen Kette sind die Kettenlänge und die Strukturen der Endgruppen erforderlich.
2.5 — Molare Masse von C und funktionelle Gruppen in Z
Die reduktive Ozonolyse liefert Carbonylgruppen. Die positive Fehling-Reaktion zeigt, dass mindestens eine der beiden Carbonylgruppen in Z eine Aldehydgruppe ist.
Es sei \(q\) die Anzahl der Aldehydgruppen, die zu Carboxylgruppen oxidiert werden. Bei jeder Oxidation kommt ein Sauerstoffatom hinzu, ohne dass sich die Anzahl der Kohlenstoff- oder Wasserstoffatome ändert, also gilt
\[ M(\mathbf C)=100+16q. \]
Die Titration ergibt die Äquivalentmasse der Säure:
\[ \frac{M(\mathbf C)}{q} =\frac{0.116\ \mathrm g}{0.001\ \mathrm{mol}} =116\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \]
pro Mol neutralisierter Carboxylgruppen. Daher gilt
\[ 100+16q=116q, \qquad q=1. \]
Somit enthält Z eine Aldehydgruppe und eine Ketongruppe, und es gilt
\[ \boxed{M(\mathbf C)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}, \qquad \mathbf C=\ce{C5H8O3}. \]
Iodoform, auch Triiodmethan, IC(I)I, hat die molare Masse
\[ M(\ce{CHI3})=12+1+3(127)=394\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Die experimentellen Stoffmengen betragen
\[ n(\mathbf C) =\frac{2.90}{116} =0.0250\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{CHI3}) =\frac{9.85}{394} =0.0250\ \mathrm{mol}. \]
Jedes Molekül C liefert somit ein Molekül Iodoform, was eine Methylketongruppe nachweist. Bei der milden Oxidation bleibt diese Ketongruppe erhalten, sodass Z folgende Gruppen enthält:
\[ \boxed{\text{eine }\ce{-CHO}\text{-Gruppe und eine }\ce{-C(=O)CH3}\text{-Gruppe}}. \]
2.6 — Strukturen von C, D, E, F und Z
Die Haloformreaktion wandelt die Methylketongruppe von C in eine Carboxylgruppe um, wobei ihr Methylkohlenstoffatom als Iodoform abgespalten wird. Nach dem Ansäuern ist D daher eine Dicarbonsäure mit vier Kohlenstoffatomen.
Die Bildung des Diethylesters F, \(\ce{C8H14O4}\), steht im Einklang mit
\[ \mathbf D=\ce{C4H6O4}, \]
da der Ersatz der beiden sauren Wasserstoffatome durch Ethylgruppen insgesamt \(\ce{C4H8}\) hinzufügt.
Die Wasserabspaltung beim Erhitzen weist D als Bernsteinsäure, O=C(O)CCC(=O)O, aus:
\[ \mathbf D=\ce{HOOC-CH2-CH2-COOH}. \]
Ihre beiden Carboxylgruppen bilden ein stabiles fünfgliedriges cyclisches Anhydrid. Die alternative Dicarbonsäure mit vier Kohlenstoffatomen, Methylmalonsäure, CC(C(=O)O)C(=O)O, decarboxyliert dagegen charakteristischerweise beim Erhitzen.
Ausgehend von Bernsteinsäure erhält man durch Rückschluss:
\[ \boxed{\mathbf C=\ce{CH3-C(=O)-CH2-CH2-COOH}} \]
und
\[ \boxed{\mathbf Z=\ce{CH3-C(=O)-CH2-CH2-CHO}}. \]
Somit ist C Lävulinsäure, CC(=O)CCC(=O)O, und Z ist 4-Oxopentanal, CC(=O)CCC=O.
Die ausgeglichene Haloformreaktion in alkalischer Lösung lautet
\[ \ce{CH3COCH2CH2COOH + 3I2 + 5OH- -> C4H4O4^2- + CHI3 + 3I- + 4H2O}. \]
Das Produkt \(\ce{C4H4O4^2-}\) ist das Succinat-Ion, O=C([O-])CCC(=O)[O-]. Ansäuern liefert D:
\[ \ce{C4H4O4^2- + 2H+ -> HOOC-CH2-CH2-COOH}. \]
Erhitzen liefert Bernsteinsäureanhydrid E, O=C1CCC(=O)O1:
\[ \ce{C4H6O4 ->[\Delta] C4H4O3 + H2O}. \]
Um E zu skizzieren, zeichnen Sie einen fünfgliedrigen Ring, der der Reihe nach ein Sauerstoffatom, ein Carbonylkohlenstoffatom, zwei Methylenkohlenstoffatome und ein zweites Carbonylkohlenstoffatom enthält, wobei sich der Ring wieder zum Ringsauerstoffatom schließt.
Sowohl D als auch E ergeben mit einem Überschuss an angesäuertem Ethanol, CCO, Bernsteinsäurediethylester F, CCOC(=O)CCC(=O)OCC:
\[ \ce{C4H6O4 + 2C2H5OH <=>[H+] C8H14O4 + 2H2O}, \]
\[ \ce{C4H4O3 + 2C2H5OH <=>[H+] C8H14O4 + H2O}. \]
Die Struktur von F lautet
\[ \boxed{\ce{C2H5O-C(=O)-CH2-CH2-C(=O)-OC2H5}}. \]
2.7 — Zwei stereoreguläre Strukturen von X
Das Ozonolyseprodukt
\[ \ce{OHC-CH2-CH2-C(=O)-CH3} \]
zeigt, dass aufeinanderfolgende Doppelbindungen in X durch zwei Methylengruppen getrennt sind. Ein Alkenkohlenstoffatom trägt Wasserstoff, das andere eine Methylgruppe. Die erneute Verknüpfung aufeinanderfolgender Carbonylenden ergibt daher 1,4-Polyisopren:
\[ n\,\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2} \longrightarrow \left[\ce{-CH2-C(CH3)=CH-CH2-}\right]_n. \]
Seine beiden stereoregulären Formen sind:
- cis-1,4-Polyisopren, das Hauptpolymer des Naturkautschuks:
*C/C(C)=C\CC/C(C)=C\CC/C(C)=C\C*
Zeichnen Sie an jeder Doppelbindung die beiden Methylensubstituenten der Hauptkette auf derselben Seite. Diese Doppelbindungen haben in der fortlaufenden Polymerkette die \(Z\)-Konfiguration.
- trans-1,4-Polyisopren, das Hauptpolymer der Guttapercha:
*C/C(C)=C/CC/C(C)=C/CC/C(C)=C/C*
Zeichnen Sie an jeder Doppelbindung die beiden Methylensubstituenten der Hauptkette auf gegenüberliegenden Seiten. Diese Doppelbindungen haben die \(E\)-Konfiguration.
Jeder SMILES enthält drei vollständige Wiederholungseinheiten mit jeweils fünf Kohlenstoffatomen. Die Sternchen bezeichnen die Fortsetzung der Kette; die SMILES legen die Konfiguration der Doppelbindungen fest, ohne eine bestimmte dreidimensionale Kettenkonformation vorzugeben.
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 1991 · Teori sorusu 2
Bir hidrokarbon polimerinin ve bozunma ürünlerinin yapısı
Bir X polimeri % 88.25 \(\ce{C}\) ve % 11.75 \(\ce{H}\) içerir. Seyreltik çözeltilerde brom ve ozonla tepkimeye girer. X'in ısıl bozunması sonucunda % 58 verimle uçucu bir Y sıvısı oluşur. Y, 34 °C'de kaynamaya başlar ve % 88.25 \(\ce{C}\) ile % 11.72 \(\ce{H}\) içerir. Hem X'in krakingi hem de Y'nin Diels-Alder tipi halkalaşması sonucunda kaynama noktası daha yüksek bazı ürünler oluşur. Y buharının yoğunluğu hidrojeninkinin 34 katıdır.
Y'nin bromlanması sonucunda kütlece % 82.5 brom içeren bir bileşik elde edilir. Y'nin ozonolizini izleyen ılımlı indirgeme sonucunda A : B = 2 : 1 mol oranında A ve B elde edilmiştir. Yalnızca B bileşiği iyodoform tepkimesinde pozitif sonuç vermiştir.
2.1 Y'nin molekül formülünü ve molar kütlesini belirleyiniz.
2.2 Y, A ve B bileşiklerinin yapılarını gösteriniz.
2.3 Y'nin bromla tepkimesinin denklemini yazınız.
13.6 g X'in katalitik hidrojenlenmesinde 0.2 mol hidrojen tüketilmiştir. X'in ozonolizini izleyen ılımlı indirgeme sonucunda Z bileşiği (% 60.0 \(\ce{C}\), % 8.0 \(\ce{H}\)) elde edilmiştir.
2.4 Z'nin molekül formülünü ve X'in doymamışlık derecesini veriniz.
Z bileşiği Fehling çözeltisiyle pozitif tepkime vermiştir. Z'nin ılımlı yükseltgenmesi sonucunda bir C asidi elde edilmiştir. C asidinin bir çözeltisi, sulu \(\ce{KOH}\) çözeltisiyle titre edilmiştir (indikatör olarak fenolftalein kullanılmıştır). 0.116 g C'nin nötralleştirilmesi için 0.001 mol \(\ce{KOH}\) gerekmiştir.
İyodoform tepkimesinde 2.90 g'lık bir C numunesinden 9.85 g iyodoform elde edilmiştir. Ayrıca, bazik süzüntünün asitlendirilmesiyle D bileşiği elde edilmiştir.
2.5 C'nin molar kütlesi nedir ve Z'de hangi fonksiyonel gruplar bulunur?
D, ısıtıldığında su kaybederek E'yi oluşturur. Hem D hem de E, asitlendirilmiş etanolün fazlasıyla tepkimeye girerek F'yi (\(\ce{C8H14O4}\)) oluşturur.
2.6 C, D, E, F ve Z'nin yapılarını çiziniz.
2.7 X, stereodüzenli izomerik biçimlerde bulunur. X'in olası iki stereoizomeri için (en az 3 monomer birimi içeren) yapıları gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
2.1 Y: \(\boxed{\ce{C5H8}}\), molar kütlesi \(\boxed{M=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\).
-
2.2 Y, izopren (2-metilbüta-1,3-dien) bileşiğidir,
C=C(C)C=C. A, metanal (formaldehit) bileşiğidir,C=O. B, 2-oksopropanal (metilglioksal) bileşiğidir,CC(=O)C=O. -
2.3 \[ \ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2Br2 -> BrCH2-C(Br)(CH3)-CHBr-CH2Br} \] Ürün 1,2,3,4-tetrabromo-2-metilbütan bileşiğidir,
BrCC(Br)(C)C(Br)CBr; veriler ürünün stereokimyasını belirtmemektedir. -
2.4 Z: \(\boxed{\ce{C5H8O2}}\). X, \(\boxed{\text{her }\ce{C5H8}\text{ tekrarlayan birimi başına bir C=C bağı}}\) içerir.
-
2.5 \(\boxed{M(\mathbf C)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\). Z, bir aldehit grubu ve bir metil keton grubu içerir.
-
2.6
| Bileşik | Adı | SMILES |
|---|---|---|
| C | 4-Oksopentanoik asit veya levulinik asit | CC(=O)CCC(=O)O |
| D | Bütandioik asit veya süksinik asit | O=C(O)CCC(=O)O |
| E | Süksinik anhidrit | O=C1CCC(=O)O1 |
| F | Dietil bütandioat veya dietil süksinat | CCOC(=O)CCC(=O)OCC |
| Z | 4-Oksopentanal | CC(=O)CCC=O |
- 2.7 X, tekrarlayan birimi \[ \boxed{\left[\ce{-CH2-C(CH3)=CH-CH2-}\right]_n}. \] olan 1,4-poliizopren bileşiğidir. İki stereodüzenli biçimin üç tekrarlayan birim içeren parçaları şöyledir:
cis-1,4-Poliizopren: *C/C(C)=C\CC/C(C)=C\CC/C(C)=C\C*
trans-1,4-Poliizopren: *C/C(C)=C/CC/C(C)=C/CC/C(C)=C/C*
Burada *, polimer zincirinin devam ettiğini belirtir. Ana zincire ait sübstitüentler cis biçiminde her çift bağın aynı tarafında, trans biçiminde ise karşı taraflarındadır.
Çözüm
Hesaplamalarda karbon, hidrojen, oksijen, brom ve iyot için sırasıyla geleneksel yuvarlatılmış atom kütleleri olan \(12,\ 1,\ 16,\ 80,\ 127\) kullanılmıştır.
2.1 — Y'nin molekül formülü ve molar kütlesi
Aynı sıcaklık ve basınçta gazların yoğunlukları molar kütleleriyle orantılıdır. Referans alınan gaz moleküler hidrojen, \(\ce{H2}\), [H][H], olduğundan
\[ M(\mathbf Y)=34M(\ce{H2}) =34(2)=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Element analizi şu sonucu verir:
\[ n(\ce C):n(\ce H) =\frac{88.25}{12}:\frac{11.72}{1} =7.354:11.72 \simeq5:8. \]
Böylece basit formül \(\ce{C5H8}\) olur; bu formülün kütlesi
\[ 5(12)+8(1)=68. \]
Dolayısıyla bu, aynı zamanda molekül formülüdür:
\[ \boxed{\mathbf Y=\ce{C5H8},\qquad M(\mathbf Y)=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
Verilen yüzdelerin toplamı % 99.97'dir; bu küçük fark formülü değiştirmez.
2.2 — Y, A ve B'nin belirlenmesi
Y'nin doymamışlık derecesi
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(5)+2-8}{2}=2. \]
Y'nin molü başına katılan bromun mol sayısı \(x\) olsun. Katılma ürünündeki bromun kütle kesri
\[ \frac{160x}{68+160x}=0.825, \]
eşitliğini verir; buradan \(x\simeq2\) bulunur. Diels–Alder tepkimesine girme özelliği ve ozonoliz sonuçlarıyla birlikte bu bulgu, Y'nin bir dien olduğunu gösterir.
Ozonoliz sonucunda toplam beş karbon atomu içeren iki A molekülü ve bir B molekülü oluşur. İyodoform tepkimesinde pozitif sonuç veren bir karbonil bileşiğinin en az iki karbon atomu içermesi gerektiğinden, A bir karbon, B ise üç karbon içermelidir.
Dolayısıyla tek karbonlu karbonil ürünü metanal, C=O, bileşiğidir:
\[ \mathbf A=\ce{HCHO}. \]
İki çift bağın parçalanması toplam dört karbonil oksijeni oluşturur. İki metanal molekülü hesaba katıldıktan sonra kalan ürünün formülü \(\ce{C3H4O2}\) olur. İyodoform tepkimesinde pozitif sonuç vermesi, bir metil keton grubunun varlığını gösterir. Sonuç olarak B, 2-oksopropanal, CC(=O)C=O, bileşiğidir:
\[ \mathbf B=\ce{CH3-C(=O)-CHO}. \]
Bu bileşiğin karbonil karbonlarının her biri bir uç metilen grubuna yeniden bağlandığında izopren, C=C(C)C=C, yapısı elde edilir:
\[ \boxed{\mathbf Y=\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2}}. \]
Ilımlı indirgeme reaktifi olarak çinko seçildiğinde, denkleştirilmiş toplam ozonoliz denklemi şöyledir:
\[ \ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2O3 + 2Zn -> 2HCHO + CH3-C(=O)-CHO + 2ZnO}. \]
Bu, gözlenen \(\mathbf A:\mathbf B=2:1\) oranını tam olarak verir.
2.3 — Y'nin bromlanması
Bromun, BrBr, fazlası her iki çift bağa da katılır:
\[ \boxed{\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2Br2 -> BrCH2-C(Br)(CH3)-CHBr-CH2Br}}. \]
Ürün, formülü \(\ce{C5H8Br4}\) olan 1,2,3,4-tetrabromo-2-metilbütan, BrCC(Br)(C)C(Br)CBr, bileşiğidir. Brom içeriği
\[ w(\ce{Br}) =\frac{4(80)}{68+4(80)}\times100\% =82.47\% \simeq82.5\%. \]
Dolayısıyla bildirilen ürün, iki eşdeğer bromun tam katılmasına karşılık gelir.
2.4 — Z'nin formülü ve X'in doymamışlığı
X'in bileşimi, her birinin molar kütlesi \(68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) olan \(\ce{C5H8}\) tekrarlayan birimlerine karşılık gelir. Dolayısıyla 13.6 g'da bulunan miktar
\[ n(\text{tekrarlayan birimler}) =\frac{13.6\ \mathrm g}{68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.200\ \mathrm{mol}. \]
Bu miktar 0.2 mol hidrojen tüketir. Her karbon–karbon çift bağı bir hidrojen molekülü tükettiğinden,
\[ \boxed{\text{X, her }\ce{C5H8}\text{ tekrarlayan birimi başına bir C=C bağı içerir}}. \]
Z için oksijen yüzdesi
\[ 100.0-60.0-8.0=32.0\%. \]
Atom oranı
\[ \frac{60.0}{12}:\frac{8.0}{1}:\frac{32.0}{16} =5:8:2, \]
olduğundan basit formülü \(\ce{C5H8O2}\) olur.
Ana zincirdeki ardışık çift bağların parçalanması, iki ucu karbonil grubu olan parçalar oluşturur. Beş karbonlu her tekrarlanma aralığında böyle bir çift bağ bulunduğundan, oluşan parça bir basit formül birimi içerir:
\[ \boxed{\mathbf Z=\ce{C5H8O2}},\qquad M(\mathbf Z)=100\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Bu polimer hesaplamalarında uç gruplar ihmal edilmiştir. Ölçülen doymamışlık, tekrarlayan birim başına bir niceliktir; zincirin tamamının toplam DBE değerini bulmak için zincir uzunluğu ve uç grupların yapıları gereklidir.
2.5 — C'nin molar kütlesi ve Z'deki fonksiyonel gruplar
İndirgeyici ozonoliz karbonil grupları verir. Fehling tepkimesinin pozitif olması, Z'deki iki karbonil grubundan en az birinin aldehit olduğunu gösterir.
Karboksil gruplarına yükseltgenen aldehit gruplarının sayısı \(q\) olsun. Her yükseltgenme, karbon veya hidrojen sayısını değiştirmeden bir oksijen atomu eklediğinden
\[ M(\mathbf C)=100+16q. \]
Titrasyon, asidin eşdeğer kütlesini verir:
\[ \frac{M(\mathbf C)}{q} =\frac{0.116\ \mathrm g}{0.001\ \mathrm{mol}} =116\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \]
Bu değer, nötralleştirilen karboksil gruplarının molü başınadır. Dolayısıyla,
\[ 100+16q=116q, \qquad q=1. \]
Böylece Z, bir aldehit grubu ve bir keton grubu içerir ve
\[ \boxed{M(\mathbf C)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}, \qquad \mathbf C=\ce{C5H8O3}. \]
İyodoformun, diğer adıyla triiyodometanın, IC(I)I, molar kütlesi
\[ M(\ce{CHI3})=12+1+3(127)=394\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Deneysel miktarlar şöyledir:
\[ n(\mathbf C) =\frac{2.90}{116} =0.0250\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{CHI3}) =\frac{9.85}{394} =0.0250\ \mathrm{mol}. \]
Dolayısıyla her C molekülü bir iyodoform molekülü oluşturur; bu da bir metil keton grubunun varlığını ortaya koyar. Ilımlı yükseltgenmede bu keton grubu korunduğundan, Z şu grupları içerir:
\[ \boxed{\text{bir }\ce{-CHO}\text{ grubu ve bir }\ce{-C(=O)CH3}\text{ grubu}}. \]
2.6 — C, D, E, F ve Z'nin yapıları
Haloform tepkimesi, C'nin metil keton grubunu bir karboksil grubuna dönüştürürken metil karbonunu iyodoform olarak uzaklaştırır. Dolayısıyla asitlendirmeden sonra elde edilen D, dört karbonlu bir dikarboksilik asittir.
Dietil ester F'nin, \(\ce{C8H14O4}\), oluşumu
\[ \mathbf D=\ce{C4H6O4}, \]
formülüyle tutarlıdır; çünkü iki asidik hidrojenin etil gruplarıyla yer değiştirmesi toplamda \(\ce{C4H8}\) eklenmesine yol açar.
Isıtıldığında su kaybetmesi, D'nin süksinik asit, O=C(O)CCC(=O)O, olduğunu gösterir:
\[ \mathbf D=\ce{HOOC-CH2-CH2-COOH}. \]
Bu bileşiğin iki karboksil grubu, kararlı beş üyeli bir halkalı anhidrit oluşturur. Diğer olası dört karbonlu diasit olan metilmalonik asit, CC(C(=O)O)C(=O)O, ise ısıtıldığında karakteristik olarak dekarboksilasyona uğrar.
Süksinik asitten geriye doğru gidildiğinde şu yapılar elde edilir:
\[ \boxed{\mathbf C=\ce{CH3-C(=O)-CH2-CH2-COOH}} \]
ve
\[ \boxed{\mathbf Z=\ce{CH3-C(=O)-CH2-CH2-CHO}}. \]
Böylece C, levulinik asit, CC(=O)CCC(=O)O, ve Z, 4-oksopentanal, CC(=O)CCC=O, bileşiğidir.
Bazik çözeltideki denkleştirilmiş haloform tepkimesi şöyledir:
\[ \ce{CH3COCH2CH2COOH + 3I2 + 5OH- -> C4H4O4^2- + CHI3 + 3I- + 4H2O}. \]
\(\ce{C4H4O4^2-}\) ürünü süksinat iyonudur, O=C([O-])CCC(=O)[O-]. Asitlendirme sonucunda D elde edilir:
\[ \ce{C4H4O4^2- + 2H+ -> HOOC-CH2-CH2-COOH}. \]
Isıtma sonucunda süksinik anhidrit E, O=C1CCC(=O)O1, elde edilir:
\[ \ce{C4H6O4 ->[\Delta] C4H4O3 + H2O}. \]
E'nin yapısını çizmek için sırasıyla bir oksijen atomu, bir karbonil karbonu, iki metilen karbonu ve ikinci bir karbonil karbonu içeren, tekrar halka oksijenine bağlanarak kapanan beş üyeli bir halka çiziniz.
Hem D hem de E, asitlendirilmiş etanolün, CCO, fazlasıyla dietil süksinat F, CCOC(=O)CCC(=O)OCC, verir:
\[ \ce{C4H6O4 + 2C2H5OH <=>[H+] C8H14O4 + 2H2O}, \]
\[ \ce{C4H4O3 + 2C2H5OH <=>[H+] C8H14O4 + H2O}. \]
F'nin yapısı şöyledir:
\[ \boxed{\ce{C2H5O-C(=O)-CH2-CH2-C(=O)-OC2H5}}. \]
2.7 — X'in iki stereodüzenli yapısı
Ozonoliz ürünü
\[ \ce{OHC-CH2-CH2-C(=O)-CH3} \]
X'teki ardışık çift bağların birbirinden iki metilen grubuyla ayrıldığını gösterir. Alken karbonlarından biri hidrojen, diğeri metil taşır. Dolayısıyla ardışık karbonil uçları yeniden bağlandığında 1,4-poliizopren elde edilir:
\[ n\,\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2} \longrightarrow \left[\ce{-CH2-C(CH3)=CH-CH2-}\right]_n. \]
İki stereodüzenli biçimi şöyledir:
- cis-1,4-Poliizopren, doğal kauçuğun başlıca polimeri:
*C/C(C)=C\CC/C(C)=C\CC/C(C)=C\C*
Her çift bağda, ana zincire ait iki metilen sübstitüentini aynı tarafta çiziniz. Bu çift bağlar, devam eden polimer zincirinde \(Z\) konfigürasyonuna sahiptir.
- trans-1,4-Poliizopren, gütaperkanın başlıca polimeri:
*C/C(C)=C/CC/C(C)=C/CC/C(C)=C/C*
Her çift bağda, ana zincire ait iki metilen sübstitüentini karşı taraflarda çiziniz. Bu çift bağlar \(E\) konfigürasyonuna sahiptir.
Her SMILES, beş karbonlu üç tam tekrarlayan birim içerir. Yıldız işaretleri zincirin devam ettiğini belirtir; SMILES gösterimleri, zincirin belirli bir üç boyutlu konformasyonunu dayatmadan çift bağ konfigürasyonunu belirtir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IChO 1991 · Problema teórico 2
Estructura de un polímero hidrocarbonado y de sus productos de degradación
Un polímero X contiene un 88.25 % de \(\ce{C}\) y un 11.75 % de \(\ce{H}\). En disoluciones diluidas reacciona con bromo y ozono. La degradación térmica de X produce un líquido volátil Y con un rendimiento del 58 %. Y comienza a hervir a 34 °C y contiene un 88.25 % de \(\ce{C}\) y un 11.72 % de \(\ce{H}\). Se forman algunos productos de mayor punto de ebullición tanto por el craqueo de X como por la ciclación de Y de tipo Diels-Alder. El vapor de Y tenía una densidad 34 veces mayor que la del hidrógeno.
La bromación de Y da lugar a un compuesto que contiene un 82.5 % de bromo en masa. La ozonólisis de Y, seguida de una reducción suave, dio A y B en una proporción molar A : B = 2 : 1. Solo el compuesto B dio un resultado positivo en la reacción del yodoformo.
2.1 Determine la fórmula molecular y la masa molar de Y.
2.2 Muestre las estructuras de los compuestos Y, A y B.
2.3 Escriba una ecuación para la reacción de Y con bromo.
En la hidrogenación catalítica de 13.6 g de X, se absorbieron 0.2 moles de hidrógeno. La ozonólisis de X, seguida de una reducción suave, produjo el compuesto Z (60.0 % de \(\ce{C}\), 8.0 % de \(\ce{H}\)).
2.4 Indique la fórmula molecular de Z y el grado de insaturación de X.
El compuesto Z dio una reacción positiva con la disolución de Fehling. La oxidación suave de Z dio un ácido C. Una disolución del ácido C se valoró con una disolución acuosa de \(\ce{KOH}\) (con fenolftaleína como indicador). Fueron necesarios 0.001 mol de \(\ce{KOH}\) para neutralizar 0.116 g de C.
En la reacción del yodoformo, una muestra de 2.90 g de C produjo 9.85 g de yodoformo. Además, el filtrado alcalino produjo el compuesto D al acidificarse.
2.5 ¿Cuál es la masa molar de C y qué grupos funcionales están presentes en Z?
Al calentarse, D pierde agua para formar E. Tanto D como E reaccionan con un exceso de etanol acidificado para dar F (\(\ce{C8H14O4}\)).
2.6 Dibuje las estructuras de C, D, E, F y Z.
2.7 X existe en formas isoméricas que son estereorregulares. Muestre la estructura (que contenga al menos 3 unidades monoméricas) de dos posibles estereoisómeros de X.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
2.1 Y: \(\boxed{\ce{C5H8}}\), con \(\boxed{M=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\).
-
2.2 Y es isopreno (2-metilbuta-1,3-dieno),
C=C(C)C=C. A es metanal (formaldehído),C=O. B es 2-oxopropanal (metilglioxal),CC(=O)C=O. -
2.3 \[ \ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2Br2 -> BrCH2-C(Br)(CH3)-CHBr-CH2Br} \] El producto es 1,2,3,4-tetrabromo-2-metilbutano,
BrCC(Br)(C)C(Br)CBr; los datos no especifican su estereoquímica. -
2.4 Z: \(\boxed{\ce{C5H8O2}}\). X contiene \(\boxed{\text{un enlace C=C por unidad }\ce{C5H8}\text{ repetitiva}}\).
-
2.5 \(\boxed{M(\mathbf C)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\). Z contiene un grupo aldehído y un grupo metil cetona.
-
2.6
| Compuesto | Nombre | SMILES |
|---|---|---|
| C | Ácido 4-oxopentanoico, o ácido levulínico | CC(=O)CCC(=O)O |
| D | Ácido butanodioico, o ácido succínico | O=C(O)CCC(=O)O |
| E | Anhídrido succínico | O=C1CCC(=O)O1 |
| F | Butanodioato de dietilo, o succinato de dietilo | CCOC(=O)CCC(=O)OCC |
| Z | 4-Oxopentanal | CC(=O)CCC=O |
- 2.7 X es 1,4-poliisopreno, con la unidad repetitiva \[ \boxed{\left[\ce{-CH2-C(CH3)=CH-CH2-}\right]_n}. \] Los fragmentos de tres unidades repetitivas de las dos formas estereorregulares son:
cis-1,4-Poliisopreno: *C/C(C)=C\CC/C(C)=C\CC/C(C)=C\C*
trans-1,4-Poliisopreno: *C/C(C)=C/CC/C(C)=C/CC/C(C)=C/C*
Aquí * indica la continuación de la cadena polimérica. Los sustituyentes de la cadena principal se encuentran al mismo lado de cada doble enlace en la forma cis y en lados opuestos en la forma trans.
Solución
En los cálculos se utilizan las masas atómicas redondeadas convencionales \(12,\ 1,\ 16,\ 80,\ 127\) para el carbono, el hidrógeno, el oxígeno, el bromo y el yodo, respectivamente.
2.1 — Fórmula molecular y masa molar de Y
A igual temperatura y presión, las densidades de los gases son proporcionales a sus masas molares. La referencia es el hidrógeno molecular, \(\ce{H2}\), [H][H], por lo que
\[ M(\mathbf Y)=34M(\ce{H2}) =34(2)=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
El análisis elemental da
\[ n(\ce C):n(\ce H) =\frac{88.25}{12}:\frac{11.72}{1} =7.354:11.72 \simeq5:8. \]
Por tanto, la fórmula empírica es \(\ce{C5H8}\), cuya masa fórmula es
\[ 5(12)+8(1)=68. \]
En consecuencia, esta es también la fórmula molecular:
\[ \boxed{\mathbf Y=\ce{C5H8},\qquad M(\mathbf Y)=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
Los porcentajes indicados suman 99.97%; esta pequeña discrepancia no cambia la fórmula.
2.2 — Identificación de Y, A y B
El grado de insaturación de Y es
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(5)+2-8}{2}=2. \]
Sea \(x\) el número de moles de bromo que se adicionan por mol de Y. La fracción másica de bromo del producto de adición da
\[ \frac{160x}{68+160x}=0.825, \]
de donde \(x\simeq2\). Junto con el comportamiento en la reacción de Diels–Alder y la ozonólisis, esto identifica a Y como un dieno.
La ozonólisis produce dos moléculas de A y una de B, que contienen cinco átomos de carbono en total. Como un compuesto carbonílico que da positivo en la reacción del yodoformo necesita al menos dos átomos de carbono, A debe contener un carbono y B, tres carbonos.
Por tanto, el producto carbonílico de un carbono es metanal, C=O:
\[ \mathbf A=\ce{HCHO}. \]
La ruptura de dos dobles enlaces produce cuatro átomos de oxígeno carbonílico en total. Una vez descontadas las dos moléculas de metanal, el producto restante tiene la fórmula \(\ce{C3H4O2}\). Su reacción positiva del yodoformo identifica un grupo metil cetona. En consecuencia, B es 2-oxopropanal, CC(=O)C=O:
\[ \mathbf B=\ce{CH3-C(=O)-CHO}. \]
Al volver a unir cada uno de sus carbonos carbonílicos a un grupo metileno terminal, se reconstruye el isopreno, C=C(C)C=C:
\[ \boxed{\mathbf Y=\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2}}. \]
Una ecuación global ajustada de la ozonólisis, eligiendo zinc como reductor suave, es
\[ \ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2O3 + 2Zn -> 2HCHO + CH3-C(=O)-CHO + 2ZnO}. \]
Esto da precisamente la proporción observada \(\mathbf A:\mathbf B=2:1\).
2.3 — Bromación de Y
El bromo en exceso, BrBr, se adiciona a ambos dobles enlaces:
\[ \boxed{\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2Br2 -> BrCH2-C(Br)(CH3)-CHBr-CH2Br}}. \]
El producto es 1,2,3,4-tetrabromo-2-metilbutano, BrCC(Br)(C)C(Br)CBr, de fórmula \(\ce{C5H8Br4}\). Su contenido de bromo es
\[ w(\ce{Br}) =\frac{4(80)}{68+4(80)}\times100\% =82.47\% \simeq82.5\%. \]
Por tanto, el producto descrito corresponde a la adición completa de dos equivalentes de bromo.
2.4 — Fórmula de Z e insaturación de X
La composición de X corresponde a unidades repetitivas de \(\ce{C5H8}\), cada una con una masa molar de \(68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Así, 13.6 g contienen
\[ n(\text{unidades repetitivas}) =\frac{13.6\ \mathrm g}{68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.200\ \mathrm{mol}. \]
Esta cantidad absorbe 0.2 mol de hidrógeno. Como cada doble enlace carbono–carbono consume una molécula de hidrógeno,
\[ \boxed{\text{X contiene un enlace C=C por unidad }\ce{C5H8}\text{ repetitiva}}. \]
Para Z, el porcentaje de oxígeno es
\[ 100.0-60.0-8.0=32.0\%. \]
Su proporción atómica es
\[ \frac{60.0}{12}:\frac{8.0}{1}:\frac{32.0}{16} =5:8:2, \]
lo que da la fórmula empírica \(\ce{C5H8O2}\).
La ruptura de dobles enlaces sucesivos de la cadena principal produce fragmentos con dos extremos carbonílicos. Hay un doble enlace de este tipo por cada intervalo repetitivo de cinco carbonos, por lo que el fragmento contiene una unidad de fórmula empírica:
\[ \boxed{\mathbf Z=\ce{C5H8O2}},\qquad M(\mathbf Z)=100\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Estos cálculos del polímero desprecian los grupos terminales. La insaturación medida es una magnitud por unidad repetitiva; para determinar el DBE total de la cadena completa se necesitan la longitud de la cadena y las estructuras de los grupos terminales.
2.5 — Masa molar de C y grupos funcionales de Z
La ozonólisis reductora da grupos carbonilo. La reacción positiva de Fehling muestra que al menos uno de los dos grupos carbonilo de Z es un aldehído.
Sea \(q\) el número de grupos aldehído oxidados a grupos carboxilo. Cada oxidación añade un átomo de oxígeno sin cambiar el número de átomos de carbono ni de hidrógeno, por lo que
\[ M(\mathbf C)=100+16q. \]
La valoración da la masa equivalente del ácido:
\[ \frac{M(\mathbf C)}{q} =\frac{0.116\ \mathrm g}{0.001\ \mathrm{mol}} =116\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \]
por mol de grupos carboxilo neutralizados. Por tanto,
\[ 100+16q=116q, \qquad q=1. \]
En consecuencia, Z contiene un grupo aldehído y un grupo cetona, y
\[ \boxed{M(\mathbf C)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}, \qquad \mathbf C=\ce{C5H8O3}. \]
El yodoformo, o triyodometano, IC(I)I, tiene una masa molar de
\[ M(\ce{CHI3})=12+1+3(127)=394\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Las cantidades experimentales son
\[ n(\mathbf C) =\frac{2.90}{116} =0.0250\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{CHI3}) =\frac{9.85}{394} =0.0250\ \mathrm{mol}. \]
Así, cada molécula de C produce una molécula de yodoformo, lo que demuestra la presencia de un grupo metil cetona. La oxidación suave conserva este grupo cetona, por lo que Z contiene
\[ \boxed{\text{un }\ce{-CHO}\text{ y un }\ce{-C(=O)CH3}\text{ como grupos}}. \]
2.6 — Estructuras de C, D, E, F y Z
La reacción del haloformo convierte el grupo metil cetona de C en un grupo carboxilo y elimina su carbono metílico como yodoformo. Por tanto, tras la acidificación, D es un ácido dicarboxílico de cuatro carbonos.
La formación del éster dietílico F, \(\ce{C8H14O4}\), es coherente con
\[ \mathbf D=\ce{C4H6O4}, \]
porque la sustitución de los dos hidrógenos ácidos por grupos etilo añade \(\ce{C4H8}\) en total.
La pérdida de agua al calentar identifica a D como ácido succínico, O=C(O)CCC(=O)O:
\[ \mathbf D=\ce{HOOC-CH2-CH2-COOH}. \]
Sus dos grupos carboxilo forman un anhídrido cíclico estable de cinco miembros. En cambio, el otro diácido de cuatro carbonos, el ácido metilmalónico, CC(C(=O)O)C(=O)O, se descarboxila característicamente al calentarse.
Razonando en sentido inverso a partir del ácido succínico se obtiene:
\[ \boxed{\mathbf C=\ce{CH3-C(=O)-CH2-CH2-COOH}} \]
y
\[ \boxed{\mathbf Z=\ce{CH3-C(=O)-CH2-CH2-CHO}}. \]
Así, C es ácido levulínico, CC(=O)CCC(=O)O, y Z es 4-oxopentanal, CC(=O)CCC=O.
La reacción ajustada del haloformo en disolución alcalina es
\[ \ce{CH3COCH2CH2COOH + 3I2 + 5OH- -> C4H4O4^2- + CHI3 + 3I- + 4H2O}. \]
El producto \(\ce{C4H4O4^2-}\) es el ion succinato, O=C([O-])CCC(=O)[O-]. La acidificación da D:
\[ \ce{C4H4O4^2- + 2H+ -> HOOC-CH2-CH2-COOH}. \]
El calentamiento da anhídrido succínico E, O=C1CCC(=O)O1:
\[ \ce{C4H6O4 ->[\Delta] C4H4O3 + H2O}. \]
Para dibujar E, trace un anillo de cinco miembros que contenga, consecutivamente, un átomo de oxígeno, un carbono carbonílico, dos carbonos metilénicos y un segundo carbono carbonílico, cerrando el anillo de nuevo en el oxígeno.
Tanto D como E dan succinato de dietilo F, CCOC(=O)CCC(=O)OCC, con un exceso de etanol acidificado, CCO:
\[ \ce{C4H6O4 + 2C2H5OH <=>[H+] C8H14O4 + 2H2O}, \]
\[ \ce{C4H4O3 + 2C2H5OH <=>[H+] C8H14O4 + H2O}. \]
La estructura de F es
\[ \boxed{\ce{C2H5O-C(=O)-CH2-CH2-C(=O)-OC2H5}}. \]
2.7 — Dos estructuras estereorregulares de X
El producto de la ozonólisis
\[ \ce{OHC-CH2-CH2-C(=O)-CH3} \]
muestra que los dobles enlaces sucesivos de X están separados por dos grupos metileno. Uno de los carbonos del alqueno lleva un hidrógeno y el otro, un metilo. Por tanto, al volver a unir los extremos carbonílicos sucesivos se obtiene 1,4-poliisopreno:
\[ n\,\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2} \longrightarrow \left[\ce{-CH2-C(CH3)=CH-CH2-}\right]_n. \]
Sus dos formas estereorregulares son:
- cis-1,4-Poliisopreno, el polímero principal del caucho natural:
*C/C(C)=C\CC/C(C)=C\CC/C(C)=C\C*
En cada doble enlace, dibuje los dos sustituyentes metileno de la cadena principal en el mismo lado. Estos dobles enlaces tienen configuración \(Z\) en la cadena polimérica que continúa.
- trans-1,4-Poliisopreno, el polímero principal de la gutapercha:
*C/C(C)=C/CC/C(C)=C/CC/C(C)=C/C*
En cada doble enlace, dibuje los dos sustituyentes metileno de la cadena principal en lados opuestos. Estos dobles enlaces tienen configuración \(E\).
Cada SMILES contiene tres unidades repetitivas completas de cinco carbonos. Los asteriscos indican la continuación de la cadena; los SMILES especifican la configuración de los dobles enlaces, sin imponer una conformación tridimensional concreta de la cadena.
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 1991 · 理论题 2
烃类聚合物及其降解产物的结构
聚合物 X 含有 88.25 % 的 \(\ce{C}\) 和 11.75 % 的 \(\ce{H}\)。在稀溶液中,它能与溴和臭氧反应。X 热降解时生成挥发性液体 Y,产率为 58 %。Y 在 34 °C 开始沸腾,含有 88.25 % 的 \(\ce{C}\) 和 11.72 % 的 \(\ce{H}\)。X 的裂解以及 Y 的 Diels-Alder 型环化反应都会生成一些沸点较高的产物。Y 的蒸气密度是氢气的 34 倍。
Y 溴化后得到的化合物中,溴的质量分数为 82.5 %。Y 经臭氧分解后再温和还原,得到 A 和 B,摩尔比为 A : B = 2 : 1。只有化合物 B 的碘仿反应呈阳性。
2.1 确定 Y 的分子式和摩尔质量。
2.2 写出化合物 Y、A 和 B 的结构。
2.3 写出 Y 与溴反应的方程式。
13.6 g 的 X 催化加氢时吸收了 0.2 mol 氢气。X 经臭氧分解后再温和还原,得到化合物 Z(含 60.0 % 的 \(\ce{C}\) 和 8.0 % 的 \(\ce{H}\))。
2.4 写出 Z 的分子式以及 X 的不饱和度。
化合物 Z 与斐林试剂的反应呈阳性。Z 经温和氧化生成酸 C。用 \(\ce{KOH}\) 水溶液滴定酸 C 的溶液(以酚酞为指示剂)。中和 0.116 g 的 C 需要 0.001 mol \(\ce{KOH}\)。
在碘仿反应中,2.90 g 的 C 样品生成了 9.85 g 碘仿。此外,碱性滤液经酸化后得到化合物 D。
2.5 C 的摩尔质量是多少?Z 中含有哪些官能团?
加热时,D 失水生成 E。D 和 E 均能与过量的酸化乙醇反应生成 F(\(\ce{C8H14O4}\))。
2.6 画出 C、D、E、F 和 Z 的结构。
2.7 X 存在立构规整的异构体。画出 X 的两种可能的立体异构体的结构(至少含有 3 个单体单元)。
题目译自官方英文原文。
答案
-
2.1 Y: \(\boxed{\ce{C5H8}}\),其摩尔质量为 \(\boxed{M=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\)。
-
2.2 Y 是异戊二烯(2-甲基-1,3-丁二烯),
C=C(C)C=C。 A 是甲醛(蚁醛),C=O。 B 是2-氧代丙醛(甲基乙二醛),CC(=O)C=O。 -
2.3 \[ \ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2Br2 -> BrCH2-C(Br)(CH3)-CHBr-CH2Br} \] 产物是 1,2,3,4-四溴-2-甲基丁烷,
BrCC(Br)(C)C(Br)CBr;题给数据未确定其立体化学。 -
2.4 Z: \(\boxed{\ce{C5H8O2}}\)。X 含有 \(\boxed{\text{每个 }\ce{C5H8}\text{ 重复单元含一个 C=C 键}}\)。
-
2.5 \(\boxed{M(\mathbf C)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\)。Z 含有一个醛基和一个甲基酮基团。
-
2.6
| 化合物 | 名称 | SMILES |
|---|---|---|
| C | 4-氧代戊酸,又称乙酰丙酸 | CC(=O)CCC(=O)O |
| D | 丁二酸,又称琥珀酸 | O=C(O)CCC(=O)O |
| E | 琥珀酸酐 | O=C1CCC(=O)O1 |
| F | 丁二酸二乙酯,又称琥珀酸二乙酯 | CCOC(=O)CCC(=O)OCC |
| Z | 4-氧代戊醛 | CC(=O)CCC=O |
- 2.7 X 是 1,4-聚异戊二烯,其重复单元为 \[ \boxed{\left[\ce{-CH2-C(CH3)=CH-CH2-}\right]_n}. \] 两种立构规整形式的三重复单元片段为:
顺式-1,4-聚异戊二烯: *C/C(C)=C\CC/C(C)=C\CC/C(C)=C\C*
反式-1,4-聚异戊二烯: *C/C(C)=C/CC/C(C)=C/CC/C(C)=C/C*
这里的 * 表示聚合物链的延续。在顺式结构中,每个双键上的主链取代基均位于同侧;在反式结构中,它们则位于异侧。
解答
计算采用碳、氢、氧、溴和碘的常用取整相对原子质量,分别为 \(12,\ 1,\ 16,\ 80,\ 127\)。
2.1 — Y 的分子式和摩尔质量
在相同温度和压力下,气体密度与摩尔质量成正比。参照气体是分子态氢,即 \(\ce{H2}\),[H][H],因此
\[ M(\mathbf Y)=34M(\ce{H2}) =34(2)=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
由元素分析可得
\[ n(\ce C):n(\ce H) =\frac{88.25}{12}:\frac{11.72}{1} =7.354:11.72 \simeq5:8. \]
因此,实验式为 \(\ce{C5H8}\),其相对式量为
\[ 5(12)+8(1)=68. \]
所以它也是分子式:
\[ \boxed{\mathbf Y=\ce{C5H8},\qquad M(\mathbf Y)=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
题给百分含量之和为 99.97%;这一微小偏差不影响分子式的确定。
2.2 — Y、A 和 B 的鉴定
Y 的不饱和度为
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(5)+2-8}{2}=2. \]
设每摩尔 Y 加成的溴为 \(x\) 摩尔。由加成产物中溴的质量分数可得
\[ \frac{160x}{68+160x}=0.825, \]
因此 \(x\simeq2\)。结合其 Diels–Alder 反应特性和臭氧分解反应,可确定 Y 是一种二烯烃。
臭氧分解生成两个 A 分子和一个 B 分子,总共含有五个碳原子。由于碘仿反应呈阳性的羰基化合物至少需要含有两个碳原子,因此 A 必须含一个碳原子,而 B 含三个碳原子。
因此,含一个碳原子的羰基产物是甲醛,C=O:
\[ \mathbf A=\ce{HCHO}. \]
两个双键断裂共生成四个羰基氧原子。扣除两个甲醛分子后,剩余产物的分子式为 \(\ce{C3H4O2}\)。其碘仿反应呈阳性,表明存在甲基酮基团。因此,B 是 2-氧代丙醛,CC(=O)C=O:
\[ \mathbf B=\ce{CH3-C(=O)-CHO}. \]
将其每个羰基碳分别与一个末端亚甲基重新连接,即可重构出异戊二烯,C=C(C)C=C:
\[ \boxed{\mathbf Y=\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2}}. \]
选用锌作为温和还原剂,配平后的臭氧分解总反应方程式为
\[ \ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2O3 + 2Zn -> 2HCHO + CH3-C(=O)-CHO + 2ZnO}. \]
这恰好给出实验观察到的比例 \(\mathbf A:\mathbf B=2:1\)。
2.3 — Y 的溴化
过量的溴,BrBr,与两个双键均发生加成反应:
\[ \boxed{\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2Br2 -> BrCH2-C(Br)(CH3)-CHBr-CH2Br}}. \]
产物是 1,2,3,4-四溴-2-甲基丁烷,BrCC(Br)(C)C(Br)CBr,分子式为 \(\ce{C5H8Br4}\)。其溴含量为
\[ w(\ce{Br}) =\frac{4(80)}{68+4(80)}\times100\% =82.47\% \simeq82.5\%. \]
因此,题述产物对应于两个当量溴的完全加成。
2.4 — Z 的分子式和 X 的不饱和度
X 的组成对应于 \(\ce{C5H8}\) 重复单元,每个重复单元的摩尔质量为 \(68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。因此,13.6 g 中含有
\[ n(\text{重复单元}) =\frac{13.6\ \mathrm g}{68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.200\ \mathrm{mol}. \]
这些重复单元吸收 0.2 mol 氢气。由于每个碳碳双键消耗一个氢分子,
\[ \boxed{\text{X 的每个 }\ce{C5H8}\text{ 重复单元含有一个 C=C 键}}. \]
对于 Z,氧的百分含量为
\[ 100.0-60.0-8.0=32.0\%. \]
其原子数之比为
\[ \frac{60.0}{12}:\frac{8.0}{1}:\frac{32.0}{16} =5:8:2, \]
由此得到实验式 \(\ce{C5H8O2}\)。
相邻主链双键的断裂产生两端均为羰基的片段。每个五碳重复区间有一个这样的双键,因此该片段含有一个实验式单元:
\[ \boxed{\mathbf Z=\ce{C5H8O2}},\qquad M(\mathbf Z)=100\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
上述聚合物计算忽略端基。测得的不饱和度是以每个重复单元计的量;整条链的总不饱和度 DBE 则需要根据链长和端基结构确定。
2.5 — C 的摩尔质量和 Z 中的官能团
还原性臭氧分解生成羰基。斐林反应呈阳性,说明 Z 的两个羰基中至少有一个属于醛基。
设被氧化为羧基的醛基数目为 \(q\)。每次氧化增加一个氧原子,碳、氢原子数不变,因此
\[ M(\mathbf C)=100+16q. \]
滴定给出该酸的当量质量:
\[ \frac{M(\mathbf C)}{q} =\frac{0.116\ \mathrm g}{0.001\ \mathrm{mol}} =116\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \]
该数值以每摩尔被中和的羧基计。因此,
\[ 100+16q=116q, \qquad q=1. \]
所以 Z 含有一个醛基和一个酮基,并且
\[ \boxed{M(\mathbf C)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}, \qquad \mathbf C=\ce{C5H8O3}. \]
碘仿,又称三碘甲烷,IC(I)I,其摩尔质量为
\[ M(\ce{CHI3})=12+1+3(127)=394\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
实验中的物质的量为
\[ n(\mathbf C) =\frac{2.90}{116} =0.0250\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{CHI3}) =\frac{9.85}{394} =0.0250\ \mathrm{mol}. \]
因此,每个 C 分子生成一个碘仿分子,证实其中含有一个甲基酮基团。温和氧化保留了这一酮基,因此 Z 含有
\[ \boxed{\text{一个 }\ce{-CHO}\text{ 基团和一个 }\ce{-C(=O)CH3}\text{ 基团}}. \]
2.6 — C、D、E、F 和 Z 的结构
卤仿反应将 C 的甲基酮基团转化为羧基,同时使其中的甲基碳以碘仿的形式脱除。因此,酸化后得到的 D 是一种四碳二羧酸。
生成二乙酯 F(\(\ce{C8H14O4}\))与下式一致:
\[ \mathbf D=\ce{C4H6O4}, \]
因为用乙基取代两个酸性氢,净增加的组成为 \(\ce{C4H8}\)。
加热失水这一性质可确定 D 为琥珀酸,O=C(O)CCC(=O)O:
\[ \mathbf D=\ce{HOOC-CH2-CH2-COOH}. \]
它的两个羧基形成稳定的五元环状酸酐。另一种可能的四碳二羧酸是甲基丙二酸,CC(C(=O)O)C(=O)O,其特征是在加热时发生脱羧。
由琥珀酸逆推可得:
\[ \boxed{\mathbf C=\ce{CH3-C(=O)-CH2-CH2-COOH}} \]
以及
\[ \boxed{\mathbf Z=\ce{CH3-C(=O)-CH2-CH2-CHO}}. \]
因此,C 是乙酰丙酸,CC(=O)CCC(=O)O,而 Z 是 4-氧代戊醛,CC(=O)CCC=O。
碱性溶液中配平后的卤仿反应方程式为
\[ \ce{CH3COCH2CH2COOH + 3I2 + 5OH- -> C4H4O4^2- + CHI3 + 3I- + 4H2O}. \]
产物 \(\ce{C4H4O4^2-}\) 是琥珀酸根离子,O=C([O-])CCC(=O)[O-]。酸化得到 D:
\[ \ce{C4H4O4^2- + 2H+ -> HOOC-CH2-CH2-COOH}. \]
加热生成琥珀酸酐 E,O=C1CCC(=O)O1:
\[ \ce{C4H6O4 ->[\Delta] C4H4O3 + H2O}. \]
画 E 的结构时,画一个五元环,环上依次为一个氧原子、一个羰基碳、两个亚甲基碳和第二个羰基碳,最后连回环上的氧原子。
D 和 E 均与过量的酸化乙醇,CCO,反应生成琥珀酸二乙酯 F,CCOC(=O)CCC(=O)OCC:
\[ \ce{C4H6O4 + 2C2H5OH <=>[H+] C8H14O4 + 2H2O}, \]
\[ \ce{C4H4O3 + 2C2H5OH <=>[H+] C8H14O4 + H2O}. \]
F 的结构为
\[ \boxed{\ce{C2H5O-C(=O)-CH2-CH2-C(=O)-OC2H5}}. \]
2.7 — X 的两种立构规整结构
臭氧分解产物
\[ \ce{OHC-CH2-CH2-C(=O)-CH3} \]
表明 X 中相邻双键之间隔着两个亚甲基。一个烯键碳上连有氢,另一个烯键碳上连有甲基。因此,将相邻的羰基末端重新连接,便得到 1,4-聚异戊二烯:
\[ n\,\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2} \longrightarrow \left[\ce{-CH2-C(CH3)=CH-CH2-}\right]_n. \]
它的两种立构规整形式为:
- 顺式-1,4-聚异戊二烯,天然橡胶的主要聚合物成分:
*C/C(C)=C\CC/C(C)=C\CC/C(C)=C\C*
在每个双键处,将两个主链亚甲基取代基画在同侧。在延续的聚合物链中,这些双键均为 \(Z\) 构型。
- 反式-1,4-聚异戊二烯,古塔胶的主要聚合物成分:
*C/C(C)=C/CC/C(C)=C/CC/C(C)=C/C*
在每个双键处,将两个主链亚甲基取代基画在异侧。这些双键均为 \(E\) 构型。
每个 SMILES 均含有三个完整的五碳重复单元。星号表示链的延续;这些 SMILES 指定了双键构型,但不限定链的具体三维构象。
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 1991 · Теоретическая задача 2
Строение углеводородного полимера и продуктов его деструкции
Полимер X содержит 88.25 % \(\ce{C}\) и 11.75 % \(\ce{H}\). В разбавленных растворах он реагирует с бромом и озоном. При термической деструкции X образуется летучая жидкость Y с выходом 58 %. Y начинает кипеть при 34 °C и содержит 88.25 % \(\ce{C}\) и 11.72 % \(\ce{H}\). Некоторые более высококипящие продукты образуются как при крекинге X, так и при циклизации Y по типу реакции Дильса—Альдера. Плотность паров Y в 34 раза превышает плотность водорода.
При бромировании Y образуется соединение, содержащее 82.5 % брома по массе. Озонолиз Y с последующим мягким восстановлением дал A и B в молярном отношении A : B = 2 : 1. Только соединение B дало положительную йодоформную реакцию.
2.1 Определите молекулярную формулу и молярную массу Y.
2.2 Приведите структурные формулы соединений Y, A и B.
2.3 Напишите уравнение реакции Y с бромом.
При каталитическом гидрировании 13.6 г X было поглощено 0.2 моль водорода. Озонолиз X с последующим мягким восстановлением дал соединение Z (60.0 % \(\ce{C}\), 8.0 % \(\ce{H}\)).
2.4 Укажите молекулярную формулу Z и степень ненасыщенности X.
Соединение Z дало положительную реакцию с реактивом Фелинга. При мягком окислении Z образовалась кислота C. Раствор кислоты C титровали водным раствором \(\ce{KOH}\) (индикатор — фенолфталеин). Для нейтрализации 0.116 г C потребовалось 0.001 моль \(\ce{KOH}\).
В йодоформной реакции из навески 2.90 г C получили 9.85 г йодоформа. Кроме того, при подкислении щелочного фильтрата получили соединение D.
2.5 Какова молярная масса C и какие функциональные группы присутствуют в Z?
При нагревании D отщепляет воду с образованием E. Как D, так и E реагируют с избытком подкисленного этанола с образованием F (\(\ce{C8H14O4}\)).
2.6 Изобразите структурные формулы C, D, E, F и Z.
2.7 X существует в стереорегулярных изомерных формах. Приведите структурные формулы (содержащие не менее 3 мономерных звеньев) двух возможных стереоизомеров X.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
2.1 Y: \(\boxed{\ce{C5H8}}\), с \(\boxed{M=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\).
-
2.2 Y — изопрен (2-метилбута-1,3-диен),
C=C(C)C=C. A — метаналь (формальдегид),C=O. B — 2-оксопропаналь (метилглиоксаль),CC(=O)C=O. -
2.3 \[ \ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2Br2 -> BrCH2-C(Br)(CH3)-CHBr-CH2Br} \] Продукт — 1,2,3,4-тетрабром-2-метилбутан,
BrCC(Br)(C)C(Br)CBr; его стереохимия не определяется приведёнными данными. -
2.4 Z: \(\boxed{\ce{C5H8O2}}\). X содержит \(\boxed{\text{одну связь C=C на }\ce{C5H8}\text{ звено}}\).
-
2.5 \(\boxed{M(\mathbf C)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\). Z содержит одну альдегидную группу и одну метилкетонную группу.
-
2.6
| Соединение | Название | SMILES |
|---|---|---|
| C | 4-Оксопентановая кислота, или левулиновая кислота | CC(=O)CCC(=O)O |
| D | Бутандиовая кислота, или янтарная кислота | O=C(O)CCC(=O)O |
| E | Янтарный ангидрид | O=C1CCC(=O)O1 |
| F | Диэтилбутандиоат, или диэтилсукцинат | CCOC(=O)CCC(=O)OCC |
| Z | 4-Оксопентаналь | CC(=O)CCC=O |
- 2.7 X — 1,4-полиизопрен, с повторяющимся звеном \[ \boxed{\left[\ce{-CH2-C(CH3)=CH-CH2-}\right]_n}. \] Фрагменты двух стереорегулярных форм, содержащие по три повторяющихся звена:
цис-1,4-Полиизопрен: *C/C(C)=C\CC/C(C)=C\CC/C(C)=C\C*
транс-1,4-Полиизопрен: *C/C(C)=C/CC/C(C)=C/CC/C(C)=C/C*
Здесь * обозначает продолжение полимерной цепи. Заместители, образующие основную цепь, находятся по одну сторону от каждой двойной связи в цис-форме и по разные стороны в транс-форме.
Решение
В расчётах используются общепринятые округлённые атомные массы \(12,\ 1,\ 16,\ 80,\ 127\) для углерода, водорода, кислорода, брома и йода соответственно.
2.1 — Молекулярная формула и молярная масса Y
При одинаковых температуре и давлении плотности газов пропорциональны их молярным массам. Газом сравнения служит молекулярный водород, \(\ce{H2}\), [H][H], поэтому
\[ M(\mathbf Y)=34M(\ce{H2}) =34(2)=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Элементный анализ даёт
\[ n(\ce C):n(\ce H) =\frac{88.25}{12}:\frac{11.72}{1} =7.354:11.72 \simeq5:8. \]
Таким образом, простейшая формула — \(\ce{C5H8}\), её формульная масса равна
\[ 5(12)+8(1)=68. \]
Следовательно, она является и молекулярной формулой:
\[ \boxed{\mathbf Y=\ce{C5H8},\qquad M(\mathbf Y)=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
Сумма приведённых процентных содержаний составляет 99.97%; это небольшое расхождение не влияет на формулу.
2.2 — Установление строения Y, A и B
Степень ненасыщенности Y равна
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(5)+2-8}{2}=2. \]
Пусть \(x\) — число молей брома, присоединяющихся к одному молю Y. Из массовой доли брома в продукте присоединения получаем
\[ \frac{160x}{68+160x}=0.825, \]
откуда \(x\simeq2\). Вместе со способностью вступать в реакцию Дильса—Альдера и результатами озонолиза это позволяет установить, что Y является диеном.
При озонолизе образуются две молекулы A и одна молекула B, содержащие в общей сложности пять атомов углерода. Поскольку карбонильное соединение, дающее положительную йодоформную реакцию, должно содержать не менее двух атомов углерода, A должно содержать один атом углерода, а B — три.
Следовательно, одноуглеродный карбонильный продукт — метаналь, C=O:
\[ \mathbf A=\ce{HCHO}. \]
При расщеплении двух двойных связей образуются в общей сложности четыре карбонильных атома кислорода. После учёта двух молекул метаналя оставшийся продукт имеет формулу \(\ce{C3H4O2}\). Положительная йодоформная реакция этого продукта указывает на наличие метилкетонной группы. Следовательно, B — 2-оксопропаналь, CC(=O)C=O:
\[ \mathbf B=\ce{CH3-C(=O)-CHO}. \]
Воссоединяя каждый из его карбонильных атомов углерода с концевой метиленовой группой, восстанавливаем структуру изопрена, C=C(C)C=C:
\[ \boxed{\mathbf Y=\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2}}. \]
Суммарное уравнение озонолиза с расставленными коэффициентами, если в качестве мягкого восстановителя выбран цинк:
\[ \ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2O3 + 2Zn -> 2HCHO + CH3-C(=O)-CHO + 2ZnO}. \]
Оно даёт в точности наблюдаемое отношение \(\mathbf A:\mathbf B=2:1\).
2.3 — Бромирование Y
Избыток брома, BrBr, присоединяется по обеим двойным связям:
\[ \boxed{\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2Br2 -> BrCH2-C(Br)(CH3)-CHBr-CH2Br}}. \]
Продукт — 1,2,3,4-тетрабром-2-метилбутан, BrCC(Br)(C)C(Br)CBr, с формулой \(\ce{C5H8Br4}\). Содержание брома в нём составляет
\[ w(\ce{Br}) =\frac{4(80)}{68+4(80)}\times100\% =82.47\% \simeq82.5\%. \]
Таким образом, указанный продукт соответствует полному присоединению двух эквивалентов брома.
2.4 — Формула Z и ненасыщенность X
Состав X соответствует повторяющимся звеньям \(\ce{C5H8}\), каждое из которых имеет молярную массу \(68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Таким образом, 13.6 г содержит
\[ n(\text{повторяющихся звеньев}) =\frac{13.6\ \mathrm g}{68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.200\ \mathrm{mol}. \]
Это количество поглощает 0.2 моль водорода. Поскольку на каждую двойную связь углерод–углерод расходуется одна молекула водорода,
\[ \boxed{\text{X содержит одну связь C=C на }\ce{C5H8}\text{ звено}}. \]
Для Z процентное содержание кислорода составляет
\[ 100.0-60.0-8.0=32.0\%. \]
Отношение числа атомов элементов в нём равно
\[ \frac{60.0}{12}:\frac{8.0}{1}:\frac{32.0}{16} =5:8:2, \]
что даёт простейшую формулу \(\ce{C5H8O2}\).
При расщеплении последовательных двойных связей основной цепи образуются фрагменты с двумя карбонильными концами. На каждый повторяющийся участок из пяти атомов углерода приходится одна такая двойная связь, поэтому фрагмент содержит одну единицу простейшей формулы:
\[ \boxed{\mathbf Z=\ce{C5H8O2}},\qquad M(\mathbf Z)=100\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
В этих расчётах для полимера концевыми группами пренебрегают. Измеренная ненасыщенность относится к одному повторяющемуся звену; для определения общей степени ненасыщенности DBE всей цепи необходимы длина цепи и строение концевых групп.
2.5 — Молярная масса C и функциональные группы в Z
Озонолиз с восстановительной обработкой приводит к образованию карбонильных групп. Положительная реакция Фелинга показывает, что по меньшей мере одна из двух карбонильных групп в Z является альдегидной.
Пусть \(q\) — число альдегидных групп, окисленных до карбоксильных. При каждом таком окислении добавляется один атом кислорода без изменения числа атомов углерода или водорода, поэтому
\[ M(\mathbf C)=100+16q. \]
Титрование даёт молярную массу эквивалента кислоты:
\[ \frac{M(\mathbf C)}{q} =\frac{0.116\ \mathrm g}{0.001\ \mathrm{mol}} =116\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \]
в расчёте на один моль нейтрализованных карбоксильных групп. Следовательно,
\[ 100+16q=116q, \qquad q=1. \]
Таким образом, Z содержит одну альдегидную группу и одну кетонную группу, и
\[ \boxed{M(\mathbf C)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}, \qquad \mathbf C=\ce{C5H8O3}. \]
Йодоформ, или трийодметан, IC(I)I, имеет молярную массу
\[ M(\ce{CHI3})=12+1+3(127)=394\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Экспериментальные количества вещества составляют
\[ n(\mathbf C) =\frac{2.90}{116} =0.0250\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{CHI3}) =\frac{9.85}{394} =0.0250\ \mathrm{mol}. \]
Таким образом, каждая молекула C даёт одну молекулу йодоформа, что устанавливает наличие одной метилкетонной группы. При мягком окислении эта кетонная группа сохраняется, поэтому Z содержит
\[ \boxed{\text{одну }\ce{-CHO}\text{ группу и одну }\ce{-C(=O)CH3}\text{ группу}}. \]
2.6 — Строение C, D, E, F и Z
Галоформная реакция превращает метилкетонную группу C в карбоксильную группу, при этом её метильный атом углерода удаляется в составе йодоформа. Следовательно, после подкисления D представляет собой четырёхуглеродную дикарбоновую кислоту.
Образование диэтилового эфира F, \(\ce{C8H14O4}\), согласуется с формулой
\[ \mathbf D=\ce{C4H6O4}, \]
поскольку замена двух кислотных атомов водорода этильными группами в сумме добавляет \(\ce{C4H8}\).
Отщепление воды при нагревании позволяет установить, что D — янтарная кислота, O=C(O)CCC(=O)O:
\[ \mathbf D=\ce{HOOC-CH2-CH2-COOH}. \]
Её две карбоксильные группы образуют устойчивый пятичленный циклический ангидрид. Для другой четырёхуглеродной дикарбоновой кислоты, метилмалоновой кислоты, CC(C(=O)O)C(=O)O, при нагревании характерно декарбоксилирование.
Восстанавливая исходные структуры по строению янтарной кислоты, получаем:
\[ \boxed{\mathbf C=\ce{CH3-C(=O)-CH2-CH2-COOH}} \]
и
\[ \boxed{\mathbf Z=\ce{CH3-C(=O)-CH2-CH2-CHO}}. \]
Таким образом, C — левулиновая кислота, CC(=O)CCC(=O)O, а Z — 4-оксопентаналь, CC(=O)CCC=O.
Уравнение галоформной реакции в щелочном растворе с расставленными коэффициентами:
\[ \ce{CH3COCH2CH2COOH + 3I2 + 5OH- -> C4H4O4^2- + CHI3 + 3I- + 4H2O}. \]
Продукт \(\ce{C4H4O4^2-}\) — сукцинат-ион, O=C([O-])CCC(=O)[O-]. Подкисление даёт D:
\[ \ce{C4H4O4^2- + 2H+ -> HOOC-CH2-CH2-COOH}. \]
При нагревании образуется янтарный ангидрид E, O=C1CCC(=O)O1:
\[ \ce{C4H6O4 ->[\Delta] C4H4O3 + H2O}. \]
Чтобы изобразить E, нарисуйте пятичленное кольцо, последовательно содержащее один атом кислорода, карбонильный атом углерода, два метиленовых атома углерода и второй карбонильный атом углерода, который замыкает кольцо, соединяясь с атомом кислорода.
Как D, так и E при взаимодействии с избытком подкисленного этанола, CCO, дают диэтилсукцинат F, CCOC(=O)CCC(=O)OCC:
\[ \ce{C4H6O4 + 2C2H5OH <=>[H+] C8H14O4 + 2H2O}, \]
\[ \ce{C4H4O3 + 2C2H5OH <=>[H+] C8H14O4 + H2O}. \]
Структура F:
\[ \boxed{\ce{C2H5O-C(=O)-CH2-CH2-C(=O)-OC2H5}}. \]
2.7 — Две стереорегулярные структуры X
Продукт озонолиза
\[ \ce{OHC-CH2-CH2-C(=O)-CH3} \]
показывает, что последовательные двойные связи в X разделены двумя метиленовыми группами. Один атом углерода двойной связи несёт водород, а другой — метильную группу. Воссоединение последовательных карбонильных концов, таким образом, даёт 1,4-полиизопрен:
\[ n\,\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2} \longrightarrow \left[\ce{-CH2-C(CH3)=CH-CH2-}\right]_n. \]
Его две стереорегулярные формы:
- цис-1,4-Полиизопрен, основной полимер натурального каучука:
*C/C(C)=C\CC/C(C)=C\CC/C(C)=C\C*
У каждой двойной связи изобразите два метиленовых заместителя основной цепи по одну сторону. Эти двойные связи имеют \(Z\)-конфигурацию в продолжающейся полимерной цепи.
- транс-1,4-Полиизопрен, основной полимер гуттаперчи:
*C/C(C)=C/CC/C(C)=C/CC/C(C)=C/C*
У каждой двойной связи изобразите два метиленовых заместителя основной цепи по разные стороны. Эти двойные связи имеют \(E\)-конфигурацию.
Каждая запись SMILES содержит три полных пятиуглеродных повторяющихся звена. Звёздочки обозначают продолжение цепи; записи SMILES задают конфигурацию двойных связей, не фиксируя определённую пространственную конформацию цепи.
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IChO 1991 · مسألة نظرية 2
بنية بوليمر هيدروكربوني ونواتج تحلله
يحتوي بوليمر X على 88.25 % من \(\ce{C}\) و11.75 % من \(\ce{H}\). ويتفاعل في المحاليل المخففة مع البروم والأوزون. ينتج عن التحلل الحراري لـ X سائل متطاير Y بمردود قدره 58 %. يبدأ Y بالغليان عند 34 °C، ويحتوي على 88.25 % من \(\ce{C}\) و11.72 % من \(\ce{H}\). وتتكوّن بعض النواتج ذات درجات الغليان الأعلى من تكسير X ومن تفاعل التحلّق من نوع ديلز–ألدر لـ Y على حد سواء. كانت كثافة بخار Y تساوي 34 ضعف كثافة الهيدروجين.
ينتج عن برمنة Y مركّب يحتوي على 82.5 % من البروم كتليًا. وأعطى التحلل بالأوزون لـ Y، متبوعًا باختزال لطيف، A وB بنسبة مولية A : B = 2 : 1. ولم يعطِ نتيجة موجبة لتفاعل اليودوفورم سوى المركّب B.
2.1 حدّد الصيغة الجزيئية والكتلة المولية لـ Y.
2.2 بيّن بُنى المركّبات Y وA وB.
2.3 اكتب معادلة تفاعل Y مع البروم.
في الهدرجة الحفزية لـ 13.6 g من X، امتُصّ 0.2 مول من الهيدروجين. وأعطى التحلل بالأوزون لـ X، متبوعًا باختزال لطيف، المركّب Z (60.0 % من \(\ce{C}\)، و8.0 % من \(\ce{H}\)).
2.4 أعطِ الصيغة الجزيئية لـ Z ودرجة عدم الإشباع في X.
أعطى المركّب Z تفاعلًا موجبًا مع محلول فهلنغ. وأعطت الأكسدة اللطيفة لـ Z حمضًا C. عُويِر محلول الحمض C بمحلول مائي من \(\ce{KOH}\) (باستخدام الفينولفثالين دليلًا). ولزم 0.001 mol من \(\ce{KOH}\) لمعادلة 0.116 g من C.
في تفاعل اليودوفورم، أعطت عيّنة كتلتها 2.90 g من C مقدارًا قدره 9.85 g من اليودوفورم. وبالإضافة إلى ذلك، أعطت الرشاحة القلوية المركّب D عند تحميضها.
2.5 ما الكتلة المولية لـ C، وما المجموعات الوظيفية الموجودة في Z؟
عند تسخين D، يفقد الماء ليكوّن E. ويتفاعل كلٌّ من D وE مع فائض من الإيثانول المحمّض ليعطي F (\(\ce{C8H14O4}\)).
2.6 ارسم بُنى C وD وE وF وZ.
2.7 يوجد X في أشكال متماكبة منتظمة فراغيًا. بيّن البنية (بحيث تحتوي على 3 وحدات مونومر على الأقل) لمتماكبين فراغيين محتملين لـ X.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
2.1 Y: \(\boxed{\ce{C5H8}}\)، وتبلغ كتلته المولية \(\boxed{M=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\).
-
2.2 Y هو الإيزوبرين (2-ميثيل بوتا-1،3-ديين)،
C=C(C)C=C. A هو الميثانال (الفورمالدهيد)،C=O. B هو 2-أوكسوبروبانال (ميثيل غليوكسال)،CC(=O)C=O. -
2.3 \[ \ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2Br2 -> BrCH2-C(Br)(CH3)-CHBr-CH2Br} \] الناتج هو 1،2،3،4-رباعي برومو-2-ميثيل بوتان،
BrCC(Br)(C)C(Br)CBr؛ ولا تحدّد المعطيات بنيته الفراغية. -
2.4 Z: \(\boxed{\ce{C5H8O2}}\). يحتوي X على \(\boxed{\text{رابطة C=C واحدة لكل وحدة تكرار }\ce{C5H8}\text{ واحدة}}\).
-
2.5 \(\boxed{M(\mathbf C)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\). يحتوي Z على مجموعة ألدهيد واحدة ومجموعة ميثيل كيتون واحدة.
-
2.6
| المركّب | الاسم | SMILES |
|---|---|---|
| C | حمض 4-أوكسوبنتانويك، أو حمض الليفولينيك | CC(=O)CCC(=O)O |
| D | حمض البوتانيديويك، أو حمض السكسينيك | O=C(O)CCC(=O)O |
| E | أنهيدريد السكسينيك | O=C1CCC(=O)O1 |
| F | بوتانيديوات ثنائي الإيثيل، أو سكسينات ثنائي الإيثيل | CCOC(=O)CCC(=O)OCC |
| Z | 4-أوكسوبنتانال | CC(=O)CCC=O |
- 2.7 X هو 1،4-بولي إيزوبرين، ووحدة تكراره هي \[ \boxed{\left[\ce{-CH2-C(CH3)=CH-CH2-}\right]_n}. \] فيما يلي مقطعان من الشكلين المنتظمين فراغيًا، يحتوي كلٌّ منهما على ثلاث وحدات تكرار:
سيس-1،4-بولي إيزوبرين: *C/C(C)=C\CC/C(C)=C\CC/C(C)=C\C*
ترانس-1،4-بولي إيزوبرين: *C/C(C)=C/CC/C(C)=C/CC/C(C)=C/C*
يرمز * هنا إلى استمرار سلسلة البوليمر. وتقع مستبدلات السلسلة الرئيسية على الجانب نفسه من كل رابطة مزدوجة في الشكل سيس، وعلى جانبين متقابلين في الشكل ترانس.
الحل
تُستخدم في الحسابات الكتل الذرية التقريبية المعتادة \(12,\ 1,\ 16,\ 80,\ 127\) للكربون والهيدروجين والأكسجين والبروم واليود، على الترتيب.
2.1 — الصيغة الجزيئية والكتلة المولية لـ Y
عند تساوي درجة الحرارة والضغط، تتناسب كثافات الغازات طرديًا مع كتلها المولية. والمرجع هو الهيدروجين الجزيئي، \(\ce{H2}\)، [H][H]، ومن ثم
\[ M(\mathbf Y)=34M(\ce{H2}) =34(2)=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
يعطي التحليل العنصري
\[ n(\ce C):n(\ce H) =\frac{88.25}{12}:\frac{11.72}{1} =7.354:11.72 \simeq5:8. \]
إذن الصيغة الأولية هي \(\ce{C5H8}\)، وكتلة صيغتها هي
\[ 5(12)+8(1)=68. \]
ولذلك فهي أيضًا الصيغة الجزيئية:
\[ \boxed{\mathbf Y=\ce{C5H8},\qquad M(\mathbf Y)=68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
مجموع النسب المئوية المذكورة هو 99.97%؛ ولا يؤثر هذا الاختلاف الطفيف في الصيغة.
2.2 — تعيين هوية Y وA وB
درجة عدم الإشباع في Y هي
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(5)+2-8}{2}=2. \]
ليكن \(x\) عدد مولات البروم المضافة لكل مول من Y. يعطي الكسر الكتلي للبروم في ناتج الإضافة
\[ \frac{160x}{68+160x}=0.825, \]
ومن ثم \(x\simeq2\). وبالاقتران مع سلوكه في تفاعل ديلز–ألدر والتحلل بالأوزون، يبيّن ذلك أن Y ديين.
ينتج التحلل بالأوزون جزيئين من A وجزيئًا واحدًا من B، تحتوي مجتمعةً على خمس ذرات كربون. ولأن المركّب الكربونيلي الذي يعطي نتيجة موجبة لاختبار اليودوفورم يحتاج إلى ذرتي كربون على الأقل، فلا بد أن يحتوي A على ذرة كربون واحدة وB على ثلاث ذرات كربون.
إذن الناتج الكربونيلي ذو ذرة الكربون الواحدة هو الميثانال، C=O:
\[ \mathbf A=\ce{HCHO}. \]
يؤدي شطر رابطتين مزدوجتين إلى تكوّن أربع ذرات أكسجين كربونيلية إجمالًا. وبعد احتساب جزيئي الميثانال، تكون صيغة الناتج المتبقي \(\ce{C3H4O2}\). ويكشف تفاعله الموجب مع اليودوفورم عن وجود مجموعة ميثيل كيتون. وبناءً على ذلك، فإن B هو 2-أوكسوبروبانال، CC(=O)C=O:
\[ \mathbf B=\ce{CH3-C(=O)-CHO}. \]
تؤدي إعادة وصل كل ذرة من ذرتي الكربون الكربونيليتين فيه بمجموعة ميثيلين طرفية إلى إعادة بناء الإيزوبرين، C=C(C)C=C:
\[ \boxed{\mathbf Y=\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2}}. \]
تكون المعادلة الإجمالية الموزونة للتحلل بالأوزون، باختيار الزنك عاملًا مختزلًا لطيفًا، كما يلي:
\[ \ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2O3 + 2Zn -> 2HCHO + CH3-C(=O)-CHO + 2ZnO}. \]
وهذا يعطي بالضبط النسبة المرصودة \(\mathbf A:\mathbf B=2:1\).
2.3 — برمنة Y
يُضاف فائض البروم، BrBr، إلى كلتا الرابطتين المزدوجتين:
\[ \boxed{\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2Br2 -> BrCH2-C(Br)(CH3)-CHBr-CH2Br}}. \]
الناتج هو 1،2،3،4-رباعي برومو-2-ميثيل بوتان، BrCC(Br)(C)C(Br)CBr، وصيغته \(\ce{C5H8Br4}\). وتبلغ نسبة البروم فيه
\[ w(\ce{Br}) =\frac{4(80)}{68+4(80)}\times100\% =82.47\% \simeq82.5\%. \]
إذن يتوافق الناتج المذكور مع الإضافة الكاملة لمكافئين من البروم.
2.4 — صيغة Z وعدم الإشباع في X
يتوافق تركيب X مع وحدات تكرار صيغتها \(\ce{C5H8}\)، وكتلة كلٍّ منها المولية \(68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). ومن ثم تحتوي 13.6 g على
\[ n(\text{وحدات التكرار}) =\frac{13.6\ \mathrm g}{68\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.200\ \mathrm{mol}. \]
تمتص هذه الكمية 0.2 mol من الهيدروجين. وبما أن كل رابطة مزدوجة بين ذرتي كربون تستهلك جزيئًا واحدًا من الهيدروجين، فإن
\[ \boxed{\text{يحتوي X على رابطة C=C واحدة لكل وحدة تكرار }\ce{C5H8}\text{ واحدة}}. \]
بالنسبة إلى Z، تبلغ النسبة المئوية للأكسجين
\[ 100.0-60.0-8.0=32.0\%. \]
ونسبته الذرية هي
\[ \frac{60.0}{12}:\frac{8.0}{1}:\frac{32.0}{16} =5:8:2, \]
فتكون صيغته الأولية \(\ce{C5H8O2}\).
ينتج عن شطر الروابط المزدوجة المتتالية في السلسلة الرئيسية شظايا ذات نهايتين كربونيليتين. وتوجد رابطة مزدوجة واحدة من هذا النوع في كل مقطع تكرار ذي خمس ذرات كربون، ولذلك تحتوي الشظية على وحدة واحدة من الصيغة الأولية:
\[ \boxed{\mathbf Z=\ce{C5H8O2}},\qquad M(\mathbf Z)=100\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
تُهمَل المجموعات الطرفية في هذه الحسابات الخاصة بالبوليمر. وعدم الإشباع المقاس هو مقدار لكل وحدة تكرار؛ أما درجة عدم الإشباع الكلية للسلسلة بأكملها فتتطلب معرفة طول السلسلة وبُنى مجموعاتها الطرفية.
2.5 — الكتلة المولية لـ C والمجموعات الوظيفية في Z
يعطي التحلل الاختزالي بالأوزون مجموعات كربونيل. ويبيّن تفاعل فهلنغ الموجب أن واحدة على الأقل من مجموعتي الكربونيل في Z هي مجموعة ألدهيد.
ليكن \(q\) عدد مجموعات الألدهيد التي تتأكسد إلى مجموعات كربوكسيل. تضيف كل عملية أكسدة ذرة أكسجين واحدة دون تغيير عدد ذرات الكربون أو الهيدروجين، ولذلك
\[ M(\mathbf C)=100+16q. \]
تعطي المعايرة الكتلة المكافئة للحمض:
\[ \frac{M(\mathbf C)}{q} =\frac{0.116\ \mathrm g}{0.001\ \mathrm{mol}} =116\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \]
لكل مول من مجموعات الكربوكسيل التي جرت معادلتها. لذلك،
\[ 100+16q=116q, \qquad q=1. \]
ومن ثم يحتوي Z على مجموعة ألدهيد واحدة ومجموعة كيتون واحدة، وتكون
\[ \boxed{M(\mathbf C)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}, \qquad \mathbf C=\ce{C5H8O3}. \]
تبلغ الكتلة المولية لليودوفورم، أو ثلاثي يودوميثان، IC(I)I،
\[ M(\ce{CHI3})=12+1+3(127)=394\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
الكميات التجريبية هي
\[ n(\mathbf C) =\frac{2.90}{116} =0.0250\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{CHI3}) =\frac{9.85}{394} =0.0250\ \mathrm{mol}. \]
إذن ينتج كل جزيء من C جزيئًا واحدًا من اليودوفورم، مما يثبت وجود مجموعة ميثيل كيتون واحدة. وتحافظ الأكسدة اللطيفة على مجموعة الكيتون هذه، ولذلك يحتوي Z على
\[ \boxed{\text{مجموعة }\ce{-CHO}\text{ واحدة ومجموعة }\ce{-C(=O)CH3}\text{ واحدة}}. \]
2.6 — بُنى C وD وE وF وZ
يحوّل تفاعل الهالوفورم مجموعة ميثيل الكيتون في C إلى مجموعة كربوكسيل، مع إزالة ذرة كربون الميثيل على هيئة يودوفورم. ولذلك يكون D، بعد التحميض، حمضًا ثنائي الكربوكسيل ذا أربع ذرات كربون.
يتوافق تكوّن إستر ثنائي الإيثيل F، \(\ce{C8H14O4}\)، مع
\[ \mathbf D=\ce{C4H6O4}, \]
لأن استبدال ذرتي الهيدروجين الحمضيتين بمجموعتي إيثيل يضيف \(\ce{C4H8}\) إجمالًا.
يحدّد فقدان الماء عند التسخين هوية D بأنه حمض السكسينيك، O=C(O)CCC(=O)O:
\[ \mathbf D=\ce{HOOC-CH2-CH2-COOH}. \]
تكوّن مجموعتا الكربوكسيل فيه أنهيدريدًا حلقيًا مستقرًا خماسي الأعضاء. أما الحمض ثنائي الكربوكسيل البديل ذو أربع ذرات كربون، حمض ميثيل مالونيك، CC(C(=O)O)C(=O)O، فيتميّز بخضوعه لنزع الكربوكسيل عند التسخين بدلًا من ذلك.
بالاستدلال عكسيًا انطلاقًا من حمض السكسينيك، نحصل على:
\[ \boxed{\mathbf C=\ce{CH3-C(=O)-CH2-CH2-COOH}} \]
و
\[ \boxed{\mathbf Z=\ce{CH3-C(=O)-CH2-CH2-CHO}}. \]
إذن C هو حمض الليفولينيك، CC(=O)CCC(=O)O، وZ هو 4-أوكسوبنتانال، CC(=O)CCC=O.
المعادلة الموزونة لتفاعل الهالوفورم في المحلول القلوي هي
\[ \ce{CH3COCH2CH2COOH + 3I2 + 5OH- -> C4H4O4^2- + CHI3 + 3I- + 4H2O}. \]
الناتج \(\ce{C4H4O4^2-}\) هو أيون السكسينات، O=C([O-])CCC(=O)[O-]. ويعطي التحميض D:
\[ \ce{C4H4O4^2- + 2H+ -> HOOC-CH2-CH2-COOH}. \]
يعطي التسخين أنهيدريد السكسينيك E، O=C1CCC(=O)O1:
\[ \ce{C4H6O4 ->[\Delta] C4H4O3 + H2O}. \]
لرسم E، ارسم حلقة خماسية الأعضاء تحتوي، بالتتابع، على ذرة أكسجين واحدة، وذرة كربون كربونيلية، وذرتي كربون ميثيلينيتين، وذرة كربون كربونيلية ثانية، ثم أغلِق الحلقة بالعودة إلى ذرة أكسجين الحلقة.
يعطي كلٌّ من D وE سكسينات ثنائي الإيثيل F، CCOC(=O)CCC(=O)OCC، مع فائض من الإيثانول المحمّض، CCO:
\[ \ce{C4H6O4 + 2C2H5OH <=>[H+] C8H14O4 + 2H2O}, \]
\[ \ce{C4H4O3 + 2C2H5OH <=>[H+] C8H14O4 + H2O}. \]
بنية F هي
\[ \boxed{\ce{C2H5O-C(=O)-CH2-CH2-C(=O)-OC2H5}}. \]
2.7 — بنيتان منتظمتان فراغيًا لـ X
يبيّن ناتج التحلل بالأوزون
\[ \ce{OHC-CH2-CH2-C(=O)-CH3} \]
أن الروابط المزدوجة المتتالية في X تفصل بينها مجموعتا ميثيلين. وتحمل إحدى ذرتي كربون الألكين هيدروجينًا، وتحمل الأخرى مجموعة ميثيل. ولذلك فإن إعادة وصل النهايات الكربونيلية المتتالية تعطي 1،4-بولي إيزوبرين:
\[ n\,\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2} \longrightarrow \left[\ce{-CH2-C(CH3)=CH-CH2-}\right]_n. \]
شكلاه المنتظمان فراغيًا هما:
- سيس-1،4-بولي إيزوبرين، البوليمر الرئيسي في المطاط الطبيعي:
*C/C(C)=C\CC/C(C)=C\CC/C(C)=C\C*
عند كل رابطة مزدوجة، ارسم مستبدلَي الميثيلين التابعين للسلسلة الرئيسية على الجانب نفسه. ولهذه الروابط المزدوجة التشكيل \(Z\) في سلسلة البوليمر المستمرة.
- ترانس-1،4-بولي إيزوبرين، البوليمر الرئيسي في الغوتا-بركا:
*C/C(C)=C/CC/C(C)=C/CC/C(C)=C/C*
عند كل رابطة مزدوجة، ارسم مستبدلَي الميثيلين التابعين للسلسلة الرئيسية على جانبين متقابلين. ولهذه الروابط المزدوجة التشكيل \(E\).
يحتوي كل تمثيل SMILES على ثلاث وحدات تكرار كاملة، في كلٍّ منها خمس ذرات كربون. وتشير النجوم إلى استمرار السلسلة؛ وتحدّد تمثيلات SMILES تشكيل الروابط المزدوجة، دون أن تفرض هيئة ثلاثية الأبعاد معيّنة للسلسلة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.