IChO 1991 · Theory problem 5
Halogen derivatives of hydrocarbons
After passing 0.25 mol of hydrocarbon A over heated pumice (950 K) in an iron pipe, compound B in yield of 80 % (i. e. 15.4 g) and 2.4 dm\(^3\) of hydrogen, (295 K, 102 kPa) were obtained.
B and hydrogen are the only products. A mixture of halogen derivatives C, D, E, F and G is produced from B by reaction with a halogen in presence of a Lewis acid. Compounds C to G contain each one halogen atom more then the preceding compound. For the compounds C to F only one of the possible isomers is formed. In compound G there is no such preference and its three isomers G₁, G₂ and G₃ are found in the mixture. Compounds C to F racemize easily so that no optical isomerism occurs. However racemization is difficult for G₁, G₂, and especially for G₃. In the mass spectrum of E only three isotopic peaks were observed. Their relative intensities are 1: 1: 0.3.
Information:
- \(k_{\mathrm{ortho}}>k_{\mathrm{para}}\) in compound B.
- The effect of the first halogen in the ring: \(k_{\mathrm{para}}>k_{\mathrm{ortho}}\).
- Compounds D and F in one of their conformations have a center of symmetry.
- The contribution of carbon and hydrogen isotopes in the mass spectrum of E are negligible.
- Natural abundance of halogen isotopes:
\(\ce{^{19}F}=100\ \%\);
\(\ce{^{35}Cl}=75.53\ \%\); \(\ce{^{37}Cl}=24.47\ \%\);
\(\ce{^{79}Br}=50.54\ \%\); \(\ce{^{81}Br}=49.46\ \%\);
\(\ce{^{127}I}=100\ \%\).
5.1 Give the structures of A, B, C, D, E, F, G₁, G₂ and G₃.
5.2 Explain your choice for the halogen.
5.3 Draw and label stereo-formulas of the rotational isomers of D for \(\Phi=0,\pi/2,\pi,\) and \(3\pi/2\), where \(\Phi\) denotes the dihedral or torsional angle in radians and \(\vartheta=0\) describes the configuration with maximal energy.
5.4 Draw profiles of the energy changes as a function of the angle of rotation around the \(\ce{C-C}\) bond for compounds C and D.
5.5 Give a sequence of G₁, G₂, G₃ according to their increasing difficulty of racemization. Explain your answer.
5.6 Draw stereo-formulas of the enantiomers of G₃.
5.7 Suggest a chemical reaction or a biological method by which compounds like these can be destroyed.
Official English text of the problem.
Answers
- 5.1 The structures are given below. Number the two rings of biphenyl from the atoms forming the connecting bond, \(1\) and \(1'\). Define G₁, G₂, G₃ by adding the fifth chlorine to F at positions \(3,4,6\), respectively.
| Compound | Name | SMILES |
|---|---|---|
| A | Benzene | c1ccccc1 |
| B | Biphenyl | c1(-c2ccccc2)ccccc1 |
| C | 2-Chlorobiphenyl | c1(-c2ccccc2)c(Cl)cccc1 |
| D | 2,2′-Dichlorobiphenyl | c1(-c2c(Cl)cccc2)c(Cl)cccc1 |
| E | 2,2′,5-Trichlorobiphenyl | c1(-c2c(Cl)cccc2)c(Cl)ccc(Cl)c1 |
| F | 2,2′,5,5′-Tetrachlorobiphenyl | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1 |
| G₁ | 2,2′,3,5,5′-Pentachlorobiphenyl | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)c(Cl)cc(Cl)c1 |
| G₂ | 2,2′,4,5,5′-Pentachlorobiphenyl | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)cc(Cl)c(Cl)c1 |
| G₃ | 2,2′,5,5′,6-Pentachlorobiphenyl, equivalently 2,2′,3,5′,6-pentachlorobiphenyl | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1Cl |
-
5.2 The halogen is chlorine. Three chlorine atoms give the isotope-peak ratio \[ 1:0.972:0.315:0.0340. \] The first three peaks match the stated \(1:1:0.3\); a weak fourth peak is predicted.
-
5.3 For D: \(0\), coplanar with the two ortho chlorines on the same side, highest energy; \(\pi/2\), one twisted enantiomer; \(\pi\), coplanar with the chlorines on opposite sides, possessing an inversion center; \(3\pi/2\), the mirror-image twisted enantiomer.
-
5.4 C has equivalent coplanar barriers at \(0,\pi,2\pi\). D has higher barriers at \(0,2\pi\) and a lower coplanar barrier at \(\pi\). Both have intervening regions of lower energy with noncoplanar rings.
-
5.5 With the labels defined above, increasing difficulty of racemization is \[ \boxed{\mathbf{G_2<G_1<G_3}}. \]
-
5.6 G₃ has two axial enantiomers. Fixing the front ring, perpendicular rear-ring orientations at \(+\pi/2\) and \(-\pi/2\) give an explicit mirror-image pair, described below. Their ordinary connectivity SMILES is the same as that listed for G₃.
-
5.7 Controlled complete incineration destroys these compounds. For a pentachlorobiphenyl: \[ \boxed{\ce{C12H5Cl5 + 12 O2 -> 12 CO2 + 5 HCl}}. \]
Solution
5.1 — Identification of the hydrocarbons and substitution patterns
The amount of hydrogen, hydrogen gas [H][H], is
\[ n(\ce{H2})=\frac{pV}{RT} =\frac{(102\ \mathrm{kPa})(2.4\ \mathrm{dm^3})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,dm^3\,mol^{-1}\,K^{-1}})(295\ \mathrm K)} =0.0998\ \mathrm{mol}\approx0.10\ \mathrm{mol}. \]
At 80 % yield, the amount of A converted into the stated products is
\[ n_{\mathrm{converted}}(\mathbf A) =0.80(0.25\ \mathrm{mol}) =0.20\ \mathrm{mol}. \]
The hydrogen has mass approximately \(0.20\ \mathrm g\). Since B and hydrogen are the only products, mass balance gives
\[ M(\mathbf A) =\frac{15.4\ \mathrm g+0.20\ \mathrm g}{0.20\ \mathrm{mol}} \approx78\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
This is consistent with benzene, \(\ce{C6H6}\). The aromatic substitution and rotation about a bond joining two rings identify B as biphenyl, formed by dehydrogenative coupling:
\[ \ce{2 C6H6 ->[950 K,\ pumice,\ iron] C12H10 + H2}. \]
The predicted biphenyl amount and mass are
\[ n(\mathbf B)=\frac{0.80(0.25)}{2}=0.10\ \mathrm{mol}, \]
\[ m(\mathbf B)=(0.10\ \mathrm{mol})(154\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =15.4\ \mathrm g. \]
Thus both the mass of B and the hydrogen volume agree with the proposed reaction.
As established in 5.2, the substituent is chlorine. Chlorine, ClCl, undergoes successive electrophilic aromatic substitutions in the presence of a Lewis acid, producing hydrogen chloride, Cl. The balanced overall equation for each degree of substitution is
\[ \ce{C12H10 + n Cl2 ->[Lewis acid] C12H_{10-n}Cl_n + n HCl}, \qquad n=1,2,3,4,5. \]
The substitution sequence follows from the directing and symmetry information:
-
C: In biphenyl, the stated \(k_{\mathrm{ortho}}>k_{\mathrm{para}}\) selects position \(2\). Hence C is 2-chlorobiphenyl.
-
D: An inversion center at the midpoint of the inter-ring bond must interchange identically substituted rings. The second chlorine therefore occupies the equivalent ortho position on the other ring, giving 2,2′-dichlorobiphenyl. Its coplanar, opposite-side conformation has the required inversion center.
-
E: Each ring now carries one chlorine. The next chlorine enters para to an existing chlorine: position \(5\), which is para to position \(2\). The two rings are equivalent before this substitution, so E is 2,2′,5-trichlorobiphenyl.
-
F: The inversion-center condition requires matching substitution patterns on the two rings. The fourth chlorine therefore enters position \(5'\), giving 2,2′,5,5′-tetrachlorobiphenyl.
-
G: In F, the remaining positions on either ring are \(3,4,6\). Interchanging the rings does not generate additional constitutional isomers. Thus there are exactly three possibilities: \[ \begin{aligned} \mathbf{G_1}:&\quad 2,2',3,5,5',\\ \mathbf{G_2}:&\quad 2,2',4,5,5',\\ \mathbf{G_3}:&\quad 2,2',5,5',6. \end{aligned} \] These are the structures and SMILES listed in Answers.
5.2 — Identification of the halogen from the isotope pattern
E contains three halogen atoms. Fluorine and iodine each have only one isotope in the supplied abundance data, so neither can produce the observed halogen-derived isotope cluster.
For chlorine, put
\[ p=0.7553,\qquad q=0.2447. \]
The probabilities of incorporating zero, one, two, or three \(\ce{^{37}Cl}\) atoms are the terms of
\[ (p+q)^3=p^3+3p^2q+3pq^2+q^3. \]
Consequently,
\[ I_M:I_{M+2}:I_{M+4}:I_{M+6} =p^3:3p^2q:3pq^2:q^3. \]
Normalizing to the first peak gives
\[ 1:3\frac qp:3\left(\frac qp\right)^2: \left(\frac qp\right)^3 = \boxed{1:0.9719:0.3149:0.03401}. \]
For E, \(\ce{C12H7Cl3}\), these correspond to nominal molecular-ion masses \(256,258,260,262\).
The first three intensities round to the reported \(1:1:0.3\). The fourth is much smaller, although it is not mathematically zero.
By contrast, three bromine atoms, using the supplied abundances, would give approximately
\[ 1:2.936:2.873:0.937, \]
which does not match. Thus chlorine is the intended identification.
5.3 — Rotational isomers of D
Use the following precise end-on convention:
- Look along the inter-ring bond from unprimed \(C1\) toward primed \(C1'\).
- Keep the front ring fixed, with its \(C2\) chlorine at 12 o’clock and its \(C6\) hydrogen at 6 o’clock.
- Define \(\Phi=0\) when the rear \(C2'\) chlorine is also at 12 o’clock.
- Increase \(\Phi\) by rotating the rear ring clockwise in this view.
The requested drawings then have these features:
| \(\Phi\) | Rear \(C2'\) chlorine | Rear \(C6'\) hydrogen | Conformation and stereochemical label |
|---|---|---|---|
| \(0\) | 12 o’clock | 6 o’clock | Coplanar; chlorines on the same side of the axis; achiral; greatest steric crowding and maximal energy |
| \(\pi/2\) | 3 o’clock | 9 o’clock | Perpendicular ring planes; chiral conformer I |
| \(\pi\) | 6 o’clock | 12 o’clock | Coplanar; chlorines on opposite sides; achiral; inversion center at the inter-ring bond midpoint |
| \(3\pi/2\) | 9 o’clock | 3 o’clock | Perpendicular ring planes; chiral conformer II, the mirror image of I |
At \(\Phi=0\), the ortho chlorine atoms approach one another directly. At \(\Phi=\pi\), each ortho chlorine instead encounters an ortho hydrogen. The latter coplanar passage therefore has the lower steric barrier.
The SMILES for D specifies connectivity; these angular descriptions specify its conformations.
5.4 — Torsional-energy profiles of C and D
Plot energy vertically and \(\Phi\), from \(0\) to \(2\pi\), horizontally, using the convention in 5.3.
For C, the unsubstituted ring has equivalent ortho positions. Rotating it by \(\pi\) produces an equivalent arrangement, so
\[ E_C(\Phi+\pi)=E_C(\Phi). \]
The coplanar arrangements at \(0,\pi,2\pi\) have identical steric interactions and therefore equal barrier heights. Draw equivalent lower-energy, noncoplanar regions between successive coplanar barriers.
For D, the two coplanar arrangements differ:
- At \(0\) and \(2\pi\), an ortho chlorine faces an ortho chlorine: the higher barrier.
- At \(\pi\), the two close contacts are chlorine–hydrogen contacts: the lower barrier.
- Between these coplanar arrangements lie two mirror-related, noncoplanar energy wells.
Thus a qualitative steric sketch follows this pattern:
| Angle | \(0\) | Near \(\pi/2\) | \(\pi\) | Near \(3\pi/2\) | \(2\pi\) |
|---|---|---|---|---|---|
| C | High | Low | Equally high | Equally low | High |
| D | Highest | Low | Lower local maximum | Equally low | Highest |
For D, reflection requires
\[ E_D(\Phi)=E_D(2\pi-\Phi). \]
These are qualitative profiles. Conjugation favors coplanarity whereas steric repulsion favors twisting, so the exact minimum angles need not be precisely \(\pi/2\) and \(3\pi/2\); the supplied information does not determine numerical energies or fine details of the curves.
5.5 — Increasing difficulty of racemization
For these axially chiral biphenyls, interconversion of the enantiomers requires rotation through a coplanar arrangement. The relevant comparison is therefore the steric cost of the easiest coplanar passage.
- G₂, with the additional chlorine at \(4\), retains only two chlorines ortho to the inter-ring bond. The added chlorine is relatively remote from that bond.
- G₁, with the additional chlorine at \(3\), also has two ortho chlorines, but the \(3\)-chlorine crowds the adjacent \(2\)-chlorine. This buttressing effect increases the steric obstruction to rotation.
- G₃, with the additional chlorine at \(6\), has three ortho chlorines. One ring now carries chlorine on both sides of the inter-ring bond. Either coplanar passage therefore brings an ortho chlorine on one ring against an ortho chlorine on the other.
The expected steric order is consequently
\[ \boxed{ \underbrace{\mathbf{G_2}}_{\text{additional }4\text{-Cl}} < \underbrace{\mathbf{G_1}}_{\text{additional }3\text{-Cl}} < \underbrace{\mathbf{G_3}}_{\text{additional }6\text{-Cl}} }. \]
5.6 — Enantiomers of G₃
Retain the common numbering used above: the unprimed ring has chlorines at \(2,5,6\), and the primed ring at \(2',5'\).
The two axial enantiomers of 2,2′,5,5′,6-pentachlorobiphenyl—equivalently 2,2′,3,5′,6-pentachlorobiphenyl—have connectivity SMILES
c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1Cl.
Ordinary SMILES does not distinguish the frozen axial configurations here. The following end-on descriptions specify an explicit enantiomeric pair.
Look from unprimed \(C1\) toward primed \(C1'\). Fix the front ring vertically, with \(C2\) at 12 o’clock and \(C6\) at 6 o’clock. Its chlorine at \(C5\) lies on the \(C6\) side.
| Feature | Enantiomer I | Enantiomer II |
|---|---|---|
| Front ring | Fixed as described | Identical fixed orientation |
| Rear \(C2'\), bearing chlorine | 3 o’clock | 9 o’clock |
| Rear \(C6'\), bearing hydrogen | 9 o’clock | 3 o’clock |
| Rear \(C5'\), bearing chlorine | On the \(C6'\) side, to the left | On the \(C6'\) side, to the right |
| Ring-plane torsion | \(+\pi/2\) | \(-\pi/2\) |
Reflection in the plane of the front ring converts I into II. They are nonsuperimposable mirror images: the axial \(R_{\mathrm a}/S_{\mathrm a}\) pair.
Although both ortho positions of the front ring bear chlorine, its two paths around the ring are different: the path through \(C6\) encounters chlorine at \(C5\), whereas the path through \(C2\) encounters hydrogen at \(C3\). The primed ring likewise has inequivalent paths through \(C2'\) and \(C6'\). Thus the substitution pattern supports axial chirality.
5.7 — Destruction
A suitable chemical method is controlled high-temperature incineration in excess oxygen, with sufficient residence time for complete oxidation and capture of the hydrogen chloride produced.
For any of the pentachlorobiphenyl isomers:
\[ \ce{C12H5Cl5 + 12 O2 -> 12 CO2 + 5 HCl}. \]
The reactant is a pentachlorobiphenyl listed above; the other molecular species are oxygen O=O, carbon dioxide O=C=O, and hydrogen chloride Cl.
The equation balances all atoms: twelve carbons form twelve carbon dioxide molecules, while the five hydrogens and five chlorines form five hydrogen chloride molecules.
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 5
Halogenderivate von Kohlenwasserstoffen
Nachdem 0.25 mol des Kohlenwasserstoffs A in einem Eisenrohr über erhitzten Bimsstein (950 K) geleitet worden waren, wurden die Verbindung B mit einer Ausbeute von 80 % (d. h. 15.4 g) und 2.4 dm\(^3\) Wasserstoff (295 K, 102 kPa) erhalten.
B und Wasserstoff sind die einzigen Produkte. Durch Reaktion von B mit einem Halogen in Gegenwart einer Lewis-Säure entsteht ein Gemisch der Halogenderivate C, D, E, F und G. Die Verbindungen C bis G enthalten jeweils ein Halogenatom mehr als die vorhergehende Verbindung. Bei den Verbindungen C bis F wird jeweils nur eines der möglichen Isomere gebildet. Bei Verbindung G gibt es keine solche Bevorzugung, und ihre drei Isomere G₁, G₂ und G₃ liegen im Gemisch vor. Die Verbindungen C bis F racemisieren leicht, sodass keine optische Isomerie auftritt. Bei G₁, G₂ und insbesondere bei G₃ ist die Racemisierung jedoch erschwert. Im Massenspektrum von E wurden nur drei Isotopenpeaks beobachtet. Ihre relativen Intensitäten betragen 1: 1: 0.3.
Angaben:
- \(k_{\mathrm{ortho}}>k_{\mathrm{para}}\) in Verbindung B.
- Der Einfluss des ersten Halogens im Ring: \(k_{\mathrm{para}}>k_{\mathrm{ortho}}\).
- Die Verbindungen D und F besitzen in einer ihrer Konformationen ein Symmetriezentrum.
- Die Beiträge der Kohlenstoff- und Wasserstoffisotope zum Massenspektrum von E sind vernachlässigbar.
- Natürliche Häufigkeiten der Halogenisotope:
\(\ce{^{19}F}=100\ \%\);
\(\ce{^{35}Cl}=75.53\ \%\); \(\ce{^{37}Cl}=24.47\ \%\);
\(\ce{^{79}Br}=50.54\ \%\); \(\ce{^{81}Br}=49.46\ \%\);
\(\ce{^{127}I}=100\ \%\).
5.1 Geben Sie die Strukturen von A, B, C, D, E, F, G₁, G₂ und G₃ an.
5.2 Begründen Sie Ihre Wahl des Halogens.
5.3 Zeichnen und beschriften Sie die Stereoformeln der Rotationsisomere von D für \(\Phi=0,\pi/2,\pi,\) und \(3\pi/2\), wobei \(\Phi\) den Dieder- oder Torsionswinkel im Bogenmaß bezeichnet und \(\vartheta=0\) die Konfiguration mit maximaler Energie beschreibt.
5.4 Zeichnen Sie für die Verbindungen C und D die Energieprofile als Funktion des Drehwinkels um die \(\ce{C-C}\)-Bindung.
5.5 Ordnen Sie G₁, G₂, G₃ nach zunehmender Schwierigkeit der Racemisierung. Begründen Sie Ihre Antwort.
5.6 Zeichnen Sie die Stereoformeln der Enantiomere von G₃.
5.7 Schlagen Sie eine chemische Reaktion oder eine biologische Methode vor, mit der sich derartige Verbindungen zerstören lassen.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 5.1 Die Strukturen sind unten angegeben. Nummerieren Sie die beiden Ringe des Biphenyls ausgehend von den Atomen, die die Verbindungsbindung bilden, \(1\) und \(1'\). Definieren Sie G₁, G₂, G₃, indem Sie das fünfte Chloratom an F an den Positionen \(3,4,6\) hinzufügen.
| Verbindung | Name | SMILES |
|---|---|---|
| A | Benzol | c1ccccc1 |
| B | Biphenyl | c1(-c2ccccc2)ccccc1 |
| C | 2-Chlorbiphenyl | c1(-c2ccccc2)c(Cl)cccc1 |
| D | 2,2′-Dichlorbiphenyl | c1(-c2c(Cl)cccc2)c(Cl)cccc1 |
| E | 2,2′,5-Trichlorbiphenyl | c1(-c2c(Cl)cccc2)c(Cl)ccc(Cl)c1 |
| F | 2,2′,5,5′-Tetrachlorbiphenyl | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1 |
| G₁ | 2,2′,3,5,5′-Pentachlorbiphenyl | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)c(Cl)cc(Cl)c1 |
| G₂ | 2,2′,4,5,5′-Pentachlorbiphenyl | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)cc(Cl)c(Cl)c1 |
| G₃ | 2,2′,5,5′,6-Pentachlorbiphenyl, gleichbedeutend mit 2,2′,3,5′,6-Pentachlorbiphenyl | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1Cl |
-
5.2 Das Halogen ist Chlor. Drei Chloratome ergeben das Isotopenpeakverhältnis \[ 1:0.972:0.315:0.0340. \] Die ersten drei Peaks stimmen mit dem angegebenen Verhältnis \(1:1:0.3\) überein; ein schwacher vierter Peak wird vorhergesagt.
-
5.3 Für D: \(0\), koplanar mit den beiden ortho-Chloratomen auf derselben Seite, höchste Energie; \(\pi/2\), ein verdrilltes Enantiomer; \(\pi\), koplanar mit den Chloratomen auf gegenüberliegenden Seiten, mit einem Inversionszentrum; \(3\pi/2\), das spiegelbildliche verdrillte Enantiomer.
-
5.4 C besitzt gleichwertige koplanare Barrieren bei \(0,\pi,2\pi\). D besitzt höhere Barrieren bei \(0,2\pi\) und eine niedrigere koplanare Barriere bei \(\pi\). Bei beiden liegen dazwischen Bereiche niedrigerer Energie mit nicht koplanaren Ringen.
-
5.5 Mit den oben definierten Bezeichnungen ergibt sich für die zunehmende Schwierigkeit der Racemisierung \[ \boxed{\mathbf{G_2<G_1<G_3}}. \]
-
5.6 G₃ besitzt zwei axiale Enantiomere. Hält man den vorderen Ring fest, so ergeben senkrechte Orientierungen des hinteren Rings bei \(+\pi/2\) und \(-\pi/2\) ein konkretes spiegelbildliches Paar, das unten beschrieben wird. Ihr gewöhnlicher SMILES-Code für die Konnektivität ist derselbe wie der für G₃ angegebene.
-
5.7 Durch kontrollierte vollständige Verbrennung werden diese Verbindungen zerstört. Für ein Pentachlorbiphenyl gilt: \[ \boxed{\ce{C12H5Cl5 + 12 O2 -> 12 CO2 + 5 HCl}}. \]
Lösung
5.1 — Identifizierung der Kohlenwasserstoffe und Substitutionsmuster
Die Stoffmenge des Wasserstoffs, Wasserstoffgas [H][H], beträgt
\[ n(\ce{H2})=\frac{pV}{RT} =\frac{(102\ \mathrm{kPa})(2.4\ \mathrm{dm^3})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,dm^3\,mol^{-1}\,K^{-1}})(295\ \mathrm K)} =0.0998\ \mathrm{mol}\approx0.10\ \mathrm{mol}. \]
Bei einer Ausbeute von 80 % beträgt die Stoffmenge von A, die in die angegebenen Produkte umgesetzt wird,
\[ n_{\mathrm{converted}}(\mathbf A) =0.80(0.25\ \mathrm{mol}) =0.20\ \mathrm{mol}. \]
Der Wasserstoff hat eine Masse von ungefähr \(0.20\ \mathrm g\). Da B und Wasserstoff die einzigen Produkte sind, ergibt die Massenbilanz
\[ M(\mathbf A) =\frac{15.4\ \mathrm g+0.20\ \mathrm g}{0.20\ \mathrm{mol}} \approx78\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Dies stimmt mit Benzol, \(\ce{C6H6}\), überein. Die aromatische Substitution und die Rotation um eine Bindung zwischen zwei Ringen identifizieren B als Biphenyl, das durch dehydrierende Kupplung entsteht:
\[ \ce{2 C6H6 ->[950 K,\ pumice,\ iron] C12H10 + H2}. \]
Die vorhergesagte Stoffmenge und Masse des Biphenyls betragen
\[ n(\mathbf B)=\frac{0.80(0.25)}{2}=0.10\ \mathrm{mol}, \]
\[ m(\mathbf B)=(0.10\ \mathrm{mol})(154\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =15.4\ \mathrm g. \]
Somit stimmen sowohl die Masse von B als auch das Wasserstoffvolumen mit der vorgeschlagenen Reaktion überein.
Wie in 5.2 festgestellt wird, ist der Substituent Chlor. Chlor, ClCl, geht in Gegenwart einer Lewis-Säure aufeinanderfolgende elektrophile aromatische Substitutionen ein, wobei Chlorwasserstoff, Cl, entsteht. Die ausgeglichene Gesamtgleichung für jeden Substitutionsgrad lautet
\[ \ce{C12H10 + n Cl2 ->[Lewis acid] C12H_{10-n}Cl_n + n HCl}, \qquad n=1,2,3,4,5. \]
Die Substitutionsfolge ergibt sich aus den Angaben zur dirigierenden Wirkung und zur Symmetrie:
-
C: Im Biphenyl führt die angegebene Beziehung \(k_{\mathrm{ortho}}>k_{\mathrm{para}}\) zur Bevorzugung der Position \(2\). Daher ist C 2-Chlorbiphenyl.
-
D: Ein Inversionszentrum in der Mitte der Bindung zwischen den Ringen muss identisch substituierte Ringe ineinander überführen. Das zweite Chloratom besetzt daher die entsprechende ortho-Position am anderen Ring, wodurch 2,2′-Dichlorbiphenyl entsteht. Seine koplanare Konformation mit Chloratomen auf gegenüberliegenden Seiten besitzt das erforderliche Inversionszentrum.
-
E: Jeder Ring trägt nun ein Chloratom. Das nächste Chloratom tritt in para-Stellung zu einem vorhandenen Chloratom ein: an Position \(5\), die para zu Position \(2\) liegt. Vor dieser Substitution sind die beiden Ringe gleichwertig, sodass E 2,2′,5-Trichlorbiphenyl ist.
-
F: Die Bedingung eines Inversionszentrums erfordert übereinstimmende Substitutionsmuster an den beiden Ringen. Das vierte Chloratom tritt daher an Position \(5'\) ein, wodurch 2,2′,5,5′-Tetrachlorbiphenyl entsteht.
-
G: In F sind an jedem Ring die Positionen \(3,4,6\) noch frei. Ein Vertauschen der Ringe erzeugt keine zusätzlichen Konstitutionsisomere. Somit gibt es genau drei Möglichkeiten: \[ \begin{aligned} \mathbf{G_1}:&\quad 2,2',3,5,5',\\ \mathbf{G_2}:&\quad 2,2',4,5,5',\\ \mathbf{G_3}:&\quad 2,2',5,5',6. \end{aligned} \] Dies sind die unter Antworten aufgeführten Strukturen und SMILES-Codes.
5.2 — Identifizierung des Halogens anhand des Isotopenmusters
E enthält drei Halogenatome. Fluor und Iod besitzen in den angegebenen Häufigkeitsdaten jeweils nur ein Isotop, sodass keines von beiden das beobachtete, vom Halogen herrührende Isotopenmuster erzeugen kann.
Für Chlor setzen wir
\[ p=0.7553,\qquad q=0.2447. \]
Die Wahrscheinlichkeiten für den Einbau von null, einem, zwei oder drei \(\ce{^{37}Cl}\)-Atomen sind die Terme von
\[ (p+q)^3=p^3+3p^2q+3pq^2+q^3. \]
Folglich gilt
\[ I_M:I_{M+2}:I_{M+4}:I_{M+6} =p^3:3p^2q:3pq^2:q^3. \]
Die Normierung auf den ersten Peak ergibt
\[ 1:3\frac qp:3\left(\frac qp\right)^2: \left(\frac qp\right)^3 = \boxed{1:0.9719:0.3149:0.03401}. \]
Für E, \(\ce{C12H7Cl3}\), entsprechen diese den nominalen Molekülionenmassen \(256,258,260,262\).
Die ersten drei Intensitäten ergeben gerundet das angegebene Verhältnis \(1:1:0.3\). Die vierte ist deutlich kleiner, obwohl sie mathematisch nicht null ist.
Im Gegensatz dazu würden drei Bromatome unter Verwendung der angegebenen Häufigkeiten ungefähr
\[ 1:2.936:2.873:0.937, \]
ergeben, was nicht übereinstimmt. Somit ist Chlor das gesuchte Halogen.
5.3 — Rotationsisomere von D
Verwenden Sie die folgende präzise Konvention für die Ansicht entlang der Bindungsachse:
- Blicken Sie entlang der Bindung zwischen den Ringen vom ungestrichenen \(C1\) zum gestrichenen \(C1'\).
- Halten Sie den vorderen Ring fest, mit seinem Chloratom an \(C2\) in 12-Uhr-Position und seinem Wasserstoffatom an \(C6\) in 6-Uhr-Position.
- Definieren Sie \(\Phi=0\) als die Stellung, in der sich das hintere Chloratom an \(C2'\) ebenfalls in 12-Uhr-Position befindet.
- Vergrößern Sie \(\Phi\), indem Sie den hinteren Ring in dieser Ansicht im Uhrzeigersinn drehen.
Die geforderten Zeichnungen weisen dann folgende Merkmale auf:
| \(\Phi\) | Hinteres Chloratom an \(C2'\) | Hinteres Wasserstoffatom an \(C6'\) | Konformation und stereochemische Bezeichnung |
|---|---|---|---|
| \(0\) | 12-Uhr-Position | 6-Uhr-Position | Koplanar; Chloratome auf derselben Seite der Achse; achiral; stärkste sterische Bedrängung und maximale Energie |
| \(\pi/2\) | 3-Uhr-Position | 9-Uhr-Position | Senkrecht zueinander stehende Ringebenen; chirales Konformer I |
| \(\pi\) | 6-Uhr-Position | 12-Uhr-Position | Koplanar; Chloratome auf gegenüberliegenden Seiten; achiral; Inversionszentrum in der Mitte der Bindung zwischen den Ringen |
| \(3\pi/2\) | 9-Uhr-Position | 3-Uhr-Position | Senkrecht zueinander stehende Ringebenen; chirales Konformer II, das Spiegelbild von I |
Bei \(\Phi=0\) nähern sich die ortho-Chloratome unmittelbar einander an. Bei \(\Phi=\pi\) trifft jedes ortho-Chloratom stattdessen auf ein ortho-Wasserstoffatom. Der letztgenannte Durchgang durch eine koplanare Anordnung weist daher die niedrigere sterische Barriere auf.
Der SMILES-Code für D legt die Konnektivität fest; diese Winkelbeschreibungen legen seine Konformationen fest.
5.4 — Torsionsenergieprofile von C und D
Tragen Sie die Energie vertikal und \(\Phi\) von \(0\) bis \(2\pi\) horizontal auf und verwenden Sie dabei die Konvention aus 5.3.
Bei C besitzt der unsubstituierte Ring gleichwertige ortho-Positionen. Seine Drehung um \(\pi\) erzeugt eine gleichwertige Anordnung, sodass
\[ E_C(\Phi+\pi)=E_C(\Phi). \]
Die koplanaren Anordnungen bei \(0,\pi,2\pi\) weisen identische sterische Wechselwirkungen und daher gleiche Barrierenhöhen auf. Zeichnen Sie zwischen aufeinanderfolgenden koplanaren Barrieren gleichwertige nicht koplanare Bereiche niedrigerer Energie.
Bei D unterscheiden sich die beiden koplanaren Anordnungen:
- Bei \(0\) und \(2\pi\) steht einem ortho-Chloratom ein ortho-Chloratom gegenüber: die höhere Barriere.
- Bei \(\pi\) sind die beiden engen Kontakte Chlor–Wasserstoff-Kontakte: die niedrigere Barriere.
- Zwischen diesen koplanaren Anordnungen liegen zwei spiegelbildlich zueinander angeordnete, nicht koplanare Energiemulden.
Eine qualitative Skizze auf Grundlage der sterischen Verhältnisse folgt daher diesem Muster:
| Winkel | \(0\) | Nahe \(\pi/2\) | \(\pi\) | Nahe \(3\pi/2\) | \(2\pi\) |
|---|---|---|---|---|---|
| C | Hoch | Niedrig | Ebenso hoch | Ebenso niedrig | Hoch |
| D | Am höchsten | Niedrig | Niedrigeres lokales Maximum | Ebenso niedrig | Am höchsten |
Für D erfordert die Spiegelung
\[ E_D(\Phi)=E_D(2\pi-\Phi). \]
Dies sind qualitative Profile. Die Konjugation begünstigt Koplanarität, während die sterische Abstoßung eine Verdrillung begünstigt. Daher müssen die genauen Winkel der Minima nicht exakt \(\pi/2\) und \(3\pi/2\) betragen; die gegebenen Informationen legen weder numerische Energiewerte noch Feinheiten der Kurven fest.
5.5 — Zunehmende Schwierigkeit der Racemisierung
Bei diesen axial chiralen Biphenylen erfordert die Umwandlung der Enantiomere ineinander eine Rotation durch eine koplanare Anordnung. Entscheidend für den Vergleich ist daher der sterische Energieaufwand für den einfachsten Durchgang durch eine koplanare Anordnung.
- G₂, mit dem zusätzlichen Chloratom an Position \(4\), besitzt weiterhin nur zwei Chloratome in ortho-Stellung zur Bindung zwischen den Ringen. Das zusätzliche Chloratom ist relativ weit von dieser Bindung entfernt.
- G₁, mit dem zusätzlichen Chloratom an Position \(3\), besitzt ebenfalls zwei ortho-Chloratome, doch das Chloratom an Position \(3\) bedrängt das benachbarte Chloratom an Position \(2\). Dieser Buttressing-Effekt erhöht die sterische Rotationshemmung.
- G₃, mit dem zusätzlichen Chloratom an Position \(6\), besitzt drei ortho-Chloratome. Ein Ring trägt nun auf beiden Seiten der Bindung zwischen den Ringen Chloratome. Bei jedem der beiden Durchgänge durch eine koplanare Anordnung kommt daher ein ortho-Chloratom des einen Rings einem ortho-Chloratom des anderen Rings nahe.
Die aufgrund der sterischen Verhältnisse erwartete Reihenfolge lautet somit
\[ \boxed{ \underbrace{\mathbf{G_2}}_{\text{zusätzliches }4\text{-Cl}} < \underbrace{\mathbf{G_1}}_{\text{zusätzliches }3\text{-Cl}} < \underbrace{\mathbf{G_3}}_{\text{zusätzliches }6\text{-Cl}} }. \]
5.6 — Enantiomere von G₃
Behalten Sie die oben verwendete gemeinsame Nummerierung bei: Der ungestrichene Ring trägt Chloratome an \(2,5,6\), der gestrichene Ring an \(2',5'\).
Die beiden axialen Enantiomere von 2,2′,5,5′,6-Pentachlorbiphenyl — gleichbedeutend mit 2,2′,3,5′,6-Pentachlorbiphenyl — besitzen den folgenden SMILES-Code für ihre Konnektivität:
c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1Cl.
Gewöhnliche SMILES-Codes unterscheiden hier nicht zwischen den fixierten axialen Konfigurationen. Die folgenden Beschreibungen der Ansicht entlang der Bindungsachse legen ein konkretes Enantiomerenpaar fest.
Blicken Sie vom ungestrichenen \(C1\) zum gestrichenen \(C1'\). Fixieren Sie den vorderen Ring vertikal, mit \(C2\) in 12-Uhr-Position und \(C6\) in 6-Uhr-Position. Sein Chloratom an \(C5\) liegt auf der \(C6\)-Seite.
| Merkmal | Enantiomer I | Enantiomer II |
|---|---|---|
| Vorderer Ring | Wie beschrieben fixiert | Identische fixierte Orientierung |
| Hinteres \(C2'\), das Chlor trägt | 3-Uhr-Position | 9-Uhr-Position |
| Hinteres \(C6'\), das Wasserstoff trägt | 9-Uhr-Position | 3-Uhr-Position |
| Hinteres \(C5'\), das Chlor trägt | Auf der \(C6'\)-Seite, links | Auf der \(C6'\)-Seite, rechts |
| Torsion der Ringebenen | \(+\pi/2\) | \(-\pi/2\) |
Die Spiegelung an der Ebene des vorderen Rings überführt I in II. Sie sind nicht zur Deckung bringbare Spiegelbilder: das axiale \(R_{\mathrm a}/S_{\mathrm a}\)-Paar.
Obwohl beide ortho-Positionen des vorderen Rings Chlor tragen, sind seine beiden Wege um den Ring unterschiedlich: Der Weg über \(C6\) trifft an \(C5\) auf Chlor, während der Weg über \(C2\) an \(C3\) auf Wasserstoff trifft. Ebenso besitzt der gestrichene Ring nicht gleichwertige Wege über \(C2'\) und \(C6'\). Das Substitutionsmuster ermöglicht somit axiale Chiralität.
5.7 — Zerstörung
Eine geeignete chemische Methode ist die kontrollierte Hochtemperaturverbrennung im Sauerstoffüberschuss, mit ausreichender Verweilzeit für eine vollständige Oxidation und Abscheidung des gebildeten Chlorwasserstoffs.
Für jedes der Pentachlorbiphenyl-Isomere gilt:
\[ \ce{C12H5Cl5 + 12 O2 -> 12 CO2 + 5 HCl}. \]
Der Ausgangsstoff ist eines der oben aufgeführten Pentachlorbiphenyle; die anderen molekularen Spezies sind Sauerstoff O=O, Kohlenstoffdioxid O=C=O und Chlorwasserstoff Cl.
Die Gleichung ist für alle Atome ausgeglichen: Zwölf Kohlenstoffatome bilden zwölf Kohlenstoffdioxidmoleküle, während die fünf Wasserstoffatome und fünf Chloratome fünf Chlorwasserstoffmoleküle bilden.
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 5
Hidrokarbonların halojen türevleri
0.25 mol A hidrokarbonunun bir demir boru içinde ısıtılmış ponza taşı (950 K) üzerinden geçirilmesinin ardından, % 80 verimle (yani 15.4 g) B bileşiği ve 2.4 dm\(^3\) hidrojen (295 K, 102 kPa) elde edilmiştir.
B ve hidrojen tek ürünlerdir. B'nin bir Lewis asidi varlığında bir halojenle tepkimesinden C, D, E, F ve G halojen türevlerinin bir karışımı oluşur. C'den G'ye kadar olan bileşiklerin her biri, kendisinden önceki bileşikten bir halojen atomu fazla içerir. C'den F'ye kadar olan bileşikler için olası izomerlerden yalnızca biri oluşur. G bileşiğinde böyle bir tercih yoktur ve üç izomeri G₁, G₂ ve G₃ karışımda bulunur. C'den F'ye kadar olan bileşikler kolayca rasemleştiğinden optik izomerlik görülmez. Ancak G₁, G₂ ve özellikle G₃ için rasemleşme zordur. E'nin kütle spektrumunda yalnızca üç izotop piki gözlenmiştir. Bunların bağıl şiddetleri 1: 1: 0.3'tür.
Bilgiler:
- B bileşiğinde \(k_{\mathrm{ortho}}>k_{\mathrm{para}}\).
- Halkadaki ilk halojenin etkisi: \(k_{\mathrm{para}}>k_{\mathrm{ortho}}\).
- D ve F bileşikleri, konformasyonlarından birinde bir simetri merkezine sahiptir.
- E'nin kütle spektrumunda karbon ve hidrojen izotoplarının katkıları ihmal edilebilir.
- Halojen izotoplarının doğal bollukları:
\(\ce{^{19}F}=100\ \%\);
\(\ce{^{35}Cl}=75.53\ \%\); \(\ce{^{37}Cl}=24.47\ \%\);
\(\ce{^{79}Br}=50.54\ \%\); \(\ce{^{81}Br}=49.46\ \%\);
\(\ce{^{127}I}=100\ \%\).
5.1 A, B, C, D, E, F, G₁, G₂ ve G₃'ün yapılarını veriniz.
5.2 Halojen seçiminizi açıklayınız.
5.3 D'nin dönme izomerlerinin \(\Phi=0,\pi/2,\pi,\) ve \(3\pi/2\) için stereoformüllerini çiziniz ve etiketleyiniz; burada \(\Phi\), radyan cinsinden dihedral veya burulma açısını belirtir ve \(\vartheta=0\), enerjinin en yüksek olduğu konfigürasyonu tanımlar.
5.4 C ve D bileşikleri için \(\ce{C-C}\) bağı etrafındaki dönme açısının fonksiyonu olarak enerji değişim profillerini çiziniz.
5.5 G₁, G₂, G₃'ü artan rasemleşme güçlüğüne göre sıralayınız. Cevabınızı açıklayınız.
5.6 G₃'ün enantiyomerlerinin stereoformüllerini çiziniz.
5.7 Bu tür bileşiklerin yok edilebileceği bir kimyasal tepkime veya biyolojik yöntem öneriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 5.1 Yapılar aşağıda verilmiştir. Bifenilin iki halkasını, halkaları birbirine bağlayan bağı oluşturan \(1\) ve \(1'\) atomlarından başlayarak numaralandırınız. Beşinci kloru F'nin sırasıyla \(3,4,6\) konumlarına ekleyerek G₁, G₂, G₃'ü tanımlayınız.
| Bileşik | Adı | SMILES |
|---|---|---|
| A | Benzen | c1ccccc1 |
| B | Bifenil | c1(-c2ccccc2)ccccc1 |
| C | 2-Klorobifenil | c1(-c2ccccc2)c(Cl)cccc1 |
| D | 2,2′-Diklorobifenil | c1(-c2c(Cl)cccc2)c(Cl)cccc1 |
| E | 2,2′,5-Triklorobifenil | c1(-c2c(Cl)cccc2)c(Cl)ccc(Cl)c1 |
| F | 2,2′,5,5′-Tetraklorobifenil | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1 |
| G₁ | 2,2′,3,5,5′-Pentaklorobifenil | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)c(Cl)cc(Cl)c1 |
| G₂ | 2,2′,4,5,5′-Pentaklorobifenil | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)cc(Cl)c(Cl)c1 |
| G₃ | 2,2′,5,5′,6-Pentaklorobifenil, eşdeğer olarak 2,2′,3,5′,6-pentaklorobifenil | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1Cl |
-
5.2 Halojen klordur. Üç klor atomu şu izotop piki oranını verir: \[ 1:0.972:0.315:0.0340. \] İlk üç pik, belirtilen \(1:1:0.3\) oranıyla uyumludur; zayıf bir dördüncü pik öngörülür.
-
5.3 D için: \(0\), iki orto klor aynı tarafta olacak şekilde eş düzlemli, en yüksek enerji; \(\pi/2\), burulmuş enantiyomerlerden biri; \(\pi\), klorlar zıt taraflarda olacak şekilde eş düzlemli, bir inversiyon merkezine sahip; \(3\pi/2\), ayna görüntüsü olan burulmuş enantiyomer.
-
5.4 C, \(0,\pi,2\pi\) açılarında eşdeğer eş düzlemli enerji engellerine sahiptir. D, \(0,2\pi\) açılarında daha yüksek engellere, \(\pi\) açısında ise daha düşük bir eş düzlemli engele sahiptir. Her ikisinde de bu engeller arasında, halkaların eş düzlemli olmadığı daha düşük enerjili bölgeler bulunur.
-
5.5 Yukarıda tanımlanan etiketlerle, artan rasemleşme güçlüğü sırası şöyledir: \[ \boxed{\mathbf{G_2<G_1<G_3}}. \]
-
5.6 G₃'ün iki eksenel enantiyomeri vardır. Ön halka sabit tutulduğunda, arka halkanın \(+\pi/2\) ve \(-\pi/2\) açılarındaki dik yönelimleri, aşağıda tanımlanan açık bir ayna görüntüsü çifti oluşturur. Bunların sıradan bağlanma düzeni SMILES gösterimi, G₃ için listelenenle aynıdır.
-
5.7 Kontrollü tam yakma bu bileşikleri yok eder. Bir pentaklorobifenil için: \[ \boxed{\ce{C12H5Cl5 + 12 O2 -> 12 CO2 + 5 HCl}}. \]
Çözüm
5.1 — Hidrokarbonların ve sübstitüsyon düzenlerinin belirlenmesi
Hidrojenin, yani hidrojen gazının [H][H], madde miktarı şöyledir:
\[ n(\ce{H2})=\frac{pV}{RT} =\frac{(102\ \mathrm{kPa})(2.4\ \mathrm{dm^3})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,dm^3\,mol^{-1}\,K^{-1}})(295\ \mathrm K)} =0.0998\ \mathrm{mol}\approx0.10\ \mathrm{mol}. \]
% 80 verimde, belirtilen ürünlere dönüşen A miktarı şöyledir:
\[ n_{\mathrm{converted}}(\mathbf A) =0.80(0.25\ \mathrm{mol}) =0.20\ \mathrm{mol}. \]
Hidrojenin kütlesi yaklaşık \(0.20\ \mathrm g\)'dır. B ve hidrojen tek ürünler olduğundan, kütle dengesi şunu verir:
\[ M(\mathbf A) =\frac{15.4\ \mathrm g+0.20\ \mathrm g}{0.20\ \mathrm{mol}} \approx78\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Bu değer benzen, \(\ce{C6H6}\), ile uyumludur. Aromatik sübstitüsyon ve iki halkayı birbirine bağlayan bir bağ etrafındaki dönme, B'nin dehidrojenatif kenetlenmeyle oluşan bifenil olduğunu gösterir:
\[ \ce{2 C6H6 ->[950 K,\ pumice,\ iron] C12H10 + H2}. \]
Öngörülen bifenil miktarı ve kütlesi şöyledir:
\[ n(\mathbf B)=\frac{0.80(0.25)}{2}=0.10\ \mathrm{mol}, \]
\[ m(\mathbf B)=(0.10\ \mathrm{mol})(154\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =15.4\ \mathrm g. \]
Dolayısıyla hem B'nin kütlesi hem de hidrojen hacmi önerilen tepkimeyle uyumludur.
5.2'de belirlendiği üzere, sübstitüent klordur. Klor, ClCl, bir Lewis asidi varlığında art arda elektrofilik aromatik sübstitüsyon tepkimelerine girerek hidrojen klorür, Cl, oluşturur. Her sübstitüsyon derecesi için denkleştirilmiş genel denklem şöyledir:
\[ \ce{C12H10 + n Cl2 ->[Lewis acid] C12H_{10-n}Cl_n + n HCl}, \qquad n=1,2,3,4,5. \]
Sübstitüsyon sırası, yönlendirme ve simetri bilgilerinden çıkarılır:
-
C: Bifenil için verilen \(k_{\mathrm{ortho}}>k_{\mathrm{para}}\) ilişkisi, \(2\) konumunun seçilmesini sağlar. Bu nedenle C, 2-klorobifenildir.
-
D: Halkalar arası bağın orta noktasındaki bir inversiyon merkezi, aynı biçimde sübstitüe olmuş halkaları birbirine dönüştürmelidir. Bu nedenle ikinci klor, diğer halkadaki eşdeğer orto konuma yerleşerek 2,2′-diklorobifenili oluşturur. Klorların zıt taraflarda olduğu eş düzlemli konformasyonu, gerekli inversiyon merkezine sahiptir.
-
E: Artık her halka bir klor taşır. Sonraki klor, mevcut bir klora göre para konumuna girer: bu, \(2\) konumuna göre para olan \(5\) konumudur. Bu sübstitüsyondan önce iki halka eşdeğer olduğundan E, 2,2′,5-triklorobifenildir.
-
F: İnversiyon merkezi koşulu, iki halkadaki sübstitüsyon düzenlerinin aynı olmasını gerektirir. Bu nedenle dördüncü klor \(5'\) konumuna girerek 2,2′,5,5′-tetraklorobifenili oluşturur.
-
G: F'de, her iki halkada da kalan konumlar \(3,4,6\)'dır. Halkaların yer değiştirmesi ek yapı izomerleri oluşturmaz. Dolayısıyla tam olarak üç olasılık vardır: \[ \begin{aligned} \mathbf{G_1}:&\quad 2,2',3,5,5',\\ \mathbf{G_2}:&\quad 2,2',4,5,5',\\ \mathbf{G_3}:&\quad 2,2',5,5',6. \end{aligned} \] Bunlar, Cevaplar bölümünde listelenen yapılar ve SMILES gösterimleridir.
5.2 — İzotop dağılımından halojenin belirlenmesi
E üç halojen atomu içerir. Verilen bolluk verilerinde flor ve iyodun her birinin yalnızca bir izotopu bulunduğundan, bunların hiçbiri gözlenen halojen kaynaklı izotop pik kümesini oluşturamaz.
Klor için şu değerleri alalım:
\[ p=0.7553,\qquad q=0.2447. \]
Sıfır, bir, iki veya üç \(\ce{^{37}Cl}\) atomu içerme olasılıkları, şu açılımın terimleridir:
\[ (p+q)^3=p^3+3p^2q+3pq^2+q^3. \]
Buna göre,
\[ I_M:I_{M+2}:I_{M+4}:I_{M+6} =p^3:3p^2q:3pq^2:q^3. \]
İlk pike göre normalize edildiğinde şu sonuç elde edilir:
\[ 1:3\frac qp:3\left(\frac qp\right)^2: \left(\frac qp\right)^3 = \boxed{1:0.9719:0.3149:0.03401}. \]
E, \(\ce{C12H7Cl3}\), için bunlar \(256,258,260,262\) nominal moleküler iyon kütlelerine karşılık gelir.
İlk üç şiddet yuvarlandığında, bildirilen \(1:1:0.3\) oranı elde edilir. Dördüncüsü matematiksel olarak sıfır olmamakla birlikte çok daha küçüktür.
Buna karşılık, verilen bolluklar kullanıldığında üç brom atomu yaklaşık olarak şu oranı verir:
\[ 1:2.936:2.873:0.937, \]
bu da verilerle uyuşmaz. Dolayısıyla belirlenmesi amaçlanan halojen klordur.
5.3 — D'nin dönme izomerleri
Bağ ekseni doğrultusundaki bakış için aşağıdaki kesin gösterim kuralını kullanınız:
- Halkalar arası bağ boyunca, primsiz \(C1\)'den primli \(C1'\)'e doğru bakınız.
- Ön halkayı, \(C2\) kloru saat 12 yönünde ve \(C6\) hidrojeni saat 6 yönünde olacak şekilde sabit tutunuz.
- Arkadaki \(C2'\) kloru da saat 12 yönündeyken \(\Phi=0\) olarak tanımlayınız.
- Bu bakış doğrultusunda arka halkayı saat yönünde döndürerek \(\Phi\)'yi artırınız.
Bu durumda istenen çizimler şu özellikleri taşır:
| \(\Phi\) | Arkadaki \(C2'\) kloru | Arkadaki \(C6'\) hidrojeni | Konformasyon ve stereokimyasal etiket |
|---|---|---|---|
| \(0\) | Saat 12 yönünde | Saat 6 yönünde | Eş düzlemli; klorlar eksenin aynı tarafında; akiral; en fazla sterik sıkışma ve en yüksek enerji |
| \(\pi/2\) | Saat 3 yönünde | Saat 9 yönünde | Halka düzlemleri birbirine dik; kiral konformer I |
| \(\pi\) | Saat 6 yönünde | Saat 12 yönünde | Eş düzlemli; klorlar zıt taraflarda; akiral; halkalar arası bağın orta noktasında inversiyon merkezi |
| \(3\pi/2\) | Saat 9 yönünde | Saat 3 yönünde | Halka düzlemleri birbirine dik; I'in ayna görüntüsü olan kiral konformer II |
\(\Phi=0\) durumunda, orto klor atomları doğrudan birbirlerine yaklaşır. \(\Phi=\pi\) durumunda ise her orto klor bir orto hidrojenle karşılaşır. Bu nedenle ikinci eş düzlemli geçişin sterik engeli daha düşüktür.
D'nin SMILES gösterimi bağlanma düzenini belirtir; bu açısal tanımlamalar ise konformasyonlarını belirtir.
5.4 — C ve D'nin burulma enerjisi profilleri
5.3'teki gösterim kuralını kullanarak, enerjiyi düşey eksende, \(0\)'dan \(2\pi\)'ye kadar \(\Phi\)'yi ise yatay eksende gösteriniz.
C'de sübstitüe olmamış halkanın orto konumları eşdeğerdir. Bu halkanın \(\pi\) kadar döndürülmesi eşdeğer bir düzen oluşturur; dolayısıyla
\[ E_C(\Phi+\pi)=E_C(\Phi). \]
\(0,\pi,2\pi\) açılarındaki eş düzlemli düzenler aynı sterik etkileşimlere ve dolayısıyla eşit engel yüksekliklerine sahiptir. Ardışık eş düzlemli engeller arasında eşdeğer, daha düşük enerjili, eş düzlemli olmayan bölgeler çiziniz.
D için iki eş düzlemli düzen farklıdır:
- \(0\) ve \(2\pi\) açılarında, bir orto klor başka bir orto klorla karşı karşıyadır: daha yüksek engel.
- \(\pi\) açısında, iki yakın temas klor–hidrojen temasıdır: daha düşük engel.
- Bu eş düzlemli düzenler arasında, birbirinin ayna görüntüsü olan iki eş düzlemli olmayan enerji kuyusu bulunur.
Dolayısıyla nitel bir sterik çizim şu düzeni izler:
| Açı | \(0\) | \(\pi/2\) yakınında | \(\pi\) | \(3\pi/2\) yakınında | \(2\pi\) |
|---|---|---|---|---|---|
| C | Yüksek | Düşük | Aynı derecede yüksek | Aynı derecede düşük | Yüksek |
| D | En yüksek | Düşük | Daha düşük yerel maksimum | Aynı derecede düşük | En yüksek |
D için yansıma simetrisi şu ilişkiyi gerektirir:
\[ E_D(\Phi)=E_D(2\pi-\Phi). \]
Bunlar nitel profillerdir. Konjugasyon eş düzlemliliği, sterik itme ise burulmayı destekler; bu nedenle minimumlara karşılık gelen açılar tam olarak \(\pi/2\) ve \(3\pi/2\) olmak zorunda değildir; verilen bilgiler, sayısal enerjileri veya eğrilerin ince ayrıntılarını belirlemez.
5.5 — Artan rasemleşme güçlüğü
Bu eksenel kiral bifenillerde enantiyomerlerin birbirine dönüşmesi, eş düzlemli bir düzenden geçecek şekilde dönmeyi gerektirir. Bu nedenle yapılması gereken karşılaştırma, en kolay eş düzlemli geçişin sterik enerji maliyetidir.
- Ek kloru \(4\) konumunda olan G₂, halkalar arası bağa göre orto konumunda yalnızca iki klor taşımaya devam eder. Eklenen klor bu bağdan nispeten uzaktadır.
- Ek kloru \(3\) konumunda olan G₁ de iki orto klor taşır; ancak \(3\) konumundaki klor, komşu \(2\) konumundaki kloru sıkıştırır. Bu payandalama etkisi, dönmeye karşı sterik engeli artırır.
- Ek kloru \(6\) konumunda olan G₃, üç orto klor taşır. Artık halkalardan biri, halkalar arası bağın her iki yanında da klor taşır. Dolayısıyla her iki eş düzlemli geçişte de bir halkadaki orto klor, diğer halkadaki bir orto klorla karşı karşıya gelir.
Buna göre beklenen sterik sıralama şöyledir:
\[ \boxed{ \underbrace{\mathbf{G_2}}_{\text{ek }4\text{-Cl}} < \underbrace{\mathbf{G_1}}_{\text{ek }3\text{-Cl}} < \underbrace{\mathbf{G_3}}_{\text{ek }6\text{-Cl}} }. \]
5.6 — G₃'ün enantiyomerleri
Yukarıda kullanılan ortak numaralandırmayı koruyunuz: primsiz halkada \(2,5,6\) konumlarında, primli halkada ise \(2',5'\) konumlarında klor bulunur.
2,2′,5,5′,6-pentaklorobifenilin —eşdeğer olarak 2,2′,3,5′,6-pentaklorobifenilin— iki eksenel enantiyomerinin bağlanma düzenini gösteren SMILES şöyledir:
c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1Cl.
Sıradan SMILES gösterimi, buradaki sabitlenmiş eksenel konfigürasyonları ayırt etmez. Aşağıdaki bağ ekseni doğrultusundaki bakış tanımlamaları, açık bir enantiyomer çiftini belirtir.
Primsiz \(C1\)'den primli \(C1'\)'e doğru bakınız. Ön halkayı, \(C2\) saat 12 yönünde ve \(C6\) saat 6 yönünde olacak şekilde düşey olarak sabitleyiniz. \(C5\)'teki kloru \(C6\) tarafında bulunur.
| Özellik | Enantiyomer I | Enantiyomer II |
|---|---|---|
| Ön halka | Tanımlandığı gibi sabit | Aynı sabit yönelim |
| Klor taşıyan arkadaki \(C2'\) | Saat 3 yönünde | Saat 9 yönünde |
| Hidrojen taşıyan arkadaki \(C6'\) | Saat 9 yönünde | Saat 3 yönünde |
| Klor taşıyan arkadaki \(C5'\) | \(C6'\) tarafında, solda | \(C6'\) tarafında, sağda |
| Halka düzlemleri arasındaki burulma açısı | \(+\pi/2\) | \(-\pi/2\) |
Ön halkanın düzlemine göre yansıma, I'i II'ye dönüştürür. Bunlar üst üste çakıştırılamayan ayna görüntüleridir: eksenel \(R_{\mathrm a}/S_{\mathrm a}\) çifti.
Ön halkanın her iki orto konumu da klor taşımasına rağmen, halka etrafındaki iki yol farklıdır: \(C6\) üzerinden giden yol \(C5\)'te klorla, \(C2\) üzerinden giden yol ise \(C3\)'te hidrojenle karşılaşır. Benzer şekilde, primli halkada da \(C2'\) ve \(C6'\) üzerinden giden yollar eşdeğer değildir. Dolayısıyla sübstitüsyon düzeni eksenel kiraliteye olanak verir.
5.7 — Yok etme
Uygun bir kimyasal yöntem, tam oksidasyon için yeterli kalış süresi sağlanarak ve oluşan hidrojen klorür tutularak, oksijen fazlasında kontrollü yüksek sıcaklıkta yakmadır.
Pentaklorobifenil izomerlerinden herhangi biri için:
\[ \ce{C12H5Cl5 + 12 O2 -> 12 CO2 + 5 HCl}. \]
Tepkimeye giren bileşik, yukarıda listelenen bir pentaklorobifenildir; diğer moleküler türler oksijen O=O, karbon dioksit O=C=O ve hidrojen klorür Cl'dir.
Denklemde tüm atomlar denkleştirilmiştir: on iki karbon on iki karbon dioksit molekülü oluştururken, beş hidrojen ve beş klor beş hidrojen klorür molekülü oluşturur.
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 5
Derivados halogenados de los hidrocarburos
Tras hacer pasar 0.25 mol del hidrocarburo A sobre piedra pómez calentada (950 K) en un tubo de hierro, se obtuvieron el compuesto B con un rendimiento del 80 % (es decir, 15.4 g) y 2.4 dm\(^3\) de hidrógeno (295 K, 102 kPa).
B y el hidrógeno son los únicos productos. A partir de B, por reacción con un halógeno en presencia de un ácido de Lewis, se obtiene una mezcla de los derivados halogenados C, D, E, F y G. Cada uno de los compuestos C a G contiene un átomo de halógeno más que el compuesto anterior. Para los compuestos C a F solo se forma uno de los isómeros posibles. En el compuesto G no existe tal preferencia y sus tres isómeros G₁, G₂ y G₃ se encuentran en la mezcla. Los compuestos C a F se racemizan fácilmente, de modo que no se observa isomería óptica. Sin embargo, la racemización es difícil para G₁, G₂ y, especialmente, para G₃. En el espectro de masas de E solo se observaron tres picos isotópicos. Sus intensidades relativas son 1: 1: 0.3.
Información:
- \(k_{\mathrm{ortho}}>k_{\mathrm{para}}\) en el compuesto B.
- El efecto del primer halógeno en el anillo: \(k_{\mathrm{para}}>k_{\mathrm{ortho}}\).
- Los compuestos D y F, en una de sus conformaciones, tienen un centro de simetría.
- Las contribuciones de los isótopos de carbono e hidrógeno al espectro de masas de E son despreciables.
- Abundancia natural de los isótopos de los halógenos:
\(\ce{^{19}F}=100\ \%\);
\(\ce{^{35}Cl}=75.53\ \%\); \(\ce{^{37}Cl}=24.47\ \%\);
\(\ce{^{79}Br}=50.54\ \%\); \(\ce{^{81}Br}=49.46\ \%\);
\(\ce{^{127}I}=100\ \%\).
5.1 Indique las estructuras de A, B, C, D, E, F, G₁, G₂ y G₃.
5.2 Explique su elección del halógeno.
5.3 Dibuje y rotule las fórmulas estereoquímicas de los isómeros rotacionales de D para \(\Phi=0,\pi/2,\pi,\) y \(3\pi/2\), donde \(\Phi\) denota el ángulo diedro o de torsión en radianes y \(\vartheta=0\) describe la configuración de energía máxima.
5.4 Dibuje los perfiles de los cambios de energía en función del ángulo de rotación alrededor del enlace \(\ce{C-C}\) para los compuestos C y D.
5.5 Ordene G₁, G₂, G₃ según su dificultad creciente de racemización. Explique su respuesta.
5.6 Dibuje las fórmulas estereoquímicas de los enantiómeros de G₃.
5.7 Proponga una reacción química o un método biológico mediante el cual puedan destruirse compuestos como estos.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 5.1 Las estructuras se indican a continuación. Numere los dos anillos del bifenilo a partir de los átomos que forman el enlace de unión, \(1\) y \(1'\). Defina G₁, G₂, G₃ añadiendo el quinto cloro a F en las posiciones \(3,4,6\), respectivamente.
| Compuesto | Nombre | SMILES |
|---|---|---|
| A | Benceno | c1ccccc1 |
| B | Bifenilo | c1(-c2ccccc2)ccccc1 |
| C | 2-Clorobifenilo | c1(-c2ccccc2)c(Cl)cccc1 |
| D | 2,2′-Diclorobifenilo | c1(-c2c(Cl)cccc2)c(Cl)cccc1 |
| E | 2,2′,5-Triclorobifenilo | c1(-c2c(Cl)cccc2)c(Cl)ccc(Cl)c1 |
| F | 2,2′,5,5′-Tetraclorobifenilo | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1 |
| G₁ | 2,2′,3,5,5′-Pentaclorobifenilo | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)c(Cl)cc(Cl)c1 |
| G₂ | 2,2′,4,5,5′-Pentaclorobifenilo | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)cc(Cl)c(Cl)c1 |
| G₃ | 2,2′,5,5′,6-Pentaclorobifenilo, equivalentemente 2,2′,3,5′,6-pentaclorobifenilo | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1Cl |
-
5.2 El halógeno es el cloro. Tres átomos de cloro dan la relación de intensidades de los picos isotópicos \[ 1:0.972:0.315:0.0340. \] Los tres primeros picos coinciden con la relación indicada, \(1:1:0.3\); se predice un cuarto pico débil.
-
5.3 Para D: \(0\), coplanar con los dos cloros en orto en el mismo lado, energía máxima; \(\pi/2\), un enantiómero con los anillos girados entre sí; \(\pi\), coplanar con los cloros en lados opuestos y con un centro de inversión; \(3\pi/2\), el enantiómero con los anillos girados entre sí que es la imagen especular del anterior.
-
5.4 C tiene barreras coplanares equivalentes en \(0,\pi,2\pi\). D tiene barreras más altas en \(0,2\pi\) y una barrera coplanar más baja en \(\pi\). Ambos presentan regiones intermedias de menor energía con anillos no coplanares.
-
5.5 Con las designaciones definidas anteriormente, la dificultad creciente de racemización es \[ \boxed{\mathbf{G_2<G_1<G_3}}. \]
-
5.6 G₃ tiene dos enantiómeros axiales. Si se mantiene fijo el anillo delantero, las orientaciones perpendiculares del anillo trasero a \(+\pi/2\) y \(-\pi/2\) dan un par explícito de imágenes especulares, descrito más adelante. Su SMILES ordinario de conectividad es el mismo que se indica para G₃.
-
5.7 La incineración completa y controlada destruye estos compuestos. Para un pentaclorobifenilo: \[ \boxed{\ce{C12H5Cl5 + 12 O2 -> 12 CO2 + 5 HCl}}. \]
Solución
5.1 — Identificación de los hidrocarburos y de los patrones de sustitución
La cantidad de hidrógeno, hidrógeno gaseoso [H][H], es
\[ n(\ce{H2})=\frac{pV}{RT} =\frac{(102\ \mathrm{kPa})(2.4\ \mathrm{dm^3})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,dm^3\,mol^{-1}\,K^{-1}})(295\ \mathrm K)} =0.0998\ \mathrm{mol}\approx0.10\ \mathrm{mol}. \]
Con un rendimiento del 80 %, la cantidad de A transformada en los productos indicados es
\[ n_{\mathrm{converted}}(\mathbf A) =0.80(0.25\ \mathrm{mol}) =0.20\ \mathrm{mol}. \]
El hidrógeno tiene una masa de aproximadamente \(0.20\ \mathrm g\). Como B y el hidrógeno son los únicos productos, el balance de masa da
\[ M(\mathbf A) =\frac{15.4\ \mathrm g+0.20\ \mathrm g}{0.20\ \mathrm{mol}} \approx78\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Esto es compatible con el benceno, \(\ce{C6H6}\). La sustitución aromática y la rotación alrededor de un enlace que une dos anillos permiten identificar B como bifenilo, formado por acoplamiento deshidrogenante:
\[ \ce{2 C6H6 ->[950 K,\ pumice,\ iron] C12H10 + H2}. \]
La cantidad y la masa de bifenilo previstas son
\[ n(\mathbf B)=\frac{0.80(0.25)}{2}=0.10\ \mathrm{mol}, \]
\[ m(\mathbf B)=(0.10\ \mathrm{mol})(154\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =15.4\ \mathrm g. \]
Por tanto, tanto la masa de B como el volumen de hidrógeno concuerdan con la reacción propuesta.
Como se establece en 5.2, el sustituyente es el cloro. El cloro, ClCl, experimenta sucesivas sustituciones electrófilas aromáticas en presencia de un ácido de Lewis, produciendo cloruro de hidrógeno, Cl. La ecuación global ajustada para cada grado de sustitución es
\[ \ce{C12H10 + n Cl2 ->[Lewis acid] C12H_{10-n}Cl_n + n HCl}, \qquad n=1,2,3,4,5. \]
La secuencia de sustitución se deduce de la información sobre la orientación y la simetría:
-
C: En el bifenilo, la relación indicada \(k_{\mathrm{ortho}}>k_{\mathrm{para}}\) selecciona la posición \(2\). Por tanto, C es 2-clorobifenilo.
-
D: Un centro de inversión en el punto medio del enlace entre los anillos debe intercambiar anillos sustituidos de forma idéntica. Por ello, el segundo cloro ocupa la posición orto equivalente del otro anillo, dando 2,2′-diclorobifenilo. Su conformación coplanar con los cloros en lados opuestos tiene el centro de inversión requerido.
-
E: Cada anillo lleva ahora un cloro. El siguiente cloro entra en posición para respecto a un cloro ya presente: la posición \(5\), que es para respecto a la posición \(2\). Los dos anillos son equivalentes antes de esta sustitución, por lo que E es 2,2′,5-triclorobifenilo.
-
F: La condición del centro de inversión exige patrones de sustitución coincidentes en los dos anillos. Por ello, el cuarto cloro entra en la posición \(5'\), dando 2,2′,5,5′-tetraclorobifenilo.
-
G: En F, las posiciones restantes de cualquiera de los anillos son \(3,4,6\). El intercambio de los anillos no genera isómeros constitucionales adicionales. Así pues, hay exactamente tres posibilidades: \[ \begin{aligned} \mathbf{G_1}:&\quad 2,2',3,5,5',\\ \mathbf{G_2}:&\quad 2,2',4,5,5',\\ \mathbf{G_3}:&\quad 2,2',5,5',6. \end{aligned} \] Estas son las estructuras y los SMILES que figuran en Respuestas.
5.2 — Identificación del halógeno a partir del patrón isotópico
E contiene tres átomos de halógeno. Tanto el flúor como el yodo tienen un único isótopo en los datos de abundancia proporcionados, por lo que ninguno puede producir el grupo de picos isotópicos observado debido al halógeno.
Para el cloro, tomemos
\[ p=0.7553,\qquad q=0.2447. \]
Las probabilidades de incorporar cero, uno, dos o tres átomos de \(\ce{^{37}Cl}\) son los términos de
\[ (p+q)^3=p^3+3p^2q+3pq^2+q^3. \]
En consecuencia,
\[ I_M:I_{M+2}:I_{M+4}:I_{M+6} =p^3:3p^2q:3pq^2:q^3. \]
Al normalizar respecto al primer pico se obtiene
\[ 1:3\frac qp:3\left(\frac qp\right)^2: \left(\frac qp\right)^3 = \boxed{1:0.9719:0.3149:0.03401}. \]
Para E, \(\ce{C12H7Cl3}\), estos corresponden a masas nominales del ion molecular de \(256,258,260,262\).
Las tres primeras intensidades se redondean a la relación indicada, \(1:1:0.3\). La cuarta es mucho menor, aunque no es matemáticamente nula.
En cambio, tres átomos de bromo, utilizando las abundancias proporcionadas, darían aproximadamente
\[ 1:2.936:2.873:0.937, \]
lo cual no concuerda. Por tanto, el cloro es la identificación que se pretende obtener.
5.3 — Isómeros rotacionales de D
Utilice la siguiente convención precisa de observación a lo largo del eje:
- Mire a lo largo del enlace entre los anillos desde \(C1\), sin prima, hacia \(C1'\), con prima.
- Mantenga fijo el anillo delantero, con su cloro de \(C2\) a las 12 en punto y su hidrógeno de \(C6\) a las 6 en punto.
- Defina \(\Phi=0\) cuando el cloro de \(C2'\) del anillo trasero también esté a las 12 en punto.
- Aumente \(\Phi\) girando el anillo trasero en sentido horario en esta vista.
Los dibujos solicitados tienen entonces estas características:
| \(\Phi\) | Cloro de \(C2'\) del anillo trasero | Hidrógeno de \(C6'\) del anillo trasero | Conformación y designación estereoquímica |
|---|---|---|---|
| \(0\) | 12 en punto | 6 en punto | Coplanar; cloros en el mismo lado del eje; aquiral; máxima congestión estérica y energía máxima |
| \(\pi/2\) | 3 en punto | 9 en punto | Planos de los anillos perpendiculares; confórmero quiral I |
| \(\pi\) | 6 en punto | 12 en punto | Coplanar; cloros en lados opuestos; aquiral; centro de inversión en el punto medio del enlace entre los anillos |
| \(3\pi/2\) | 9 en punto | 3 en punto | Planos de los anillos perpendiculares; confórmero quiral II, imagen especular de I |
En \(\Phi=0\), los átomos de cloro en orto se aproximan directamente entre sí. En \(\Phi=\pi\), cada cloro en orto se encuentra, en cambio, con un hidrógeno en orto. Por ello, este último paso por una conformación coplanar tiene la barrera estérica más baja.
El SMILES de D especifica la conectividad; estas descripciones angulares especifican sus conformaciones.
5.4 — Perfiles de energía torsional de C y D
Represente la energía en el eje vertical y \(\Phi\), de \(0\) a \(2\pi\), en el horizontal, utilizando la convención de 5.3.
Para C, el anillo no sustituido tiene posiciones orto equivalentes. Girarlo un ángulo \(\pi\) produce una disposición equivalente, de modo que
\[ E_C(\Phi+\pi)=E_C(\Phi). \]
Las disposiciones coplanares en \(0,\pi,2\pi\) tienen interacciones estéricas idénticas y, por tanto, barreras de igual altura. Dibuje regiones no coplanares equivalentes de menor energía entre barreras coplanares sucesivas.
Para D, las dos disposiciones coplanares difieren:
- En \(0\) y \(2\pi\), un cloro en orto queda frente a otro cloro en orto: la barrera más alta.
- En \(\pi\), los dos contactos próximos son contactos cloro–hidrógeno: la barrera más baja.
- Entre estas disposiciones coplanares se encuentran dos pozos de energía no coplanares relacionados por reflexión especular.
Por tanto, un esquema estérico cualitativo sigue este patrón:
| Ángulo | \(0\) | Cerca de \(\pi/2\) | \(\pi\) | Cerca de \(3\pi/2\) | \(2\pi\) |
|---|---|---|---|---|---|
| C | Alta | Baja | Igualmente alta | Igualmente baja | Alta |
| D | Máxima | Baja | Máximo local más bajo | Igualmente baja | Máxima |
Para D, la reflexión exige
\[ E_D(\Phi)=E_D(2\pi-\Phi). \]
Estos perfiles son cualitativos. La conjugación favorece la coplanaridad, mientras que la repulsión estérica favorece la torsión, por lo que los ángulos exactos de los mínimos no tienen por qué ser precisamente \(\pi/2\) y \(3\pi/2\); la información proporcionada no determina valores numéricos de energía ni detalles finos de las curvas.
5.5 — Dificultad creciente de racemización
Para estos bifenilos con quiralidad axial, la interconversión de los enantiómeros requiere una rotación que pase por una disposición coplanar. Por ello, la comparación pertinente es la del coste estérico del paso coplanar más fácil.
- G₂, con el cloro adicional en \(4\), conserva solo dos cloros en orto respecto al enlace entre los anillos. El cloro añadido está relativamente alejado de ese enlace.
- G₁, con el cloro adicional en \(3\), también tiene dos cloros en orto, pero el cloro de \(3\) congestiona estéricamente al cloro adyacente de \(2\). Este efecto de contrafuerte aumenta el impedimento estérico a la rotación.
- G₃, con el cloro adicional en \(6\), tiene tres cloros en orto. Uno de los anillos lleva ahora cloro a ambos lados del enlace entre los anillos. Por tanto, cualquiera de los dos pasos coplanares enfrenta un cloro en orto de un anillo con un cloro en orto del otro.
En consecuencia, el orden estérico esperado es
\[ \boxed{ \underbrace{\mathbf{G_2}}_{\text{adicional }4\text{-Cl}} < \underbrace{\mathbf{G_1}}_{\text{adicional }3\text{-Cl}} < \underbrace{\mathbf{G_3}}_{\text{adicional }6\text{-Cl}} }. \]
5.6 — Enantiómeros de G₃
Mantenga la numeración común utilizada anteriormente: el anillo sin primas tiene cloros en \(2,5,6\), y el anillo con primas en \(2',5'\).
Los dos enantiómeros axiales del 2,2′,5,5′,6-pentaclorobifenilo —equivalentemente, 2,2′,3,5′,6-pentaclorobifenilo— tienen el SMILES de conectividad
c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1Cl.
El SMILES ordinario no distingue aquí las configuraciones axiales inmovilizadas. Las siguientes descripciones vistas a lo largo del eje especifican un par enantiomérico explícito.
Mire desde \(C1\), sin prima, hacia \(C1'\), con prima. Fije el anillo delantero verticalmente, con \(C2\) a las 12 en punto y \(C6\) a las 6 en punto. Su cloro de \(C5\) se encuentra en el lado de \(C6\).
| Característica | Enantiómero I | Enantiómero II |
|---|---|---|
| Anillo delantero | Fijo como se ha descrito | Orientación fija idéntica |
| \(C2'\) del anillo trasero, que lleva cloro | 3 en punto | 9 en punto |
| \(C6'\) del anillo trasero, que lleva hidrógeno | 9 en punto | 3 en punto |
| \(C5'\) del anillo trasero, que lleva cloro | En el lado de \(C6'\), a la izquierda | En el lado de \(C6'\), a la derecha |
| Torsión entre los planos de los anillos | \(+\pi/2\) | \(-\pi/2\) |
La reflexión en el plano del anillo delantero convierte I en II. Son imágenes especulares no superponibles: el par axial \(R_{\mathrm a}/S_{\mathrm a}\).
Aunque ambas posiciones orto del anillo delantero llevan cloro, sus dos recorridos alrededor del anillo son diferentes: el recorrido por \(C6\) encuentra cloro en \(C5\), mientras que el recorrido por \(C2\) encuentra hidrógeno en \(C3\). El anillo con primas también tiene recorridos no equivalentes por \(C2'\) y \(C6'\). Por tanto, el patrón de sustitución permite la quiralidad axial.
5.7 — Destrucción
Un método químico adecuado es la incineración controlada a alta temperatura en exceso de oxígeno, con un tiempo de residencia suficiente para la oxidación completa y la captura del cloruro de hidrógeno producido.
Para cualquiera de los isómeros del pentaclorobifenilo:
\[ \ce{C12H5Cl5 + 12 O2 -> 12 CO2 + 5 HCl}. \]
El reactivo es uno de los pentaclorobifenilos enumerados anteriormente; las otras especies moleculares son oxígeno O=O, dióxido de carbono O=C=O y cloruro de hidrógeno Cl.
La ecuación está ajustada para todos los átomos: doce carbonos forman doce moléculas de dióxido de carbono, mientras que los cinco hidrógenos y los cinco cloros forman cinco moléculas de cloruro de hidrógeno.
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 5
烃的卤代衍生物
将 0.25 mol 烃 A 通入铁管,使其通过加热的浮石(950 K)后,得到产率为 80 % 的化合物 B(即 15.4 g)和 2.4 dm\(^3\) 氢气(295 K,102 kPa)。
B 和氢气是仅有的产物。在 Lewis 酸存在下,B 与一种卤素反应,生成卤代衍生物 C、D、E、F 和 G 的混合物。从 C 到 G,每一种化合物均比前一种多含一个卤素原子。对于化合物 C 至 F,各自都只生成一种可能的异构体。化合物 G 则没有这种选择性,混合物中存在其三种异构体 G₁、G₂ 和 G₃。化合物 C 至 F 容易发生外消旋化,因此不表现出旋光异构现象。然而,G₁、G₂,尤其是 G₃,难以发生外消旋化。在 E 的质谱中仅观察到三个同位素峰,其相对强度为 1: 1: 0.3。
已知信息:
- 在化合物 B 中,\(k_{\mathrm{ortho}}>k_{\mathrm{para}}\)。
- 环上第一个卤素的影响:\(k_{\mathrm{para}}>k_{\mathrm{ortho}}\)。
- 化合物 D 和 F 各有一种构象具有对称中心。
- 碳和氢的同位素对 E 的质谱的贡献可忽略不计。
- 卤素同位素的天然丰度:
\(\ce{^{19}F}=100\ \%\);
\(\ce{^{35}Cl}=75.53\ \%\);\(\ce{^{37}Cl}=24.47\ \%\);
\(\ce{^{79}Br}=50.54\ \%\);\(\ce{^{81}Br}=49.46\ \%\);
\(\ce{^{127}I}=100\ \%\)。
5.1 给出 A、B、C、D、E、F、G₁、G₂ 和 G₃ 的结构。
5.2 说明你选择该卤素的理由。
5.3 画出并标注 D 在 \(\Phi=0,\pi/2,\pi,\) 和 \(3\pi/2\) 时的旋转异构体的立体结构式,其中 \(\Phi\) 表示以弧度为单位的二面角或扭转角,\(\vartheta=0\) 表示能量最高的构型。
5.4 画出化合物 C 和 D 的能量随绕 \(\ce{C-C}\) 键旋转角度变化的曲线。
5.5 将 G₁、G₂、G₃ 按外消旋化难度递增的顺序排列。解释你的答案。
5.6 画出 G₃ 的对映异构体的立体结构式。
5.7 提出一种可用于销毁这类化合物的化学反应或生物方法。
题目译自官方英文原文。
答案
- 5.1 结构如下。从形成两环间连接键的原子 \(1\) 和 \(1'\) 开始,分别对联苯的两个环编号。将第五个氯分别加到 F 的 \(3,4,6\) 位,所得化合物依次定义为 G₁、G₂、G₃。
| 化合物 | 名称 | SMILES |
|---|---|---|
| A | 苯 | c1ccccc1 |
| B | 联苯 | c1(-c2ccccc2)ccccc1 |
| C | 2-氯联苯 | c1(-c2ccccc2)c(Cl)cccc1 |
| D | 2,2′-二氯联苯 | c1(-c2c(Cl)cccc2)c(Cl)cccc1 |
| E | 2,2′,5-三氯联苯 | c1(-c2c(Cl)cccc2)c(Cl)ccc(Cl)c1 |
| F | 2,2′,5,5′-四氯联苯 | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1 |
| G₁ | 2,2′,3,5,5′-五氯联苯 | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)c(Cl)cc(Cl)c1 |
| G₂ | 2,2′,4,5,5′-五氯联苯 | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)cc(Cl)c(Cl)c1 |
| G₃ | 2,2′,5,5′,6-五氯联苯,等价名称为 2,2′,3,5′,6-五氯联苯 | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1Cl |
-
5.2 该卤素是氯。三个氯原子给出的同位素峰强度比为 \[ 1:0.972:0.315:0.0340. \] 前三个峰与题给的 \(1:1:0.3\) 相符;预计还应有一个较弱的第四峰。
-
5.3 对于 D:\(0\),两环共面,两个邻位氯位于同侧,能量最高;\(\pi/2\),一种扭转的对映构象;\(\pi\),两环共面,氯位于异侧,具有反演中心;\(3\pi/2\),与前一种扭转构象互为镜像的对映构象。
-
5.4 C 在 \(0,\pi,2\pi\) 处具有等高的共面势垒。D 在 \(0,2\pi\) 处的势垒较高,在 \(\pi\) 处的共面势垒较低。两者在这些势垒之间均存在两环不共面的较低能量区域。
-
5.5 按上述标记,外消旋化难度递增的顺序为 \[ \boxed{\mathbf{G_2<G_1<G_3}}. \]
-
5.6 G₃ 有两个轴手性对映异构体。固定前环,使后环分别取 \(+\pi/2\) 和 \(-\pi/2\) 的垂直取向,即得到一对明确的镜像结构,具体描述见下文。它们表示普通连接关系的 SMILES 与上表中 G₃ 的 SMILES 相同。
-
5.7 受控完全焚烧可销毁这些化合物。对于五氯联苯: \[ \boxed{\ce{C12H5Cl5 + 12 O2 -> 12 CO2 + 5 HCl}}. \]
解答
5.1 — 烃及其取代模式的确定
氢气 [H][H] 的物质的量为
\[ n(\ce{H2})=\frac{pV}{RT} =\frac{(102\ \mathrm{kPa})(2.4\ \mathrm{dm^3})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,dm^3\,mol^{-1}\,K^{-1}})(295\ \mathrm K)} =0.0998\ \mathrm{mol}\approx0.10\ \mathrm{mol}. \]
产率为 80 % 时,转化为上述产物的 A 的物质的量为
\[ n_{\mathrm{converted}}(\mathbf A) =0.80(0.25\ \mathrm{mol}) =0.20\ \mathrm{mol}. \]
氢气的质量约为 \(0.20\ \mathrm g\)。由于 B 和氢气是仅有的产物,由质量守恒得
\[ M(\mathbf A) =\frac{15.4\ \mathrm g+0.20\ \mathrm g}{0.20\ \mathrm{mol}} \approx78\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
这与苯 \(\ce{C6H6}\) 相符。根据芳香取代反应以及绕连接两个环的键的旋转,可确定 B 为联苯,由脱氢偶联生成:
\[ \ce{2 C6H6 ->[950 K,\ pumice,\ iron] C12H10 + H2}. \]
预计生成的联苯的物质的量和质量为
\[ n(\mathbf B)=\frac{0.80(0.25)}{2}=0.10\ \mathrm{mol}, \]
\[ m(\mathbf B)=(0.10\ \mathrm{mol})(154\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =15.4\ \mathrm g. \]
因此,B 的质量和氢气的体积均与所提出的反应相符。
如 5.2 中所确定的,取代基为氯。氯气 ClCl 在 Lewis 酸存在下依次发生芳香亲电取代反应,生成氯化氢 Cl。对于各取代程度,配平的总反应方程式为
\[ \ce{C12H10 + n Cl2 ->[Lewis acid] C12H_{10-n}Cl_n + n HCl}, \qquad n=1,2,3,4,5. \]
由定位效应和对称性信息可推得以下取代顺序:
-
C: 在联苯中,题给的 \(k_{\mathrm{ortho}}>k_{\mathrm{para}}\) 表明取代发生在 \(2\) 位。因此,C 是 2-氯联苯。
-
D: 位于两环间连接键中点的反演中心必须使取代方式相同的两个环相互交换。因此,第二个氯占据另一环上等价的邻位,得到 2,2′-二氯联苯。其两环共面、氯位于异侧的构象具有所要求的反演中心。
-
E: 此时每个环上均有一个氯。下一个氯进入已有氯的对位,即 \(5\) 位,它位于 \(2\) 位的对位。在此次取代前两个环是等价的,因此 E 是 2,2′,5-三氯联苯。
-
F: 反演中心这一条件要求两个环具有相同的取代模式。因此,第四个氯进入 \(5'\) 位,得到 2,2′,5,5′-四氯联苯。
-
G: 在 F 中,任一环上剩余的位置均为 \(3,4,6\)。交换两个环不会产生额外的构造异构体。因此恰有三种可能: \[ \begin{aligned} \mathbf{G_1}:&\quad 2,2',3,5,5',\\ \mathbf{G_2}:&\quad 2,2',4,5,5',\\ \mathbf{G_3}:&\quad 2,2',5,5',6. \end{aligned} \] 这些就是答案中列出的结构及 SMILES。
5.2 — 根据同位素峰型确定卤素
E 含有三个卤素原子。在题给的丰度数据中,氟和碘各只有一种同位素,因此二者均不能产生所观察到的由卤素引起的同位素峰簇。
对于氯,令
\[ p=0.7553,\qquad q=0.2447. \]
含有零个、一个、两个或三个 \(\ce{^{37}Cl}\) 原子的概率分别为下式展开后的各项:
\[ (p+q)^3=p^3+3p^2q+3pq^2+q^3. \]
因此,
\[ I_M:I_{M+2}:I_{M+4}:I_{M+6} =p^3:3p^2q:3pq^2:q^3. \]
以第一个峰为基准归一化,得
\[ 1:3\frac qp:3\left(\frac qp\right)^2: \left(\frac qp\right)^3 = \boxed{1:0.9719:0.3149:0.03401}. \]
对于 E(\(\ce{C12H7Cl3}\)),这些峰对应的分子离子标称质量为 \(256,258,260,262\)。
前三个峰的强度经取整后为题给的 \(1:1:0.3\)。第四个峰小得多,但在数学上并不为零。
相比之下,采用题给的丰度,三个溴原子给出的强度比约为
\[ 1:2.936:2.873:0.937, \]
这与题给数据不符。因此,题目所指的卤素是氯。
5.3 — D 的旋转异构体
采用以下明确的沿轴观察约定:
- 沿两环间的连接键,从不带撇号的 \(C1\) 朝带撇号的 \(C1'\) 观察。
- 保持前环固定,使其 \(C2\) 上的氯位于 12 点钟方向,\(C6\) 上的氢位于 6 点钟方向。
- 将后环 \(C2'\) 上的氯也处于 12 点钟方向时定义为 \(\Phi=0\)。
- 在此视图中,后环顺时针旋转时,\(\Phi\) 增大。
所要求的图应具有以下特征:
| \(\Phi\) | 后环 \(C2'\) 上的氯 | 后环 \(C6'\) 上的氢 | 构象及立体化学标注 |
|---|---|---|---|
| \(0\) | 12 点钟方向 | 6 点钟方向 | 两环共面;氯位于轴的同侧;非手性;空间拥挤程度最大,能量最高 |
| \(\pi/2\) | 3 点钟方向 | 9 点钟方向 | 两环平面相互垂直;手性构象 I |
| \(\pi\) | 6 点钟方向 | 12 点钟方向 | 两环共面;氯位于异侧;非手性;两环间连接键的中点为反演中心 |
| \(3\pi/2\) | 9 点钟方向 | 3 点钟方向 | 两环平面相互垂直;手性构象 II,与 I 互为镜像 |
在 \(\Phi=0\) 时,邻位氯原子直接相互靠近。在 \(\Phi=\pi\) 时,每个邻位氯所接近的则是一个邻位氢。因此,经由后一种共面构象的旋转路径具有较低的空间位阻势垒。
D 的 SMILES 指定了连接关系;这些角度描述则指定了其构象。
5.4 — C 和 D 的扭转能量曲线
采用 5.3 中的约定,以能量为纵轴,以从 \(0\) 到 \(2\pi\) 的 \(\Phi\) 为横轴作图。
对于 C,未取代环的两个邻位等价。将该环旋转 \(\pi\) 后得到等价的排列,因此
\[ E_C(\Phi+\pi)=E_C(\Phi). \]
在 \(0,\pi,2\pi\) 处的共面排列具有相同的空间位阻相互作用,因此势垒高度相等。在相邻的共面势垒之间,画出等价的、能量较低的非共面区域。
对于 D,两种共面排列不同:
- 在 \(0\) 和 \(2\pi\) 处,一个邻位氯正对另一个邻位氯:势垒较高。
- 在 \(\pi\) 处,两对近距离接触均为氯–氢接触:势垒较低。
- 这些共面排列之间存在两个互为镜像的非共面势阱。
因此,反映空间位阻的定性示意图具有以下模式:
| 角度 | \(0\) | \(\pi/2\) 附近 | \(\pi\) | \(3\pi/2\) 附近 | \(2\pi\) |
|---|---|---|---|---|---|
| C | 高 | 低 | 同样高 | 同样低 | 高 |
| D | 最高 | 低 | 较低的局部极大值 | 同样低 | 最高 |
对于 D,镜像对称性要求
\[ E_D(\Phi)=E_D(2\pi-\Phi). \]
这些是定性曲线。共轭作用有利于共面,而空间排斥作用有利于扭转,因此能量极小值对应的角度不一定恰好为 \(\pi/2\) 和 \(3\pi/2\);题给信息无法确定能量的数值或曲线的精细细节。
5.5 — 外消旋化难度递增的顺序
对于这些具有轴手性的联苯,对映异构体之间的相互转化需要旋转并经过共面排列。因此,应比较的是经由最容易通过的共面构象所需克服的空间位阻。
- G₂ 的新增氯位于 \(4\) 位,仍然只有两个氯处于两环间连接键的邻位。新增氯距离该键较远。
- G₁ 的新增氯位于 \(3\) 位,也有两个邻位氯,但 \(3\) 位氯会挤迫相邻的 \(2\) 位氯。这种支撑效应增大了旋转的空间位阻。
- G₃ 的新增氯位于 \(6\) 位,具有三个邻位氯。此时一个环在两环间连接键的两侧都带有氯。因此,无论经由哪一种共面构象,一个环上的邻位氯都会与另一环上的邻位氯相对接近。
因此,预期按空间位阻排列的顺序为
\[ \boxed{ \underbrace{\mathbf{G_2}}_{\text{新增 }4\text{-Cl}} < \underbrace{\mathbf{G_1}}_{\text{新增 }3\text{-Cl}} < \underbrace{\mathbf{G_3}}_{\text{新增 }6\text{-Cl}} }. \]
5.6 — G₃ 的对映异构体
沿用上述统一编号:不带撇号的环在 \(2,5,6\) 位带有氯,带撇号的环在 \(2',5'\) 位带有氯。
2,2′,5,5′,6-五氯联苯(等价名称为 2,2′,3,5′,6-五氯联苯)的两个轴手性对映异构体具有如下表示连接关系的 SMILES:
c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1Cl。
普通 SMILES 无法区分这里被冻结的轴手性构型。以下沿轴观察的描述明确指定了一对对映异构体。
从不带撇号的 \(C1\) 朝带撇号的 \(C1'\) 观察。将前环固定在竖直方向,使 \(C2\) 位于 12 点钟方向,\(C6\) 位于 6 点钟方向。其 \(C5\) 上的氯位于 \(C6\) 一侧。
| 特征 | 对映异构体 I | 对映异构体 II |
|---|---|---|
| 前环 | 按上述描述固定 | 相同的固定取向 |
| 后环带有氯的 \(C2'\) | 3 点钟方向 | 9 点钟方向 |
| 后环带有氢的 \(C6'\) | 9 点钟方向 | 3 点钟方向 |
| 后环带有氯的 \(C5'\) | 位于 \(C6'\) 一侧,朝左 | 位于 \(C6'\) 一侧,朝右 |
| 环平面扭转角 | \(+\pi/2\) | \(-\pi/2\) |
以前环平面为镜面进行反射,可将 I 转变为 II。二者是不能重合的镜像,即轴手性的 \(R_{\mathrm a}/S_{\mathrm a}\) 对映体对。
虽然前环的两个邻位都带有氯,但沿环的两条路径不同:经过 \(C6\) 的路径在 \(C5\) 处遇到氯,而经过 \(C2\) 的路径在 \(C3\) 处遇到氢。带撇号的环上,经过 \(C2'\) 和 \(C6'\) 的路径同样不等价。因此,这种取代模式能够产生轴手性。
5.7 — 销毁
一种合适的化学方法是在过量氧气中进行受控高温焚烧,确保有足够的停留时间以实现完全氧化,并捕集生成的氯化氢。
对于任一种五氯联苯异构体:
\[ \ce{C12H5Cl5 + 12 O2 -> 12 CO2 + 5 HCl}. \]
反应物是上文列出的一种五氯联苯;其他分子物种为氧气 O=O、二氧化碳 O=C=O 和氯化氢 Cl。
该方程式中所有原子均已配平:十二个碳原子形成十二个二氧化碳分子,而五个氢原子和五个氯原子形成五个氯化氢分子。
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 5
Галогенпроизводные углеводородов
После пропускания 0.25 моль углеводорода A над нагретой пемзой (950 K) в железной трубе были получены соединение B с выходом 80 % (т. е. 15.4 г) и 2.4 дм\(^3\) водорода (295 K, 102 кПа).
B и водород — единственные продукты реакции. При взаимодействии B с галогеном в присутствии кислоты Льюиса образуется смесь галогенпроизводных C, D, E, F и G. Каждое из соединений от C до G содержит на один атом галогена больше, чем предыдущее соединение. Для соединений от C до F образуется только один из возможных изомеров. Для соединения G такой избирательности нет, и в смеси присутствуют три его изомера G₁, G₂ и G₃. Соединения от C до F легко рацемизуются, поэтому оптическая изомерия не наблюдается. Однако рацемизация G₁, G₂ и особенно G₃ затруднена. В масс-спектре E наблюдались только три изотопных пика. Их относительные интенсивности составляют 1: 1: 0.3.
Данные:
- В соединении B \(k_{\mathrm{ortho}}>k_{\mathrm{para}}\).
- Влияние первого атома галогена в кольце: \(k_{\mathrm{para}}>k_{\mathrm{ortho}}\).
- Соединения D и F в одной из своих конформаций имеют центр симметрии.
- Вклад изотопов углерода и водорода в масс-спектр E пренебрежимо мал.
- Природная распространённость изотопов галогенов:
\(\ce{^{19}F}=100\ \%\);
\(\ce{^{35}Cl}=75.53\ \%\); \(\ce{^{37}Cl}=24.47\ \%\);
\(\ce{^{79}Br}=50.54\ \%\); \(\ce{^{81}Br}=49.46\ \%\);
\(\ce{^{127}I}=100\ \%\).
5.1 Приведите структуры A, B, C, D, E, F, G₁, G₂ и G₃.
5.2 Объясните свой выбор галогена.
5.3 Нарисуйте и обозначьте стереоформулы поворотных изомеров D для \(\Phi=0,\pi/2,\pi,\) и \(3\pi/2\), где \(\Phi\) обозначает двугранный, или торсионный, угол в радианах, а \(\vartheta=0\) описывает конфигурацию с максимальной энергией.
5.4 Нарисуйте профили изменения энергии в зависимости от угла поворота вокруг связи \(\ce{C-C}\) для соединений C и D.
5.5 Расположите G₁, G₂, G₃ в порядке возрастания трудности рацемизации. Объясните свой ответ.
5.6 Нарисуйте стереоформулы энантиомеров G₃.
5.7 Предложите химическую реакцию или биологический метод, с помощью которых можно разрушить подобные соединения.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 5.1 Структуры приведены ниже. Пронумеруем два кольца бифенила, начиная с атомов, образующих соединяющую их связь, \(1\) и \(1'\). Обозначим через G₁, G₂, G₃ соединения, получаемые добавлением пятого атома хлора к F в положения \(3,4,6\) соответственно.
| Соединение | Название | SMILES |
|---|---|---|
| A | Бензол | c1ccccc1 |
| B | Бифенил | c1(-c2ccccc2)ccccc1 |
| C | 2-Хлорбифенил | c1(-c2ccccc2)c(Cl)cccc1 |
| D | 2,2′-Дихлорбифенил | c1(-c2c(Cl)cccc2)c(Cl)cccc1 |
| E | 2,2′,5-Трихлорбифенил | c1(-c2c(Cl)cccc2)c(Cl)ccc(Cl)c1 |
| F | 2,2′,5,5′-Тетрахлорбифенил | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1 |
| G₁ | 2,2′,3,5,5′-Пентахлорбифенил | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)c(Cl)cc(Cl)c1 |
| G₂ | 2,2′,4,5,5′-Пентахлорбифенил | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)cc(Cl)c(Cl)c1 |
| G₃ | 2,2′,5,5′,6-Пентахлорбифенил, равнозначное название — 2,2′,3,5′,6-пентахлорбифенил | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1Cl |
-
5.2 Галоген — хлор. Три атома хлора дают следующее соотношение интенсивностей изотопных пиков: \[ 1:0.972:0.315:0.0340. \] Первые три пика соответствуют указанному соотношению \(1:1:0.3\); предсказывается слабый четвёртый пик.
-
5.3 Для D: \(0\) — компланарная конформация с двумя атомами хлора в орто-положениях по одну сторону, наибольшая энергия; \(\pi/2\) — один из энантиомеров с повёрнутыми относительно друг друга кольцами; \(\pi\) — компланарная конформация с атомами хлора по противоположным сторонам, имеющая центр инверсии; \(3\pi/2\) — зеркальный энантиомер с повёрнутыми относительно друг друга кольцами.
-
5.4 У C эквивалентные барьеры, соответствующие компланарным конформациям, находятся при \(0,\pi,2\pi\). У D более высокие барьеры находятся при \(0,2\pi\), а более низкий барьер, соответствующий компланарной конформации, — при \(\pi\). В обоих случаях между ними расположены области более низкой энергии с некомпланарными кольцами.
-
5.5 При введённых выше обозначениях трудность рацемизации возрастает в ряду \[ \boxed{\mathbf{G_2<G_1<G_3}}. \]
-
5.6 G₃ имеет два аксиальных энантиомера. Если зафиксировать переднее кольцо, перпендикулярные ориентации заднего кольца при \(+\pi/2\) и \(-\pi/2\) дают конкретную пару зеркальных изомеров, описанную ниже. Их обычная запись SMILES, задающая связность, совпадает с приведённой для G₃.
-
5.7 Контролируемое полное сжигание разрушает эти соединения. Для пентахлорбифенила: \[ \boxed{\ce{C12H5Cl5 + 12 O2 -> 12 CO2 + 5 HCl}}. \]
Решение
5.1 — Определение углеводородов и схем замещения
Количество вещества водорода, газообразного водорода [H][H], равно
\[ n(\ce{H2})=\frac{pV}{RT} =\frac{(102\ \mathrm{kPa})(2.4\ \mathrm{dm^3})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,dm^3\,mol^{-1}\,K^{-1}})(295\ \mathrm K)} =0.0998\ \mathrm{mol}\approx0.10\ \mathrm{mol}. \]
При выходе 80 % количество вещества A, превратившегося в указанные продукты, составляет
\[ n_{\mathrm{converted}}(\mathbf A) =0.80(0.25\ \mathrm{mol}) =0.20\ \mathrm{mol}. \]
Масса водорода составляет приблизительно \(0.20\ \mathrm g\). Поскольку B и водород — единственные продукты, из баланса масс получаем
\[ M(\mathbf A) =\frac{15.4\ \mathrm g+0.20\ \mathrm g}{0.20\ \mathrm{mol}} \approx78\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Это согласуется с бензолом, \(\ce{C6H6}\). Ароматическое замещение и вращение вокруг связи, соединяющей два кольца, позволяют определить B как бифенил, образующийся при дегидрогенизационном сочетании:
\[ \ce{2 C6H6 ->[950 K,\ pumice,\ iron] C12H10 + H2}. \]
Расчётные количество вещества и масса бифенила составляют
\[ n(\mathbf B)=\frac{0.80(0.25)}{2}=0.10\ \mathrm{mol}, \]
\[ m(\mathbf B)=(0.10\ \mathrm{mol})(154\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =15.4\ \mathrm g. \]
Таким образом, и масса B, и объём водорода согласуются с предложенной реакцией.
Как установлено в 5.2, заместителем является хлор. Хлор, ClCl, вступает в последовательные реакции электрофильного ароматического замещения в присутствии кислоты Льюиса с образованием хлороводорода, Cl. Сбалансированное суммарное уравнение для каждой степени замещения имеет вид
\[ \ce{C12H10 + n Cl2 ->[Lewis acid] C12H_{10-n}Cl_n + n HCl}, \qquad n=1,2,3,4,5. \]
Последовательность замещения следует из данных об ориентирующем влиянии заместителей и симметрии:
-
C: В бифениле указанное соотношение \(k_{\mathrm{ortho}}>k_{\mathrm{para}}\) определяет замещение в положении \(2\). Следовательно, C — 2-хлорбифенил.
-
D: Центр инверсии в середине межкольцевой связи должен переводить друг в друга кольца с одинаковым набором заместителей. Поэтому второй атом хлора занимает эквивалентное орто-положение в другом кольце, образуя 2,2′-дихлорбифенил. Его компланарная конформация с атомами хлора по противоположным сторонам имеет требуемый центр инверсии.
-
E: Теперь каждое кольцо содержит один атом хлора. Следующий атом хлора вступает в пара-положение относительно уже имеющегося атома хлора: в положение \(5\), находящееся в пара-положении к положению \(2\). До этого замещения два кольца эквивалентны, поэтому E — 2,2′,5-трихлорбифенил.
-
F: Условие наличия центра инверсии требует одинаковых схем замещения в двух кольцах. Поэтому четвёртый атом хлора вступает в положение \(5'\), образуя 2,2′,5,5′-тетрахлорбифенил.
-
G: В F оставшиеся положения в каждом кольце — \(3,4,6\). Перестановка колец не даёт дополнительных структурных изомеров. Таким образом, существуют ровно три возможности: \[ \begin{aligned} \mathbf{G_1}:&\quad 2,2',3,5,5',\\ \mathbf{G_2}:&\quad 2,2',4,5,5',\\ \mathbf{G_3}:&\quad 2,2',5,5',6. \end{aligned} \] Это структуры и записи SMILES, приведённые в разделе Ответы.
5.2 — Определение галогена по изотопной картине
E содержит три атома галогена. Согласно приведённым данным о природной распространённости, фтор и иод имеют лишь по одному изотопу, поэтому ни один из них не может давать наблюдаемую группу изотопных пиков, обусловленную галогеном.
Для хлора положим
\[ p=0.7553,\qquad q=0.2447. \]
Вероятности включения нуля, одного, двух или трёх атомов \(\ce{^{37}Cl}\) задаются членами разложения
\[ (p+q)^3=p^3+3p^2q+3pq^2+q^3. \]
Следовательно,
\[ I_M:I_{M+2}:I_{M+4}:I_{M+6} =p^3:3p^2q:3pq^2:q^3. \]
Нормировка на первый пик даёт
\[ 1:3\frac qp:3\left(\frac qp\right)^2: \left(\frac qp\right)^3 = \boxed{1:0.9719:0.3149:0.03401}. \]
Для E, \(\ce{C12H7Cl3}\), им соответствуют номинальные массы молекулярных ионов \(256,258,260,262\).
Первые три интенсивности после округления дают указанное соотношение \(1:1:0.3\). Четвёртая значительно меньше, хотя математически она не равна нулю.
Напротив, три атома брома при указанных природных распространённостях изотопов дали бы приблизительно
\[ 1:2.936:2.873:0.937, \]
что не соответствует данным. Таким образом, искомый галоген — хлор.
5.3 — Поворотные изомеры D
Используем следующие точные соглашения для вида вдоль оси связи:
- Смотрим вдоль межкольцевой связи от \(C1\) без штриха к \(C1'\) со штрихом.
- Фиксируем переднее кольцо так, чтобы атом хлора при \(C2\) находился в положении 12 часов, а атом водорода при \(C6\) — в положении 6 часов.
- Принимаем \(\Phi=0\), когда атом хлора при \(C2'\) заднего кольца также находится в положении 12 часов.
- Увеличиваем \(\Phi\), поворачивая заднее кольцо по часовой стрелке при таком направлении взгляда.
Тогда требуемые рисунки имеют следующие особенности:
| \(\Phi\) | Атом хлора при \(C2'\) заднего кольца | Атом водорода при \(C6'\) заднего кольца | Конформация и стереохимическое обозначение |
|---|---|---|---|
| \(0\) | 12 часов | 6 часов | Компланарная; атомы хлора по одну сторону оси; ахиральная; наибольшая пространственная затруднённость и максимальная энергия |
| \(\pi/2\) | 3 часа | 9 часов | Плоскости колец перпендикулярны; хиральный конформер I |
| \(\pi\) | 6 часов | 12 часов | Компланарная; атомы хлора по противоположным сторонам; ахиральная; центр инверсии в середине межкольцевой связи |
| \(3\pi/2\) | 9 часов | 3 часа | Плоскости колец перпендикулярны; хиральный конформер II, зеркальное отражение I |
При \(\Phi=0\) атомы хлора в орто-положениях непосредственно сближаются друг с другом. При \(\Phi=\pi\) каждый атом хлора в орто-положении вместо этого сближается с атомом водорода в орто-положении. Поэтому прохождение через вторую компланарную конформацию связано с более низким стерическим барьером.
Запись SMILES для D задаёт связность; приведённые описания углов задают его конформации.
5.4 — Профили торсионной энергии C и D
Отложим энергию по вертикали, а \(\Phi\) от \(0\) до \(2\pi\) — по горизонтали, используя соглашения из 5.3.
Для C орто-положения незамещённого кольца эквивалентны. Его поворот на \(\pi\) приводит к эквивалентному расположению, поэтому
\[ E_C(\Phi+\pi)=E_C(\Phi). \]
Компланарные расположения при \(0,\pi,2\pi\) характеризуются одинаковыми стерическими взаимодействиями и, следовательно, одинаковой высотой барьеров. Между последовательными барьерами, соответствующими компланарным конформациям, следует изобразить эквивалентные области более низкой энергии с некомпланарными кольцами.
Для D два компланарных расположения различаются:
- При \(0\) и \(2\pi\) напротив атома хлора в орто-положении находится другой атом хлора в орто-положении: более высокий барьер.
- При \(\pi\) оба тесных контакта представляют собой контакты хлор–водород: более низкий барьер.
- Между этими компланарными расположениями находятся две зеркально связанные энергетические ямы, соответствующие некомпланарным конформациям.
Таким образом, качественный график, учитывающий стерические взаимодействия, имеет следующий вид:
| Угол | \(0\) | Вблизи \(\pi/2\) | \(\pi\) | Вблизи \(3\pi/2\) | \(2\pi\) |
|---|---|---|---|---|---|
| C | Высокая энергия | Низкая энергия | Столь же высокая энергия | Столь же низкая энергия | Высокая энергия |
| D | Наибольшая энергия | Низкая энергия | Более низкий локальный максимум | Столь же низкая энергия | Наибольшая энергия |
Для D симметрия относительно отражения требует
\[ E_D(\Phi)=E_D(2\pi-\Phi). \]
Это качественные профили. Сопряжение благоприятствует компланарности, тогда как стерическое отталкивание благоприятствует повороту колец, поэтому углы, соответствующие минимумам, не обязательно в точности равны \(\pi/2\) и \(3\pi/2\); приведённые данные не позволяют определить численные значения энергии или тонкие детали кривых.
5.5 — Возрастание трудности рацемизации
Для этих аксиально хиральных бифенилов взаимопревращение энантиомеров требует вращения с прохождением через компланарное расположение. Поэтому следует сравнивать стерические затруднения при наиболее лёгком прохождении через компланарную конформацию.
- G₂ с дополнительным атомом хлора в положении \(4\) сохраняет лишь два атома хлора в орто-положениях относительно межкольцевой связи. Добавленный атом хлора находится относительно далеко от этой связи.
- G₁ с дополнительным атомом хлора в положении \(3\) также имеет два атома хлора в орто-положениях, но атом хлора в положении \(3\) создаёт пространственные затруднения для соседнего атома хлора в положении \(2\). Этот эффект подпирания увеличивает стерические препятствия вращению.
- G₃ с дополнительным атомом хлора в положении \(6\) имеет три атома хлора в орто-положениях. Теперь в одном кольце атомы хлора расположены по обе стороны межкольцевой связи. Поэтому прохождение через любую из двух компланарных конформаций сближает атом хлора в орто-положении одного кольца с атомом хлора в орто-положении другого.
Следовательно, ожидаемый порядок, обусловленный стерическими факторами, таков:
\[ \boxed{ \underbrace{\mathbf{G_2}}_{\text{дополнительный }4\text{-Cl}} < \underbrace{\mathbf{G_1}}_{\text{дополнительный }3\text{-Cl}} < \underbrace{\mathbf{G_3}}_{\text{дополнительный }6\text{-Cl}} }. \]
5.6 — Энантиомеры G₃
Сохраним общую нумерацию, использованную выше: кольцо без штрихов имеет атомы хлора в положениях \(2,5,6\), а кольцо со штрихами — в положениях \(2',5'\).
Два аксиальных энантиомера 2,2′,5,5′,6-пентахлорбифенила — равнозначное название 2,2′,3,5′,6-пентахлорбифенил — имеют следующую запись связности в SMILES:
c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1Cl.
Обычная запись SMILES здесь не различает фиксированные аксиальные конфигурации. Следующие описания вида вдоль оси связи задают конкретную пару энантиомеров.
Смотрим от \(C1\) без штриха к \(C1'\) со штрихом. Зафиксируем переднее кольцо вертикально, с \(C2\) в положении 12 часов и \(C6\) в положении 6 часов. Его атом хлора при \(C5\) находится со стороны \(C6\).
| Характеристика | Энантиомер I | Энантиомер II |
|---|---|---|
| Переднее кольцо | Зафиксировано, как описано выше | Та же фиксированная ориентация |
| \(C2'\) заднего кольца, несущий хлор | 3 часа | 9 часов |
| \(C6'\) заднего кольца, несущий водород | 9 часов | 3 часа |
| \(C5'\) заднего кольца, несущий хлор | Со стороны \(C6'\), слева | Со стороны \(C6'\), справа |
| Торсионный угол между плоскостями колец | \(+\pi/2\) | \(-\pi/2\) |
Отражение в плоскости переднего кольца превращает I в II. Они представляют собой несовмещаемые зеркальные отражения: аксиальную пару \(R_{\mathrm a}/S_{\mathrm a}\).
Хотя в обоих орто-положениях переднего кольца находятся атомы хлора, два пути обхода этого кольца различаются: путь через \(C6\) проходит через атом хлора при \(C5\), тогда как путь через \(C2\) проходит через атом водорода при \(C3\). В кольце со штрихами пути через \(C2'\) и \(C6'\) также неэквивалентны. Таким образом, эта схема замещения обеспечивает аксиальную хиральность.
5.7 — Разрушение
Подходящий химический метод — контролируемое высокотемпературное сжигание в избытке кислорода с достаточным временем пребывания для полного окисления и улавливанием образующегося хлороводорода.
Для любого из изомеров пентахлорбифенила:
\[ \ce{C12H5Cl5 + 12 O2 -> 12 CO2 + 5 HCl}. \]
Реагент — один из перечисленных выше пентахлорбифенилов; остальные молекулярные вещества — кислород O=O, диоксид углерода O=C=O и хлороводород Cl.
Уравнение сбалансировано по всем атомам: двенадцать атомов углерода образуют двенадцать молекул диоксида углерода, а пять атомов водорода и пять атомов хлора образуют пять молекул хлороводорода.
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IChO 1991 · مسألة نظرية 5
المشتقات الهالوجينية للهيدروكربونات
بعد تمرير 0.25 mol من الهيدروكربون A فوق حجر الخفاف المسخّن (950 K) في أنبوب حديدي، حُصل على المركب B بمردود قدره 80 % (أي 15.4 g)، وعلى 2.4 dm\(^3\) من الهيدروجين، (295 K، 102 kPa).
المركب B والهيدروجين هما الناتجان الوحيدان. ينتج من B مزيج من المشتقات الهالوجينية C, D, E, F وG بتفاعله مع هالوجين في وجود حمض لويس. يحتوي كل مركب من المركبات C إلى G على ذرة هالوجين واحدة أكثر من المركب الذي يسبقه. وفي حالة المركبات C إلى F، لا يتكوّن سوى متماكب واحد من المتماكبات الممكنة. أما في المركب G، فلا توجد مثل هذه الأفضلية، وتوجد متماكباته الثلاثة G₁, G₂ وG₃ في المزيج. تتحول المركبات C إلى F بسهولة إلى مزيج راسيمي، ولذلك لا يظهر تصاوغ ضوئي. غير أن التحول إلى مزيج راسيمي صعب في حالة G₁, G₂، ولا سيما في حالة G₃. لم تُرصد في طيف كتلة E سوى ثلاث قمم نظيرية. وشدّاتها النسبية هي 1: 1: 0.3.
معلومات:
- \(k_{\mathrm{ortho}}>k_{\mathrm{para}}\) في المركب B.
- تأثير ذرة الهالوجين الأولى في الحلقة: \(k_{\mathrm{para}}>k_{\mathrm{ortho}}\).
- يمتلك المركبان D وF مركز تناظر في أحد تشكّلاتهما.
- إسهام نظائر الكربون والهيدروجين في طيف كتلة E مهمل.
- الوفرة الطبيعية لنظائر الهالوجينات:
\(\ce{^{19}F}=100\ \%\);
\(\ce{^{35}Cl}=75.53\ \%\); \(\ce{^{37}Cl}=24.47\ \%\);
\(\ce{^{79}Br}=50.54\ \%\); \(\ce{^{81}Br}=49.46\ \%\);
\(\ce{^{127}I}=100\ \%\).
5.1 أعطِ بُنى A, B, C, D, E, F, G₁, G₂ وG₃.
5.2 فسّر اختيارك للهالوجين.
5.3 ارسم الصيغ الفراغية للمتماكبات الدورانية للمركب D وسمِّها عند \(\Phi=0,\pi/2,\pi,\) و\(3\pi/2\)، حيث ترمز \(\Phi\) إلى الزاوية ثنائية السطح أو زاوية الالتواء بالراديان، وتصف \(\vartheta=0\) الهيئة ذات الطاقة القصوى.
5.4 ارسم منحنيات تغيّر الطاقة بدلالة زاوية الدوران حول الرابطة \(\ce{C-C}\) للمركبين C وD.
5.5 رتّب G₁, G₂, G₃ وفق تزايد صعوبة تحولها إلى مزيج راسيمي. فسّر إجابتك.
5.6 ارسم الصيغ الفراغية للمتماكبين المرآتيين للمركب G₃.
5.7 اقترح تفاعلًا كيميائيًا أو طريقة بيولوجية يمكن بها تدمير مركبات من هذا النوع.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 5.1 ترد البُنى أدناه. رقّم حلقتَي ثنائي الفينيل انطلاقًا من الذرتين اللتين تكوّنان الرابطة الواصلة بينهما، \(1\) و\(1'\). عرّف G₁, G₂, G₃ بإضافة ذرة الكلور الخامسة إلى F في المواضع \(3,4,6\)، على الترتيب.
| المركب | الاسم | SMILES |
|---|---|---|
| A | البنزين | c1ccccc1 |
| B | ثنائي الفينيل | c1(-c2ccccc2)ccccc1 |
| C | 2-كلوروثنائي الفينيل | c1(-c2ccccc2)c(Cl)cccc1 |
| D | 2,2′-ثنائي كلوروثنائي الفينيل | c1(-c2c(Cl)cccc2)c(Cl)cccc1 |
| E | 2,2′,5-ثلاثي كلوروثنائي الفينيل | c1(-c2c(Cl)cccc2)c(Cl)ccc(Cl)c1 |
| F | 2,2′,5,5′-رباعي كلوروثنائي الفينيل | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1 |
| G₁ | 2,2′,3,5,5′-خماسي كلوروثنائي الفينيل | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)c(Cl)cc(Cl)c1 |
| G₂ | 2,2′,4,5,5′-خماسي كلوروثنائي الفينيل | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)cc(Cl)c(Cl)c1 |
| G₃ | 2,2′,5,5′,6-خماسي كلوروثنائي الفينيل، أو بالاسم المكافئ 2,2′,3,5′,6-خماسي كلوروثنائي الفينيل | c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1Cl |
-
5.2 الهالوجين هو الكلور. تعطي ثلاث ذرات كلور نسبة شدّات القمم النظيرية \[ 1:0.972:0.315:0.0340. \] تتفق القمم الثلاث الأولى مع النسبة المذكورة \(1:1:0.3\)؛ ويُتوقع وجود قمة رابعة ضعيفة.
-
5.3 بالنسبة إلى D: عند \(0\)، تكون الحلقتان في مستوى واحد وذرتا الكلور في موضعي أورثو على الجانب نفسه، وتكون الطاقة هي الأعلى؛ وعند \(\pi/2\)، نحصل على أحد المتماكبين المرآتيين الملتويين؛ وعند \(\pi\)، تكون الحلقتان في مستوى واحد وذرتا الكلور على جانبين متقابلين، مع وجود مركز انقلاب؛ وعند \(3\pi/2\)، نحصل على المتماكب الملتوي الذي يمثّل الصورة المرآتية للمتماكب الآخر.
-
5.4 يمتلك C حواجز طاقة متكافئة للتشكّلات المستوية عند \(0,\pi,2\pi\). ويمتلك D حواجز أعلى عند \(0,2\pi\) وحاجزًا أدنى للتشكّل المستوي عند \(\pi\). ولدى كليهما مناطق فاصلة ذات طاقة أقل تكون فيها الحلقتان غير واقعتين في مستوى واحد.
-
5.5 وفق التسميات المعرّفة أعلاه، يكون ترتيب تزايد صعوبة التحول إلى مزيج راسيمي \[ \boxed{\mathbf{G_2<G_1<G_3}}. \]
-
5.6 يمتلك G₃ متماكبين مرآتيين محوريين. عند تثبيت الحلقة الأمامية، يعطي توجّها الحلقة الخلفية العموديان عند \(+\pi/2\) و\(-\pi/2\) زوجًا محددًا من الصور المرآتية، موصوفًا أدناه. وتمثيل SMILES العادي لاتصال الذرات فيهما هو نفسه المدرج للمركب G₃.
-
5.7 يؤدي الحرق الكامل المضبوط إلى تدمير هذه المركبات. وبالنسبة إلى خماسي كلوروثنائي الفينيل: \[ \boxed{\ce{C12H5Cl5 + 12 O2 -> 12 CO2 + 5 HCl}}. \]
الحل
5.1 — تعيين الهيدروكربونات وأنماط الاستبدال
كمية الهيدروجين، أي غاز الهيدروجين [H][H]، هي
\[ n(\ce{H2})=\frac{pV}{RT} =\frac{(102\ \mathrm{kPa})(2.4\ \mathrm{dm^3})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,dm^3\,mol^{-1}\,K^{-1}})(295\ \mathrm K)} =0.0998\ \mathrm{mol}\approx0.10\ \mathrm{mol}. \]
عند مردود قدره 80 %، تكون كمية A التي تحوّلت إلى النواتج المذكورة
\[ n_{\mathrm{converted}}(\mathbf A) =0.80(0.25\ \mathrm{mol}) =0.20\ \mathrm{mol}. \]
تبلغ كتلة الهيدروجين نحو \(0.20\ \mathrm g\). وبما أن B والهيدروجين هما الناتجان الوحيدان، فإن موازنة الكتلة تعطي
\[ M(\mathbf A) =\frac{15.4\ \mathrm g+0.20\ \mathrm g}{0.20\ \mathrm{mol}} \approx78\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
يتفق ذلك مع البنزين، \(\ce{C6H6}\). ويحدّد الاستبدال العطري والدوران حول رابطة تصل بين حلقتين هوية B على أنه ثنائي الفينيل، المتكوّن بالاقتران النازع للهيدروجين:
\[ \ce{2 C6H6 ->[950 K,\ pumice,\ iron] C12H10 + H2}. \]
كمية ثنائي الفينيل وكتلته المتوقعتان هما
\[ n(\mathbf B)=\frac{0.80(0.25)}{2}=0.10\ \mathrm{mol}, \]
\[ m(\mathbf B)=(0.10\ \mathrm{mol})(154\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =15.4\ \mathrm g. \]
وهكذا تتفق كلٌّ من كتلة B وحجم الهيدروجين مع التفاعل المقترح.
كما أُثبت في 5.2، فإن المستبدَل هو الكلور. يخضع الكلور، ClCl، لتفاعلات استبدال عطري إلكتروفيلي متعاقبة في وجود حمض لويس، منتجًا كلوريد الهيدروجين، Cl. والمعادلة الكلية الموزونة لكل درجة من درجات الاستبدال هي
\[ \ce{C12H10 + n Cl2 ->[Lewis acid] C12H_{10-n}Cl_n + n HCl}, \qquad n=1,2,3,4,5. \]
يُستنتج تتابع الاستبدال من معلومات التوجيه والتناظر:
-
C: في ثنائي الفينيل، ترجّح العلاقة المعطاة \(k_{\mathrm{ortho}}>k_{\mathrm{para}}\) الموضع \(2\). ومن ثم فإن C هو 2-كلوروثنائي الفينيل.
-
D: يجب أن يبادل مركز الانقلاب الواقع في منتصف الرابطة بين الحلقتين بين حلقتين لهما نمط الاستبدال نفسه. لذلك تشغل ذرة الكلور الثانية موضع أورثو المكافئ في الحلقة الأخرى، لتعطي 2,2′-ثنائي كلوروثنائي الفينيل. ويمتلك تشكّله المستوي، الذي تقع فيه ذرتا الكلور على جانبين متقابلين، مركز الانقلاب المطلوب.
-
E: تحمل كل حلقة الآن ذرة كلور واحدة. تدخل ذرة الكلور التالية في موضع بارا بالنسبة إلى ذرة كلور موجودة: أي الموضع \(5\)، وهو موضع بارا بالنسبة إلى الموضع \(2\). والحلقتان متكافئتان قبل هذا الاستبدال، لذا فإن E هو 2,2′,5-ثلاثي كلوروثنائي الفينيل.
-
F: يشترط وجود مركز انقلاب تطابق نمطي الاستبدال في الحلقتين. لذلك تدخل ذرة الكلور الرابعة الموضع \(5'\)، لتعطي 2,2′,5,5′-رباعي كلوروثنائي الفينيل.
-
G: في F، المواضع المتبقية في أيٍّ من الحلقتين هي \(3,4,6\). ولا يؤدي تبادل الحلقتين إلى متماكبات بنيوية إضافية. ومن ثم توجد ثلاثة احتمالات بالضبط: \[ \begin{aligned} \mathbf{G_1}:&\quad 2,2',3,5,5',\\ \mathbf{G_2}:&\quad 2,2',4,5,5',\\ \mathbf{G_3}:&\quad 2,2',5,5',6. \end{aligned} \] وهذه هي البُنى وتمثيلات SMILES المدرجة في الإجابات.
5.2 — تعيين الهالوجين من النمط النظيري
يحتوي E على ثلاث ذرات هالوجين. ولكلٍّ من الفلور واليود نظير واحد فقط في بيانات الوفرة المعطاة، ولذلك لا يمكن لأيٍّ منهما أن ينتج مجموعة القمم النظيرية المرصودة الناشئة عن الهالوجين.
بالنسبة إلى الكلور، نضع
\[ p=0.7553,\qquad q=0.2447. \]
احتمالات احتواء الجزيء على صفر أو ذرة واحدة أو ذرتين أو ثلاث ذرات من \(\ce{^{37}Cl}\) هي حدود المفكوك
\[ (p+q)^3=p^3+3p^2q+3pq^2+q^3. \]
وبناءً على ذلك،
\[ I_M:I_{M+2}:I_{M+4}:I_{M+6} =p^3:3p^2q:3pq^2:q^3. \]
وبتطبيع الشدّات بالنسبة إلى القمة الأولى نحصل على
\[ 1:3\frac qp:3\left(\frac qp\right)^2: \left(\frac qp\right)^3 = \boxed{1:0.9719:0.3149:0.03401}. \]
بالنسبة إلى E، \(\ce{C12H7Cl3}\)، تقابل هذه القمم كتل الأيون الجزيئي الاسمية \(256,258,260,262\).
تُقرَّب الشدّات الثلاث الأولى إلى النسبة الواردة \(1:1:0.3\). أما الرابعة فأصغر بكثير، وإن لم تكن صفرًا من الناحية الرياضية.
في المقابل، تعطي ثلاث ذرات بروم، باستخدام الوفرات المعطاة، النسبة التقريبية
\[ 1:2.936:2.873:0.937, \]
وهي لا تتفق مع النمط المرصود. إذن الكلور هو الهالوجين المقصود.
5.3 — المتماكبات الدورانية للمركب D
استخدم الاصطلاح الدقيق الآتي للنظر على امتداد المحور:
- انظر على امتداد الرابطة بين الحلقتين من \(C1\) غير المميَّزة بشرطة نحو \(C1'\) المميَّزة بشرطة.
- ثبّت الحلقة الأمامية، بحيث تكون ذرة الكلور عند \(C2\) في موضع الساعة 12 وذرة الهيدروجين عند \(C6\) في موضع الساعة 6.
- عرّف \(\Phi=0\) عندما تكون ذرة الكلور الخلفية عند \(C2'\) أيضًا في موضع الساعة 12.
- زِد \(\Phi\) بتدوير الحلقة الخلفية في اتجاه عقارب الساعة وفق هذا المنظور.
تكون للرسومات المطلوبة عندئذ الخصائص الآتية:
| \(\Phi\) | ذرة الكلور الخلفية عند \(C2'\) | ذرة الهيدروجين الخلفية عند \(C6'\) | التشكّل والوصف الكيميائي الفراغي |
|---|---|---|---|
| \(0\) | موضع الساعة 12 | موضع الساعة 6 | الحلقتان في مستوى واحد؛ ذرتا الكلور على الجانب نفسه من المحور؛ غير كيرالي؛ أكبر تزاحم فراغي وطاقة قصوى |
| \(\pi/2\) | موضع الساعة 3 | موضع الساعة 9 | مستويا الحلقتين متعامدان؛ المتشكّل الكيرالي I |
| \(\pi\) | موضع الساعة 6 | موضع الساعة 12 | الحلقتان في مستوى واحد؛ ذرتا الكلور على جانبين متقابلين؛ غير كيرالي؛ مركز انقلاب في منتصف الرابطة بين الحلقتين |
| \(3\pi/2\) | موضع الساعة 9 | موضع الساعة 3 | مستويا الحلقتين متعامدان؛ المتشكّل الكيرالي II، وهو الصورة المرآتية للمتشكّل I |
عند \(\Phi=0\)، تقترب ذرتا الكلور في موضعي أورثو إحداهما من الأخرى مباشرةً. أما عند \(\Phi=\pi\)، فتواجه كل ذرة كلور في موضع أورثو ذرة هيدروجين في موضع أورثو. ولذلك يكون الحاجز الفراغي للمرور عبر التشكّل المستوي الأخير أقل.
يحدّد تمثيل SMILES للمركب D اتصال الذرات؛ أما هذه الأوصاف الزاوية فتحدّد تشكّلاته.
5.4 — منحنيات طاقة الالتواء للمركبين C وD
مثّل الطاقة رأسيًا و\(\Phi\)، من \(0\) إلى \(2\pi\)، أفقيًا، باستخدام الاصطلاح الوارد في 5.3.
بالنسبة إلى C، تمتلك الحلقة غير المستبدَلة موضعي أورثو متكافئين. ويؤدي تدويرها بمقدار \(\pi\) إلى ترتيب مكافئ، ولذلك
\[ E_C(\Phi+\pi)=E_C(\Phi). \]
تتساوى التآثرات الفراغية في الترتيبات المستوية عند \(0,\pi,2\pi\)، ومن ثم تتساوى ارتفاعات حواجز الطاقة فيها. ارسم مناطق متكافئة ذات طاقة أقل، تكون فيها الحلقتان غير واقعتين في مستوى واحد، بين حواجز التشكّلات المستوية المتعاقبة.
أما بالنسبة إلى D، فيختلف الترتيبان المستويان:
- عند \(0\) و\(2\pi\)، تواجه ذرة كلور في موضع أورثو ذرة كلور أخرى في موضع أورثو: وهذا هو الحاجز الأعلى.
- عند \(\pi\)، يكون التلامسان المتقاربان تلامسين بين الكلور والهيدروجين: وهذا هو الحاجز الأدنى.
- بين هذين الترتيبين المستويين يوجد بئرا طاقة لتشكّلين غير مستويين تربط بينهما علاقة الصورة المرآتية.
وعليه، يتبع الرسم النوعي القائم على التأثيرات الفراغية النمط الآتي:
| الزاوية | \(0\) | قرب \(\pi/2\) | \(\pi\) | قرب \(3\pi/2\) | \(2\pi\) |
|---|---|---|---|---|---|
| C | مرتفعة | منخفضة | مرتفعة بالمقدار نفسه | منخفضة بالمقدار نفسه | مرتفعة |
| D | الأعلى | منخفضة | قيمة عظمى محلية أدنى | منخفضة بالمقدار نفسه | الأعلى |
بالنسبة إلى D، يقتضي الانعكاس أن
\[ E_D(\Phi)=E_D(2\pi-\Phi). \]
هذه منحنيات نوعية. يفضّل الترافق وقوع الحلقتين في مستوى واحد، بينما يفضّل التنافر الفراغي الالتواء، ولذلك لا يلزم أن تكون الزوايا الدقيقة للطاقة الدنيا مساوية تمامًا لـ\(\pi/2\) و\(3\pi/2\)؛ ولا تحدّد المعلومات المعطاة قيمًا عددية للطاقة أو تفاصيل دقيقة للمنحنيات.
5.5 — تزايد صعوبة التحول إلى مزيج راسيمي
في مركبات ثنائي الفينيل هذه ذات الكيرالية المحورية، يتطلّب التحول المتبادل بين المتماكبين المرآتيين دورانًا يمرّ عبر ترتيب مستوٍ. ولذلك فإن المقارنة ذات الصلة هي كلفة الطاقة الناشئة عن التزاحم الفراغي عند أسهل مرور عبر ترتيب مستوٍ.
- يحتفظ G₂، الذي تقع فيه ذرة الكلور الإضافية عند \(4\)، بذرتَي كلور فقط في موضعي أورثو بالنسبة إلى الرابطة بين الحلقتين. وتكون ذرة الكلور المضافة بعيدة نسبيًا عن تلك الرابطة.
- يمتلك G₁، الذي تقع فيه ذرة الكلور الإضافية عند \(3\)، أيضًا ذرتَي كلور في موضعي أورثو، لكن ذرة الكلور عند \(3\) تزاحم ذرة الكلور المجاورة عند \(2\). ويزيد تأثير التدعيم هذا الإعاقة الفراغية للدوران.
- يمتلك G₃، الذي تقع فيه ذرة الكلور الإضافية عند \(6\)، ثلاث ذرات كلور في مواضع أورثو. وتحمل إحدى الحلقتين الآن ذرة كلور على كلٍّ من جانبي الرابطة بين الحلقتين. ولذلك فإن أيًّا من مساري المرور عبر ترتيب مستوٍ يجعل ذرة كلور في موضع أورثو على إحدى الحلقتين تواجه ذرة كلور في موضع أورثو على الحلقة الأخرى.
وعليه، فإن الترتيب المتوقع وفق الإعاقة الفراغية هو
\[ \boxed{ \underbrace{\mathbf{G_2}}_{\text{إضافية }4\text{-Cl}} < \underbrace{\mathbf{G_1}}_{\text{إضافية }3\text{-Cl}} < \underbrace{\mathbf{G_3}}_{\text{إضافية }6\text{-Cl}} }. \]
5.6 — المتماكبان المرآتيان للمركب G₃
احتفظ بالترقيم المشترك المستخدم أعلاه: تحتوي الحلقة غير المميَّزة بشرطة على ذرات كلور عند \(2,5,6\)، والحلقة المميَّزة بشرطة على ذرتَي كلور عند \(2',5'\).
للمتماكبين المرآتيين المحوريين لمركب 2,2′,5,5′,6-خماسي كلوروثنائي الفينيل—أو بالاسم المكافئ 2,2′,3,5′,6-خماسي كلوروثنائي الفينيل—تمثيل SMILES الآتي لاتصال الذرات
c1(-c2c(Cl)ccc(Cl)c2)c(Cl)ccc(Cl)c1Cl.
لا يميّز تمثيل SMILES العادي بين التهيئتين المحوريتين المثبّتتين هنا. وتحدّد الأوصاف الآتية، عند النظر على امتداد المحور، زوجًا صريحًا من المتماكبات المرآتية.
انظر من \(C1\) غير المميَّزة بشرطة نحو \(C1'\) المميَّزة بشرطة. ثبّت الحلقة الأمامية رأسيًا، بحيث تقع \(C2\) في موضع الساعة 12 و\(C6\) في موضع الساعة 6. وتقع ذرة الكلور عند \(C5\) على جانب \(C6\).
| الخاصية | المتماكب المرآتي I | المتماكب المرآتي II |
|---|---|---|
| الحلقة الأمامية | مثبّتة كما وُصف | الاتجاه الثابت نفسه |
| \(C2'\) الخلفية، الحاملة للكلور | موضع الساعة 3 | موضع الساعة 9 |
| \(C6'\) الخلفية، الحاملة للهيدروجين | موضع الساعة 9 | موضع الساعة 3 |
| \(C5'\) الخلفية، الحاملة للكلور | على جانب \(C6'\)، إلى اليسار | على جانب \(C6'\)، إلى اليمين |
| زاوية الالتواء بين مستويَي الحلقتين | \(+\pi/2\) | \(-\pi/2\) |
يحوّل الانعكاس في مستوى الحلقة الأمامية I إلى II. وهما صورتان مرآتيتان غير قابلتين للتطابق: الزوج المحوري \(R_{\mathrm a}/S_{\mathrm a}\).
على الرغم من أن كِلا موضعي أورثو في الحلقة الأمامية يحمل الكلور، فإن المسارين حول الحلقة مختلفان: يمرّ المسار عبر \(C6\) بذرة كلور عند \(C5\)، بينما يمرّ المسار عبر \(C2\) بذرة هيدروجين عند \(C3\). وبالمثل، تمتلك الحلقة المميَّزة بشرطة مسارين غير متكافئين عبر \(C2'\) و\(C6'\). ومن ثم يتيح نمط الاستبدال وجود كيرالية محورية.
5.7 — التدمير
من الطرق الكيميائية المناسبة الحرق المضبوط عند درجة حرارة مرتفعة في فائض من الأكسجين، مع توفير زمن مكوث كافٍ للأكسدة الكاملة واحتجاز كلوريد الهيدروجين الناتج.
بالنسبة إلى أيٍّ من متماكبات خماسي كلوروثنائي الفينيل:
\[ \ce{C12H5Cl5 + 12 O2 -> 12 CO2 + 5 HCl}. \]
المتفاعل هو أحد مركبات خماسي كلوروثنائي الفينيل المدرجة أعلاه؛ أما الأنواع الجزيئية الأخرى فهي الأكسجين O=O، وثاني أكسيد الكربون O=C=O، وكلوريد الهيدروجين Cl.
المعادلة موزونة بالنسبة إلى جميع الذرات: تكوّن ذرات الكربون الاثنتا عشرة اثني عشر جزيئًا من ثاني أكسيد الكربون، بينما تكوّن ذرات الهيدروجين الخمس وذرات الكلور الخمس خمسة جزيئات من كلوريد الهيدروجين.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.