IChO 2007 · Theory problem 5
A mysterious mixture (organic hide-and-seek game)
An equimolar mixture X of three coluorless organic liquids A, B, C was treated by water containing a drop of hydrochloric acid at heating to give (after separation from water) a 1 : 2 (molar ratio) mixture of acetic acid and ethanol without any other components. A catalytic amount (one-two drops) of concentrated sulfuric acid was added o the mixture after hydrolysis and after a long reflux (boiling with reflux condenser) a compound D, a volatile liquid with pleasant smell, was formed in 85% yield. Compound D is not identical with any of A, B, C.
5.1 Draw the structure of compound D?
5.2 Which class of organic compounds does D belong to? Choose the proper variant from those given in the Answer Sheet.
5.3 Even if the reflux is continued twice as long, the yield of D would not exceed 85%. Calculate the expected yield of D if 1 : 1 (molar ratio) mixture of ethanol and acetic acid is taken. Assume that: a) volumes do not change during the reactions; b) all concomitant factors, such as solvent effects, non-additivity of volumes, variation of temperature, etc. are negligible. If you cannot make a quantitative estimate, please indicate whether the yield will be: a) the same (85 %); b) higher than 85 %; c) lower than 85 %.
\(\ce{^1H}\) NMR spectra of compounds A, B, C look very similar and each shows singlet, triplet and quartet with the ratio of integral intensities equal to 1 : 3 : 2.
The same mixture X was subjected to alkaline hydrolysis. A remained unchanged, and was separated. After acidification and short boiling the remaining solution gave 2 : 3 (molar ratio) mixture of acetic acid and ethanol with evolution of gas.
The mixture X (3.92 g) was dissolved in diethyl ether and underwent hydrogenation in the presence of \(\ce{Pd}\) on charcoal catalyst. 0.448 \(\mathrm{dm^3}\) (standard conditions) of hydrogen were absorbed, but after the reaction A and C were isolated unchanged (3.22 g of mixture were recovered) while neither B, nor any other organic compounds, except diethyl ether, could be identified after hydrogenation.
5.4 Determine and draw the structures of A, B, and C.
5.5 Which intermediate compounds are formed during the acidic hydrolysis of C and the basic hydrolysis of B.
The reaction of either B or C with acetone (in the presence of a base) with subsequent acidification by dilute \(\ce{HCl}\) at gentle heating gives the same product, senecioic acid (SA), a compound widely occurring in Nature. Alternatively, senecioic acid can be obtained from acetone by treating it with concentrated \(\ce{HCl}\) and subsequent oxidation of the intermediate product by iodine in alkaline solution. The latter reaction gives, besides sodium salt of senecioic acid, a heavy yellow precipitate E (see the scheme 2).


5.6 Determine the structure of senecioic acid and draw the reaction scheme leading to senecioic acid from acetone.
5.7 Give structure of E
Official English text of the problem.
Answers
- 5.1: D is ethyl acetate (ethyl ethanoate), \(\ce{CH3C(=O)OCH2CH3}\), SMILES
CCOC(=O)C. - 5.2: D is a carboxylic ester.
- 5.3: The expected equilibrium yield is approximately 67% (calculated conversion \(0.6718\)); therefore choose c), lower than 85%.
- 5.4: A is triethyl orthoacetate, \(\ce{CH3C(OC2H5)3}\),
CC(OCC)(OCC)OCC; B is ethoxyethyne (ethyl ethynyl ether), \(\ce{HC#C-OC2H5}\),CCOC#C; C is diethyl malonate, \(\ce{CH2(COOC2H5)2}\),CCOC(=O)CC(=O)OCC. - 5.5: C gives malonic acid,
O=C(O)CC(=O)O, before decarboxylation. For B, hydration gives ethyl acetate,CCOC(=O)C, which is saponified to acetate ion,CC(=O)[O-], before acidification. - 5.6: SA is 3-methylbut-2-enoic acid (senecioic acid), \(\ce{(CH3)2C=CHCOOH}\),
CC(C)=CC(=O)O. Acetone undergoes aldol condensation to mesityl oxide,CC(=O)C=C(C)C; haloform cleavage gives sodium senecioate,CC(C)=CC(=O)[O-].[Na+], followed by acidification. - 5.7: E is iodoform (triiodomethane), \(\ce{CHI3}\), SMILES
IC(I)I.
Solution
5.1 — Identification and structure of D
Acetic acid, CC(=O)O, and ethanol, CCO, undergo acid-catalysed Fischer esterification:
\[ \ce{CH3COOH + C2H5OH <=>[H2SO4] CH3COOC2H5 + H2O}. \]
Thus D is ethyl acetate, CCOC(=O)C, a volatile liquid with a pleasant smell. Water has SMILES O.
For the requested drawing, draw a carbonyl carbon bonded to a methyl group and an oxygen atom; that oxygen is bonded to an ethyl group:
\[ \boxed{\ce{CH3-C(=O)-O-CH2-CH3}}. \]
5.2 — Compound class
The characteristic linkage is \(\ce{-C(=O)-O-}\), with carbon groups on both sides. Therefore D is a carboxylic ester.
5.3 — Equilibrium yield with equimolar reactants
The yield ceases to increase because esterification reaches equilibrium. The catalyst accelerates attainment of equilibrium but does not change its position.
Take initial amounts of \(1.00\ \mathrm{mol}\) acetic acid and \(2.00\ \mathrm{mol}\) ethanol, with no initial ester or water after the stated separation. An 85% yield corresponds to an extent of reaction of \(0.85\ \mathrm{mol}\).
| Species | Initial amount / mol | Equilibrium amount / mol |
|---|---|---|
| Acetic acid | 1.00 | 0.15 |
| Ethanol | 2.00 | 1.15 |
| Ethyl acetate | 0 | 0.85 |
| Water | 0 | 0.85 |
Under the stated assumptions,
\[ K_c= \frac{[\text{ethyl acetate}][\text{water}]} {[\text{acetic acid}][\text{ethanol}]}. \]
The volume factors cancel, giving
\[ K_c=\frac{0.85^2}{(1-0.85)(2-0.85)} =\frac{0.7225}{0.1725} =4.1884. \]
Now start with \(1.00\ \mathrm{mol}\) of each reactant. Let \(y\) be the fraction converted:
\[ K_c=\frac{y^2}{(1-y)^2}. \]
Hence
\[ \frac{y}{1-y}=\sqrt{K_c}, \qquad y=\frac{\sqrt{K_c}}{1+\sqrt{K_c}} =0.6718. \]
Therefore,
\[ \boxed{\text{Yield}\approx67\%}. \]
Removing the initial excess of ethanol lowers the equilibrium conversion. The appropriate qualitative choice is c).
5.4 — Identification of A, B and C
The structures are:
| Compound | Name and SMILES | Description of the required drawing |
|---|---|---|
| A | Triethyl orthoacetate, CC(OCC)(OCC)OCC |
A tetrahedral central carbon bonded to one methyl group and three ethoxy groups through oxygen: \(\ce{CH3C(OC2H5)3}\). |
| B | Ethoxyethyne, CCOC#C |
A terminal carbon–carbon triple bond attached to an ethoxy oxygen: \(\ce{H-C#C-O-CH2CH3}\). |
| C | Diethyl malonate, CCOC(=O)CC(=O)OCC |
A methylene group between two ester carbonyl groups, each ester bearing an ethyl group. |
These assignments satisfy all the independent observations.
Hydrogenation identifies B.
The mass of B in the sample is
\[ m_B=3.92-3.22=0.70\ \mathrm{g}. \]
Using the conventional molar gas volume at standard conditions,
\[ n(\ce{H2}) =\frac{0.448\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.0200\ \mathrm{mol}. \]
Diethyl ether, CCOCC, is the only organic product that could be hidden in the solvent. Ethoxyethyne gives exactly this product upon complete hydrogenation:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + 2H2 ->[Pd/C] C2H5OC2H5}. \]
Hydrogen has SMILES [H][H]. Consequently,
\[ n_B=\frac{0.0200}{2}=0.0100\ \mathrm{mol}, \]
and
\[ M_B=\frac{0.70\ \mathrm{g}}{0.0100\ \mathrm{mol}} =70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
This agrees with ethoxyethyne, \(\ce{C4H6O}\):
\[ M(\ce{C4H6O})=4(12)+6(1)+16=70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
The acid/base behaviour identifies A and C.
An orthoester is hydrolysed by aqueous acid but survives alkaline treatment. The orthoester that gives acetic acid and ethanol is triethyl orthoacetate, A:
\[ \ce{CH3C(OC2H5)3 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + 3C2H5OH}. \]
For C, two equivalent ethoxy groups and a methylene singlet suggest a malonic ester. Hydrolysis followed by decarboxylation gives acetic acid, ethanol and carbon dioxide, O=C=O:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + 2C2H5OH + CO2 ^}. \]
For B, the overall acidic hydrolysis is
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + C2H5OH}. \]
Thus one mole of each starting compound gives:
| Starting compound | Acetic acid / mol | Ethanol / mol |
|---|---|---|
| A | 1 | 3 |
| B | 1 | 1 |
| C | 1 | 2 |
| Total | 3 | 6 |
The ratio is therefore \(3:6=1:2\), as required. Carbon dioxide escapes and is not an additional component of the recovered liquid mixture.
In the alkaline experiment, A remains unchanged. After acidification and heating, B and C together give
\[ n(\text{acetic acid}):n(\text{ethanol}) =(1+1):(1+2)=2:3, \]
with carbon dioxide evolved from the malonic-acid intermediate.
The NMR integrations agree.
| Compound | Singlet | Triplet | Quartet | Integration ratio |
|---|---|---|---|---|
| A | Central-carbon methyl: \(3\mathrm{H}\) | Three ethyl methyl groups: \(9\mathrm{H}\) | Three ethoxy methylene groups: \(6\mathrm{H}\) | \(3:9:6=1:3:2\) |
| B | Terminal acetylenic proton: \(1\mathrm{H}\) | Ethyl methyl: \(3\mathrm{H}\) | Ethoxy methylene: \(2\mathrm{H}\) | \(1:3:2\) |
| C | Methylene between carbonyl groups: \(2\mathrm{H}\) | Two ethyl methyl groups: \(6\mathrm{H}\) | Two ethoxy methylene groups: \(4\mathrm{H}\) | \(2:6:4=1:3:2\) |
The ethyl groups give their usual triplet and quartet. The remaining protons have no adjacent proton-bearing carbon that would produce ordinary vicinal splitting.
The remaining masses agree.
Because the mixture is equimolar,
\[ n_A=n_C=n_B=0.0100\ \mathrm{mol}. \]
For A, \(\ce{C8H18O3}\), \(M_A=162\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\); for C, \(\ce{C7H12O4}\), \(M_C=160\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Therefore,
\[ m_A+m_C =0.0100(162+160) =3.22\ \mathrm{g}, \]
and
\[ m_X=0.0100(162+70+160)=3.92\ \mathrm{g}. \]
Both reproduce the measured masses.
5.5 — Hydrolysis intermediates
For C, the important intermediate before decarboxylation is malonic acid (propanedioic acid), O=C(O)CC(=O)O.
Stepwise ester hydrolysis can first give ethyl hydrogen malonate, CCOC(=O)CC(=O)O:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + H2O ->[H^+] HOOCCH2COOC2H5 + C2H5OH}, \]
\[ \ce{HOOCCH2COOC2H5 + H2O ->[H^+] CH2(COOH)2 + C2H5OH}. \]
Malonic acid then decarboxylates:
\[ \boxed{\ce{CH2(COOH)2 ->[\Delta] CH3COOH + CO2 ^}}. \]
For B, hydration gives ethyl acetate, D, CCOC(=O)C, followed by saponification to acetate ion, CC(=O)[O-]. The stepwise stoichiometry is
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + H2O -> CH3COOC2H5}, \]
\[ \ce{CH3COOC2H5 + OH- -> CH3COO- + C2H5OH}. \]
Here hydroxide ion has SMILES [OH-]. Acidification subsequently gives
\[ \ce{CH3COO- + H+ -> CH3COOH}. \]
For completeness, C initially gives malonate ion, O=C([O-])CC(=O)[O-], under alkaline conditions:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + 2OH- -> [CH2(COO)2]^2- + 2C2H5OH}, \]
\[ \ce{[CH2(COO)2]^2- + 2H+ -> CH2(COOH)2}. \]
The resulting malonic acid undergoes the decarboxylation shown above.
5.6 — Senecioic acid and its synthesis from acetone
The yellow precipitate formed with iodine and alkali indicates a haloform reaction. A methyl ketone is cleaved to a carboxylate and iodoform.
Acetone, CC(=O)C, first undergoes acid-catalysed self-aldol addition to diacetone alcohol (4-hydroxy-4-methylpentan-2-one), CC(=O)CC(C)(C)O:
\[ \ce{2CH3COCH3 <=>[HCl] CH3COCH2C(OH)(CH3)2}. \]
Dehydration produces mesityl oxide (4-methylpent-3-en-2-one), CC(=O)C=C(C)C:
\[ \ce{CH3COCH2C(OH)(CH3)2 ->[H^+] CH3COCH=C(CH3)2 + H2O}. \]
Its methyl ketone group undergoes haloform cleavage:
\[ \boxed{ \ce{CH3COCH=C(CH3)2 + 3I2 + 4NaOH -> (CH3)2C=CHCOONa + CHI3 v + 3NaI + 3H2O} }. \]
The carboxylate product is sodium 3-methylbut-2-enoate, CC(C)=CC(=O)[O-].[Na+]. Acidification gives senecioic acid:
\[ \ce{(CH3)2C=CHCOONa + HCl -> (CH3)2C=CHCOOH + NaCl}. \]
Therefore,
\[ \boxed{\text{SA}=\ce{HOOC-CH=C(CH3)2}} \]
is 3-methylbut-2-enoic acid, CC(C)=CC(=O)O.
For the requested drawing, place a carboxyl group on one end of an alkene: its adjacent alkene carbon bears one hydrogen, while the other alkene carbon bears two methyl groups. There is no \(E/Z\) stereochemistry, because one alkene carbon has two identical methyl substituents.
The reactions of B and C independently support this structure.
For B, base-promoted addition to acetone gives 4-ethoxy-2-methylbut-3-yn-2-ol, CCOC#CC(C)(C)O:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + CH3COCH3 ->[base] (CH3)2C(OH)-C#C-OC2H5}. \]
Hydration of the ethoxyalkyne gives ethyl 3-hydroxy-3-methylbutanoate, CCOC(=O)CC(C)(C)O:
\[ \ce{(CH3)2C(OH)-C#C-OC2H5 + H2O ->[H^+] (CH3)2C(OH)CH2COOC2H5}. \]
Dehydration gives ethyl senecioate, CCOC(=O)C=C(C)C, which hydrolyses to SA:
\[ \ce{(CH3)2C(OH)CH2COOC2H5 ->[H^+,\ \Delta] (CH3)2C=CHCOOC2H5 + H2O}, \]
\[ \ce{(CH3)2C=CHCOOC2H5 + H2O ->[H^+] (CH3)2C=CHCOOH + C2H5OH}. \]
For C, Knoevenagel condensation with acetone gives diethyl 2-(propan-2-ylidene)malonate, CCOC(=O)C(=C(C)C)C(=O)OCC:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + CH3COCH3 ->[base] (CH3)2C=C(COOC2H5)2 + H2O}. \]
Hydrolysis gives 2-(propan-2-ylidene)malonic acid, O=C(O)C(=C(C)C)C(=O)O:
\[ \ce{(CH3)2C=C(COOC2H5)2 + 2H2O ->[H^+] (CH3)2C=C(COOH)2 + 2C2H5OH}. \]
Decarboxylation yields the same acid:
\[ \ce{(CH3)2C=C(COOH)2 ->[\Delta] (CH3)2C=CHCOOH + CO2 ^}. \]
5.7 — Identification and structure of E
The heavy yellow precipitate is iodoform (triiodomethane):
\[ \boxed{\ce{E = CHI3}}, \qquad \text{SMILES: IC(I)I}. \]
Draw a tetrahedral carbon atom with three single bonds to iodine atoms and one single bond to hydrogen. It is the haloform product of the balanced reaction in 5.6.
The solution was checked against the official solution.
IChO 2007 · Theorieaufgabe 5
Ein geheimnisvolles Gemisch (organisches Versteckspiel)
Ein äquimolares Gemisch X aus drei farblosen organischen Flüssigkeiten A, B, C wurde unter Erwärmen mit Wasser behandelt, das einen Tropfen Salzsäure enthielt. Dabei entstand (nach Abtrennung vom Wasser) ein Gemisch aus Essigsäure und Ethanol im Molverhältnis 1 : 2 ohne weitere Bestandteile. Nach der Hydrolyse wurde dem Gemisch eine katalytische Menge (ein bis zwei Tropfen) konzentrierter Schwefelsäure zugesetzt. Nach längerem Erhitzen unter Rückfluss (Sieden mit Rückflusskühler) bildete sich mit einer Ausbeute von 85% eine Verbindung D, eine flüchtige Flüssigkeit mit angenehmem Geruch. Die Verbindung D ist mit keiner der Verbindungen A, B, C identisch.
5.1 Zeichnen Sie die Struktur der Verbindung D.
5.2 Zu welcher Klasse organischer Verbindungen gehört D? Wählen Sie die passende Antwort aus den auf dem Antwortbogen angegebenen Möglichkeiten aus.
5.3 Selbst wenn das Erhitzen unter Rückfluss doppelt so lange fortgesetzt wird, würde die Ausbeute an D 85% nicht überschreiten. Berechnen Sie die zu erwartende Ausbeute an D, wenn ein Gemisch aus Ethanol und Essigsäure im Molverhältnis 1 : 1 eingesetzt wird. Nehmen Sie an, dass: a) sich die Volumina während der Reaktionen nicht ändern; b) alle Begleiteinflüsse, wie Lösungsmitteleffekte, Nichtadditivität der Volumina, Temperaturänderungen usw., vernachlässigbar sind. Falls Sie keine quantitative Abschätzung vornehmen können, geben Sie bitte an, ob die Ausbeute: a) gleich (85 %); b) höher als 85 %; c) niedriger als 85 % sein wird.
Die \(\ce{^1H}\)-NMR-Spektren der Verbindungen A, B, C sehen sehr ähnlich aus und zeigen jeweils ein Singulett, ein Triplett und ein Quartett mit einem Verhältnis der integralen Intensitäten von 1 : 3 : 2.
Dasselbe Gemisch X wurde einer alkalischen Hydrolyse unterzogen. A blieb unverändert und wurde abgetrennt. Nach Ansäuern und kurzem Aufkochen lieferte die verbleibende Lösung unter Gasentwicklung ein Gemisch aus Essigsäure und Ethanol im Molverhältnis 2 : 3.
Das Gemisch X (3.92 g) wurde in Diethylether gelöst und in Gegenwart von \(\ce{Pd}\) auf Aktivkohle als Katalysator hydriert. Dabei wurden 0.448 \(\mathrm{dm^3}\) Wasserstoff (unter Normbedingungen) aufgenommen. Nach der Reaktion wurden jedoch A und C unverändert isoliert (3.22 g des Gemisches wurden zurückgewonnen), während nach der Hydrierung weder B noch andere organische Verbindungen außer Diethylether nachgewiesen werden konnten.
5.4 Bestimmen und zeichnen Sie die Strukturen von A, B, und C.
5.5 Welche Zwischenverbindungen entstehen bei der sauren Hydrolyse von C und der basischen Hydrolyse von B?
Die Reaktion von B oder C mit Aceton (in Gegenwart einer Base) und anschließendem Ansäuern mit verdünnter \(\ce{HCl}\) unter vorsichtigem Erwärmen ergibt dasselbe Produkt, Seneciosäure (SA), eine in der Natur weitverbreitete Verbindung. Alternativ lässt sich Seneciosäure aus Aceton durch Behandlung mit konzentrierter \(\ce{HCl}\) und anschließende Oxidation des Zwischenprodukts mit Iod in alkalischer Lösung gewinnen. Die letztgenannte Reaktion liefert neben dem Natriumsalz der Seneciosäure einen schweren gelben Niederschlag E (siehe Schema 2).


5.6 Bestimmen Sie die Struktur der Seneciosäure und zeichnen Sie das Reaktionsschema, das von Aceton zur Seneciosäure führt.
5.7 Geben Sie die Struktur von E an.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 5.1: D ist Essigsäureethylester (Ethylethanoat), \(\ce{CH3C(=O)OCH2CH3}\), SMILES
CCOC(=O)C. - 5.2: D ist ein Carbonsäureester.
- 5.3: Die zu erwartende Gleichgewichtsausbeute beträgt etwa 67% (berechneter Umsatz \(0.6718\)); daher ist c), niedriger als 85% zu wählen.
- 5.4: A ist Orthoessigsäuretriethylester, \(\ce{CH3C(OC2H5)3}\),
CC(OCC)(OCC)OCC; B ist Ethoxyethin (Ethylethinylether), \(\ce{HC#C-OC2H5}\),CCOC#C; C ist Malonsäurediethylester, \(\ce{CH2(COOC2H5)2}\),CCOC(=O)CC(=O)OCC. - 5.5: C liefert vor der Decarboxylierung Malonsäure,
O=C(O)CC(=O)O. Bei B entsteht durch Hydratisierung Essigsäureethylester,CCOC(=O)C, der vor dem Ansäuern zum Acetat-Ion,CC(=O)[O-], verseift wird. - 5.6: SA ist 3-Methylbut-2-ensäure (Seneciosäure), \(\ce{(CH3)2C=CHCOOH}\),
CC(C)=CC(=O)O. Aceton wird durch Aldolkondensation zu Mesityloxid,CC(=O)C=C(C)C, umgesetzt; die Haloformspaltung liefert Natriumsenecioat,CC(C)=CC(=O)[O-].[Na+], worauf das Ansäuern folgt. - 5.7: E ist Iodoform (Triiodmethan), \(\ce{CHI3}\), SMILES
IC(I)I.
Lösung
5.1 — Identifizierung und Struktur von D
Essigsäure, CC(=O)O, und Ethanol, CCO, reagieren in einer säurekatalysierten Fischer-Veresterung:
\[ \ce{CH3COOH + C2H5OH <=>[H2SO4] CH3COOC2H5 + H2O}. \]
Somit ist D Essigsäureethylester, CCOC(=O)C, eine flüchtige Flüssigkeit mit angenehmem Geruch. Wasser hat den SMILES-Code O.
Zeichnen Sie für die geforderte Strukturzeichnung ein Carbonyl-Kohlenstoffatom, das an eine Methylgruppe und ein Sauerstoffatom gebunden ist; dieses Sauerstoffatom ist an eine Ethylgruppe gebunden:
\[ \boxed{\ce{CH3-C(=O)-O-CH2-CH3}}. \]
5.2 — Stoffklasse
Die charakteristische Verknüpfung ist \(\ce{-C(=O)-O-}\), mit Kohlenstoffresten auf beiden Seiten. Daher ist D ein Carbonsäureester.
5.3 — Gleichgewichtsausbeute bei äquimolaren Edukten
Die Ausbeute steigt nicht weiter an, weil die Veresterung das Gleichgewicht erreicht. Der Katalysator beschleunigt die Einstellung des Gleichgewichts, verändert aber dessen Lage nicht.
Als Anfangsstoffmengen werden \(1.00\ \mathrm{mol}\) Essigsäure und \(2.00\ \mathrm{mol}\) Ethanol angesetzt, wobei nach der angegebenen Abtrennung anfangs weder Ester noch Wasser vorhanden sind. Eine Ausbeute von 85% entspricht einem Reaktionsfortschritt von \(0.85\ \mathrm{mol}\).
| Stoff | Anfangsstoffmenge / mol | Gleichgewichtsstoffmenge / mol |
|---|---|---|
| Essigsäure | 1.00 | 0.15 |
| Ethanol | 2.00 | 1.15 |
| Essigsäureethylester | 0 | 0.85 |
| Wasser | 0 | 0.85 |
Unter den angegebenen Annahmen gilt:
\[ K_c= \frac{[\text{Essigsäureethylester}][\text{Wasser}]} {[\text{Essigsäure}][\text{Ethanol}]}. \]
Die Volumenfaktoren kürzen sich heraus, sodass sich ergibt:
\[ K_c=\frac{0.85^2}{(1-0.85)(2-0.85)} =\frac{0.7225}{0.1725} =4.1884. \]
Nun wird von jeweils \(1.00\ \mathrm{mol}\) der beiden Edukte ausgegangen. Es sei \(y\) der umgesetzte Anteil:
\[ K_c=\frac{y^2}{(1-y)^2}. \]
Daraus folgt:
\[ \frac{y}{1-y}=\sqrt{K_c}, \qquad y=\frac{\sqrt{K_c}}{1+\sqrt{K_c}} =0.6718. \]
Somit gilt:
\[ \boxed{\text{Ausbeute}\approx67\%}. \]
Der Wegfall des anfänglichen Ethanolüberschusses verringert den Gleichgewichtsumsatz. Die zutreffende qualitative Antwort ist c).
5.4 — Identifizierung von A, B und C
Die Strukturen sind:
| Verbindung | Name und SMILES | Beschreibung der geforderten Strukturzeichnung |
|---|---|---|
| A | Orthoessigsäuretriethylester, CC(OCC)(OCC)OCC |
Ein tetraedrisches zentrales Kohlenstoffatom, das an eine Methylgruppe und über Sauerstoff an drei Ethoxygruppen gebunden ist: \(\ce{CH3C(OC2H5)3}\). |
| B | Ethoxyethin, CCOC#C |
Eine endständige Kohlenstoff–Kohlenstoff-Dreifachbindung, die an das Sauerstoffatom einer Ethoxygruppe gebunden ist: \(\ce{H-C#C-O-CH2CH3}\). |
| C | Malonsäurediethylester, CCOC(=O)CC(=O)OCC |
Eine Methylengruppe zwischen zwei Ester-Carbonylgruppen, wobei jede Estergruppe eine Ethylgruppe trägt. |
Diese Zuordnungen erfüllen alle voneinander unabhängigen Beobachtungen.
Die Hydrierung identifiziert B.
Die Masse von B in der Probe beträgt:
\[ m_B=3.92-3.22=0.70\ \mathrm{g}. \]
Mit dem üblichen molaren Gasvolumen unter Normbedingungen ergibt sich:
\[ n(\ce{H2}) =\frac{0.448\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.0200\ \mathrm{mol}. \]
Diethylether, CCOCC, ist das einzige organische Produkt, das im Lösungsmittel verborgen bleiben könnte. Ethoxyethin liefert bei vollständiger Hydrierung genau dieses Produkt:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + 2H2 ->[Pd/C] C2H5OC2H5}. \]
Wasserstoff hat den SMILES-Code [H][H]. Folglich gilt:
\[ n_B=\frac{0.0200}{2}=0.0100\ \mathrm{mol}, \]
und
\[ M_B=\frac{0.70\ \mathrm{g}}{0.0100\ \mathrm{mol}} =70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Dies stimmt mit Ethoxyethin, \(\ce{C4H6O}\), überein:
\[ M(\ce{C4H6O})=4(12)+6(1)+16=70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Das Verhalten gegenüber Säuren und Basen identifiziert A und C.
Ein Orthoester wird durch wässrige Säure hydrolysiert, übersteht jedoch eine alkalische Behandlung. Der Orthoester, der Essigsäure und Ethanol liefert, ist Orthoessigsäuretriethylester, A:
\[ \ce{CH3C(OC2H5)3 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + 3C2H5OH}. \]
Bei C deuten zwei äquivalente Ethoxygruppen und ein Methylen-Singulett auf einen Malonsäureester hin. Hydrolyse mit anschließender Decarboxylierung liefert Essigsäure, Ethanol und Kohlenstoffdioxid, O=C=O:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + 2C2H5OH + CO2 ^}. \]
Für B lautet die Gesamtgleichung der sauren Hydrolyse:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + C2H5OH}. \]
Somit liefert jeweils ein Mol jeder Ausgangsverbindung:
| Ausgangsverbindung | Essigsäure / mol | Ethanol / mol |
|---|---|---|
| A | 1 | 3 |
| B | 1 | 1 |
| C | 1 | 2 |
| Gesamt | 3 | 6 |
Das Verhältnis beträgt daher wie gefordert \(3:6=1:2\). Kohlenstoffdioxid entweicht und ist kein zusätzlicher Bestandteil des zurückgewonnenen Flüssigkeitsgemisches.
Beim alkalischen Versuch bleibt A unverändert. Nach Ansäuern und Erhitzen liefern B und C zusammen:
\[ n(\text{Essigsäure}):n(\text{Ethanol}) =(1+1):(1+2)=2:3, \]
wobei aus dem Zwischenprodukt Malonsäure Kohlenstoffdioxid freigesetzt wird.
Die NMR-Integrale stimmen überein.
| Verbindung | Singulett | Triplett | Quartett | Integralverhältnis |
|---|---|---|---|---|
| A | Methylgruppe am zentralen Kohlenstoffatom: \(3\mathrm{H}\) | Drei Methylgruppen der Ethylgruppen: \(9\mathrm{H}\) | Drei Methylengruppen der Ethoxygruppen: \(6\mathrm{H}\) | \(3:9:6=1:3:2\) |
| B | Endständiges acetylenisches Proton: \(1\mathrm{H}\) | Methylgruppe der Ethylgruppe: \(3\mathrm{H}\) | Methylengruppe der Ethoxygruppe: \(2\mathrm{H}\) | \(1:3:2\) |
| C | Methylengruppe zwischen Carbonylgruppen: \(2\mathrm{H}\) | Zwei Methylgruppen der Ethylgruppen: \(6\mathrm{H}\) | Zwei Methylengruppen der Ethoxygruppen: \(4\mathrm{H}\) | \(2:6:4=1:3:2\) |
Die Ethylgruppen liefern das übliche Triplett und Quartett. Die übrigen Protonen haben kein benachbartes protonentragendes Kohlenstoffatom, das eine gewöhnliche vicinale Aufspaltung hervorrufen würde.
Die verbleibenden Massen stimmen überein.
Da das Gemisch äquimolar ist, gilt:
\[ n_A=n_C=n_B=0.0100\ \mathrm{mol}. \]
Für A, \(\ce{C8H18O3}\), gilt \(M_A=162\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\); für C, \(\ce{C7H12O4}\), gilt \(M_C=160\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Daher ergibt sich:
\[ m_A+m_C =0.0100(162+160) =3.22\ \mathrm{g}, \]
und
\[ m_X=0.0100(162+70+160)=3.92\ \mathrm{g}. \]
Beide Ergebnisse geben die gemessenen Massen wieder.
5.5 — Zwischenprodukte der Hydrolyse
Bei C ist das wichtige Zwischenprodukt vor der Decarboxylierung Malonsäure (Propandisäure), O=C(O)CC(=O)O.
Die schrittweise Esterhydrolyse kann zunächst Malonsäuremonoethylester, CCOC(=O)CC(=O)O, liefern:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + H2O ->[H^+] HOOCCH2COOC2H5 + C2H5OH}, \]
\[ \ce{HOOCCH2COOC2H5 + H2O ->[H^+] CH2(COOH)2 + C2H5OH}. \]
Anschließend decarboxyliert die Malonsäure:
\[ \boxed{\ce{CH2(COOH)2 ->[\Delta] CH3COOH + CO2 ^}}. \]
Bei B liefert die Hydratisierung Essigsäureethylester, D, CCOC(=O)C, gefolgt von der Verseifung zum Acetat-Ion, CC(=O)[O-]. Die Stöchiometrie der einzelnen Schritte lautet:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + H2O -> CH3COOC2H5}, \]
\[ \ce{CH3COOC2H5 + OH- -> CH3COO- + C2H5OH}. \]
Hier hat das Hydroxid-Ion den SMILES-Code [OH-]. Anschließendes Ansäuern ergibt:
\[ \ce{CH3COO- + H+ -> CH3COOH}. \]
Der Vollständigkeit halber: C liefert unter alkalischen Bedingungen zunächst das Malonat-Ion, O=C([O-])CC(=O)[O-]:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + 2OH- -> [CH2(COO)2]^2- + 2C2H5OH}, \]
\[ \ce{[CH2(COO)2]^2- + 2H+ -> CH2(COOH)2}. \]
Die entstandene Malonsäure durchläuft die oben gezeigte Decarboxylierung.
5.6 — Seneciosäure und ihre Synthese aus Aceton
Der mit Iod und Alkali gebildete gelbe Niederschlag weist auf eine Haloformreaktion hin. Ein Methylketon wird zu einem Carboxylat und Iodoform gespalten.
Aceton, CC(=O)C, reagiert zunächst durch säurekatalysierte Selbstaldoladdition zu Diacetonalkohol (4-Hydroxy-4-methylpentan-2-on), CC(=O)CC(C)(C)O:
\[ \ce{2CH3COCH3 <=>[HCl] CH3COCH2C(OH)(CH3)2}. \]
Durch Dehydratisierung entsteht Mesityloxid (4-Methylpent-3-en-2-on), CC(=O)C=C(C)C:
\[ \ce{CH3COCH2C(OH)(CH3)2 ->[H^+] CH3COCH=C(CH3)2 + H2O}. \]
Seine Methylketongruppe wird durch eine Haloformreaktion gespalten:
\[ \boxed{ \ce{CH3COCH=C(CH3)2 + 3I2 + 4NaOH -> (CH3)2C=CHCOONa + CHI3 v + 3NaI + 3H2O} }. \]
Das Carboxylatprodukt ist Natrium-3-methylbut-2-enoat, CC(C)=CC(=O)[O-].[Na+]. Ansäuern liefert Seneciosäure:
\[ \ce{(CH3)2C=CHCOONa + HCl -> (CH3)2C=CHCOOH + NaCl}. \]
Somit ist
\[ \boxed{\text{SA}=\ce{HOOC-CH=C(CH3)2}} \]
3-Methylbut-2-ensäure, CC(C)=CC(=O)O.
Platzieren Sie für die geforderte Strukturzeichnung eine Carboxylgruppe an einem Ende eines Alkens: Das ihr benachbarte Alken-Kohlenstoffatom trägt ein Wasserstoffatom, während das andere Alken-Kohlenstoffatom zwei Methylgruppen trägt. Es gibt keine \(E/Z\)-Stereochemie, weil ein Alken-Kohlenstoffatom zwei identische Methylsubstituenten besitzt.
Die Reaktionen von B und C stützen diese Struktur unabhängig voneinander.
Bei B liefert die basenvermittelte Addition an Aceton 4-Ethoxy-2-methylbut-3-in-2-ol, CCOC#CC(C)(C)O:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + CH3COCH3 ->[base] (CH3)2C(OH)-C#C-OC2H5}. \]
Die Hydratisierung des Ethoxyalkins ergibt 3-Hydroxy-3-methylbutansäureethylester, CCOC(=O)CC(C)(C)O:
\[ \ce{(CH3)2C(OH)-C#C-OC2H5 + H2O ->[H^+] (CH3)2C(OH)CH2COOC2H5}. \]
Dehydratisierung liefert Seneciosäureethylester, CCOC(=O)C=C(C)C, der zu SA hydrolysiert:
\[ \ce{(CH3)2C(OH)CH2COOC2H5 ->[H^+,\ \Delta] (CH3)2C=CHCOOC2H5 + H2O}, \]
\[ \ce{(CH3)2C=CHCOOC2H5 + H2O ->[H^+] (CH3)2C=CHCOOH + C2H5OH}. \]
Bei C liefert die Knoevenagel-Kondensation mit Aceton 2-(Propan-2-yliden)malonsäurediethylester, CCOC(=O)C(=C(C)C)C(=O)OCC:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + CH3COCH3 ->[base] (CH3)2C=C(COOC2H5)2 + H2O}. \]
Die Hydrolyse ergibt 2-(Propan-2-yliden)malonsäure, O=C(O)C(=C(C)C)C(=O)O:
\[ \ce{(CH3)2C=C(COOC2H5)2 + 2H2O ->[H^+] (CH3)2C=C(COOH)2 + 2C2H5OH}. \]
Die Decarboxylierung liefert dieselbe Säure:
\[ \ce{(CH3)2C=C(COOH)2 ->[\Delta] (CH3)2C=CHCOOH + CO2 ^}. \]
5.7 — Identifizierung und Struktur von E
Der schwere gelbe Niederschlag ist Iodoform (Triiodmethan):
\[ \boxed{\ce{E = CHI3}}, \qquad \text{SMILES: IC(I)I}. \]
Zeichnen Sie ein tetraedrisches Kohlenstoffatom mit drei Einfachbindungen zu Iodatomen und einer Einfachbindung zu Wasserstoff. Es ist das Haloformprodukt der ausgeglichenen Reaktionsgleichung in 5.6.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 2007 · Teori sorusu 5
Gizemli bir karışım (organik saklambaç oyunu)
Renksiz üç organik sıvının (A, B, C) eşmolar karışımı X, bir damla hidroklorik asit içeren suyla ısıtılarak işleme tabi tutulduğunda, sudan ayrıldıktan sonra başka hiçbir bileşen içermeyen, mol oranı 1 : 2 olan bir asetik asit ve etanol karışımı elde edildi. Hidrolizden sonra karışıma katalitik miktarda (bir-iki damla) derişik sülfürik asit eklendi ve geri soğutucu altında uzun süre kaynatıldıktan sonra hoş kokulu, uçucu bir sıvı olan D bileşiği %85 verimle oluştu. D bileşiği, A, B, C bileşiklerinin hiçbirisiyle aynı değildir.
5.1 D bileşiğinin yapısını çiziniz.
5.2 D, hangi organik bileşik sınıfına aittir? Cevap Kâğıdı'nda verilen seçeneklerden uygun olanı seçiniz.
5.3 Geri soğutucu altında kaynatma süresi iki katına çıkarılsa bile D'nin verimi %85'i aşmaz. Etanol ve asetik asidin mol oranı 1 : 1 olan bir karışımı kullanılırsa D için beklenen verimi hesaplayınız. Şunları varsayınız: a) tepkimeler sırasında hacimler değişmez; b) çözücü etkileri, hacimlerin toplamsal olmaması, sıcaklık değişimi vb. eşlik eden tüm etkenler ihmal edilebilir. Nicel bir tahmin yapamıyorsanız, verimin a) aynı (%85); b) %85'ten yüksek; c) %85'ten düşük olacağını belirtiniz.
A, B, C bileşiklerinin \(\ce{^1H}\) NMR spektrumları birbirine çok benzer ve her birinde integral şiddetlerinin oranı 1 : 3 : 2 olan bir singlet, bir triplet ve bir kuartet görülür.
Aynı X karışımı bazik hidrolize tabi tutuldu. A değişmeden kaldı ve ayrıldı. Kalan çözelti, asitlendirildikten ve kısa süre kaynatıldıktan sonra gaz çıkışıyla birlikte mol oranı 2 : 3 olan bir asetik asit ve etanol karışımı verdi.
X karışımı (3.92 g) dietil eterde çözüldü ve aktif karbon üzerine tutturulmuş \(\ce{Pd}\) katalizörü varlığında hidrojenlendi. 0.448 \(\mathrm{dm^3}\) (standart koşullarda) hidrojen soğuruldu; ancak tepkimeden sonra A ve C değişmeden izole edildi (3.22 g karışım geri elde edildi). Hidrojenlemeden sonra ise ne B ne de dietil eter dışında başka bir organik bileşik saptanabildi.
5.4 A, B ve C'nin yapılarını belirleyiniz ve çiziniz.
5.5 C'nin asidik hidrolizi ve B'nin bazik hidrolizi sırasında hangi ara bileşikler oluşur?
B veya C'nin asetonla (bir baz varlığında) tepkimesi ve ardından hafifçe ısıtılarak seyreltik \(\ce{HCl}\) ile asitlendirilmesi, doğada yaygın olarak bulunan aynı ürünü, senesiyoik asidi (SA) verir. Alternatif olarak senesiyoik asit, asetonun derişik \(\ce{HCl}\) ile işleme tabi tutulması ve ardından ara ürünün bazik çözeltide iyotla yükseltgenmesi yoluyla elde edilebilir. Son tepkimede, senesiyoik asidin sodyum tuzunun yanı sıra ağır, sarı bir çökelek olan E oluşur (bkz. şema 2).


5.6 Senesiyoik asidin yapısını belirleyiniz ve asetondan senesiyoik aside giden tepkime şemasını çiziniz.
5.7 E'nin yapısını veriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 5.1: D, etil asetattır (etil etanoat), \(\ce{CH3C(=O)OCH2CH3}\), SMILES
CCOC(=O)C. - 5.2: D, bir karboksilik asit esteridir.
- 5.3: Beklenen denge verimi yaklaşık %67'dir (hesaplanan dönüşüm \(0.6718\)); dolayısıyla c), %85'ten düşük seçilmelidir.
- 5.4: A, trietil ortoasetattır, \(\ce{CH3C(OC2H5)3}\),
CC(OCC)(OCC)OCC; B, etoksietindir (etil etinil eter), \(\ce{HC#C-OC2H5}\),CCOC#C; C, dietil malonattır, \(\ce{CH2(COOC2H5)2}\),CCOC(=O)CC(=O)OCC. - 5.5: C, dekarboksilasyondan önce malonik asit,
O=C(O)CC(=O)O, verir. B için hidratasyon, etil asetat,CCOC(=O)C, verir; bu da asitlendirmeden önce sabunlaşarak asetat iyonuna,CC(=O)[O-], dönüşür. - 5.6: SA, 3-metilbüt-2-enoik asittir (senesiyoik asit), \(\ce{(CH3)2C=CHCOOH}\),
CC(C)=CC(=O)O. Aseton, aldol kondenzasyonuyla mezitil okside,CC(=O)C=C(C)C, dönüşür; haloform parçalanması sodyum senesiyoat,CC(C)=CC(=O)[O-].[Na+], verir ve ardından asitlendirme yapılır. - 5.7: E, iyodoformdur (triiyodometan), \(\ce{CHI3}\), SMILES
IC(I)I.
Çözüm
5.1 — D'nin belirlenmesi ve yapısı
Asetik asit, CC(=O)O, ve etanol, CCO, asit katalizli Fischer esterleşmesine girer:
\[ \ce{CH3COOH + C2H5OH <=>[H2SO4] CH3COOC2H5 + H2O}. \]
Dolayısıyla D, etil asetattır, CCOC(=O)C; hoş kokulu, uçucu bir sıvıdır. Suyun SMILES gösterimi O şeklindedir.
İstenen çizim için bir metil grubuna ve bir oksijen atomuna bağlı bir karbonil karbonu çiziniz; bu oksijen bir etil grubuna bağlıdır:
\[ \boxed{\ce{CH3-C(=O)-O-CH2-CH3}}. \]
5.2 — Bileşik sınıfı
Karakteristik bağlanma birimi, her iki yanında karbon grupları bulunan \(\ce{-C(=O)-O-}\) birimidir. Dolayısıyla D, bir karboksilik asit esteridir.
5.3 — Eşmolar reaktanlarla denge verimi
Esterleşme dengeye ulaştığı için verim artık artmaz. Katalizör dengeye ulaşılmasını hızlandırır, ancak dengenin konumunu değiştirmez.
Başlangıç miktarlarını \(1.00\ \mathrm{mol}\) asetik asit ve \(2.00\ \mathrm{mol}\) etanol olarak alalım; belirtilen ayırma işleminden sonra başlangıçta ester veya su bulunmadığını kabul edelim. %85 verim, \(0.85\ \mathrm{mol}\) tepkime ilerleme miktarına karşılık gelir.
| Tür | Başlangıç miktarı / mol | Denge miktarı / mol |
|---|---|---|
| Asetik asit | 1.00 | 0.15 |
| Etanol | 2.00 | 1.15 |
| Etil asetat | 0 | 0.85 |
| Su | 0 | 0.85 |
Belirtilen varsayımlar altında,
\[ K_c= \frac{[\text{etil asetat}][\text{su}]} {[\text{asetik asit}][\text{etanol}]}. \]
Hacim çarpanları sadeleşir ve şu sonuç elde edilir:
\[ K_c=\frac{0.85^2}{(1-0.85)(2-0.85)} =\frac{0.7225}{0.1725} =4.1884. \]
Şimdi her bir reaktandan \(1.00\ \mathrm{mol}\) ile başlayalım. Dönüşen kesir \(y\) olsun:
\[ K_c=\frac{y^2}{(1-y)^2}. \]
Buradan
\[ \frac{y}{1-y}=\sqrt{K_c}, \qquad y=\frac{\sqrt{K_c}}{1+\sqrt{K_c}} =0.6718. \]
Dolayısıyla,
\[ \boxed{\text{Verim}\approx67\%}. \]
Başlangıçtaki etanol fazlasının kaldırılması, denge dönüşümünü düşürür. Uygun nitel seçenek c)'dir.
5.4 — A, B ve C'nin belirlenmesi
Yapılar şöyledir:
| Bileşik | Adı ve SMILES gösterimi | İstenen çizimin açıklaması |
|---|---|---|
| A | Trietil ortoasetat, CC(OCC)(OCC)OCC |
Bir metil grubuna ve oksijen üzerinden üç etoksi grubuna bağlı tetrahedral bir merkez karbon: \(\ce{CH3C(OC2H5)3}\). |
| B | Etoksietin, CCOC#C |
Bir etoksi oksijenine bağlı uç karbon–karbon üçlü bağı: \(\ce{H-C#C-O-CH2CH3}\). |
| C | Dietil malonat, CCOC(=O)CC(=O)OCC |
Her bir esterin bir etil grubu taşıdığı, iki ester karbonil grubu arasında yer alan bir metilen grubu. |
Bu yapı atamaları, birbirinden bağımsız tüm gözlemleri karşılar.
Hidrojenleme, B'yi belirler.
Örnekteki B'nin kütlesi
\[ m_B=3.92-3.22=0.70\ \mathrm{g}. \]
Standart koşullardaki geleneksel molar gaz hacmi kullanıldığında,
\[ n(\ce{H2}) =\frac{0.448\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.0200\ \mathrm{mol}. \]
Dietil eter, CCOCC, çözücü içinde gizlenebilecek tek organik üründür. Etoksietin, tam hidrojenleme sonucunda tam olarak bu ürünü verir:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + 2H2 ->[Pd/C] C2H5OC2H5}. \]
Hidrojenin SMILES gösterimi [H][H] şeklindedir. Buna göre,
\[ n_B=\frac{0.0200}{2}=0.0100\ \mathrm{mol}, \]
ve
\[ M_B=\frac{0.70\ \mathrm{g}}{0.0100\ \mathrm{mol}} =70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Bu sonuç etoksietin, \(\ce{C4H6O}\), ile uyumludur:
\[ M(\ce{C4H6O})=4(12)+6(1)+16=70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Asit/baz davranışı, A ve C'yi belirler.
Bir ortoester sulu asit ortamında hidroliz olur, ancak bazla işlem sırasında değişmeden kalır. Asetik asit ve etanol veren ortoester, trietil ortoasetat, A'dır:
\[ \ce{CH3C(OC2H5)3 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + 3C2H5OH}. \]
C için iki eşdeğer etoksi grubu ve bir metilen singleti, bir malonik asit esterini düşündürür. Hidroliz ve ardından dekarboksilasyon, asetik asit, etanol ve karbon dioksit, O=C=O, verir:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + 2C2H5OH + CO2 ^}. \]
B için toplam asidik hidroliz tepkimesi şöyledir:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + C2H5OH}. \]
Böylece, başlangıç bileşiklerinin her birinden bir mol alındığında şu miktarlar elde edilir:
| Başlangıç bileşiği | Asetik asit / mol | Etanol / mol |
|---|---|---|
| A | 1 | 3 |
| B | 1 | 1 |
| C | 1 | 2 |
| Toplam | 3 | 6 |
Dolayısıyla oran, gerektiği gibi \(3:6=1:2\) olur. Karbon dioksit ortamdan uzaklaşır ve geri elde edilen sıvı karışımda ek bir bileşen olarak bulunmaz.
Bazik ortamda yapılan deneyde A değişmeden kalır. Asitlendirme ve ısıtmadan sonra B ve C birlikte şu oranı verir:
\[ n(\text{asetik asit}):n(\text{etanol}) =(1+1):(1+2)=2:3, \]
ve malonik asit ara ürününden karbon dioksit açığa çıkar.
NMR integralleri uyumludur.
| Bileşik | Singlet | Triplet | Kuartet | İntegral oranı |
|---|---|---|---|---|
| A | Merkez karbona bağlı metil: \(3\mathrm{H}\) | Üç etil grubunun metil grupları: \(9\mathrm{H}\) | Üç etoksi grubunun metilen grupları: \(6\mathrm{H}\) | \(3:9:6=1:3:2\) |
| B | Uç asetilenik proton: \(1\mathrm{H}\) | Etil grubunun metili: \(3\mathrm{H}\) | Etoksi grubunun metileni: \(2\mathrm{H}\) | \(1:3:2\) |
| C | Karbonil grupları arasındaki metilen: \(2\mathrm{H}\) | İki etil grubunun metil grupları: \(6\mathrm{H}\) | İki etoksi grubunun metilen grupları: \(4\mathrm{H}\) | \(2:6:4=1:3:2\) |
Etil grupları, alışıldık triplet ve kuartet sinyallerini verir. Kalan protonların komşuluğunda, olağan visinal yarılmaya yol açacak proton taşıyan bir karbon bulunmaz.
Kalan kütleler uyumludur.
Karışım eşmolar olduğundan,
\[ n_A=n_C=n_B=0.0100\ \mathrm{mol}. \]
A, \(\ce{C8H18O3}\), için \(M_A=162\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\); C, \(\ce{C7H12O4}\), için \(M_C=160\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) olur. Dolayısıyla,
\[ m_A+m_C =0.0100(162+160) =3.22\ \mathrm{g}, \]
ve
\[ m_X=0.0100(162+70+160)=3.92\ \mathrm{g}. \]
Her iki sonuç da ölçülen kütleleri verir.
5.5 — Hidroliz ara ürünleri
C için dekarboksilasyondan önceki önemli ara ürün, malonik asittir (propandioik asit), O=C(O)CC(=O)O.
Basamaklı ester hidrolizi, önce etil hidrojen malonat, CCOC(=O)CC(=O)O, verebilir:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + H2O ->[H^+] HOOCCH2COOC2H5 + C2H5OH}, \]
\[ \ce{HOOCCH2COOC2H5 + H2O ->[H^+] CH2(COOH)2 + C2H5OH}. \]
Ardından malonik asit dekarboksilasyona uğrar:
\[ \boxed{\ce{CH2(COOH)2 ->[\Delta] CH3COOH + CO2 ^}}. \]
B için hidratasyon, etil asetat, D, CCOC(=O)C, verir; ardından sabunlaşma ile asetat iyonu, CC(=O)[O-], oluşur. Basamaklı stokiyometri şöyledir:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + H2O -> CH3COOC2H5}, \]
\[ \ce{CH3COOC2H5 + OH- -> CH3COO- + C2H5OH}. \]
Burada hidroksit iyonunun SMILES gösterimi [OH-] şeklindedir. Ardından asitlendirme şu ürünü verir:
\[ \ce{CH3COO- + H+ -> CH3COOH}. \]
Eksiksiz olması için, C'nin bazik koşullarda başlangıçta malonat iyonu, O=C([O-])CC(=O)[O-], verdiğini de belirtelim:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + 2OH- -> [CH2(COO)2]^2- + 2C2H5OH}, \]
\[ \ce{[CH2(COO)2]^2- + 2H+ -> CH2(COOH)2}. \]
Oluşan malonik asit, yukarıda gösterilen dekarboksilasyona uğrar.
5.6 — Senesiyoik asit ve asetondan sentezi
İyot ve bazla oluşan sarı çökelek, bir haloform tepkimesine işaret eder. Bir metil keton parçalanarak bir karboksilat ve iyodoform verir.
Aseton, CC(=O)C, önce asit katalizli öz aldol katılmasına uğrayarak diaseton alkolü (4-hidroksi-4-metilpentan-2-on), CC(=O)CC(C)(C)O, oluşturur:
\[ \ce{2CH3COCH3 <=>[HCl] CH3COCH2C(OH)(CH3)2}. \]
Dehidratasyon, mezitil oksit (4-metilpent-3-en-2-on), CC(=O)C=C(C)C, oluşturur:
\[ \ce{CH3COCH2C(OH)(CH3)2 ->[H^+] CH3COCH=C(CH3)2 + H2O}. \]
Bu bileşiğin metil keton grubu haloform parçalanmasına uğrar:
\[ \boxed{ \ce{CH3COCH=C(CH3)2 + 3I2 + 4NaOH -> (CH3)2C=CHCOONa + CHI3 v + 3NaI + 3H2O} }. \]
Karboksilat ürünü, sodyum 3-metilbüt-2-enoattır, CC(C)=CC(=O)[O-].[Na+]. Asitlendirme, senesiyoik asit verir:
\[ \ce{(CH3)2C=CHCOONa + HCl -> (CH3)2C=CHCOOH + NaCl}. \]
Dolayısıyla,
\[ \boxed{\text{SA}=\ce{HOOC-CH=C(CH3)2}} \]
3-metilbüt-2-enoik asittir, CC(C)=CC(=O)O.
İstenen çizim için bir alkenin bir ucuna bir karboksil grubu yerleştiriniz: bu gruba komşu alken karbonu bir hidrojen taşırken, diğer alken karbonu iki metil grubu taşır. Alken karbonlarından biri birbirinin aynı iki metil sübstitüenti taşıdığı için \(E/Z\) stereoizomerliği yoktur.
B ve C'nin tepkimeleri, bu yapıyı birbirinden bağımsız olarak destekler.
B için baz etkisiyle asetona katılma, 4-etoksi-2-metilbüt-3-in-2-ol, CCOC#CC(C)(C)O, verir:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + CH3COCH3 ->[base] (CH3)2C(OH)-C#C-OC2H5}. \]
Etoksialkinin hidratasyonu, etil 3-hidroksi-3-metilbütanoat, CCOC(=O)CC(C)(C)O, verir:
\[ \ce{(CH3)2C(OH)-C#C-OC2H5 + H2O ->[H^+] (CH3)2C(OH)CH2COOC2H5}. \]
Dehidratasyon, hidroliz olarak SA'ya dönüşen etil senesiyoat, CCOC(=O)C=C(C)C, verir:
\[ \ce{(CH3)2C(OH)CH2COOC2H5 ->[H^+,\ \Delta] (CH3)2C=CHCOOC2H5 + H2O}, \]
\[ \ce{(CH3)2C=CHCOOC2H5 + H2O ->[H^+] (CH3)2C=CHCOOH + C2H5OH}. \]
C için asetonla Knoevenagel kondenzasyonu, dietil 2-(propan-2-iliden)malonat, CCOC(=O)C(=C(C)C)C(=O)OCC, verir:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + CH3COCH3 ->[base] (CH3)2C=C(COOC2H5)2 + H2O}. \]
Hidroliz, 2-(propan-2-iliden)malonik asit, O=C(O)C(=C(C)C)C(=O)O, verir:
\[ \ce{(CH3)2C=C(COOC2H5)2 + 2H2O ->[H^+] (CH3)2C=C(COOH)2 + 2C2H5OH}. \]
Dekarboksilasyon aynı asidi verir:
\[ \ce{(CH3)2C=C(COOH)2 ->[\Delta] (CH3)2C=CHCOOH + CO2 ^}. \]
5.7 — E'nin belirlenmesi ve yapısı
Ağır, sarı çökelek iyodoformdur (triiyodometan):
\[ \boxed{\ce{E = CHI3}}, \qquad \text{SMILES: IC(I)I}. \]
İyot atomlarına üç tek bağla ve hidrojene bir tek bağla bağlı tetrahedral bir karbon atomu çiziniz. Bu bileşik, 5.6'daki denkleştirilmiş tepkimenin haloform ürünüdür.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2007 · Problema teórico 5
Una mezcla misteriosa (juego del escondite orgánico)
Una mezcla equimolar X de tres líquidos orgánicos incoloros A, B, C se trató con agua que contenía una gota de ácido clorhídrico, calentando, para obtener (tras separarla del agua) una mezcla de ácido acético y etanol en proporción molar 1 : 2, sin ningún otro componente. Se añadió una cantidad catalítica (una o dos gotas) de ácido sulfúrico concentrado a la mezcla después de la hidrólisis y, tras un período prolongado de reflujo (ebullición con un refrigerante de reflujo), se formó un compuesto D, un líquido volátil de olor agradable, con un rendimiento del 85%. El compuesto D no es idéntico a ninguno de los compuestos A, B, C.
5.1 ¿Cuál es la estructura del compuesto D? Dibújela.
5.2 ¿A qué clase de compuestos orgánicos pertenece D? Elija la opción adecuada entre las que figuran en la hoja de respuestas.
5.3 Aunque se prolongue el reflujo durante el doble de tiempo, el rendimiento de D no superaría el 85%. Calcule el rendimiento esperado de D si se parte de una mezcla de etanol y ácido acético en proporción molar 1 : 1. Suponga que: a) los volúmenes no cambian durante las reacciones; b) todos los factores concomitantes, como los efectos del disolvente, la no aditividad de los volúmenes, la variación de la temperatura, etc., son despreciables. Si no puede realizar una estimación cuantitativa, indique si el rendimiento será: a) el mismo (85 %); b) superior al 85 %; c) inferior al 85 %.
Los espectros de RMN de \(\ce{^1H}\) de los compuestos A, B, C son muy similares y cada uno presenta un singlete, un triplete y un cuarteto con una relación de intensidades integradas de 1 : 3 : 2.
La misma mezcla X se sometió a hidrólisis alcalina. A permaneció inalterado y se separó. Tras la acidificación y una breve ebullición, la disolución restante dio una mezcla de ácido acético y etanol en proporción molar 2 : 3, con desprendimiento de gas.
La mezcla X (3.92 g) se disolvió en éter dietílico y se sometió a hidrogenación en presencia de un catalizador de \(\ce{Pd}\) sobre carbón. Se absorbieron 0.448 \(\mathrm{dm^3}\) (en condiciones estándar) de hidrógeno, pero, tras la reacción, se aislaron A y C inalterados (se recuperaron 3.22 g de mezcla), mientras que después de la hidrogenación no pudo identificarse ni B ni ningún otro compuesto orgánico, excepto el éter dietílico.
5.4 Determine y dibuje las estructuras de A, B, y C.
5.5 ¿Qué compuestos intermedios se forman durante la hidrólisis ácida de C y la hidrólisis básica de B?
La reacción tanto de B como de C con acetona (en presencia de una base), seguida de acidificación con \(\ce{HCl}\) diluido y calentamiento suave, da el mismo producto, el ácido senecioico (SA), un compuesto ampliamente distribuido en la naturaleza. Como alternativa, el ácido senecioico puede obtenerse a partir de acetona mediante su tratamiento con \(\ce{HCl}\) concentrado y la posterior oxidación del producto intermedio con yodo en disolución alcalina. Esta última reacción da, además de la sal sódica del ácido senecioico, un precipitado amarillo pesado E (véase el esquema 2).


5.6 Determine la estructura del ácido senecioico y dibuje el esquema de reacción que conduce al ácido senecioico a partir de acetona.
5.7 Indique la estructura de E.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 5.1: D es acetato de etilo (etanoato de etilo), \(\ce{CH3C(=O)OCH2CH3}\), SMILES
CCOC(=O)C. - 5.2: D es un éster carboxílico.
- 5.3: El rendimiento esperado en el equilibrio es aproximadamente del 67% (conversión calculada \(0.6718\)); por tanto, se elige c), inferior al 85%.
- 5.4: A es ortoacetato de trietilo, \(\ce{CH3C(OC2H5)3}\),
CC(OCC)(OCC)OCC; B es etoxietino (éter etil etinílico), \(\ce{HC#C-OC2H5}\),CCOC#C; C es malonato de dietilo, \(\ce{CH2(COOC2H5)2}\),CCOC(=O)CC(=O)OCC. - 5.5: C da ácido malónico,
O=C(O)CC(=O)O, antes de la descarboxilación. En el caso de B, la hidratación da acetato de etilo,CCOC(=O)C, que se saponifica para dar ion acetato,CC(=O)[O-], antes de la acidificación. - 5.6: SA es el ácido 3-metilbut-2-enoico (ácido senecioico), \(\ce{(CH3)2C=CHCOOH}\),
CC(C)=CC(=O)O. La acetona experimenta una condensación aldólica para dar óxido de mesitilo,CC(=O)C=C(C)C; la escisión mediante la reacción del haloformo da senecioato de sodio,CC(C)=CC(=O)[O-].[Na+], seguida de acidificación. - 5.7: E es yodoformo (triyodometano), \(\ce{CHI3}\), SMILES
IC(I)I.
Solución
5.1 — Identificación y estructura de D
El ácido acético, CC(=O)O, y el etanol, CCO, experimentan una esterificación de Fischer catalizada por ácido:
\[ \ce{CH3COOH + C2H5OH <=>[H2SO4] CH3COOC2H5 + H2O}. \]
Por tanto, D es acetato de etilo, CCOC(=O)C, un líquido volátil de olor agradable. El agua tiene el SMILES O.
Para el dibujo solicitado, dibuje un carbono carbonílico unido a un grupo metilo y a un átomo de oxígeno; ese oxígeno está unido a un grupo etilo:
\[ \boxed{\ce{CH3-C(=O)-O-CH2-CH3}}. \]
5.2 — Clase de compuesto
La agrupación característica es \(\ce{-C(=O)-O-}\), con grupos carbonados a ambos lados. Por tanto, D es un éster carboxílico.
5.3 — Rendimiento en el equilibrio con reactivos equimolares
El rendimiento deja de aumentar porque la esterificación alcanza el equilibrio. El catalizador acelera la llegada al equilibrio, pero no modifica su posición.
Se toman cantidades iniciales de \(1.00\ \mathrm{mol}\) de ácido acético y \(2.00\ \mathrm{mol}\) de etanol, sin éster ni agua iniciales tras la separación indicada. Un rendimiento del 85% corresponde a un avance de reacción de \(0.85\ \mathrm{mol}\).
| Especie | Cantidad inicial / mol | Cantidad en el equilibrio / mol |
|---|---|---|
| Ácido acético | 1.00 | 0.15 |
| Etanol | 2.00 | 1.15 |
| Acetato de etilo | 0 | 0.85 |
| Agua | 0 | 0.85 |
Bajo las hipótesis indicadas,
\[ K_c= \frac{[\text{acetato de etilo}][\text{agua}]} {[\text{ácido acético}][\text{etanol}]}. \]
Los factores de volumen se cancelan, con lo que se obtiene
\[ K_c=\frac{0.85^2}{(1-0.85)(2-0.85)} =\frac{0.7225}{0.1725} =4.1884. \]
Ahora se parte de \(1.00\ \mathrm{mol}\) de cada reactivo. Sea \(y\) la fracción convertida:
\[ K_c=\frac{y^2}{(1-y)^2}. \]
Por tanto,
\[ \frac{y}{1-y}=\sqrt{K_c}, \qquad y=\frac{\sqrt{K_c}}{1+\sqrt{K_c}} =0.6718. \]
Así pues,
\[ \boxed{\text{Rendimiento}\approx67\%}. \]
Eliminar el exceso inicial de etanol reduce la conversión en el equilibrio. La opción cualitativa adecuada es c).
5.4 — Identificación de A, B y C
Las estructuras son:
| Compuesto | Nombre y SMILES | Descripción del dibujo solicitado |
|---|---|---|
| A | Ortoacetato de trietilo, CC(OCC)(OCC)OCC |
Un carbono central tetraédrico unido a un grupo metilo y a tres grupos etoxi a través del oxígeno: \(\ce{CH3C(OC2H5)3}\). |
| B | Etoxietino, CCOC#C |
Un triple enlace carbono–carbono terminal unido al oxígeno de un grupo etoxi: \(\ce{H-C#C-O-CH2CH3}\). |
| C | Malonato de dietilo, CCOC(=O)CC(=O)OCC |
Un grupo metileno entre dos grupos carbonilo de éster, cada éster con un grupo etilo. |
Estas asignaciones satisfacen todas las observaciones independientes.
La hidrogenación identifica a B.
La masa de B en la muestra es
\[ m_B=3.92-3.22=0.70\ \mathrm{g}. \]
Utilizando el volumen molar convencional de un gas en condiciones estándar,
\[ n(\ce{H2}) =\frac{0.448\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.0200\ \mathrm{mol}. \]
El éter dietílico, CCOCC, es el único producto orgánico que podría quedar oculto en el disolvente. El etoxietino da exactamente este producto al hidrogenarse por completo:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + 2H2 ->[Pd/C] C2H5OC2H5}. \]
El hidrógeno tiene el SMILES [H][H]. En consecuencia,
\[ n_B=\frac{0.0200}{2}=0.0100\ \mathrm{mol}, \]
y
\[ M_B=\frac{0.70\ \mathrm{g}}{0.0100\ \mathrm{mol}} =70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Esto concuerda con el etoxietino, \(\ce{C4H6O}\):
\[ M(\ce{C4H6O})=4(12)+6(1)+16=70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
El comportamiento en medio ácido y básico identifica a A y C.
Un ortoéster se hidroliza en medio ácido acuoso, pero permanece inalterado durante el tratamiento alcalino. El ortoéster que da ácido acético y etanol es el ortoacetato de trietilo, A:
\[ \ce{CH3C(OC2H5)3 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + 3C2H5OH}. \]
En el caso de C, dos grupos etoxi equivalentes y un singlete de metileno sugieren un éster malónico. La hidrólisis seguida de descarboxilación da ácido acético, etanol y dióxido de carbono, O=C=O:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + 2C2H5OH + CO2 ^}. \]
En el caso de B, la hidrólisis ácida global es
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + C2H5OH}. \]
Así, un mol de cada compuesto de partida da:
| Compuesto de partida | Ácido acético / mol | Etanol / mol |
|---|---|---|
| A | 1 | 3 |
| B | 1 | 1 |
| C | 1 | 2 |
| Total | 3 | 6 |
La proporción es, por tanto, \(3:6=1:2\), como se requiere. El dióxido de carbono se desprende y no constituye un componente adicional de la mezcla líquida recuperada.
En el experimento en medio alcalino, A permanece inalterado. Tras la acidificación y el calentamiento, B y C dan conjuntamente
\[ n(\text{ácido acético}):n(\text{etanol}) =(1+1):(1+2)=2:3, \]
con desprendimiento de dióxido de carbono a partir del ácido malónico intermedio.
Las integraciones de RMN concuerdan.
| Compuesto | Singlete | Triplete | Cuarteto | Relación de integraciones |
|---|---|---|---|---|
| A | Metilo unido al carbono central: \(3\mathrm{H}\) | Tres grupos metilo de los grupos etilo: \(9\mathrm{H}\) | Tres grupos metileno de los grupos etoxi: \(6\mathrm{H}\) | \(3:9:6=1:3:2\) |
| B | Protón acetilénico terminal: \(1\mathrm{H}\) | Metilo del grupo etilo: \(3\mathrm{H}\) | Metileno del grupo etoxi: \(2\mathrm{H}\) | \(1:3:2\) |
| C | Metileno entre grupos carbonilo: \(2\mathrm{H}\) | Dos grupos metilo de los grupos etilo: \(6\mathrm{H}\) | Dos grupos metileno de los grupos etoxi: \(4\mathrm{H}\) | \(2:6:4=1:3:2\) |
Los grupos etilo dan su triplete y cuarteto habituales. Los protones restantes no tienen ningún carbono adyacente portador de protones que produzca el desdoblamiento vecinal habitual.
Las masas restantes concuerdan.
Como la mezcla es equimolar,
\[ n_A=n_C=n_B=0.0100\ \mathrm{mol}. \]
Para A, \(\ce{C8H18O3}\), \(M_A=162\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\); para C, \(\ce{C7H12O4}\), \(M_C=160\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Por tanto,
\[ m_A+m_C =0.0100(162+160) =3.22\ \mathrm{g}, \]
y
\[ m_X=0.0100(162+70+160)=3.92\ \mathrm{g}. \]
Ambos resultados reproducen las masas medidas.
5.5 — Intermedios de hidrólisis
En el caso de C, el intermedio importante antes de la descarboxilación es el ácido malónico (ácido propanodioico), O=C(O)CC(=O)O.
La hidrólisis del éster por etapas puede dar primero hidrogenomalonato de etilo, CCOC(=O)CC(=O)O:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + H2O ->[H^+] HOOCCH2COOC2H5 + C2H5OH}, \]
\[ \ce{HOOCCH2COOC2H5 + H2O ->[H^+] CH2(COOH)2 + C2H5OH}. \]
A continuación, el ácido malónico se descarboxila:
\[ \boxed{\ce{CH2(COOH)2 ->[\Delta] CH3COOH + CO2 ^}}. \]
En el caso de B, la hidratación da acetato de etilo, D, CCOC(=O)C, seguido de saponificación para dar ion acetato, CC(=O)[O-]. La estequiometría por etapas es
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + H2O -> CH3COOC2H5}, \]
\[ \ce{CH3COOC2H5 + OH- -> CH3COO- + C2H5OH}. \]
Aquí, el ion hidróxido tiene el SMILES [OH-]. La acidificación posterior da
\[ \ce{CH3COO- + H+ -> CH3COOH}. \]
Para completar la descripción, C da inicialmente ion malonato, O=C([O-])CC(=O)[O-], en medio alcalino:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + 2OH- -> [CH2(COO)2]^2- + 2C2H5OH}, \]
\[ \ce{[CH2(COO)2]^2- + 2H+ -> CH2(COOH)2}. \]
El ácido malónico resultante experimenta la descarboxilación mostrada anteriormente.
5.6 — Ácido senecioico y su síntesis a partir de acetona
El precipitado amarillo formado con yodo y álcali indica una reacción del haloformo. Una metilcetona se escinde para dar un carboxilato y yodoformo.
La acetona, CC(=O)C, experimenta primero una autoadición aldólica catalizada por ácido para dar alcohol diacetónico (4-hidroxi-4-metilpentan-2-ona), CC(=O)CC(C)(C)O:
\[ \ce{2CH3COCH3 <=>[HCl] CH3COCH2C(OH)(CH3)2}. \]
La deshidratación produce óxido de mesitilo (4-metilpent-3-en-2-ona), CC(=O)C=C(C)C:
\[ \ce{CH3COCH2C(OH)(CH3)2 ->[H^+] CH3COCH=C(CH3)2 + H2O}. \]
Su grupo metilcetona experimenta la escisión de la reacción del haloformo:
\[ \boxed{ \ce{CH3COCH=C(CH3)2 + 3I2 + 4NaOH -> (CH3)2C=CHCOONa + CHI3 v + 3NaI + 3H2O} }. \]
El carboxilato obtenido es 3-metilbut-2-enoato de sodio, CC(C)=CC(=O)[O-].[Na+]. La acidificación da ácido senecioico:
\[ \ce{(CH3)2C=CHCOONa + HCl -> (CH3)2C=CHCOOH + NaCl}. \]
Por tanto,
\[ \boxed{\text{SA}=\ce{HOOC-CH=C(CH3)2}} \]
es el ácido 3-metilbut-2-enoico, CC(C)=CC(=O)O.
Para el dibujo solicitado, coloque un grupo carboxilo en un extremo de un alqueno: el carbono del alqueno adyacente a él lleva un hidrógeno, mientras que el otro carbono del alqueno lleva dos grupos metilo. No hay estereoquímica \(E/Z\), porque uno de los carbonos del alqueno tiene dos sustituyentes metilo idénticos.
Las reacciones de B y C respaldan esta estructura de forma independiente.
En el caso de B, la adición a la acetona promovida por una base da 4-etoxi-2-metilbut-3-in-2-ol, CCOC#CC(C)(C)O:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + CH3COCH3 ->[base] (CH3)2C(OH)-C#C-OC2H5}. \]
La hidratación del etoxialquino da 3-hidroxi-3-metilbutanoato de etilo, CCOC(=O)CC(C)(C)O:
\[ \ce{(CH3)2C(OH)-C#C-OC2H5 + H2O ->[H^+] (CH3)2C(OH)CH2COOC2H5}. \]
La deshidratación da senecioato de etilo, CCOC(=O)C=C(C)C, que se hidroliza para dar SA:
\[ \ce{(CH3)2C(OH)CH2COOC2H5 ->[H^+,\ \Delta] (CH3)2C=CHCOOC2H5 + H2O}, \]
\[ \ce{(CH3)2C=CHCOOC2H5 + H2O ->[H^+] (CH3)2C=CHCOOH + C2H5OH}. \]
En el caso de C, la condensación de Knoevenagel con acetona da 2-(propan-2-ilideno)malonato de dietilo, CCOC(=O)C(=C(C)C)C(=O)OCC:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + CH3COCH3 ->[base] (CH3)2C=C(COOC2H5)2 + H2O}. \]
La hidrólisis da ácido 2-(propan-2-ilideno)malónico, O=C(O)C(=C(C)C)C(=O)O:
\[ \ce{(CH3)2C=C(COOC2H5)2 + 2H2O ->[H^+] (CH3)2C=C(COOH)2 + 2C2H5OH}. \]
La descarboxilación da el mismo ácido:
\[ \ce{(CH3)2C=C(COOH)2 ->[\Delta] (CH3)2C=CHCOOH + CO2 ^}. \]
5.7 — Identificación y estructura de E
El precipitado amarillo pesado es yodoformo (triyodometano):
\[ \boxed{\ce{E = CHI3}}, \qquad \text{SMILES: IC(I)I}. \]
Dibuje un átomo de carbono tetraédrico con tres enlaces simples a átomos de yodo y un enlace simple a hidrógeno. Es el haloformo producido en la reacción ajustada de 5.6.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 2007 · 理论题 5
神秘的混合物(有机化学捉迷藏游戏)
将三种无色有机液体 A、B、C 的等物质的量混合物 X 用含一滴盐酸的水加热处理,得到(与水分离后)乙酸和乙醇的混合物,二者的物质的量之比为 1 : 2,不含任何其他组分。向水解后的混合物中加入催化量(一至两滴)的浓硫酸,长时间回流(使用回流冷凝管加热煮沸)后,以 85% 的产率生成化合物 D,它是一种具有宜人气味的挥发性液体。化合物 D 与 A、B、C 中的任何一种均不相同。
5.1 画出化合物 D 的结构。
5.2 D 属于哪一类有机化合物?从答题纸上给出的选项中选择正确的一项。
5.3 即使将回流时间延长至原来的两倍,D 的产率也不会超过 85%。若使用乙醇与乙酸的物质的量之比为 1 : 1 的混合物,计算 D 的预期产率。假设:a) 反应过程中体积不变;b) 所有伴随因素,如溶剂效应、体积的非加和性、温度变化等,均可忽略。如果无法进行定量估算,请指出产率将为:a) 相同(85 %);b) 高于 85 %;c) 低于 85 %。
化合物 A、B、C 的 \(\ce{^1H}\) 核磁共振谱非常相似,每一种均显示一个单峰、一个三重峰和一个四重峰,其积分强度之比为 1 : 3 : 2。
将同样的混合物 X 进行碱性水解。A 保持不变,并被分离出来。剩余溶液经酸化并短时间煮沸后,得到乙酸与乙醇的物质的量之比为 2 : 3 的混合物,同时有气体逸出。
将混合物 X(3.92 g)溶于乙醚,在炭载 \(\ce{Pd}\) 催化剂存在下进行氢化。吸收了 0.448 \(\mathrm{dm^3}\)(标准状况)的氢气,但反应后分离得到的 A 和 C 均未发生变化(回收了 3.22 g 混合物),而氢化后既未检出 B,也未检出除乙醚以外的任何其他有机化合物。
5.4 确定并画出 A、B、C 的结构。
5.5 C 的酸性水解和 B 的碱性水解过程中分别生成哪些中间化合物?
B 或 C 与丙酮在碱存在下反应,随后用稀 \(\ce{HCl}\) 酸化并温和加热,均得到同一种产物——千里光酸(SA),这是一种广泛存在于自然界中的化合物。另一种制备千里光酸的方法是用浓 \(\ce{HCl}\) 处理丙酮,再用碱性溶液中的碘氧化所得中间产物。后一反应除生成千里光酸钠外,还生成一种沉重的黄色沉淀 E(见反应示意图 2)。


5.6 确定千里光酸的结构,并画出由丙酮制备千里光酸的反应路线。
5.7 给出 E 的结构。
题目译自官方英文原文。
答案
- 5.1: D 是乙酸乙酯(醋酸乙酯),\(\ce{CH3C(=O)OCH2CH3}\),SMILES 为
CCOC(=O)C。 - 5.2: D 是一种羧酸酯。
- 5.3: 预期的平衡产率约为 67%(计算所得转化率为 \(0.6718\));因此选择 c),低于 85%。
- 5.4: A 是原乙酸三乙酯,\(\ce{CH3C(OC2H5)3}\),
CC(OCC)(OCC)OCC;B 是乙氧基乙炔(乙基乙炔基醚),\(\ce{HC#C-OC2H5}\),CCOC#C;C 是丙二酸二乙酯,\(\ce{CH2(COOC2H5)2}\),CCOC(=O)CC(=O)OCC。 - 5.5: C 在脱羧前生成丙二酸,
O=C(O)CC(=O)O。对于 B,水合生成乙酸乙酯,CCOC(=O)C,随后在酸化前皂化为乙酸根离子,CC(=O)[O-]。 - 5.6: SA 是 3-甲基-2-丁烯酸(千里光酸),\(\ce{(CH3)2C=CHCOOH}\),
CC(C)=CC(=O)O。丙酮发生羟醛缩合,生成异丙叉丙酮,CC(=O)C=C(C)C;经卤仿反应裂解生成千里光酸钠,CC(C)=CC(=O)[O-].[Na+],随后酸化。 - 5.7: E 是碘仿(三碘甲烷),\(\ce{CHI3}\),SMILES 为
IC(I)I。
解答
5.1 — D 的鉴定与结构
乙酸 CC(=O)O 与乙醇 CCO 发生酸催化的 Fischer 酯化反应:
\[ \ce{CH3COOH + C2H5OH <=>[H2SO4] CH3COOC2H5 + H2O}. \]
因此,D 是乙酸乙酯,CCOC(=O)C,它是一种具有宜人气味的挥发性液体。水的 SMILES 为 O。
按题目要求画结构时,画出一个羰基碳原子,使其与一个甲基和一个氧原子相连;该氧原子再与一个乙基相连:
\[ \boxed{\ce{CH3-C(=O)-O-CH2-CH3}}. \]
5.2 — 化合物类别
其特征连接基团为 \(\ce{-C(=O)-O-}\),两端均连接碳基团。因此,D 是羧酸酯。
5.3 — 反应物等物质的量时的平衡产率
产率不再增加,是因为酯化反应达到平衡。催化剂加快达到平衡的速率,但不改变平衡位置。
取乙酸和乙醇的初始物质的量分别为 \(1.00\ \mathrm{mol}\) 和 \(2.00\ \mathrm{mol}\),并认为在题述分离之后,初始时没有酯或水。85% 的产率对应于 \(0.85\ \mathrm{mol}\) 的反应进度。
| 物质 | 初始物质的量 / mol | 平衡物质的量 / mol |
|---|---|---|
| 乙酸 | 1.00 | 0.15 |
| 乙醇 | 2.00 | 1.15 |
| 乙酸乙酯 | 0 | 0.85 |
| 水 | 0 | 0.85 |
在题设假定下,
\[ K_c= \frac{[\text{乙酸乙酯}][\text{水}]} {[\text{乙酸}][\text{乙醇}]}. \]
体积因子相消,得到
\[ K_c=\frac{0.85^2}{(1-0.85)(2-0.85)} =\frac{0.7225}{0.1725} =4.1884. \]
现在令每种反应物的初始物质的量均为 \(1.00\ \mathrm{mol}\)。设转化的分数为 \(y\):
\[ K_c=\frac{y^2}{(1-y)^2}. \]
因此
\[ \frac{y}{1-y}=\sqrt{K_c}, \qquad y=\frac{\sqrt{K_c}}{1+\sqrt{K_c}} =0.6718. \]
所以,
\[ \boxed{\text{产率}\approx67\%}. \]
不再使乙醇初始过量,会降低平衡转化率。相应的定性选项为 c)。
5.4 — A、B 和 C 的鉴定
各结构如下:
| 化合物 | 名称与 SMILES | 所需结构图的描述 |
|---|---|---|
| A | 原乙酸三乙酯,CC(OCC)(OCC)OCC |
一个呈四面体构型的中心碳原子与一个甲基相连,并通过氧原子与三个乙氧基相连:\(\ce{CH3C(OC2H5)3}\)。 |
| B | 乙氧基乙炔,CCOC#C |
一个末端碳碳三键与乙氧基的氧原子相连:\(\ce{H-C#C-O-CH2CH3}\)。 |
| C | 丙二酸二乙酯,CCOC(=O)CC(=O)OCC |
一个亚甲基位于两个酯羰基之间,每个酯基均带有一个乙基。 |
这些结构归属符合所有独立的实验现象。
氢化反应确定 B 的身份。
样品中 B 的质量为
\[ m_B=3.92-3.22=0.70\ \mathrm{g}. \]
采用标准状况下常用的气体摩尔体积,
\[ n(\ce{H2}) =\frac{0.448\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.0200\ \mathrm{mol}. \]
乙醚 CCOCC 是唯一可能隐藏于溶剂中的有机产物。乙氧基乙炔完全氢化后恰好生成这一产物:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + 2H2 ->[Pd/C] C2H5OC2H5}. \]
氢气的 SMILES 为 [H][H]。因此,
\[ n_B=\frac{0.0200}{2}=0.0100\ \mathrm{mol}, \]
并且
\[ M_B=\frac{0.70\ \mathrm{g}}{0.0100\ \mathrm{mol}} =70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
这与乙氧基乙炔 \(\ce{C4H6O}\) 相符:
\[ M(\ce{C4H6O})=4(12)+6(1)+16=70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
酸、碱条件下的行为确定 A 和 C 的身份。
原酸酯在酸性水溶液中发生水解,但在碱处理时保持不变。能生成乙酸和乙醇的原酸酯是原乙酸三乙酯 A:
\[ \ce{CH3C(OC2H5)3 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + 3C2H5OH}. \]
对于 C,两个等价的乙氧基和一个亚甲基单峰提示其为丙二酸酯。水解后再脱羧,生成乙酸、乙醇和二氧化碳 O=C=O:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + 2C2H5OH + CO2 ^}. \]
对于 B,酸性水解的总反应为
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + C2H5OH}. \]
因此,每种起始化合物各一摩尔生成:
| 起始化合物 | 乙酸 / mol | 乙醇 / mol |
|---|---|---|
| A | 1 | 3 |
| B | 1 | 1 |
| C | 1 | 2 |
| 总计 | 3 | 6 |
因此比例为 \(3:6=1:2\),符合题意。二氧化碳逸出,不构成回收液体混合物中的额外组分。
在碱性实验中,A 保持不变。酸化并加热后,B 和 C 合计生成
\[ n(\text{乙酸}):n(\text{乙醇}) =(1+1):(1+2)=2:3, \]
同时,丙二酸中间体放出二氧化碳。
核磁共振积分相符。
| 化合物 | 单峰 | 三重峰 | 四重峰 | 积分比 |
|---|---|---|---|---|
| A | 与中心碳相连的甲基:\(3\mathrm{H}\) | 三个乙基中的甲基:\(9\mathrm{H}\) | 三个乙氧基中的亚甲基:\(6\mathrm{H}\) | \(3:9:6=1:3:2\) |
| B | 末端炔氢:\(1\mathrm{H}\) | 乙基中的甲基:\(3\mathrm{H}\) | 乙氧基中的亚甲基:\(2\mathrm{H}\) | \(1:3:2\) |
| C | 两个羰基之间的亚甲基:\(2\mathrm{H}\) | 两个乙基中的甲基:\(6\mathrm{H}\) | 两个乙氧基中的亚甲基:\(4\mathrm{H}\) | \(2:6:4=1:3:2\) |
乙基产生通常的三重峰和四重峰。其余质子所在碳原子的相邻碳原子上没有氢,因而不会产生通常的邻位耦合裂分。
剩余物的质量相符。
由于混合物中各组分的物质的量相等,
\[ n_A=n_C=n_B=0.0100\ \mathrm{mol}. \]
对于 A,\(\ce{C8H18O3}\),\(M_A=162\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\);对于 C,\(\ce{C7H12O4}\),\(M_C=160\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。因此,
\[ m_A+m_C =0.0100(162+160) =3.22\ \mathrm{g}, \]
并且
\[ m_X=0.0100(162+70+160)=3.92\ \mathrm{g}. \]
两者均与实测质量一致。
5.5 — 水解中间体
对于 C,脱羧前的重要中间体是丙二酸(丙烷二酸),O=C(O)CC(=O)O。
逐步酯水解可先生成丙二酸单乙酯,CCOC(=O)CC(=O)O:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + H2O ->[H^+] HOOCCH2COOC2H5 + C2H5OH}, \]
\[ \ce{HOOCCH2COOC2H5 + H2O ->[H^+] CH2(COOH)2 + C2H5OH}. \]
随后丙二酸脱羧:
\[ \boxed{\ce{CH2(COOH)2 ->[\Delta] CH3COOH + CO2 ^}}. \]
对于 B,水合生成乙酸乙酯 D,CCOC(=O)C,随后皂化为乙酸根离子,CC(=O)[O-]。各步的化学计量关系为
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + H2O -> CH3COOC2H5}, \]
\[ \ce{CH3COOC2H5 + OH- -> CH3COO- + C2H5OH}. \]
这里氢氧根离子的 SMILES 为 [OH-]。随后酸化得到
\[ \ce{CH3COO- + H+ -> CH3COOH}. \]
为完整起见,C 在碱性条件下最初生成丙二酸根离子,O=C([O-])CC(=O)[O-]:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + 2OH- -> [CH2(COO)2]^2- + 2C2H5OH}, \]
\[ \ce{[CH2(COO)2]^2- + 2H+ -> CH2(COOH)2}. \]
所得丙二酸发生上述脱羧反应。
5.6 — 千里光酸及其由丙酮出发的合成
与碘和碱反应时生成黄色沉淀,表明发生了卤仿反应。甲基酮裂解为羧酸盐和碘仿。
丙酮 CC(=O)C 首先发生酸催化的自身羟醛加成,生成双丙酮醇(4-羟基-4-甲基-2-戊酮),CC(=O)CC(C)(C)O:
\[ \ce{2CH3COCH3 <=>[HCl] CH3COCH2C(OH)(CH3)2}. \]
脱水生成异丙叉丙酮(4-甲基-3-戊烯-2-酮),CC(=O)C=C(C)C:
\[ \ce{CH3COCH2C(OH)(CH3)2 ->[H^+] CH3COCH=C(CH3)2 + H2O}. \]
其甲基酮基团发生卤仿反应裂解:
\[ \boxed{ \ce{CH3COCH=C(CH3)2 + 3I2 + 4NaOH -> (CH3)2C=CHCOONa + CHI3 v + 3NaI + 3H2O} }. \]
羧酸盐产物为 3-甲基-2-丁烯酸钠,CC(C)=CC(=O)[O-].[Na+]。酸化得到千里光酸:
\[ \ce{(CH3)2C=CHCOONa + HCl -> (CH3)2C=CHCOOH + NaCl}. \]
因此,
\[ \boxed{\text{SA}=\ce{HOOC-CH=C(CH3)2}} \]
是 3-甲基-2-丁烯酸,CC(C)=CC(=O)O。
按题目要求画结构时,在烯烃的一端连接一个羧基:与羧基相邻的烯碳原子带有一个氢,而另一个烯碳原子带有两个甲基。该化合物不存在 \(E/Z\) 立体异构,因为其中一个烯碳原子上有两个相同的甲基取代基。
B 和 C 的反应分别独立地支持这一结构。
对于 B,碱促进其与丙酮加成,生成 4-乙氧基-2-甲基-3-丁炔-2-醇,CCOC#CC(C)(C)O:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + CH3COCH3 ->[base] (CH3)2C(OH)-C#C-OC2H5}. \]
该乙氧基炔烃水合,生成 3-羟基-3-甲基丁酸乙酯,CCOC(=O)CC(C)(C)O:
\[ \ce{(CH3)2C(OH)-C#C-OC2H5 + H2O ->[H^+] (CH3)2C(OH)CH2COOC2H5}. \]
脱水生成千里光酸乙酯,CCOC(=O)C=C(C)C,其水解生成 SA:
\[ \ce{(CH3)2C(OH)CH2COOC2H5 ->[H^+,\ \Delta] (CH3)2C=CHCOOC2H5 + H2O}, \]
\[ \ce{(CH3)2C=CHCOOC2H5 + H2O ->[H^+] (CH3)2C=CHCOOH + C2H5OH}. \]
对于 C,其与丙酮发生 Knoevenagel 缩合,生成 2-(丙-2-亚基)丙二酸二乙酯,CCOC(=O)C(=C(C)C)C(=O)OCC:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + CH3COCH3 ->[base] (CH3)2C=C(COOC2H5)2 + H2O}. \]
水解生成 2-(丙-2-亚基)丙二酸,O=C(O)C(=C(C)C)C(=O)O:
\[ \ce{(CH3)2C=C(COOC2H5)2 + 2H2O ->[H^+] (CH3)2C=C(COOH)2 + 2C2H5OH}. \]
脱羧生成同一种酸:
\[ \ce{(CH3)2C=C(COOH)2 ->[\Delta] (CH3)2C=CHCOOH + CO2 ^}. \]
5.7 — E 的鉴定与结构
这种沉重的黄色沉淀是碘仿(三碘甲烷):
\[ \boxed{\ce{E = CHI3}}, \qquad \text{SMILES: IC(I)I}. \]
画出一个呈四面体构型的碳原子,以三个单键分别连接三个碘原子,再以一个单键连接一个氢原子。它是 5.6 中已配平反应的卤仿产物。
解答已与官方解答核对。
IChO 2007 · Теоретическая задача 5
Загадочная смесь (органические прятки)
Эквимолярную смесь X трёх бесцветных органических жидкостей A, B, C обработали при нагревании водой, содержащей каплю соляной кислоты. В результате (после отделения от воды) получили смесь уксусной кислоты и этанола в молярном соотношении 1 : 2, не содержащую никаких других компонентов. К смеси после гидролиза добавили каталитическое количество (одну-две капли) концентрированной серной кислоты и после длительного кипячения с обратным холодильником получили с выходом 85% соединение D — летучую жидкость с приятным запахом. Соединение D не совпадает ни с одним из соединений A, B, C.
5.1 Изобразите структуру соединения D.
5.2 К какому классу органических соединений относится D? Выберите подходящий вариант из приведённых в листе ответов.
5.3 Даже если кипячение с обратным холодильником продолжать вдвое дольше, выход D не превысит 85%. Рассчитайте ожидаемый выход D, если взять смесь этанола и уксусной кислоты в молярном соотношении 1 : 1. Примите, что: a) объёмы в ходе реакций не изменяются; b) всеми сопутствующими факторами, такими как влияние растворителя, неаддитивность объёмов, изменение температуры и т. д., можно пренебречь. Если вы не можете дать количественную оценку, укажите, будет ли выход: a) таким же (85 %); b) выше 85 %; c) ниже 85 %.
Спектры ЯМР \(\ce{^1H}\) соединений A, B, C очень похожи: в каждом наблюдаются синглет, триплет и квартет с соотношением интегральных интенсивностей 1 : 3 : 2.
Ту же смесь X подвергли щелочному гидролизу. A осталось неизменным и было отделено. После подкисления и непродолжительного кипячения оставшегося раствора получили смесь уксусной кислоты и этанола в молярном соотношении 2 : 3; при этом выделялся газ.
Смесь X (3.92 г) растворили в диэтиловом эфире и подвергли гидрированию в присутствии катализатора \(\ce{Pd}\) на угле. Было поглощено 0.448 \(\mathrm{dm^3}\) водорода (при нормальных условиях), однако после реакции A и C были выделены в неизменном виде (было получено обратно 3.22 г смеси), тогда как ни B, ни какие-либо другие органические соединения, кроме диэтилового эфира, после гидрирования обнаружить не удалось.
5.4 Определите и изобразите структуры A, B, и C.
5.5 Какие промежуточные соединения образуются при кислотном гидролизе C и щелочном гидролизе B?
Реакция как B, так и C с ацетоном (в присутствии основания) с последующим подкислением разбавленной \(\ce{HCl}\) при слабом нагревании даёт один и тот же продукт — сенециовую кислоту (SA), соединение, широко распространённое в природе. Сенециовую кислоту также можно получить из ацетона обработкой концентрированной \(\ce{HCl}\) с последующим окислением промежуточного продукта иодом в щелочном растворе. В последней реакции, помимо натриевой соли сенециовой кислоты, образуется тяжёлый жёлтый осадок E (см. схему 2).


5.6 Определите структуру сенециовой кислоты и изобразите схему её получения из ацетона.
5.7 Приведите структуру E.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 5.1: D — этилацетат (этилэтаноат), \(\ce{CH3C(=O)OCH2CH3}\), SMILES
CCOC(=O)C. - 5.2: D — сложный эфир карбоновой кислоты.
- 5.3: Ожидаемый равновесный выход составляет приблизительно 67% (рассчитанная степень превращения \(0.6718\)); поэтому следует выбрать c), ниже 85%.
- 5.4: A — триэтилортоацетат, \(\ce{CH3C(OC2H5)3}\),
CC(OCC)(OCC)OCC; B — этоксиэтин (этилэтиниловый эфир), \(\ce{HC#C-OC2H5}\),CCOC#C; C — диэтилмалонат, \(\ce{CH2(COOC2H5)2}\),CCOC(=O)CC(=O)OCC. - 5.5: Из C перед декарбоксилированием образуется малоновая кислота,
O=C(O)CC(=O)O. При гидратации B образуется этилацетат,CCOC(=O)C, который до подкисления омыляется с образованием ацетат-иона,CC(=O)[O-]. - 5.6: SA — 3-метилбут-2-еновая кислота (сенециовая кислота), \(\ce{(CH3)2C=CHCOOH}\),
CC(C)=CC(=O)O. Ацетон вступает в альдольную конденсацию с образованием оксида мезитила,CC(=O)C=C(C)C; галоформное расщепление даёт сенециоат натрия,CC(C)=CC(=O)[O-].[Na+], после чего проводят подкисление. - 5.7: E — иодоформ (трииодметан), \(\ce{CHI3}\), SMILES
IC(I)I.
Решение
5.1 — Идентификация и структура D
Уксусная кислота, CC(=O)O, и этанол, CCO, вступают в катализируемую кислотой реакцию этерификации Фишера:
\[ \ce{CH3COOH + C2H5OH <=>[H2SO4] CH3COOC2H5 + H2O}. \]
Таким образом, D — этилацетат, CCOC(=O)C, летучая жидкость с приятным запахом. SMILES воды — O.
Для требуемого изображения структуры нарисуйте карбонильный атом углерода, связанный с метильной группой и атомом кислорода; этот атом кислорода связан с этильной группой:
\[ \boxed{\ce{CH3-C(=O)-O-CH2-CH3}}. \]
5.2 — Класс соединения
Характерный структурный фрагмент — \(\ce{-C(=O)-O-}\), по обе стороны которого находятся углеродные группы. Следовательно, D — сложный эфир карбоновой кислоты.
5.3 — Равновесный выход при эквимолярном соотношении реагентов
Выход перестаёт увеличиваться, поскольку реакция этерификации достигает равновесия. Катализатор ускоряет достижение равновесия, но не изменяет его положение.
Возьмём исходные количества уксусной кислоты и этанола, равные соответственно \(1.00\ \mathrm{mol}\) и \(2.00\ \mathrm{mol}\), считая, что после указанного отделения сложный эфир и вода в исходной смеси отсутствуют. Выходу 85% соответствует глубина реакции \(0.85\ \mathrm{mol}\).
| Вещество | Исходное количество / моль | Равновесное количество / моль |
|---|---|---|
| Уксусная кислота | 1.00 | 0.15 |
| Этанол | 2.00 | 1.15 |
| Этилацетат | 0 | 0.85 |
| Вода | 0 | 0.85 |
При указанных допущениях
\[ K_c= \frac{[\text{этилацетат}][\text{вода}]} {[\text{уксусная кислота}][\text{этанол}]}. \]
Множители, содержащие объём, сокращаются, и получаем
\[ K_c=\frac{0.85^2}{(1-0.85)(2-0.85)} =\frac{0.7225}{0.1725} =4.1884. \]
Теперь возьмём по \(1.00\ \mathrm{mol}\) каждого реагента. Пусть \(y\) — доля прореагировавшего вещества:
\[ K_c=\frac{y^2}{(1-y)^2}. \]
Отсюда
\[ \frac{y}{1-y}=\sqrt{K_c}, \qquad y=\frac{\sqrt{K_c}}{1+\sqrt{K_c}} =0.6718. \]
Следовательно,
\[ \boxed{\text{Выход}\approx67\%}. \]
Отсутствие исходного избытка этанола снижает равновесную степень превращения. Правильный качественный ответ — c).
5.4 — Идентификация A, B и C
Структуры соединений:
| Соединение | Название и SMILES | Описание требуемого изображения структуры |
|---|---|---|
| A | Триэтилортоацетат, CC(OCC)(OCC)OCC |
Тетраэдрический центральный атом углерода, связанный с одной метильной группой и тремя этоксигруппами через атомы кислорода: \(\ce{CH3C(OC2H5)3}\). |
| B | Этоксиэтин, CCOC#C |
Концевая тройная связь углерод–углерод, соединённая с атомом кислорода этоксигруппы: \(\ce{H-C#C-O-CH2CH3}\). |
| C | Диэтилмалонат, CCOC(=O)CC(=O)OCC |
Метиленовая группа между двумя карбонильными группами сложноэфирных фрагментов, каждый из которых содержит этильную группу. |
Эти структуры согласуются со всеми независимыми наблюдениями.
Гидрирование позволяет идентифицировать B.
Масса B в образце равна
\[ m_B=3.92-3.22=0.70\ \mathrm{g}. \]
Используя принятое значение молярного объёма газа при нормальных условиях, получаем
\[ n(\ce{H2}) =\frac{0.448\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.0200\ \mathrm{mol}. \]
Диэтиловый эфир, CCOCC, — единственный органический продукт, который мог остаться незамеченным в растворителе. При полном гидрировании этоксиэтина образуется именно этот продукт:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + 2H2 ->[Pd/C] C2H5OC2H5}. \]
SMILES водорода — [H][H]. Следовательно,
\[ n_B=\frac{0.0200}{2}=0.0100\ \mathrm{mol}, \]
и
\[ M_B=\frac{0.70\ \mathrm{g}}{0.0100\ \mathrm{mol}} =70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Это согласуется с этоксиэтином, \(\ce{C4H6O}\):
\[ M(\ce{C4H6O})=4(12)+6(1)+16=70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Поведение в кислой и щелочной средах позволяет идентифицировать A и C.
Ортоэфир гидролизуется водным раствором кислоты, но сохраняется при обработке щёлочью. Ортоэфир, дающий уксусную кислоту и этанол, — триэтилортоацетат, A:
\[ \ce{CH3C(OC2H5)3 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + 3C2H5OH}. \]
Для C две эквивалентные этоксигруппы и синглет метиленовой группы указывают на эфир малоновой кислоты. Гидролиз с последующим декарбоксилированием даёт уксусную кислоту, этанол и диоксид углерода, O=C=O:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + 2C2H5OH + CO2 ^}. \]
Для B суммарное уравнение кислотного гидролиза имеет вид
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + C2H5OH}. \]
Таким образом, один моль каждого исходного соединения даёт:
| Исходное соединение | Уксусная кислота / моль | Этанол / моль |
|---|---|---|
| A | 1 | 3 |
| B | 1 | 1 |
| C | 1 | 2 |
| Всего | 3 | 6 |
Следовательно, соотношение равно \(3:6=1:2\), как и требуется. Диоксид углерода улетучивается и не является дополнительным компонентом выделенной жидкой смеси.
В опыте со щелочным гидролизом A остаётся неизменным. После подкисления и нагревания B и C вместе дают
\[ n(\text{уксусная кислота}):n(\text{этанол}) =(1+1):(1+2)=2:3, \]
при этом диоксид углерода выделяется из промежуточно образующейся малоновой кислоты.
Интегральные интенсивности сигналов ЯМР согласуются со структурами.
| Соединение | Синглет | Триплет | Квартет | Соотношение интегральных интенсивностей |
|---|---|---|---|---|
| A | Метильная группа при центральном атоме углерода: \(3\mathrm{H}\) | Метильные группы трёх этильных групп: \(9\mathrm{H}\) | Метиленовые группы трёх этоксигрупп: \(6\mathrm{H}\) | \(3:9:6=1:3:2\) |
| B | Концевой ацетиленовый протон: \(1\mathrm{H}\) | Метильная группа этильного фрагмента: \(3\mathrm{H}\) | Метиленовая группа этоксигруппы: \(2\mathrm{H}\) | \(1:3:2\) |
| C | Метиленовая группа между карбонильными группами: \(2\mathrm{H}\) | Метильные группы двух этильных групп: \(6\mathrm{H}\) | Метиленовые группы двух этоксигрупп: \(4\mathrm{H}\) | \(2:6:4=1:3:2\) |
Этильные группы дают обычные для них триплет и квартет. У остальных протонов нет соседнего атома углерода, несущего протоны, которые вызывали бы обычное вицинальное расщепление.
Массы оставшихся соединений также согласуются с данными.
Поскольку смесь эквимолярная,
\[ n_A=n_C=n_B=0.0100\ \mathrm{mol}. \]
Для A, \(\ce{C8H18O3}\), \(M_A=162\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\); для C, \(\ce{C7H12O4}\), \(M_C=160\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Следовательно,
\[ m_A+m_C =0.0100(162+160) =3.22\ \mathrm{g}, \]
и
\[ m_X=0.0100(162+70+160)=3.92\ \mathrm{g}. \]
Оба результата воспроизводят измеренные массы.
5.5 — Промежуточные продукты гидролиза
Для C важным промежуточным продуктом перед декарбоксилированием является малоновая кислота (пропандиовая кислота), O=C(O)CC(=O)O.
При ступенчатом гидролизе сложного эфира сначала может образоваться моноэтиловый эфир малоновой кислоты, CCOC(=O)CC(=O)O:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + H2O ->[H^+] HOOCCH2COOC2H5 + C2H5OH}, \]
\[ \ce{HOOCCH2COOC2H5 + H2O ->[H^+] CH2(COOH)2 + C2H5OH}. \]
Затем малоновая кислота декарбоксилируется:
\[ \boxed{\ce{CH2(COOH)2 ->[\Delta] CH3COOH + CO2 ^}}. \]
При гидратации B образуется этилацетат, D, CCOC(=O)C, который затем омыляется с образованием ацетат-иона, CC(=O)[O-]. Стехиометрия отдельных стадий имеет вид
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + H2O -> CH3COOC2H5}, \]
\[ \ce{CH3COOC2H5 + OH- -> CH3COO- + C2H5OH}. \]
Здесь SMILES гидроксид-иона — [OH-]. При последующем подкислении получаем
\[ \ce{CH3COO- + H+ -> CH3COOH}. \]
Для полноты отметим, что в щелочных условиях из C сначала образуется малонат-ион, O=C([O-])CC(=O)[O-]:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + 2OH- -> [CH2(COO)2]^2- + 2C2H5OH}, \]
\[ \ce{[CH2(COO)2]^2- + 2H+ -> CH2(COOH)2}. \]
Образовавшаяся малоновая кислота подвергается показанному выше декарбоксилированию.
5.6 — Сенециовая кислота и её синтез из ацетона
Жёлтый осадок, образующийся при действии иода и щёлочи, указывает на галоформную реакцию. Метилкетон расщепляется с образованием карбоксилата и иодоформа.
Ацетон, CC(=O)C, сначала вступает в катализируемую кислотой реакцию альдольного присоединения к другой молекуле ацетона с образованием диацетонового спирта (4-гидрокси-4-метилпентан-2-она), CC(=O)CC(C)(C)O:
\[ \ce{2CH3COCH3 <=>[HCl] CH3COCH2C(OH)(CH3)2}. \]
Дегидратация приводит к образованию оксида мезитила (4-метилпент-3-ен-2-она), CC(=O)C=C(C)C:
\[ \ce{CH3COCH2C(OH)(CH3)2 ->[H^+] CH3COCH=C(CH3)2 + H2O}. \]
Его метилкетонная группа подвергается галоформному расщеплению:
\[ \boxed{ \ce{CH3COCH=C(CH3)2 + 3I2 + 4NaOH -> (CH3)2C=CHCOONa + CHI3 v + 3NaI + 3H2O} }. \]
Образующийся карбоксилат — 3-метилбут-2-еноат натрия, CC(C)=CC(=O)[O-].[Na+]. Подкисление даёт сенециовую кислоту:
\[ \ce{(CH3)2C=CHCOONa + HCl -> (CH3)2C=CHCOOH + NaCl}. \]
Следовательно,
\[ \boxed{\text{SA}=\ce{HOOC-CH=C(CH3)2}} \]
— это 3-метилбут-2-еновая кислота, CC(C)=CC(=O)O.
Для требуемого изображения структуры поместите карбоксильную группу у одного из концов двойной связи: соседний с ней атом углерода двойной связи несёт один атом водорода, а другой атом углерода двойной связи — две метильные группы. \(E/Z\)-изомерия отсутствует, поскольку один из атомов углерода двойной связи имеет два одинаковых метильных заместителя.
Реакции B и C независимо подтверждают эту структуру.
Для B присоединение к ацетону в присутствии основания даёт 4-этокси-2-метилбут-3-ин-2-ол, CCOC#CC(C)(C)O:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + CH3COCH3 ->[base] (CH3)2C(OH)-C#C-OC2H5}. \]
Гидратация этоксиалкина даёт этил-3-гидрокси-3-метилбутаноат, CCOC(=O)CC(C)(C)O:
\[ \ce{(CH3)2C(OH)-C#C-OC2H5 + H2O ->[H^+] (CH3)2C(OH)CH2COOC2H5}. \]
Дегидратация даёт этилсенециоат, CCOC(=O)C=C(C)C, который гидролизуется до SA:
\[ \ce{(CH3)2C(OH)CH2COOC2H5 ->[H^+,\ \Delta] (CH3)2C=CHCOOC2H5 + H2O}, \]
\[ \ce{(CH3)2C=CHCOOC2H5 + H2O ->[H^+] (CH3)2C=CHCOOH + C2H5OH}. \]
Для C конденсация Кнёвенагеля с ацетоном даёт диэтил-2-(пропан-2-илиден)малонат, CCOC(=O)C(=C(C)C)C(=O)OCC:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + CH3COCH3 ->[base] (CH3)2C=C(COOC2H5)2 + H2O}. \]
Гидролиз даёт 2-(пропан-2-илиден)малоновую кислоту, O=C(O)C(=C(C)C)C(=O)O:
\[ \ce{(CH3)2C=C(COOC2H5)2 + 2H2O ->[H^+] (CH3)2C=C(COOH)2 + 2C2H5OH}. \]
Декарбоксилирование приводит к той же кислоте:
\[ \ce{(CH3)2C=C(COOH)2 ->[\Delta] (CH3)2C=CHCOOH + CO2 ^}. \]
5.7 — Идентификация и структура E
Тяжёлый жёлтый осадок — иодоформ (трииодметан):
\[ \boxed{\ce{E = CHI3}}, \qquad \text{SMILES: IC(I)I}. \]
Изобразите тетраэдрический атом углерода с тремя одинарными связями с атомами иода и одной одинарной связью с атомом водорода. Это галоформный продукт уравненной реакции из 5.6.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 2007 · مسألة نظرية 5
مزيج غامض (لعبة الغميضة العضوية)
عولج مزيج X متساوي المولات من ثلاثة سوائل عضوية عديمة اللون A, B, C بالماء المحتوي على قطرة من حمض الهيدروكلوريك مع التسخين، فأعطى (بعد فصله عن الماء) مزيجًا من حمض الأسيتيك والإيثانول بنسبة مولية 1 : 2، دون أي مكونات أخرى. أضيفت كمية حفزية (قطرة إلى قطرتين) من حمض الكبريتيك المركز إلى المزيج بعد التحلل المائي، وبعد التسخين المطوّل تحت الارتجاع (الغليان باستخدام مكثف ارتجاعي)، تكوّن مركب D، وهو سائل متطاير ذو رائحة طيبة، بمردود 85%. والمركب D ليس مطابقًا لأيٍّ من A, B, C.
5.1 ارسم الصيغة البنائية للمركب D؟
5.2 إلى أي فئة من المركبات العضوية ينتمي D؟ اختر الإجابة المناسبة من الخيارات الواردة في ورقة الإجابة.
5.3 حتى لو استمر التسخين تحت الارتجاع ضعف المدة، فلن يتجاوز مردود D نسبة 85%. احسب المردود المتوقع للمركب D عند استخدام مزيج من الإيثانول وحمض الأسيتيك بنسبة مولية 1 : 1. افترض أن: a) الحجوم لا تتغير أثناء التفاعلات؛ b) جميع العوامل المصاحبة، مثل تأثيرات المذيب، وعدم قابلية الحجوم للجمع، وتغير درجة الحرارة، وما إلى ذلك، مهملة. إذا لم تتمكن من إجراء تقدير كمي، فحدّد ما إذا كان المردود سيكون: a) نفسه (85 %)؛ b) أعلى من 85 %؛ c) أقل من 85 %.
تبدو أطياف الرنين المغناطيسي النووي لـ \(\ce{^1H}\) للمركبات A, B, C متشابهة جدًا، ويُظهر كل منها إشارة أحادية وأخرى ثلاثية وثالثة رباعية، بنسبة شدات تكاملية تساوي 1 : 3 : 2.
أُخضع المزيج X نفسه للتحلل المائي القلوي. بقي A دون تغير، وفُصل. وبعد التحميض والغليان لفترة قصيرة، أعطى المحلول المتبقي مزيجًا من حمض الأسيتيك والإيثانول بنسبة مولية 2 : 3، مع تصاعد غاز.
أُذيب المزيج X (3.92 g) في إيثر ثنائي الإيثيل، وأُخضع للهدرجة بوجود حفاز من \(\ce{Pd}\) المحمول على الفحم. امتُصّ 0.448 \(\mathrm{dm^3}\) (في الظروف القياسية) من الهيدروجين، ولكن عُزل A وC بعد التفاعل دون تغير (استُرجع 3.22 g من المزيج)، في حين لم يمكن الكشف بعد الهدرجة عن B أو أي مركبات عضوية أخرى، باستثناء إيثر ثنائي الإيثيل.
5.4 حدّد الصيغ البنائية للمركبات A, B, وC وارسمها.
5.5 ما المركبات الوسيطة التي تتكوّن أثناء التحلل المائي الحمضي للمركب C والتحلل المائي القاعدي للمركب B؟
يعطي تفاعل أيٍّ من B أو C مع الأسيتون (بوجود قاعدة)، متبوعًا بالتحميض باستخدام \(\ce{HCl}\) المخفف مع تسخين لطيف، الناتج نفسه، وهو حمض السينيسيويك (SA)، وهو مركب واسع الانتشار في الطبيعة. ويمكن، بديلًا عن ذلك، الحصول على حمض السينيسيويك من الأسيتون بمعالجته بـ \(\ce{HCl}\) المركز، ثم أكسدة الناتج الوسيط باليود في محلول قلوي. ويعطي التفاعل الأخير، إلى جانب ملح الصوديوم لحمض السينيسيويك، راسبًا أصفر ثقيلًا E (انظر المخطط 2).


5.6 حدّد الصيغة البنائية لحمض السينيسيويك، وارسم مخطط التفاعل المؤدي إلى حمض السينيسيويك انطلاقًا من الأسيتون.
5.7 أعطِ الصيغة البنائية للمركب E.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 5.1: D هو أسيتات الإيثيل (إيثانوات الإيثيل)، \(\ce{CH3C(=O)OCH2CH3}\)، وصيغة SMILES هي
CCOC(=O)C. - 5.2: D هو إستر كربوكسيلي.
- 5.3: المردود المتوقع عند الاتزان هو نحو 67% (الكسر المتحول المحسوب \(0.6718\))؛ لذا اختر c)، أقل من 85%.
- 5.4: A هو أورثوأسيتات ثلاثي الإيثيل، \(\ce{CH3C(OC2H5)3}\)،
CC(OCC)(OCC)OCC؛ وB هو إيثوكسي إيثاين (إيثر الإيثيل والإيثاينيل)، \(\ce{HC#C-OC2H5}\)،CCOC#C؛ وC هو مالونات ثنائي الإيثيل، \(\ce{CH2(COOC2H5)2}\)،CCOC(=O)CC(=O)OCC. - 5.5: يعطي C حمض المالونيك،
O=C(O)CC(=O)O، قبل نزع الكربوكسيل. أما B، فتعطي إماهته أسيتات الإيثيل،CCOC(=O)C، التي تتصبّن إلى أيون الأسيتات،CC(=O)[O-]، قبل التحميض. - 5.6: SA هو حمض 3-ميثيل بوت-2-ينويك (حمض السينيسيويك)، \(\ce{(CH3)2C=CHCOOH}\)،
CC(C)=CC(=O)O. يخضع الأسيتون لتكاثف ألدولي ليعطي أكسيد الميسيتيل،CC(=O)C=C(C)C؛ ويعطي الشطر بتفاعل الهالوفورم سينيسيوات الصوديوم،CC(C)=CC(=O)[O-].[Na+]، ثم يتبع ذلك التحميض. - 5.7: E هو اليودوفورم (ثلاثي يودو الميثان)، \(\ce{CHI3}\)، وصيغة SMILES هي
IC(I)I.
الحل
5.1 — تعيين D وصيغته البنائية
يخضع حمض الأسيتيك، CC(=O)O، والإيثانول، CCO، لأسترة فيشر المحفَّزة بحمض:
\[ \ce{CH3COOH + C2H5OH <=>[H2SO4] CH3COOC2H5 + H2O}. \]
إذن D هو أسيتات الإيثيل، CCOC(=O)C، وهو سائل متطاير ذو رائحة طيبة. وصيغة SMILES للماء هي O.
لرسم الصيغة المطلوبة، ارسم ذرة كربون كربونيلية مرتبطة بمجموعة ميثيل وذرة أكسجين؛ وترتبط ذرة الأكسجين هذه بمجموعة إيثيل:
\[ \boxed{\ce{CH3-C(=O)-O-CH2-CH3}}. \]
5.2 — فئة المركب
الوحدة الرابطة المميِّزة هي \(\ce{-C(=O)-O-}\)، مع مجموعات كربونية على كلا جانبيها. لذلك D إستر كربوكسيلي.
5.3 — المردود عند الاتزان باستخدام متفاعلات متساوية المولات
يتوقف المردود عن الازدياد لأن الأسترة تصل إلى الاتزان. يسرّع الحفاز الوصول إلى الاتزان، لكنه لا يغيّر موضعه.
لنأخذ كميتين ابتدائيتين قدرهما \(1.00\ \mathrm{mol}\) من حمض الأسيتيك و\(2.00\ \mathrm{mol}\) من الإيثانول، دون وجود إستر أو ماء ابتدائيًا بعد الفصل المذكور. يقابل مردود 85% مقدارَ تقدّم للتفاعل يبلغ \(0.85\ \mathrm{mol}\).
| النوع الكيميائي | الكمية الابتدائية / mol | الكمية عند الاتزان / mol |
|---|---|---|
| حمض الأسيتيك | 1.00 | 0.15 |
| الإيثانول | 2.00 | 1.15 |
| أسيتات الإيثيل | 0 | 0.85 |
| الماء | 0 | 0.85 |
في ظل الافتراضات المذكورة،
\[ K_c= \frac{[\text{أسيتات الإيثيل}][\text{الماء}]} {[\text{حمض الأسيتيك}][\text{الإيثانول}]}. \]
تُختزل عوامل الحجم، فنحصل على
\[ K_c=\frac{0.85^2}{(1-0.85)(2-0.85)} =\frac{0.7225}{0.1725} =4.1884. \]
لنبدأ الآن بـ \(1.00\ \mathrm{mol}\) من كل متفاعل. ليكن \(y\) هو الكسر المتحول:
\[ K_c=\frac{y^2}{(1-y)^2}. \]
ومن ثم
\[ \frac{y}{1-y}=\sqrt{K_c}, \qquad y=\frac{\sqrt{K_c}}{1+\sqrt{K_c}} =0.6718. \]
لذلك،
\[ \boxed{\text{المردود}\approx67\%}. \]
يؤدي الاستغناء عن الفائض الابتدائي من الإيثانول إلى خفض التحول عند الاتزان. والخيار النوعي المناسب هو c).
5.4 — تعيين A وB وC
الصيغ البنائية هي:
| المركب | الاسم وصيغة SMILES | وصف الرسم المطلوب |
|---|---|---|
| A | أورثوأسيتات ثلاثي الإيثيل، CC(OCC)(OCC)OCC |
ذرة كربون مركزية ذات ترتيب رباعي السطوح، مرتبطة بمجموعة ميثيل واحدة وثلاث مجموعات إيثوكسي عبر الأكسجين: \(\ce{CH3C(OC2H5)3}\). |
| B | إيثوكسي إيثاين، CCOC#C |
رابطة ثلاثية طرفية بين ذرتي كربون، متصلة بأكسجين مجموعة إيثوكسي: \(\ce{H-C#C-O-CH2CH3}\). |
| C | مالونات ثنائي الإيثيل، CCOC(=O)CC(=O)OCC |
مجموعة ميثيلين بين مجموعتي كربونيل إستريتين، ويحمل كل إستر مجموعة إيثيل. |
تتفق هذه التعيينات مع جميع المشاهدات المستقلة.
تحدّد الهدرجة هوية B.
كتلة B في العينة هي
\[ m_B=3.92-3.22=0.70\ \mathrm{g}. \]
باستخدام الحجم المولي المعتاد للغاز في الظروف القياسية،
\[ n(\ce{H2}) =\frac{0.448\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.0200\ \mathrm{mol}. \]
إيثر ثنائي الإيثيل، CCOCC، هو الناتج العضوي الوحيد الذي يمكن أن يكون غير مميَّز عن المذيب. ويعطي إيثوكسي إيثاين هذا الناتج بالضبط عند هدرجته هدرجة كاملة:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + 2H2 ->[Pd/C] C2H5OC2H5}. \]
صيغة SMILES للهيدروجين هي [H][H]. وبناءً على ذلك،
\[ n_B=\frac{0.0200}{2}=0.0100\ \mathrm{mol}, \]
و
\[ M_B=\frac{0.70\ \mathrm{g}}{0.0100\ \mathrm{mol}} =70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
يتفق ذلك مع إيثوكسي إيثاين، \(\ce{C4H6O}\):
\[ M(\ce{C4H6O})=4(12)+6(1)+16=70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
يحدّد السلوك في الوسطين الحمضي والقاعدي هوية A وC.
يتحلل الأورثوإستر مائيًا بفعل حمض مائي، لكنه يبقى دون تغير عند المعالجة القلوية. والأورثوإستر الذي يعطي حمض الأسيتيك والإيثانول هو أورثوأسيتات ثلاثي الإيثيل، A:
\[ \ce{CH3C(OC2H5)3 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + 3C2H5OH}. \]
بالنسبة إلى C، تشير مجموعتا إيثوكسي متكافئتان وإشارة أحادية لمجموعة ميثيلين إلى إستر لحمض المالونيك. ويعطي التحلل المائي المتبوع بنزع الكربوكسيل حمض الأسيتيك والإيثانول وثاني أكسيد الكربون، O=C=O:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + 2C2H5OH + CO2 ^}. \]
أما B، فالتفاعل الكلي لتحلله المائي الحمضي هو
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + 2H2O ->[H^+,\ \Delta] CH3COOH + C2H5OH}. \]
إذن يعطي مول واحد من كل مركب ابتدائي:
| المركب الابتدائي | حمض الأسيتيك / mol | الإيثانول / mol |
|---|---|---|
| A | 1 | 3 |
| B | 1 | 1 |
| C | 1 | 2 |
| المجموع | 3 | 6 |
تكون النسبة إذن \(3:6=1:2\)، كما هو مطلوب. ويتصاعد ثاني أكسيد الكربون، فلا يكون مكوّنًا إضافيًا في المزيج السائل المسترجع.
في التجربة القلوية، يبقى A دون تغير. وبعد التحميض والتسخين، يعطي B وC معًا
\[ n(\text{حمض الأسيتيك}):n(\text{الإيثانول}) =(1+1):(1+2)=2:3, \]
مع تصاعد ثاني أكسيد الكربون من حمض المالونيك الوسيط.
تتفق تكاملات أطياف الرنين المغناطيسي النووي مع هذه التعيينات.
| المركب | الإشارة الأحادية | الإشارة الثلاثية | الإشارة الرباعية | نسبة التكاملات |
|---|---|---|---|---|
| A | ميثيل مرتبط بذرة الكربون المركزية: \(3\mathrm{H}\) | ثلاث مجموعات ميثيل تابعة لمجموعات الإيثيل: \(9\mathrm{H}\) | ثلاث مجموعات ميثيلين تابعة لمجموعات الإيثوكسي: \(6\mathrm{H}\) | \(3:9:6=1:3:2\) |
| B | بروتون أسيتيليني طرفي: \(1\mathrm{H}\) | ميثيل مجموعة الإيثيل: \(3\mathrm{H}\) | ميثيلين مجموعة الإيثوكسي: \(2\mathrm{H}\) | \(1:3:2\) |
| C | ميثيلين بين مجموعتي كربونيل: \(2\mathrm{H}\) | مجموعتا ميثيل تابعتان لمجموعتي الإيثيل: \(6\mathrm{H}\) | مجموعتا ميثيلين تابعتان لمجموعتي الإيثوكسي: \(4\mathrm{H}\) | \(2:6:4=1:3:2\) |
تعطي مجموعات الإيثيل الإشارتين الثلاثية والرباعية المعتادتين. ولا توجد بجوار البروتونات المتبقية ذرة كربون حاملة لبروتونات يمكن أن تنتج الانقسام التجاوري المعتاد.
تتفق الكتل المتبقية مع هذه التعيينات.
لأن المزيج متساوي المولات،
\[ n_A=n_C=n_B=0.0100\ \mathrm{mol}. \]
بالنسبة إلى A، \(\ce{C8H18O3}\)، فإن \(M_A=162\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)؛ وبالنسبة إلى C، \(\ce{C7H12O4}\)، فإن \(M_C=160\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). لذلك،
\[ m_A+m_C =0.0100(162+160) =3.22\ \mathrm{g}, \]
و
\[ m_X=0.0100(162+70+160)=3.92\ \mathrm{g}. \]
تعيد النتيجتان إنتاج الكتلتين المقاستين.
5.5 — وسائط التحلل المائي
بالنسبة إلى C، الوسيط المهم قبل نزع الكربوكسيل هو حمض المالونيك (حمض البروبانيديويك)، O=C(O)CC(=O)O.
يمكن أن يعطي التحلل المائي التدريجي للإستر أولًا هيدروجين مالونات الإيثيل، CCOC(=O)CC(=O)O:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + H2O ->[H^+] HOOCCH2COOC2H5 + C2H5OH}, \]
\[ \ce{HOOCCH2COOC2H5 + H2O ->[H^+] CH2(COOH)2 + C2H5OH}. \]
ثم يخضع حمض المالونيك لنزع الكربوكسيل:
\[ \boxed{\ce{CH2(COOH)2 ->[\Delta] CH3COOH + CO2 ^}}. \]
بالنسبة إلى B، تعطي الإماهة أسيتات الإيثيل، D، CCOC(=O)C، ثم يتبع ذلك التصبّن إلى أيون الأسيتات، CC(=O)[O-]. وتكون المعادلات الستوكيومترية المتتابعة كما يلي:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + H2O -> CH3COOC2H5}, \]
\[ \ce{CH3COOC2H5 + OH- -> CH3COO- + C2H5OH}. \]
هنا صيغة SMILES لأيون الهيدروكسيد هي [OH-]. ويعطي التحميض لاحقًا
\[ \ce{CH3COO- + H+ -> CH3COOH}. \]
استكمالًا للصورة، يعطي C في البداية أيون المالونات، O=C([O-])CC(=O)[O-]، في الظروف القلوية:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + 2OH- -> [CH2(COO)2]^2- + 2C2H5OH}, \]
\[ \ce{[CH2(COO)2]^2- + 2H+ -> CH2(COOH)2}. \]
يخضع حمض المالونيك الناتج لنزع الكربوكسيل الموضّح أعلاه.
5.6 — حمض السينيسيويك واصطناعه من الأسيتون
يشير الراسب الأصفر المتكوّن مع اليود والقلوي إلى تفاعل الهالوفورم. إذ يُشطر الكيتون الميثيلي إلى كربوكسيلات ويودوفورم.
يخضع الأسيتون، CC(=O)C، أولًا لإضافة ألدولية ذاتية محفَّزة بحمض ليعطي كحول ثنائي الأسيتون (4-هيدروكسي-4-ميثيل بنتان-2-ون)، CC(=O)CC(C)(C)O:
\[ \ce{2CH3COCH3 <=>[HCl] CH3COCH2C(OH)(CH3)2}. \]
ينتج عن نزع الماء أكسيد الميسيتيل (4-ميثيل بنت-3-ين-2-ون)، CC(=O)C=C(C)C:
\[ \ce{CH3COCH2C(OH)(CH3)2 ->[H^+] CH3COCH=C(CH3)2 + H2O}. \]
تخضع مجموعة الكيتون الميثيلي فيه للشطر بتفاعل الهالوفورم:
\[ \boxed{ \ce{CH3COCH=C(CH3)2 + 3I2 + 4NaOH -> (CH3)2C=CHCOONa + CHI3 v + 3NaI + 3H2O} }. \]
ناتج الكربوكسيلات هو 3-ميثيل بوت-2-ينوات الصوديوم، CC(C)=CC(=O)[O-].[Na+]. ويعطي التحميض حمض السينيسيويك:
\[ \ce{(CH3)2C=CHCOONa + HCl -> (CH3)2C=CHCOOH + NaCl}. \]
لذلك، فإن
\[ \boxed{\text{SA}=\ce{HOOC-CH=C(CH3)2}} \]
هو حمض 3-ميثيل بوت-2-ينويك، CC(C)=CC(=O)O.
لرسم الصيغة المطلوبة، ضع مجموعة كربوكسيل عند أحد طرفي الألكين: تحمل ذرة الكربون الألكينية المجاورة لها ذرة هيدروجين واحدة، بينما تحمل ذرة الكربون الألكينية الأخرى مجموعتي ميثيل. لا يوجد تصاوغ فراغي من نوع \(E/Z\)، لأن إحدى ذرتي الكربون الألكينيتين تحمل مستبدلي ميثيل متماثلين.
تؤيد تفاعلات B وC هذه البنية كلٌّ على نحو مستقل.
بالنسبة إلى B، تعطي الإضافة إلى الأسيتون بمساعدة قاعدة 4-إيثوكسي-2-ميثيل بوت-3-اين-2-ول، CCOC#CC(C)(C)O:
\[ \ce{HC#C-OC2H5 + CH3COCH3 ->[base] (CH3)2C(OH)-C#C-OC2H5}. \]
تعطي إماهة الإيثوكسي ألكاين 3-هيدروكسي-3-ميثيل بوتانوات الإيثيل، CCOC(=O)CC(C)(C)O:
\[ \ce{(CH3)2C(OH)-C#C-OC2H5 + H2O ->[H^+] (CH3)2C(OH)CH2COOC2H5}. \]
يعطي نزع الماء سينيسيوات الإيثيل، CCOC(=O)C=C(C)C، التي تتحلل مائيًا إلى SA:
\[ \ce{(CH3)2C(OH)CH2COOC2H5 ->[H^+,\ \Delta] (CH3)2C=CHCOOC2H5 + H2O}, \]
\[ \ce{(CH3)2C=CHCOOC2H5 + H2O ->[H^+] (CH3)2C=CHCOOH + C2H5OH}. \]
بالنسبة إلى C، يعطي تكاثف كنوفيناغل مع الأسيتون 2-(بروبان-2-يليدين)مالونات ثنائي الإيثيل، CCOC(=O)C(=C(C)C)C(=O)OCC:
\[ \ce{CH2(COOC2H5)2 + CH3COCH3 ->[base] (CH3)2C=C(COOC2H5)2 + H2O}. \]
يعطي التحلل المائي حمض 2-(بروبان-2-يليدين)المالونيك، O=C(O)C(=C(C)C)C(=O)O:
\[ \ce{(CH3)2C=C(COOC2H5)2 + 2H2O ->[H^+] (CH3)2C=C(COOH)2 + 2C2H5OH}. \]
ينتج عن نزع الكربوكسيل الحمض نفسه:
\[ \ce{(CH3)2C=C(COOH)2 ->[\Delta] (CH3)2C=CHCOOH + CO2 ^}. \]
5.7 — تعيين E وصيغته البنائية
الراسب الأصفر الثقيل هو اليودوفورم (ثلاثي يودو الميثان):
\[ \boxed{\ce{E = CHI3}}, \qquad \text{SMILES: IC(I)I}. \]
ارسم ذرة كربون ذات ترتيب رباعي السطوح، ترتبط بثلاث روابط أحادية مع ذرات يود وبرابطة أحادية واحدة مع الهيدروجين. وهو ناتج الهالوفورم في التفاعل الموزون الوارد في 5.6.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.