Генетическая связь органических веществ

В цепочках превращений на ЕГЭ ошибаются реже в формулах, чем в условиях. Этанол с концентрированной серной кислотой даёт то этилен, то диэтиловый эфир, хлорэтан со щёлочью — то спирт, то алкен. Вот ловушки, на которых теряют баллы.

• ❌ «C₂H₅OH → C₂H₄ при нагревании с серной кислотой», без температуры → ✅ выше 140 °C получается этилен, ниже 140 °C — диэтиловый эфир C₂H₅–O–C₂H₅.

• ❌ «Ацетилен присоединяет воду и превращается в этанол» → ✅ по реакции Кучерова получается уксусный альдегид CH₃–CHO.

• ❌ «Хлорэтан со щёлочью всегда даёт спирт» → ✅ с водным раствором NaOH получается этанол, со спиртовым — этилен.

• ❌ «Метан хлорируют в темноте» → ✅ реакция идёт на свету, по радикальному механизму.

Классы органических веществ связаны переходами

Генетическая связь — возможность получить вещество одного класса из вещества другого. Цепочка обычно ведёт от углеводородов к кислородсодержащим веществам: алкан → алкен → спирт → альдегид → карбоновая кислота → сложный эфир. Многие переходы обратимы. Спирт дегидратируют до алкена, алкен гидратируют обратно в спирт.

От спирта к альдегиду ведёт окисление оксидом меди(II): C₂H₅OH + CuO → CH₃–CHO + Cu + H₂O (t). На уроке учитель опускает прокалённую чёрную медную проволоку в пробирку с этанолом, и проволока снова краснеет, а в пробирке появляется резкий запах уксусного альдегида. Обратный путь тоже есть. Альдегид присоединяет водород на никеле и возвращается в спирт.

Главная цепочка курса начинается с природного газа и проходит через реакцию, которую Михаил Кучеров открыл в 1881 году, — гидратацию ацетилена на солях ртути(II). От метана до сложного эфира всего четыре уравнения.

1. 2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂ (1500 °C).

2. C₂H₂ + H₂O → CH₃–CHO (Hg²⁺, H⁺).

3. CH₃–CHO + 2Cu(OH)₂ → CH₃–COOH + Cu₂O + 2H₂O (t).

4. CH₃–COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃–COO–C₂H₅ + H₂O (H₂SO₄ конц., t).

Последняя реакция — этерификация. Она идёт при нагревании с концентрированной серной кислотой и обратима, поэтому в уравнении ставят знак ⇄. Продукт, этилацетат, — растворитель с фруктовым запахом.

Задача 1. Составь уравнения реакций для цепочки CH₄ → CH₃Cl → C₂H₆ → C₂H₄ → C₂H₅OH.

1. CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (свет).

2. 2CH₃Cl + 2Na → C₂H₆ + 2NaCl (t), реакция Вюрца.

3. C₂H₆ → C₂H₄ + H₂ (t, Ni).

4. C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH (H₃PO₄, t, p).

Ответ: цепочка идёт через хлорметан и этан, конечный продукт — этанол.

От глюкозы до полиэтилена ведёт короткая цепочка

Вторая цепочка связывает углеводы с углеводородами. Дрожжи сбраживают глюкозу: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂. Этанол при нагревании с концентрированной серной кислотой выше 140 °C теряет воду: C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O. Этилен полимеризуется в полиэтилен.

Этанол был и промышленным сырьём. По методу Сергея Лебедева из этанола делали бутадиеновый каучук, и первый такой завод заработал в Ярославле в 1932 году.

Задача 2. Вычисли объём этилена (н. у.), который можно получить из 36 г глюкозы через этанол, если выход на каждой стадии 100 %.

1. n(C₆H₁₂O₆) = 36 / 180 = 0,2 моль.

2. По уравнению брожения этанола вдвое больше: 0,4 моль.

3. Каждая молекула этанола даёт одну молекулу этилена, n(C₂H₄) = 0,4 моль.

4. V(C₂H₄) = 0,4 · 22,4 = 8,96 л.

Ответ: 8,96 л.

Ароматическая ветка идёт через бензол

Из ацетилена получают бензол тримеризацией над активированным углём: 3C₂H₂ → C₆H₆ (C акт., t). Бензол нитруют, а нитробензол восстанавливают до анилина по реакции Зинина: C₆H₅NO₂ + 3H₂ → C₆H₅NH₂ + 2H₂O. Из того же бензола через хлорбензол получают фенол: C₆H₅Cl + NaOH → C₆H₅OH + NaCl (t, p).

Число атомов углерода подсказывает нужную реакцию

С любой цепочкой я прошу начинать одинаково: сравни число атомов углерода в соседних веществах. Удвоилось — работает реакция Вюрца, описанная в 1855 году. Уменьшилось на один — скорее всего, это сплавление соли карбоновой кислоты со щёлочью: CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃ (t).

Если углерод не изменился, смотри на водород и кислород. Минус H₂ означает дегидрирование, плюс H₂O — гидратацию, минус H₂O — дегидратацию. Лишний атом кислорода у альдегида — окисление до кислоты.

Условия над стрелкой проверяют так же строго, как коэффициенты. Чаще всего путают эти пять.

• свет — хлорирование алканов;

• соли ртути(II) — гидратация ацетилена по Кучерову;

• спиртовой раствор щёлочи — отщепление HCl от хлоралкана с образованием алкена;

• водный раствор щёлочи — замена атома хлора на группу –OH;

• никель и нагревание — присоединение водорода к кратной связи или его отщепление.

Задача 3. Определи вещества X и Y в цепочке CaC₂ → X → CH₃–CHO → Y → CH₃–COO–C₂H₅ и составь уравнения реакций.

1. Карбид кальция с водой даёт ацетилен: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂.

2. Ацетилен по Кучерову превращается в альдегид: C₂H₂ + H₂O → CH₃–CHO (Hg²⁺, H⁺).

3. Альдегид окисляется до кислоты в реакции серебряного зеркала: CH₃–CHO + Ag₂O → CH₃–COOH + 2Ag↓ (NH₃, t).

4. Кислота со спиртом даёт эфир: CH₃–COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃–COO–C₂H₅ + H₂O (H₂SO₄ конц., t).

Ответ: X — ацетилен (этин), Y — уксусная, или этановая, кислота.