Организация подготовки к ЕГЭ по химии: окислительно-восстановительные реакции с участием аренов
Варнакова И.В.
Организация подготовки к ЕГЭ по химии:
окислительно-восстановительные реакции с участием аренов
В статье рассмотрено окисление аренов перманганатом калия и дихроматом калия, показана зависимость получения продуктов реакции от среды раствора и строения исходных веществ.
Ключевые слова: ОВР, окисление, перманганат калия, восстановители, арены.
В окислительно-восстановительных реакциях (ОВР) органические вещества чаще всего проявляют свойства восстановителей, при этом сами окисляются. Легкость окисления зависит от доступности электронов при взаимодействии с окислителем. Все факторы, приводящие к увеличению электронной плотности (например, положительный индуктивный эффект, мезомерный эффект) повышают способность вещества к окислению. Помимо полного окисления (горения), для некоторых классов органических соединений характерны реакции неполного окисления, при этом они превращаются в другие классы.
Существуют специфические окислители для каждых классов. Но есть два классических окислителя, которые, универсальные для многих классов. Это перманганат калия – KMnO4 бихромат (дихромат) калия – K2Cr2O7. Эти вещества являются сильными окислителями за счет марганца в степени окисления +7, и хрома в степени окисления +6, соответственно.
Реакции с этими окислителями встречаются довольно часто, однако нигде нет целостного руководства, по какому принципу выбирать продукты таких реакций.
На практике действует очень много факторов, влияющих на ход реакции (температура, среда, концентрация реагентов и т.д.). Часто получается смесь продуктов. Поэтому предугадать продукт, который образуется практически невозможно.
Бензол не окисляется даже под действием сильных окислителей
(KMnO4, K2Cr2O7 и т.п.). Поэтому он часто используется как инертный растворитель при проведении реакций окисления других органических соединений. В отличие от бензола его гомологи окисляются довольно легко.
Окисление аренов в кислой среде
При действии раствора KMnO4 и нагревании в гомологах бензола окислению подвергаются только боковые цепи:
Окисление других гомологов (этилбензол, пропилбензол и т.д.) также приводит к образованию бензойной кислоты. Разрыв связи при этом происходит между двумя ближайшими к кольцу атомами углерода в боковой цепи.
Алкильные группы в алкилбензолах окисляются легче, чем алканы. Это объясняется влиянием бензольного кольца на атомы в боковой цепи.
5С6Н5-CH2-CH3 + 6KMnO4 + 9H2SO4 → 5C6H5COOH +6СО2 + 6MnSO4 +3 K2SO4 + 14H2O
бензойная кислота
5C6H5-CH(CH3)2+18KMnO4+27H2SO4 →5C6H5-СООН +10CO2+18MnSO4+ 9K2SO4+ 42H2O
бензойная кислота
2. Если в молекуле арена несколько боковых цепей, то в кислой среде каждая из них окисляется по a-углеродному атому до карбоксильной группы, в результате чего образуются многоосновные ароматические кислоты:
С6Н5С2Н5 + 2K2Сr2O7 + 8H2SO4 → C6H5COOH + СО2↑ + 2Cr (SO4)3 + 2K2SO4 + 10H2O
бензойная кислота
5С6Н5СН(СН3)2 +18KMnO4 +27H2SO4→ 5C6H5COOH +10СО2 +18MnSO4 + 9K2SO4 +42H2O
бензойная кислота
5С6 Н4 (СН3)2 + 12KMnO4 + 18 H2SO4→ 5C6H4(COOH)2 + 12MnSO4 + 6К2SO4 + 28H2O
фталевая кислота
Окисление аренов в щелочной и нейтральной средах
1. Гомологи бензола при нагревании окисляются перманганатом калия в нейтральной среде с образованием калиевых солей ароматических кислот.
С6Н5-CH3 + 2KMnO4 → C6H5COOК + 2MnO2 + KOН + H2O
бензоат калия
С6Н5- CH2-CH3 + 4KMnO4 → C6H5COOК + К2СО3 + 4MnO2 + KOН + 2H2O
3С6Н5-CH2-CH2-CH3 + 10KMnO4 →3C6H5COOК + 3CH3COOК + 10MnO2 + 4KOН + 4H2O
С6Н4(СН3)2 + 4KMnO4 → C6H4(COOК)2 + 4MnO2↓ + 2KOН + 2H2O
фталат калия
2.Следует обратить внимание на то, что при мягком окислении стирола перманганатом калия КMnO4 в нейтральной или слабощелочной среде происходит разрыв π –связи, образуется гликоль (двухатомный спирт). В результате реакции окрашенный раствор перманганата калия быстро обесцвечивается и выпадает коричневый осадок оксида марганца (IV).
3C6H5−CH═CH2 + 2KMnO4 + 4H2O → 3C6H5−CH(OH)-CH2(OH) + 2MnO2↓ + 2KOH
1-фенилэтиленгликоль
Окисление же сильным окислителем - перманганатом калия в кислой среде - приводит к полному разрыву двойной связи и образованию углекислого газа и бензойной кислоты, раствор при этом обесцвечивается.
С6Н5-CH=CH2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 → C6H5COOH + СО2↑+ 2MnSO4 + K2SO4 + 4H2O
Таблица 1.
Продукты окисления аренов в кислой и нейтральной/щелочной среде
Арен | Продукты окисления в кислой среде | Продукты окисления в щелочной среде |
C6H5-CH3 | C6H5-COOH | C6H5-COOК |
C6H5-C2H5 | C6H5-COOH+CO2 | C6H5-COOК+ K2CO3 |
C6H5-CH(CH3)2 кумол | C6H5COOH+2CO2 бензойная кислота | C6H5COOК+2K2CO3 бензоат калия |
C6H5-CH2СН2CH3 | C6H5COOH+ CH3-COOH | C6H5COOК+ CH3-COOК |
CH3-C6H4-CH3
| HOOC-C6H4-COOH бензолдикарбоновая кислота
| КOOC-C6H4-COOК
|
C6H5-CH=CH2 | C6H5COOH+CO2 | (н.у.) C6H5-CH(ОН)CH2ОН (t°) C6H5-COOК+ K2CO3 |
|
терефталевая кислота | КООС-C6H4-COOК+ +2K2CO3 |
|
| КООС-C6H4-COOК+ CH3COOК |
|
изофталевая кислота | КООС-C6H4-COOК+ CH3COOК+К2СО3 |
Поэтому при изучении окисления аренов в различных средах обучающиеся могут самостоятельно высказать предположения, что в кислой среде следует ожидать образования кислот, а в щелочной – солей. Как показывает многолетний опыт, предложенная методика обучения старшеклассников составлению уравнений ОВР с участием органических веществ повышает их итоговый результат ЕГЭ по химии на несколько баллов.
Список используемой литературы:
Куцапкина Л. В. Окислительно-восстановительные реакции в органической химии : Подготовка к ЕГЭ. — [б. м.] : [б. и.], 2016. — 26 с. — [б. н.]
