4. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: CH₂-CH₂-C-O-CH₂-CH₃ NH₂ H₂O, кат. → X₁ → HNO₂ → X₃ → KHCO₃ → X₄ CuO, t° → X₂ → X₅ → ацетат аммония

Решение:

Дано сложное эфирное соединение — этиловый эфир α-аминобутановой кислоты (или этиловый эфир α-аминобутирата). Рассмотрим предложенные превращения:

1. Гидролиз (H₂O, кат.)

Сложный эфир при гидролизе в присутствии кислоты или щелочи распадается на спирт и карбоновую кислоту. В данном случае:

\[ CH_3-CH_2-CH(NH_2)-CO-O-CH_2-CH_3 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH_2-CH(NH_2)-COOH + CH_3-CH_2-OH \]

X₁ — α-аминобутановая кислота (или α-аминобутират).

2. Реакция X₁ с азотистой кислотой (HNO₂)

Аминокислоты при взаимодействии с азотистой кислотой превращаются в гидроксикислоты с выделением азота.

\[ CH_3-CH_2-CH(NH_2)-COOH + HNO_2 \rightarrow CH_3-CH_2-CH(OH)-COOH + N_2 \uparrow \]

X₃ — α-гидроксибутановая кислота.

3. Реакция X₃ с гидрокарбонатом калия (KHCO₃)

Гидроксикислота, имея карбоксильную группу, может реагировать с основаниями и их солями, образуя соответствующие соли. В данном случае:

\[ CH_3-CH_2-CH(OH)-COOH + KHCO_3 \rightarrow CH_3-CH_2-CH(OH)-COOK + H_2O + CO_2 \uparrow \]

X₄ — калий α-гидроксибутират.

4. Реакция X₂ с оксидом меди (CuO, t°)

В исходной структуре есть две ветви. Вторая ветвь предполагает, что из исходного вещества образуется X₂, а затем через оксид меди (II) при нагревании оно превращается в X₅. Вероятно, X₂ является спиртом, который образуется при гидролизе сложного эфира. Если предположить, что гидролиз идёт не только по эфирной связи, но и по аминогруппе, или что это другое вещество, то, учитывая конечный продукт «ацетат аммония», наиболее вероятным путём является окисление первичного спирта (этанол) до альдегида, а затем до кислоты, которая затем реагирует с аммиаком. Но если исходить из того, что X₂ получается из исходного вещества, то X₂ — это этанол (CH₃CH₂OH), который образуется при гидролизе эфирной связи.

\[ CH_3-CH_2-CH(NH_2)-CO-O-CH_2-CH_3 + H_2O \rightarrow CH_3-CH_2-CH(NH_2)-COOH + CH_3-CH_2-OH \]

X₂ — этанол.

Окисление этанола оксидом меди (II) при нагревании:

\[ CH_3-CH_2-OH + CuO \xrightarrow{t^0} CH_3-CHO + Cu + H_2O \]

X₅ — этанол (если реакция не доведена до конца или наоборот, если это восстановление, но CuO - окислитель). Если же X₂ — это этанол, то при реакции с CuO, t° получается этанол, а это неверно. Скорее всего, X₂ — это этиловый спирт, который при окислении CuO, t° дает ацетальдегид.

\[ CH_3-CH_2-OH + CuO \xrightarrow{t^0} CH_3-CHO + Cu + H_2O \]

X₅ — ацетальдегид.

5. Получение ацетата аммония

Ацетат аммония — это соль уксусной кислоты и аммиака. Для получения ацетата аммония из ацетальдегида (X₅) необходимо провести окисление ацетальдегида до уксусной кислоты, а затем нейтрализовать её аммиаком.

Окисление ацетальдегида:

\[ CH_3-CHO + CuO \xrightarrow{t^0} CH_3-COOH + Cu + H_2O \quad \text{(или другими окислителями)} \]

Нейтрализация уксусной кислоты аммиаком:

\[ CH_3-COOH + NH_3 \rightarrow CH_3-COONH_4 \]

Или, если принять, что X₅ — это уксусная кислота, то:

\[ CH_3-CH_2-CH(NH_2)-CO-O-CH_2-CH_3 \rightarrow ... \rightarrow CH_3-COOH \]

Тогда реакция с аммиаком:

\[ CH_3-COOH + NH_3 \rightarrow CH_3-COONH_4 \]

Учитывая, что конечный продукт — ацетат аммония, и X₂ → X₅ → ацетат аммония, то X₅ должен быть уксусной кислотой.

Уточненные превращения:

1. Гидролиз:

\[ CH_3-CH_2-CH(NH_2)-CO-O-CH_2-CH_3 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH_2-CH(NH_2)-COOH + CH_3-CH_2-OH \]

X₁ — α-аминобутановая кислота, X₂ — этанол.

2. Реакция X₁ с HNO₂:

\[ CH_3-CH_2-CH(NH_2)-COOH + HNO_2 \rightarrow CH_3-CH_2-CH(OH)-COOH + N_2 \uparrow \]

X₃ — α-гидроксибутановая кислота.

3. Реакция X₃ с KHCO₃:

\[ CH_3-CH_2-CH(OH)-COOH + KHCO_3 \rightarrow CH_3-CH_2-CH(OH)-COOK + H_2O + CO_2 \uparrow \]

X₄ — калий α-гидроксибутират.

4. Реакция X₂ с CuO, t°:

Окисление этанола оксидом меди (II) при нагревании:

\[ CH_3-CH_2-OH + CuO \xrightarrow{t^0} CH_3-CHO + Cu + H_2O \]

X₅ — ацетальдегид.

5. Получение ацетата аммония:

Для получения ацетата аммония из ацетальдегида нужно сначала окислить его до уксусной кислоты, а затем нейтрализовать аммиаком.

Окисление ацетальдегида до уксусной кислоты:

\[ 2CH_3-CHO + O_2 \xrightarrow{Cu} 2CH_3-COOH \quad \text{(или другими окислителями, например, CuO)} \]

Нейтрализация уксусной кислоты аммиаком:

\[ CH_3-COOH + NH_3 \rightarrow CH_3-COONH_4 \]

X₅ → ацетат аммония, подразумевает, что X₅ — это уксусная кислота, а не ацетальдегид.

Тогда реакция X₂ (этанол) с CuO, t° должна приводить к уксусной кислоте, что возможно при более сильном окислении:

\[ CH_3-CH_2-OH + 2CuO \xrightarrow{t^0} CH_3-COOH + 2Cu + H_2O \]

X₅ — уксусная кислота.

Итоговые уравнения:

1. Гидролиз:\[ CH_3-CH_2-CH(NH_2)-CO-O-CH_2-CH_3 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH_2-CH(NH_2)-COOH + CH_3-CH_2-OH \]
2. Реакция α-аминобутановой кислоты с HNO₂:\[ CH_3-CH_2-CH(NH_2)-COOH + HNO_2 \rightarrow CH_3-CH_2-CH(OH)-COOH + N_2 \uparrow \]
3. Реакция α-гидроксибутановой кислоты с KHCO₃:\[ CH_3-CH_2-CH(OH)-COOH + KHCO_3 \rightarrow CH_3-CH_2-CH(OH)-COOK + H_2O + CO_2 \uparrow \]
4. Окисление этанола до уксусной кислоты:\[ CH_3-CH_2-OH + 2CuO \xrightarrow{t^0} CH_3-COOH + 2Cu + H_2O \]
5. Образование ацетата аммония:\[ CH_3-COOH + NH_3 \rightarrow CH_3-COONH_4 \]

Ответ:

1. Гидролиз:
CH₃-CH₂-CH(NH₂)-CO-O-CH₂-CH₃ + H₂O → CH₃-CH₂-CH(NH₂)-COOH + CH₃-CH₂-OH

2. Реакция с HNO₂:
CH₃-CH₂-CH(NH₂)-COOH + HNO₂ → CH₃-CH₂-CH(OH)-COOH + N₂↑

3. Реакция с KHCO₃:
CH₃-CH₂-CH(OH)-COOH + KHCO₃ → CH₃-CH₂-CH(OH)-COOK + H₂O + CO₂↑

4. Окисление этанола:
CH₃-CH₂-OH + 2CuO → CH₃-COOH + 2Cu + H₂O

5. Образование ацетата аммония:
CH₃-COOH + NH₃ → CH₃-COONH₄