Некоторые окислительно-восстановительные реакции алкенов: первое знакомство с методом электронно-ионного баланса в органической химии
Тема “ОВР в органической химии” достаточно широко освящена на страницах журнала “Химия в школе” методистами, учителями (“Химия в школе”. 1998. №1. С.29-38, 2000. №2. С.61-69, 2004. №2. С.55-61 и др.).
В данной статье хочется представить свой опыт по использованию метода полуреакций при уравнивании схем на начальном этапе обучения органической химии: знакомство с некоторыми реакциями окисления непредельных углеводородов.
Red – восстановитель (от англ. “Redintegrator” – восстановитель); Ох – окислитель (от англ. “Oxidant” - окислитель).
Первая возможность показать метод электронно-ионного баланса появляется при изучении химических свойств алкенов. Здесь очень важно грамотно сформировать навыки составления полуреакций. Для этого с учащимися записываем памятку:
кислотная среда содержит H + и H2O => поэтому кислород забираем катионами водорода: [O] + 2H + = H2O щелочная среда содержит OH – и H2O => поэтому кислород забираем водой: [O] + H2O = 2OH –
В качестве примеров можно привести реакции взаимодействия алкенов с водным раствором KMnO4 (реакция Вагнера) и раствором KMnO4 в серной кислоте при tºC.
При взаимодействии алкенов с водным раствором KMnO4 происходит одновременно окисление и гидратация по месту разрыва π-связи вне зависимости от места расположения двойной связи (на краю или в центре молекулы):
При наличии в молекуле 2-х двойных связей образуются тетраолы:
Напомним, что при действии KMnO4 в H2SO4 при t º C двойная связь разрывается:
а) если двойная связь находится на конце молекулы, то образуется кислота и углекислый газ:
б) если двойная связь находится не на краю, то образуется смесь кислот:
в) если двойная связь находится при атоме углерода с двумя радикалами, то образуется кетон и карбоновая кислота или углекислый газ:
Если в молекуле 2 двойных связи, то при равных условиях они обе будут подвержены разрыву с образованием смеси веществ одно- и двухосновной кислот, углекислого газа или кетона:
Вместо KMnO4 в растворе H2SO4 можно использовать K2Cr2O7, тогда среди побочных продуктов будут K2SO4, Cr2(SO4)3 и H2O.
Данные реакции используются для определения строения непредельных углеводородов (местонахождения кратных связей).
Обычно для усвоения учащимися материала урока вполне достаточно проработать по 2 примера ОВР алкенов в различных средах (работа проводится по памятке). Причем целесообразно брать одно вещество и составлять УХР его взаимодействия с KMnO4 в различных средах.
(среда щелочная OH - , H2O).
C5H10 + 2OH - - 2e - → C5H12O2 MnO4 - + 2H2O + 3e - → MnO2↓ + 4OH - 3 Red, окисляется 2 Ох, восстанавливается
Сокращаем одинаковые частицы в левой и правой частях схемы и получаем:
Записываем УХР в молекулярном виде:
(среда кислотная H + , H2O).
C5H10 + 3H2O - 6e - → C3H6O + C2H4O2 +6H + MnO4 - + 8H + + 5e - → Mn 2+ + 4H2O 5 Red, окисляется 6 Ох, восстанавливается
Сокращаем одинаковые частицы в левой и правой частях схемы и получаем:
Записываем УХР в молекулярном виде:
(среда щелочная OH - , H2O).
C3H6 + 2OH - - 2e - → C3H8O2 MnO4 - + 2H2O + 3e - → MnO2↓ + 4OH - 3 Red, окисляется 2 Ох, восстанавливается
Сокращаем одинаковые частицы в левой и правой частях схемы и получаем:
Записываем УХР в молекулярном виде:
(среда кислотная H + , H2O).
C3H6 + 4H2O - 10e - → C2H4O2 + CO2 +10H + MnO4 – + 8H + + 5e - → Mn 2+ + 4H2O 1 Red, окисляется 2 Ох, восстанавливается
Сокращаем одинаковые частицы в левой и правой частях схемы и получаем:
Записываем УХР в молекулярном виде:
Для закрепления изученного материала можно дать учащимся задания, подобные следующему: алкен с брутто-формулой С6Н12 подвергли окислению KMnO4 в присутствии H2SO4 при tºC. Определите строение алкена, если продуктами реакции являются 3-метилбутановая кислота и CO2.
Ответ: Так как продукт СО2, двойная связь находилась на конце молекулы, тогда
искомый алкен – 4-метилпентен-1.
После отработки навыков использования метода электронно-ионного баланса в ОВР алкенов можно провести самостоятельную работу по вариантам.
Задание: Составить и уравнять методом электронно-ионного баланса схемы реакций взаимодействия алкена с водным и сернокислым (при tºC) раствором перманганата калия:
Вариант Название алкена (исходного вещества) I 2-метилбутен-1 II 2-метилпентен-1 III бутен-1 IV пентен-1 V 3-метилпентен-1 VI 3-метилпентен-2
Использование метода полуреакций при изучении реакций окисления алкенов позволяет учащимся в дальнейшем легче усвоить реакции окисления алкадиенов, алкинов, спиртов, альдегидов, кетонов, гомологов бензола и других органических соединений.
Преимущества использования электронно-ионного баланса в органической химии по сравнению с электронным очевидны:
большая часть реакций окисления органических веществ протекает в растворе;
практически все органические вещества являются неэлектролитами (кроме солей), а значит, при составлении полуреакции учащиеся меньше будут допускать ошибки, т.к. в полуреакциях следует записывать брутто-формулы органических веществ, а не продукты их диссоциации;
метод полуреакций более “элегантный” (при уравнивании схемы реакции окисления органического вещества электронным балансом приходится записывать большее число полуреакций, что может привести к ошибкам).
Например, для составления уравнения реакции 2-метилбутена-2 с водным раствором KMnO4 схема будет иметь следующий вид:
Таким образом, метод электронного баланса не позволяет сразу определить коэффициенты в схеме реакции перед “побочными” веществами (в данном случае перед формулами Н2О и КОН).