ГДЗ по химии, 10 класс, Еремин, номер 42.12: Галогенопроизводные углеводородов

Сначала определим индекс ненасыщенности (степень окисления углеродного скелета). Для соединения вида C_nH_mX_k (где X — галоген) формула индекса ненасыщенности ν равна:

Подставим значения для C₄H₄Cl₄: n=4, m=4, k=4.

Индекс ненасыщенности равен 1. Это значит, что в молекуле может быть одна двойная связь (C=C) или один цикл. Так как всего 4 атома углерода, циклы возможны, но давайте сначала рассмотрим линейные структуры с двойной связью, так как они чаще встречаются в таких задачах на изомерию галогенопроизводных.

Если в молекуле есть одна двойная связь, то это производное бутена. Углеродный скелет: C-C=C-C или C=C-C-C. Однако из-за симметрии и условия эквивалентности хлоров будем искать наиболее симметричные варианты.

Рассмотрим структуру 2-бутена : CH₃-CH=CH-CH₃. Заместим атомы водорода на хлор так, чтобы все 4 атома Cl были эквивалентны.

Вариант А: Замещаем по одному атому H у каждого крайнего углерода и по одному у средних? Нет, тогда среда разная. Попробуем замещать симметрично относительно центра двойной связи.

Если мы возьмём структуру 1,1,4,4-тетрахлорбут-2-ен :

Проверим эквивалентность атомов хлора:

• Два атома хлора при первом углероде (C₁) эквивалентны друг другу из-за свободной ротации вокруг одинарной связи C₁-C₂ (в рамках приближения) и симметрии группы CHCl₂.
• Два атома хлора при четвертом углероде (C₄) аналогично эквивалентны.
• Молекула имеет плоскость симметрии, проходящую через середину двойной связи перпендикулярно ей (или ось симметрии второго порядка). Левая часть Cl₂CH- зеркальна правой части -CHCl₂. Следовательно, все 4 атома хлора находятся в идентичном химическом окружении.

Это один возможный изомер.

Может ли быть другой изомер с двойной связью?

Рассмотрим 1,2,3,4-тетрахлорбут-2-ен :

Здесь два атома хлора связаны с sp³-гибридизованными углеродами (крайние), а два — с sp²-гибридизованными (средние). Среда sp³-Cl и sp²-Cl различна. Поэтому атомы хлора не эквивалентны . Этот вариант не подходит.

Рассмотрим 1,1,2,2-тетрахлорбут-3-ен (несимметричный): очевидно, не подходит.

Рассмотрим 1,1,2,3-тетрахлорбут-2-ен : несимметрично, не подходит.

Есть ли изомер типа 2,3-дихлор-1,4-дихлорметил... нет, это то же самое .

А что если двойная связь находится иначе? Например, в кольце? Вернемся к циклам позже. Сначала проверим еще один линейный вариант.

Может ли существовать изомер 1,1,2,2-тетрахлорэтилен ? Нет, там только 2 углерода. Нам нужно 4.

Попробуем структуру, где хлоры стоят на разных типах углеродов, но за счет быстрой таутомерии или симметрии становятся эквивалентными? В условиях школьной программы обычно рассматриваются статические структуры.

Вернемся к варианту Cl₂CH-CH=CH-CHCl₂. Он подходит.

Индекс ненасыщенности 1 также допускает наличие цикла. Циклобутан или метилциклопропан.

Вариант Б: Циклобутан с четырьмя атомами хлора.

Формула циклобутана C₄H₈. Если заменить 4 атома H на Cl, получим C₄H₄Cl₄.

Чтобы все атомы хлора были эквивалентны, они должны стоять симметрично.

Рассмотрим 1,2,3,4-тетрахлорциклобутан .

В этой молекуле каждый атом углерода связан с одним атомом хлора и одним атомом водорода. Все четыре атома углерода в цикле равноценны. Следовательно, все четыре атома хлора также равноценны (структурно эквивалентны).

Существуют стереоизомеры (цис-транс), но вопрос о структурных изомерах подразумевает порядок связей. Структурно это один тип соединения: тетраподstituted cyclobutane.

Однако, нужно проверить, нет ли других способов расположения в цикле. Например, если бы было 2 атома Cl на одном углероде, а на другом 0, то эквивалентности бы не было. Но нам нужно 4 Cl на 4 C. Единственный способ сделать их эквивалентными в циклобутане — по одному на каждый углерод.

Таким образом, 1,2,3,4-тетрахлорциклобутан является вторым возможным структурным изомером.

Метилциклопропан C₄H₈. Замещаем 4 атома H на Cl.

Углероды в метилциклопропане неравноценны (три в цикле, один в метильной группе). Чтобы все 4 атома Cl были эквивалентны, они должны находиться в одинаковой среде. Это невозможно, если они привязаны к разным типам углеродов (sp³ в цикле vs sp³ в метиле, но геометрия и соседство разные). Даже если поставить по одному Cl на каждый углерод цикла и один на метил, среда будет разной. Если поставить два на метил и два на цикл — тоже разница. Поэтому метилциклопропаны не дают эквивалентных хлоров.

Мы нашли два структурных изомера, удовлетворяющих условию:

1. 1,1,4,4-тетрахлорбут-2-ен (линейный алкен).
2. 1,2,3,4-тетрахлорциклобутан (циклический алкан).

Проверим еще раз условие «все атомы хлора структурно эквивалентны».

• В 1,1,4,4-тетрахлорбут-2-ене: Cl₂CH-CH=CH-CHCl₂. Два левых Cl эквивалентны, два правых эквивалентны, левые и правые эквивалентны благодаря симметрии молекулы. Да.
• В 1,2,3,4-тетрахлорциклобутане: Каждый C связан с 1 Cl. Все C в цикле эквивалентны. Значит, все Cl эквивалентны. Да.

Существует ли третий изомер? Например, дициклопропан? Нет, формула не сходится. Или бис(дихлорметил)... уже рассмотрели.

Иногда в таких задачах могут подразумеваться только открытые цепи, но слово «углеводородов» и общая тема галогенопроизводных допускают циклы. Если ограничиться только ациклическими соединениями, то ответ один. Но обычно «возможные структурные изомеры» включает и циклы.

Давайте проверим, нет ли изомера типа 1,1,2,2-тетрахлорциклопропана с метильной группой? Формула C₄H₄Cl₄. Циклопропан C₃H₆. Метилциклопропан C₄H₈. Замена 4H на 4Cl дает C₄H₄Cl₄. Но мы уже выяснили, что в метилциклопропане углероды неэквивалентны, поэтому и хлоры не будут эквивалентны, если они распределены по всем 4 углеродам. Если же собрать все 4 хлора на одном углероде? Тогда остальные без хлоров — не эквивалентны. Если на двух? Не эквивалентны. Так что этот путь тупиковый.

Таким образом, наиболее вероятные ответы — два изомера.