ВсОШ 2024, 11 класс, №11-3
«In medias res»
Соли , и представляют собой бесцветные кристаллические вещества. При растворении в воде эти соли количественно разлагаются с образованием многокомпонентных растворов. Для определения состава солей провели два эксперимента. Сначала в мл воды растворяли по г соли, а затем добавляли избыток раствора нитрата серебра. Выпадавшие осадки отфильтровывали, после чего взвешивали (опыт . Полученные после опыта фильтраты переносили в устойчивые к повышенному давлению ампулы, затем добавляли избыточное количество аммиачного раствора гидроксида серебра. Ампулы с полученным раствором запаивали и нагревали. При этом образовывалось некоторое количество тёмно-серого осадка; после прекращения образования осадка раствор остужали, затем осадок отфильтровывали и взвешивали (опыт . Массы осадков, полученных при проведении опытов, приведены ниже.
| Соль | ||
|---|---|---|
| Опыт | ... + | |
| Масса осадка, г | ||
| Цвет осадка | жёлтый | белый |
| Опыт | ... + | |
| Масса осадка, г | ||
| Цвет осадка | тёмно-серый |
Вопрос 1. Определите состав солей – , ответы подтвердите расчётом и объясните ход решения. Предложите структурные формулы катионов, входящих в состав этих солей. Соли и можно синтезировать по следующей схеме превращений:

Буквами – обозначены соединения, содержащие одни и те же три элемента. Побочные неорганические продукты реакций на схеме не приведены, везде, где не указано иное, вещества реагируют в мольном соотношении : . При действии на также выделяется резко пахнущий газ неорганической природы, при растворении в воде дающий кислую реакцию среды.
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Вопрос 2. Напишите структурные формулы веществ – и молекулярные формулы веществ – и . Соль является весьма реакционноспособной, например, она может реагировать с анизолом (метоксибензолом). Обработка полученного после этой реакции раствора водой приводит к образованию вещества с пряным запахом в качестве основного продукта.
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Вопрос 3. Напишите структурную формулу вещества . Соль можно использовать как реагент в органическом синтезе для самых разных приложений. В году исследователи из университета Аликанте (Испания) сообщили об использовании (его генерировали situ) для функционализации некоторых ароматических систем по приведённой ниже схеме.

Для исследования механизма последней стадии была предпринята попытка провести реакцию в атмосфере аргона, однако при этом продукт практически не образовался (вместо него был получен продукт . На воздухе реакция прошла успешно, однако при проведении реакции в атмосфере изотопно обогащённого кислорода продукт не оказался обогащён изотопом . При добавлении же небольшого количества изотопно обогащённой воды в реакционную смесь на воздухе продукт оказывается в значительной степени обогащён изотопом . Описанные превращения суммированы на схеме ниже.

Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Вопрос 4. Напишите структурные формулы веществ – . На основании вышеописанных данных предложите механизм превращения (можно изобразить схему или подробно описать словами). Для вещества известны спектральные данные:
• ЯМР : (квинтет, , (м, , (т, , (т, , (т, ,
(с, , (т, , (м, , (д, , (д, , (д, (с – синглет, д – дублет, т – триплет, м – мультиплет);
• ЯМР : , , (соответствуют атомам углерода CH2-групп), ,
, , , , , , (соответствуют атомам углерода групп), , , , (соответствуют четвертичным атомам углерода);
• по данным масс-спектрометрии высокого разрешения масса молекулярного иона г/моль.
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Полное решение задачи.
Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.
Ответ
Решение
. Рассмотрим проведённые опыты. Опыт , судя по всему, проводится с целью осаждения анионов, входящих в состав солей , и – судя по цветам, это должны быть иодид- или фосфат-ионы и хлорид-ионы и . Опыт же заключается в проведении реакции серебряного зеркала, которая является качественной на альдегидную группу. Таким образом, осадок во втором опыте представляет собой металлическое серебро.
Рассчитаем количества вещества осадков в опыте :
| Соль | ||||
|---|---|---|---|---|
| Масса осадка, г | ||||
| Состав осадка | ||||
| n(осадка), ммоль |
Сравним теперь эти количества веществ с количествами серебра, образующимися в опыте :
| Соль | |||
|---|---|---|---|
| m(Ag), г | |||
| n(Ag), ммоль |
Количества вещества серебра и его солей должны быть кратны друг другу, поскольку анионы и катионы (которые, видимо, при действии воды и дают соединения, дающие положительную пробу в реакции серебряного зеркала) входят в состав соли в кратных соотношениях. Найдём соотношения количеств веществ серебра и его солей:
| Соль | ||||
|---|---|---|---|---|
| n(Ag), ммоль | ||||
| n(осадка), ммоль | ||||
Видим, что жёлтый осадок является иодидом серебра, так как только в этом случае соотношение количеств веществ является целочисленным. Найдём молярную массу, полагая, что катионы (так же как и анионы) являются однозарядными:
| Соль | |||
|---|---|---|---|
| n(соли), ммоль | |||
| Mr(соли), г/моль | |||
| Mr(кrатиона), г/моль |
По-видимому, и содержат одинаковые катионы, поскольку их молярные массы совпадают (в пределах погрешности расчётов). Данной молярной массе подходят следующие составы: , , , , и . Учитывая, что такому составу должен отвечать катион (т.е. заряженная частица), нам подходит только вариант . При окислении альдегидной группы по реакции серебряного зеркала образуется карбоксилат-ион, при этом количество выделившегося серебра в раза больше: + + + + Однако в случае и количество серебра в раза больше, чем количество соли. Это можно объяснить следующими вариантами: при взаимодействии и с водой образуется две молекулы моноальдегида; (ii) образуется диальдегид; (iii) образуется формальдегид, окисляющийся до по реакции + + + + Первые два варианта не позволяют предложить разумные структуры катиона состава . Третьему варианту удовлетворяет иминиевая соль с катионом , продуктом гидролиза которого является геминальный аминоспирт, который сосуществует в равновесии с формальдегидом и диметиламином. Таким образом, соли и – иодид и хлорид N,Nдиметилметаниминия, соответственно.

С солью , однако, всё не совсем понятно. Молярная масса г/моль слишком далека от целой, что не позволяет нам с лёгкостью сделать вывод о составе катиона (ближайшие возможные варианты – и , но они неточно подходят). Более того, можно заметить, что хлорида серебра из раствора осаждается по молям столько же, сколько и металлического серебра. В предположении, что мы имеем дело с солью типа не содержит атомов хлора) мы придём к выводу о том, что на окисление образующейся при гидролизе альдегидной группы уходит эквивалент . Однако это невозможно: при окислении альдегидной группы степень окисления карбонильного атома углерода увеличивается на , что будет требовать как минимум двух эквивалентов серебра. Первое, что стоит попробовать – удвоить возможное число атомов хлора. Тогда молярная масса катиона составит г/моль, что соответствует составу . Однако изобразить такой катион очень проблематично: два положительных заряда будут соседствовать друг с другом в составе одной частицы, что крайне невыгодно. Возможен вариант, при котором один из атомов хлора не является противоионом, а входит в состав катиона, при этом переходя в раствор в виде хлорид-иона в результате гидролиза. Тогда формула – . С учётом необходимости образования альдегида (или другого вещества, содержащего формильную группу) при гидролизе есть два разумных варианта структур для такого катиона, и, соответственно, два варианта продуктов гидролиза:

В варианте, при котором разложение приводит нас к формальдегиду, не сходится соотношение количеств веществ осадков n(Ag) : , образующихся в разных опытах (оно также составит : , как и в случае и . В случае, когда атом хлора связан с метиновой группой, продуктом гидролиза является N,N-диметилформамид (ДМФА) – в таком случае из эквивалента выделяется эквивалента (осаждается в виде эквивалентов и эквивалент ДМФА (способен осадить эквивалента . В этом случае выполняется найденное ранее соотношение n(Ag) : = : . Следовательно, – хлорид N,N-диметил-1-хлорметаниминия. Зашифрованные соединения представляют собой именные соли:



В чистом виде эти соли крайне реакционноспособны и, как правило, образуются в качестве интермедиатов в разных химических реакциях и – в реакциях Манниха, – в реакции Вильсмайера-Хаака), к чему отсылает название задачи (литературный термин medias переводится с латыни как «в середине дела»).
. Все соединения, кроме конечных, на схеме зашифрованы; для расшифровки внимательно посмотрим на их строение. Оно в обоих случаях достаточно простое, при этом оба вещества и содержат три атома углерода при атоме азота. Соль содержит атом иода; исходя из метода синтеза, его источником могут быть либо соединение , либо соединения – . Первый вариант выглядит сомнительно
– в этом случае – должны выступать источником азота, а тогда неясно, зачем использовать два различных азотсодержащих соединения в синтезе. Исходя из структуры катионов и логично предположить, что в ходе синтеза происходит алкилирование атома азота. Поскольку в конечных продуктах атомы углерода не связаны друг с другом, то и ожидать наличия связей в составе – не следует. Раз эти вещества используются для алкилирования аминов и содержат иод, то наиболее логично предположить, что – представляют собой метилиодид, иодистый метилен и иодоформ. Разумная последовательность превращений получается, если положить, что – и – . Тогда методом исключения – . Тогда складывается следующий метод получения : монометилированием диметиламина получают триметиламин , который затем повторно алкилируют иодистым метиленом. Полученная соль при нагревании выделяет метилиодид и даёт продукт . Продуктом щелочного гидролиза иодоформа является формиат-ион, значит, – муравьиная кислота . При её взаимодействии с диметиламином образуется формиат диметиламмония, который при нагревании выделяет воду с образованием N,N-диметилформамида . Наконец, установим формулу . Уравнение его реакции с можно записать как: + + газ↑. Исходя из этого, можно понять, что – хлорирующий агент неорганической природы, из которого при замещении двух атомов хлора на кислород получается резко пахнущий газ, дающий кислую реакцию среды при растворении в воде. Единственный разумный вариант для соединения – , тогда резко пахнущим неорганическим газом будет . Итого схема превращений выглядит следующим образом:

. Катион соли является электрофилом и реагирует с анизолом по механизму ароматического электрофильного замещения . Полученное таким образом соединение отщепляет хлорид-ион, а затем полученная иминиевая соль при действии воды разлагается с образованием анисового альдегида (который обладает пряным запахом). Стоит отметить, что также протекает побочное превращение с образованием 2-метоксибензальдегида, однако его доля значительно меньше таковой для . Такая реакция используется в органическом синтезе для формилирования донорно-замещённых ароматических соединений.

. На первой стадии происходит конструирование индолизиновой ароматической системы. Это можно установить следующим образом: сначала логично предположить конденсацию пиридин-2-карбальдегида с пиперидином, после чего полученная иминиевая соль вступает в реакцию [3+2]-циклоприсоединения с фенилацетиленом, катализируемую наночастицами меди, аналогичную довольно известной click-реакции. Региоселективность реакции определяется преимущественно электронными факторами (образованием фенилацетиленида на поверхности меди). Тогда можно изобразить структурную формулу .

Структуру также можно установить (либо подтвердить) из спектральных данных. Исходные вещества в сумме содержат атомов углерода и атома азота; если принять, что все эти атомы перейдут в структуру продукта , то исходя из данных масс-спектрометрии его брутто-формула . Количество атомов в этой формуле совпадает с суммой интегральных интенсивностей в спектре ЯМР . Сигналы при , и м.д. соответствуют протонам пиперидинового цикла (как по химическим сдвигам, так и по относительным интегралам и мультиплетности); сигналы от остальных протонов лежат в ароматической области спектра. Два из этих сигналов имеют интенсивность (дублет и мультиплет) – это говорит о том, что сохраняется симметричное монозамещённое фенильное кольцо, присутствовавшее в фенилацетилене. Тогда один из триплетов (вероятнее всего, при м.д., поскольку другие триплеты слишком смещены в область сильного поля) относится к протону в пара-положении этого кольца. Остаются не соотнесёнными следующие сигналов: (т, , (т, , (с, , (д, , (д, . Дублеты и триплеты хорошо соответствуют ожидаемой мультиплетности для ароматических протонов исходного пиридин-2карбальдегида (при условии, что константы спин-спинового взаимодействия в этой спиновой системе близки друг к другу). Синглет соответствует изолированному протону в положении индолизинового цикла. Данные спектроскопии ЯМР также удовлетворяют такой структуре. Полагая, что , как и , является электрофилом, можно предположить алкилирование по положению, которое имеет повышенную электронную плотность и наиболее стерически доступно. Наличие кислорода в продукте указывает на превращение первоначального продукта присоединения в спирт или альдегид. Изучим известные про реакцию с факты:
• в жидкой фазе атомы кислорода есть только в составе ионов ;
• изотопное обогащение кислорода не влияет на обогащение вещества ;
• изотопное обогащение воды по кислороду влияет на обогащение вещества ;
• отсутствие кислорода не приводит к образованию . Из этого можно сделать следующие выводы:
• атомы кислорода из молекулярного не входят напрямую в состав ;
• но при этом наличие кислорода необходимо для образования ;
• атомы кислорода из входят напрямую в состав . Тогда можно составить механизм из трёх последовательных процессов: реакции электрофильного замещения солью Эшенмозера , окисления продукта диметиламинометилирования и его последующего гидролиза (по аналогии с п. . Таким образом, – это альдегид. Без кислорода реакция остановится на продукте диметиламинометилирования – следовательно, он и является веществом .

Механизм, предложенный исследователями, приведён ниже.

Литература: . Antón-Cánovas, . Alonso, Angew. Chem. . ., , , .
