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.

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:

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 tºC 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).

Сокращаем одинаковые частицы в левой и правой частях схемы и получаем:

Записываем УХР в молекулярном виде:

или

Пример 2.

(среда кислотная H⁺, H₂O).

Сокращаем одинаковые частицы в левой и правой частях схемы и получаем:

Записываем УХР в молекулярном виде:

или

(среда щелочная OH^-, H₂O).

Сокращаем одинаковые частицы в левой и правой частях схемы и получаем:

Записываем УХР в молекулярном виде:

или

(среда кислотная H⁺, H₂O).

Сокращаем одинаковые частицы в левой и правой частях схемы и получаем:

Записываем УХР в молекулярном виде:

или

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:

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).