Związki A, B, C, D i E będące izomerami, zawierają atomy węgla, tlenu, wodoru i chloru. W celu ustalenia ich struktury wykonane analizę spaleniową. W pierwszym doświadczeniu wykazano, że na w skutek spalenia związku \(X\) w nadmiarze tlenu uzyskano 11.07g \(CO_{2}\) , \(3.40g\) \(H_{2}O\) oraz \(4.59\) g \(HCl\) . W drugim doświadczeniu okazało się, że do spalenia 1 g tego związku potrzeba 0.906 g tlenu. Następnie przeprowadzono próbę w temperaturze pokojowej z roztworem \(Cu(OH)_{2}\) - szafirowe roztwory uzyskano tylko w probówkach \(A,\ B\ i\ E\) . Ponadto wiadomo, że związki A i C występują w postaci 3 stereoizomerów, związek B i E w postaci czterech stereoizomerów, a D nie ma żadnego centrum stereogenicznego. Wszystkie związki mają prosty łańcuch węglowy. W związkach B i E każdy atom węgla jest połączony z dokładnie jednym podstawnikiem innym niż atom wodoru.

Ustal wzór empiryczny i sumaryczny badanych związków, a następnie wzór strukturalny chiralnego izomeru związku A, izomeru związku identycznego ze swoim odbiciem lustrzanym, narysuj parę diastereoizomerów związku B oraz nazwy D i E bez zaznaczonej stereochemii

Pokaż rozwiązanie

zadanie rozpoczynamy od ustalenia wzoru sumarycznego – pierwsza analiza spaleniowa przedstawia tylko masy otrzymanych \(CO_{2},\ H_{2}O\ i\ HCl\) . Oczywiście ilość moli węgla w związku równa jest ilości moli \(CO_{2}\) oraz ilość moli \(Cl\) jest równa ilości moli \(HCl\) :

\[n_{CO_{2}} = \frac{11.07}{44.01} = 0.2516 \rightarrow n_{C} = 0.2516 \rightarrow m_{C} = 3.02\]

\[n_{HCl} = \frac{4.59}{36.5} = 0.1258 \rightarrow n_{Cl} = 0.1258 \rightarrow m_{Cl} = 4.46\]

Ilość moli wody równa jest

\[n_{H_{2}O} = \frac{3.4}{18} = 0.1889\]

W przypadku wodoru możemy powiedzieć, że znajduje się on zarówno w wodzie jak i w \(HCl\)

\[n_{H}^{Zw} = 2n_{H_{2}O} + n_{HCl} = 2·0.1889 + 0.1258 = 0.5036\]

\[m_{H} = 0.5036·1.008 = 0.5076\]

Przechodzimy do tabelki, aby ustalić stosunki \(C:H:Cl\) w związku

\[C\] \[H\] \[Cl\]
\[0.2516\] \[0.5076\] \[0.1258\]
\[\frac{0.2516}{0.1258} = 2\] \[\frac{0.5076}{0.1258} = 4\] \[\frac{0.1258}{0.1258} = 1\]

Czyli związek ma wzór \(C_{2}H_{4}ClO_{X}\)

Wykorzystujemy drugą analizę spaleniową w celu wyznaczenia ilości tlenu. Zapisuje reakcję spalania tego związku

\[C_{2}H_{4}ClO_{x} + wsp_{O_{2}}O_{2} \rightarrow 2CO_{2} + 1HCl + \frac{3}{2}H_{2}O\]

Z bilansu atomów tlenu dostajemy

\[x + 2wsp_{O_{2}} = 4 + \frac{3}{2}\]

\[wsp_{O_{2}} = \frac{11}{4} - \frac{1}{2}x\]

\[C_{2}H_{4}ClO_{x} + \left( \frac{11}{4} - \frac{1}{2}x \right)O_{2} \rightarrow 2CO_{2} + 1HCl + \frac{3}{2}H_{2}O\]

Możemy uzależnić ilość moli spalanego związku od masy i masy molowej

\[n_{C_{2}H_{4}ClO_{x}} = \frac{m}{M} = \frac{1}{24 + 4 + 35.5 + 16x} = \frac{1}{63.5 + 16x}\]

\[n_{O_{2}} = \frac{0.906}{32} = 0.02831\]

Układamy proporcję:

\[C_{2}H_{4}ClO_{x} - - - O_{2}\]

\[1 - - - \left( \frac{11}{4} - \frac{1}{2}x \right)\]

\[\frac{1}{63.5 + 16x} - - - 0.02831\]

\[0.02831 = \left( \frac{11}{4} - \frac{1}{2}x \right)\frac{1}{63.5 + 16x}\]

\[0.02831·(63.5 + 16x) = \frac{11}{4} - \frac{1}{2}x\]

\[1.798 + 0.4530x = 2.75 - 0.5x\]

\[0.953x = 0.952\]

\[x = 1\]

Czyli wzór empiryczny związku to

\[C_{2}H_{4}ClO\]

Związek ten musi być dimerem, aby w ogóle dało się go narysować – próba narysowania związku o wzorze \(C_{2}H_{4}ClO\) skończy się narysowaniem rodnika, natomiast niemożliwe jest narysowanie związku o większej ilości węgli – nie będzie wystarczającej ilości wiązań. Wzorem sumarycznym jest więc

\[C_{4}H_{8}Cl_{2}O_{2}\]

Następnie próbujemy rozrysować możliwe warianty regioizomerów, aby określić , które z nich spełniają warunki zadania. Związki, które mają trzy możliwe stereo izomery muszą być związkami mezo – więc albo mają dwa chlory na środku, a grupy OH przy pierwszym i ostatnim atomie węgla albo na odwrót. Warunek rozpuszczenia \(Cu(OH)_{2}\) spełnia izomer, który ma sąsiadujące grupy hydroksylowe. W ten sposób mamy ustalone wzory \(A\) i \(C\) . Związki \(B\) i \(E\) muszą mieć dwa centra chiralne i nie mogą występować struktury mezo, gdyż tworzą cztery stereoizomery. Związek B musi mieć węgle przy dwóch sąsiadujących atomach węgla, jedyne możliwy związek spełniający warunki zadania. Związek E musi mieć podstawniki ułożone „na zmianę” – nie występuje wtedy izomer mezo.

Związek D nie może mieć dwóch OH przy sąsiadujących atomach węgla, jedyne ich sensowne ułożenie to przy 1 i 4tym atomie węgla – węgle te nie stają się wtedy centami chiralności. Dwa atomy chloru muszą znajdować się przy jednym aromie węgla.

Pokaż punktację

6 pkt – zastosowanie poprawnej metody, tj. wykorzystanie danych z analizy spaleniowej do ustalenia wzoru empirycznego oraz informacji o zużyciu tlenu do ustalenia wzoru sumarycznego badanych związków, poprawne wykonanie obliczeń, poprawne zapisanie wzoru empirycznego i sumarycznego, poprawne narysowanie chiralnego stereoizomeru związku A oraz izomeru identycznego ze swoim odbiciem lustrzanym, poprawne narysowanie pary diastereoizomerów związku B oraz poprawne podanie nazw związków D i E.

5 pkt – zastosowanie poprawnej metody, poprawne wykonanie obliczeń, poprawne zapisanie wzoru empirycznego i sumarycznego oraz:

4 pkt – zastosowanie poprawnej metody, poprawne wykonanie obliczeń oraz:

3 pkt – zastosowanie poprawnej metody, poprawne wykonanie obliczeń i:

2 pkt – zastosowanie poprawnej metody, poprawne wykonanie obliczeń oraz zapisanie poprawnego wzoru empirycznego i sumarycznego, bez poprawnego rozwiązania pozostałych części zadania.

1 pkt – zastosowanie poprawnej metody, lecz popełnienie co najmniej jednego błędu rachunkowego podczas ustalania wzoru empirycznego lub sumarycznego,
ALBO
poprawne wykonanie obliczeń i zapisanie wyłącznie poprawnego wzoru empirycznego albo wyłącznie poprawnego wzoru sumarycznego.

0 pkt – rozwiązanie błędne albo brak rozwiązania.

Uwagi

Uwaga 1. Zastosowanie niepoprawnej metody wyznaczania wzoru empirycznego lub sumarycznego albo brak rozwiązania części rachunkowej skutkuje przyznaniem 0 pkt .

Uwaga 2. Jeżeli zdający popełni błąd rachunkowy podczas ustalania wzoru empirycznego lub sumarycznego, ale zastosuje poprawną metodę rozwiązania, może otrzymać maksymalnie 1 pkt .