Монохлоркарбоновая кислота C₅H₇ClO₂: формула и 12 изомеров

Условие

2,69 г одноосновной монохлоркарбоновой кислоты нейтрализуют 20 мл NaOH 1 моль/л. Продукты сгорания такой же навески требуют 220 мл. В углеродном скелете нет двойных связей; COOH сохраняет C=O. Найдите формулу и структурные изомеры без стереоизомерии.

Решение по шагам

Кислоты 0,020 моль, её молярная масса 134,5 г/моль. Один Cl даёт один HCl: на него уходит 0,020 моль NaOH. Остаток 0,200 моль нейтрализует CO₂ до карбоната; CO₂ было 0,100 моль, то есть пять C на молекулу.

C, Cl и два O дают 60 + 35,5 + 32 = 127,5 г/моль; остаток 7 соответствует семи H. Формула C₅H₇ClO₂. Индекс ненасыщенности (12 − 7 − 1)/2 = 2: карбонил и одно кольцо.

Возможны четыре скелета: циклобутанкарбоновая, циклопропилуксусная, 1-метилциклопропан-1-карбоновая и 2-метилциклопропан-1-карбоновая кислоты. Неэквивалентных мест Cl соответственно 3, 3, 2 и 4; всего 12 структур, перечисленных ниже.

Горение: 2C₅H₇ClO₂ + 11O₂ → 10CO₂ + 2HCl + 6H₂O.

Проверка результата

Из 0,020 моль получается 0,100 моль CO₂ и 0,020 моль HCl: расход щёлочи 0,220 моль. Перебор однокольцевых углеродных графов с устранением симметрий независимо дал 12 классов.

Типичная ошибка

Отнести весь расход NaOH только к CO₂. Буквальное исключение C=O противоречило бы самой карбоксильной группе.

Что даёт этот метод

Соедините стехиометрию с индексом ненасыщенности, затем устраните симметричные структуры.

Все 12 структур: кольца и заместители

Запись 1–2–3–1 задаёт три атома C, соединённых в кольцо; 1–2–3–4–1 — четыре. Связи скелета одинарные. Добавьте H при каждом C до валентности 4 с учётом COOH, CH₃ и Cl. Каждая строка явно задаёт отдельную структуру; пространственные стереоизомеры не перечисляются.

Кольцо 1–2–3–4–1; COOH при 1. Cl при 1.
Кольцо 1–2–3–4–1; COOH при 1. Cl при 2.
Кольцо 1–2–3–4–1; COOH при 1. Cl при 3.
Кольцо 1–2–3–1; –CH₂–COOH при 1. Cl на боковом CH₂.
Кольцо 1–2–3–1; –CH₂–COOH при 1. Cl при 1.
Кольцо 1–2–3–1; –CH₂–COOH при 1. Cl при 2.
Кольцо 1–2–3–1; COOH и CH₃ при 1. Cl на CH₃.
Кольцо 1–2–3–1; COOH и CH₃ при 1. Cl при 2.
Кольцо 1–2–3–1; COOH при 1, CH₃ при 2. Cl при 1.
Кольцо 1–2–3–1; COOH при 1, CH₃ при 2. Cl при 2.
Кольцо 1–2–3–1; COOH при 1, CH₃ при 2. Cl при 3.
Кольцо 1–2–3–1; COOH при 1, CH₃ при 2. Cl на CH₃.

Дальше по теме

Физика, химия и астрономия: школьный практикум.

Следующие разборы

Условие адаптировано из открытого источника: 37-й Турнир имени М. В. Ломоносова, МЦНМО, задания 2014 года, himiya: задача 9. Решение, объяснение и проверка изложены редакцией damirock.com; это не официальный ключ преподавателя. МЦНМО C0: распространение без ограничений. Вёрстка и обозначения адаптированы; числовые предпосылки указаны в условии.