Zadanie 17
Matura z chemii, maj 2025, poziom rozszerzony
Wymaganie: XII. Wstęp do chemii organicznej. Zdający: 2) stosuje pojęcia: […] rzędowość w związkach organicznych, izomeria konstytucyjna (szkieletowa, położenia, grup funkcyjnych) […].
XIII. Węglowodory. Zdający: 3) opisuje właściwości chemiczne alkenów na przykładzie reakcji: […] addycji: […] HBr, H2O […]; przewiduje produkty reakcji przyłączenia cząsteczek niesymetrycznych do niesymetrycznych alkenów na podstawie reguły Markownikowa (produkty główne i uboczne) […].
Treść zadania
Reakcja addycji halogenowodorów do niesymetrycznych alkenów zwykle przebiega zgodnie z regułą Markownikowa. Również przyłączanie cząsteczki wody do podwójnego wiązania, które zachodzi w środowisku kwasowym, prowadzi do powstania alkoholu o możliwie najwyższej rzędowości. Odstępstwa od tej reguły obserwuje się w reakcjach addycji wody przebiegających z udziałem wodorku boru (BH₃) i nadtlenku wodoru (H₂O₂) w obecności jonów wodorotlenkowych (OH⁻). Takie postępowanie pozwala uzyskać alkohol, który jest produktem reakcji przebiegającej niezgodnie z regułą Markownikowa.
Zadanie 17.1. (0–2)
Uzupełnij poniższe schematy. Napisz w każdym z nich:
- wzór półstrukturalny (grupowy) alkenu — organicznego substratu przemiany
- niezbędne warunki prowadzenia procesu
Reakcja 1: [alken] + H₂O → CH₃−CH₂−C(OH)(CH₂CH₃)−CH₂−CH₃ (3-etylo-3-pentanol, alkohol III-rzędowy)
Reakcja 2: [alken] + H₂O → CH₃−CH₂−CH(CH₃)−CH₂−OH (2-metylo-1-butanol, alkohol I-rzędowy)
Zadanie 17.2. (0–1)
Kamfen jest składnikiem wielu olejków eterycznych.
Uzupełnij wzory produktów przemian opisanych poniższymi schematami:
- addycji HBr przebiegającej zgodnie z regułą Markownikowa
- addycji H₂O przebiegającej niezgodnie z regułą Markownikowa
kamfen (struktura bicykliczna z grupą =CH₂) + HBr → produkt 1 (Markownikow)
kamfen + H₂O → produkt 2 (anti-Markownikow)
Źródło: arkusz CKE MCHP-R0-100-2505. Otwórz oryginalny PDF
Rozwiązanie
Reakcja 1: produkt = 3-etylo-3-pentanol (alkohol III-rzędowy).
Aby otrzymać OH na bardziej rzędowym C (C3 = III-rzędowy w pentanie) — zgodnie z Markownikowem:
Alken: CH₃-CH=C(C₂H₅)-CH₂-CH₃ (3-etylopent-2-en).
Warunki: H⁺ (albo H₃O⁺) — środowisko kwasowe (tak w zasadach oceniania).
Mechanizm:
- Alken: CH₃-CH=C(C₂H₅)-CH₂-CH₃.
- +H⁺ → karbokation 3°-rzędowy (najstabilniejszy): CH₃-CH₂-C⁺(C₂H₅)-CH₂-CH₃.
- +H₂O, -H⁺ → CH₃-CH₂-C(OH)(C₂H₅)-CH₂-CH₃ (Markownikow).
Reakcja 2: produkt = 2-metylo-1-butanol (alkohol I-rzędowy).
Aby otrzymać OH na mniej rzędowym C (C1 = I-rzędowy) — niezgodnie z Markownikowem (anti-Markownikow):
Alken: CH₂=C(CH₃)-CH₂-CH₃ (2-metylo-1-buten).
Warunki: BH₃, H₂O₂, OH⁻ (hydroboracja i utlenienie).
Mechanizm:
- Alken: CH₂=C(CH₃)-CH₂-CH₃.
- +BH₃: bór wchodzi na mniej zatłoczony C (= mniej rzędowy = CH₂), H na bardziej rzędowy C (= z metylem).
- Pośredni: BH₂-CH₂-CH(CH₃)-CH₂-CH₃.
- +H₂O₂/OH⁻: zamiana B-C na HO-C → HO-CH₂-CH(CH₃)-CH₂-CH₃ = 2-metylo-1-butanol (anti-Markownikow).
17.2. W kamfenie wiązanie podwójne łączy atom węgla pierścienia (bez atomu H) z grupą =CH₂.
- Produkt 1 (HBr, zgodnie z regułą Markownikowa): wodór przyłącza się do grupy =CH₂ (powstaje grupa –CH₃), a brom — do atomu węgla pierścienia. W miejscu fragmentu C=CH₂ powstaje fragment C(Br)–CH₃.
- Produkt 2 (H₂O, niezgodnie z regułą Markownikowa): grupa –OH przyłącza się do końcowego atomu węgla, a wodór — do atomu węgla pierścienia. W miejscu fragmentu C=CH₂ powstaje fragment CH–CH₂OH.
- Szkielet bicykliczny i dwie grupy metylowe pozostają bez zmian.
Pułapka 1 — pomylenie alkenu. Klucz: odwrotny kierunek addycji daje inny alken.
- Markownikow: alken z C=C otaczany przez większą grupę → OH na bardziej rzędowym (alkohol III- lub II-rzędowy).
- Anti-Markownikow: alken końcowy (CH₂=) → OH na końcowym CH₂ (alkohol I-rzędowy).
Pułapka 2 — warunki. H₂O + H⁺ = Markownikow. BH₃ + H₂O₂/OH⁻ = anti-Markownikow (hydroboracja).
Pułapka — pisanie nazwy zamiast wzoru. Zadanie pyta o wzór półstrukturalny (grupowy), np. CH₃-CH=C(C₂H₅)-CH₂-CH₃, nie nazwę systematyczną.
Strona arkusza CKE z trescia zadania
Klucz pojęciowy — reguła Markownikowa
Reguła Markownikowa (1869): w addycji HX (lub H₂O w środowisku kwaśnym) do niesymetrycznego alkenu:
- H przyłącza się do C z większą liczbą H (mniej rzędowy).
- X (lub OH) przyłącza się do C z mniejszą liczbą H (bardziej rzędowy).
Mechanizm: powstaje najstabilniejszy karbokation (3°-rzędowy > 2°-rzędowy > 1°-rzędowy).
Przykład: propen + HCl:
- CH₂=CH-CH₃ + HCl → CH₃-CHCl-CH₃ (2-chloropropan, NIE 1-chloropropan).
W zadaniu (reakcja 1):
- 3-etylo-2-penten (CH₃-CH=C(C₂H₅)-CH₂-CH₃).
- C2 ma 1 H, C3 ma 0 H (więcej podstawników).
- Markownikow: H na C2, OH na C3 → 3-etylo-3-pentanol (III-rzędowy).
Klucz pojęciowy — hydroboracja-oksydacja
Hydroboracja:
- Etap 1: BH₃ + alken → alkilobor R-BH₂.
- Bór wchodzi na mniej zatłoczony C (regioselektywność anti-Markownikow).
- Etap 2: R-BH₂ + H₂O₂ + OH⁻ → R-OH.
- Zachowanie pozycji B (utrata grupy BH₂ → OH zostaje).
Skutek: OH na mniej rzędowym C (przeciwnie do reguły Markownikowa).
W zadaniu (reakcja 2):
- 2-metylo-1-buten (CH₂=C(CH₃)-CH₂-CH₃).
- C1 (CH₂=) jest mniej zatłoczony niż C2 (z metylem + etylem).
- Hydroboracja: B na C1, H na C2.
- Po utlenieniu: OH na C1 → 2-metylo-1-butanol (I-rzędowy).
Mechanizm: dlaczego BH₃ wchodzi na mniej rzędowy C?
Przyczyna (wg podręczników chemii organicznej, np. McMurry): grupa BH₂ przyłącza się do atomu C mniej obciążonego podstawnikami (mniejsza zawada przestrzenna), a atom H — do atomu C bardziej rzędowego. Rola efektów elektronowych wykracza poza wymagania egzaminu — w zadaniu wystarczy informacja ze wstępu, że ta reakcja przebiega niezgodnie z regułą Markownikowa.
Klucz pojęciowy — rzędowość alkoholu
| Rzędowość | Liczba C połączonych z C-OH | Przykład |
|---|---|---|
| I-rzędowy (1°) | 1 (lub 0) | CH₃-CH₂-CH₂-OH (1-propanol) |
| II-rzędowy (2°) | 2 | CH₃-CH(OH)-CH₃ (2-propanol) |
| III-rzędowy (3°) | 3 | (CH₃)₃C-OH (tert-butanol) |
W zadaniu:
- Reakcja 1: 3-etylo-3-pentanol = (C₂H₅)(CH₂CH₃)(CH₂CH₃)C-OH → 3 grupy etylowe na C-OH → III-rzędowy ✓.
- Reakcja 2: 2-metylo-1-butanol = HO-CH₂-CH(CH₃)-CH₂-CH₃ → 1 grupa na C-OH (i 2 H) → I-rzędowy ✓.
Punktacja CKE
- 17.1. 2 pkt — poprawne uzupełnienie dwóch schematów (alken + warunki); 1 pkt — jednego schematu.
- 17.2. 1 pkt — poprawne uzupełnienie dwóch wzorów produktów (Br i H; H i OH we właściwych miejscach).
Po co to umieć
Reguła Markownikowa pozwala przewidzieć, który z izomerów położenia powstanie jako produkt główny addycji HX lub H₂O (w środowisku kwasowym) do niesymetrycznego alkenu. Hydroboracja (BH₃, potem H₂O₂ i OH⁻) daje alkohol o odwrotnym położeniu grupy OH — dlatego dobór warunków decyduje o tym, który alkohol otrzymamy.
Markownikow w pamięci — proste prawo: “rich gets richer” (bogaty staje się bogatszy). C z większą liczbą H dostaje jeszcze jeden H. C z mniejszą liczbą H dostaje OH/X.
Rozumiesz, jak to rozwiązać?
Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji
matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „chemia organiczna, alkeny, reguła Markownikowa, hydroboracja, addycja wody, kamfen” zrobisz samodzielnie.
Otwórz matury-online.pl