Zadanie 18
Matura z chemii, maj 2025, poziom rozszerzony
Wymaganie: XII. Wstęp do chemii organicznej. Zdający: 7) klasyfikuje reakcje związków organicznych ze względu na typ procesu (addycja, eliminacja, substytucja, polimeryzacja, kondensacja) i mechanizm reakcji (elektrofilowy, nukleofilowy, rodnikowy); wyjaśnia mechanizmy reakcji; pisze odpowiednie równania reakcji.
Treść zadania
p-Ksylen (1,4-dimetylobenzen) reaguje z bromem w różnych warunkach:
- pod wpływem światła (hν)
- w obecności żelaza (Fe jako katalizator)
Zadanie 18. (0–1)
Uzupełnij tabelę. Napisz nazwę typu reakcji p-ksylenu z bromem pod wpływem światła i w obecności żelaza (addycja, eliminacja albo substytucja) oraz nazwę mechanizmu (elektrofilowy, nukleofilowy albo rodnikowy), według którego przebiega każda z tych reakcji.
| Reakcja p-ksylenu z bromem pod wpływem światła | Reakcja p-ksylenu z bromem w obecności Fe | |
|---|---|---|
| Typ reakcji | ............ | ............ |
| Mechanizm reakcji | ............ | ............ |
Źródło: arkusz CKE MCHP-R0-100-2505. Otwórz oryginalny PDF
Rozwiązanie
| Pod wpływem światła | W obecności Fe | |
|---|---|---|
| Typ reakcji | substytucja | substytucja |
| Mechanizm | rodnikowy | elektrofilowy |
Pod wpływem światła (hν) — substytucja rodnikowa w łańcuchu bocznym (na grupach metylowych):
- Br₂ pod wpływem hν → 2 Br• (homoliza wiązania Br-Br).
- Br• odrywa atom H od grupy metylowej (wiązanie C-H przy atomie C połączonym z pierścieniem).
- Produkty: pochodne CH₂Br (np. 1-bromometylo-4-metylobenzen).
- Pierścień aromatyczny nie reaguje w warunkach świetlnych.
W obecności Fe (lub FeBr₃) — substytucja elektrofilowa aromatyczna (SEAr):
- FeBr₃ + Br₂ → FeBr₄⁻ + Br⁺ (elektrofil Br⁺).
- Br⁺ atakuje pierścień aromatyczny (π elektrony) → kompleks σ.
- Utrata H⁺ → przywrócenie aromatyczności.
- Produkt: bromowanie pierścienia (np. 2-bromo-1,4-dimetylobenzen).
- Grupy metylowe kierują kolejny podstawnik w pozycje orto i para.
Pułapka — pomylenie warunków. Światło = rodniki (homoliza Br-Br, atak na C-H boczne). Fe (FeBr₃) = elektrofilowa (atak na pierścień).
Pułapka — pomylenie typu reakcji. Oba to substytucja (NIE addycja). Pierścień aromatyczny nie ulega łatwo addycji (utrata aromatyczności).
Pułapka — pomylenie mechanizmu. Bromowanie areny na pierścieniu = elektrofilowa (E). Bromowanie areny w łańcuchu bocznym = rodnikowa (R, dla benzylowych H).
Strona arkusza CKE z trescia zadania
Klucz pojęciowy — reakcje arenów (związków aromatycznych)
Cechy pierścienia aromatycznego (benzenu):
- Trwały układ elektronów zdelokalizowanych.
- Trudno ulega addycji (utraciłby aromatyczność).
- Łatwo ulega substytucji elektrofilowej (zachowuje aromatyczność).
Typy reakcji:
| Typ | Wymaga | Co się dzieje |
|---|---|---|
| Substytucja elektrofilowa (SEAr) | E⁺ (HNO₃/H₂SO₄, Cl₂/AlCl₃, Br₂/FeBr₃, RCl/AlCl₃) | Na pierścieniu: H zamieniony na E |
| Substytucja rodnikowa | hν, Br₂ lub Cl₂ | W łańcuchu bocznym (benzylowe C-H) |
| Addycja (rzadko) | H₂/Pt, ciśnienie | Cały pierścień → cykloheksan |
| Utlenienie łańcucha | np. KMnO₄ | -CH₃ → -COOH |
Mechanizm: bromowanie pod światłem (substytucja rodnikowa)
Inicjacja: Br₂ + hν → 2 Br• (homoliza wiązania Br-Br pod wpływem światła).
Propagacja:
- Br• + ArCH₃ → ArCH₂• + HBr (oderwanie H z grupy metylowej).
- ArCH₂• + Br₂ → ArCH₂Br + Br• (regeneracja Br•).
Terminacja: 2 Br• → Br₂ (lub inne łączenia rodników).
Produkt: 1-(bromometylo)-4-metylobenzen = ArCH₂Br (jeden CH₃ zamieniony na CH₂Br). Pierścień aromatyczny nienaruszony.
Dlaczego C-H benzylowy?: rodnik ArCH₂• jest stabilizowany rezonansowo (sprzężenie z pierścieniem) → łatwiej powstaje niż zwykły alkilowy rodnik.
Mechanizm: bromowanie w obecności Fe (substytucja elektrofilowa)
Aktywacja Br₂ przez katalizator: 2 Fe + 3 Br₂ → 2 FeBr₃ (FeBr₃ jest kwasem Lewisa). FeBr₃ + Br₂ → FeBr₄⁻ + Br⁺ (powstaje elektrofil Br⁺).
Atak elektrofilowy: Br⁺ + pierścień aromatyczny → kompleks σ (arenium) z dodatnim ładunkiem rozłożonym po pierścieniu.
Strata H⁺: kompleks σ → 2-bromo-1,4-dimetylobenzen + H⁺ (przywrócenie aromatyczności).
Regeneracja katalizatora: H⁺ + FeBr₄⁻ → HBr + FeBr₃.
Produkt: 2-bromo-1,4-dimetylobenzen (Br wstawiony w pozycji 2 lub 6 — orto względem CH₃).
Grupy CH₃ na pierścieniu = kierujące orto/para (aktywujące podstawniki). W p-ksylenie wszystkie cztery wolne pozycje (2, 3, 5, 6) są równocenne — każda leży w pozycji orto względem jednej grupy CH₃ — więc powstaje jeden monobromopochodny produkt: 2-bromo-1,4-dimetylobenzen.
Klucz pojęciowy — porównanie mechanizmów
| Cecha | Rodnikowa (hν) | Elektrofilowa (Fe) |
|---|---|---|
| Inicjator | Światło (hν) lub nadtlenek | Katalizator Lewisa (FeBr₃, AlCl₃) |
| Cząstka atakująca | Rodnik (Br•) | Elektrofil (Br⁺) |
| Miejsce ataku | C-H w łańcuchu bocznym (benzyl) | Pierścień aromatyczny |
| Produkt | ArCH₂Br | ArBr (Br zamiast H w pierścieniu) |
Punktacja CKE
- 18. 1 pkt — poprawne uzupełnienie trzech pól tabeli (typ: substytucja — wspólny dla obu reakcji; mechanizm: rodnikowy i elektrofilowy).
Po co to umieć
Ten sam związek (p-ksylen) reaguje z bromem w dwóch różnych miejscach — zależnie od warunków. Rozpoznanie warunków (światło albo katalizator, np. żelazo) pozwala przewidzieć produkt i zapisać równanie reakcji, czego wymaga zadanie 19. Z p-ksylenu otrzymuje się też kwas tereftalowy (zadanie 20 tego arkusza).
Rozumiesz, jak to rozwiązać?
Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji
matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „chemia organiczna, areny, p-ksylen, bromowanie, substytucja rodnikowa, elektrofilowa” zrobisz samodzielnie.
Otwórz matury-online.pl