MCHP-R0-100-2605 • Otwarte krótkie • 1 pkt • Trudność: ★★★★★

Zadanie 24

Matura z chemii, maj 2026, poziom rozszerzony

Wymaganie:

XIV. Węglowodory aromatyczne — substytucja elektrofilowa (nitrowanie, chlorowanie), wpływ kierujący podstawników już obecnych w pierścieniu. XVIII. Aminy — otrzymywanie przez redukcję nitrozwiązków, planowanie ciągów przemian.

Treść zadania

Nauczyciel polecił uczniom zaprojektowanie ciągu przemian, które umożliwią przekształcenie benzenu w związek o wzorze 3-chloroaniliny — pierścień benzenowy z grupą $- NH_{2}$ i atomem $- Cl$ w położeniu meta (1,3).

Uczniowie przedstawili dwa projekty, każdy z trzech etapów:

Projekt 1.

$benzen Cl_{2}, FeCl_{3} A_{1} HNO_{3}, H_{2} SO_{4} B_{1} H_{2}, Ni produkt$

Projekt 2.

$benzen HNO_{3}, H_{2} SO_{4} A_{2} Cl_{2}, FeCl_{3} B_{2} H_{2}, Ni produkt$

Polecenie (0–1). Rozstrzygnij, który projekt należy wybrać do realizacji, aby otrzymać opisany związek z możliwie największą wydajnością. Uzasadnij odpowiedź, odwołując się do wpływu kierującego podstawników w pierścieniu aromatycznym.

Źródło: arkusz CKE MCHP-R0-100-2605. Otwórz oryginalny PDF

Rozwiązanie

Rozstrzygnięcie: projekt 2.

Uzasadnienie: produktem pierwszego etapu w projekcie 2. jest nitrobenzen. Grupa nitrowa $- NO_{2}$ jest podstawnikiem kierującym w położenie 3- (meta), więc atom chloru wprowadzony w drugim etapie trafi dokładnie tam, gdzie jest potrzebny. Po redukcji grupy nitrowej wodorem otrzymujemy 3-chloroanilinę.

W projekcie 1. produktem pierwszego etapu jest chlorobenzen. Atom chloru $- Cl$ kieruje kolejne podstawniki w położenie 2- (orto) lub 4- (para) — a nie w oczekiwane położenie 3-. Nitrowanie dałoby więc głównie 2-nitrochlorobenzen i 4-nitrochlorobenzen, a po redukcji — 2-chloroanilinę i 4-chloroanilinę zamiast pożądanego izomeru meta.

Przebieg projektu 2. krok po kroku:

$C_{6} H_{6} HNO_{3} / H_{2} SO_{4} nitrobenzen C_{6} H_{5} NO_{2} Cl_{2} / FeCl_{3} 1-chloro-3-nitrobenzen 3-Cl - C_{6} H_{4} - NO_{2} H_{2} / Ni 3-chloroanilina 3-Cl - C_{6} H_{4} - NH_{2}$

Dlaczego kolejność ma znaczenie: grupa $- NH_{2}$ (obecna w produkcie końcowym) jest silnym podstawnikiem orto-/para-kierującym. Gdyby wprowadzić ją jako pierwszą, chlorowanie poszłoby w położenia 2- i 4-. Dlatego azot wprowadza się w postaci grupy $- NO_{2}$ — meta-kierującej — i redukuje dopiero na końcu.

Typowy błąd / pułapka

Klucz CKE wymaga jednoznacznego nazwania podstawników. W uzasadnieniu trzeba wprost napisać: „podstawnik $- Cl$ (atom chloru)" oraz „grupa nitrowa $- NO_{2}$ ". Ogólniki typu „pierwszy podstawnik" nie punktują.

Uzasadnienie musi odwoływać się do efektu kierującego, a nie do reaktywności. Nie chodzi o to, że nitrobenzen reaguje wolniej — chodzi o położenie, w które kieruje kolejny podstawnik.

Chlor to wyjątek wśród podstawników. Dezaktywuje pierścień (efekt indukcyjny), ale kieruje orto/para (efekt mezomeryczny wolnych par elektronowych). To jedyna grupa łącząca te dwie cechy — i najczęstsze źródło błędu w zadaniach o kolejności podstawień.

Grupa $- NH_{2}$ kieruje orto/para — dlatego nie może być wprowadzona jako pierwsza. Cała logika projektu 2. polega na tym, by azot „ukrywał się" w postaci grupy nitrowej do ostatniego etapu.

Redukcja $- NO_{2}$ do $- NH_{2}$ nie zmienia położenia podstawników. Zmienia tylko charakter grupy — z meta-kierującej dezaktywującej na orto/para-kierującą aktywującą.

Nie wystarczy napisać „projekt 2". Punkt przyznaje się łącznie za rozstrzygnięcie i uzasadnienie.

Treść zadania (CKE)

Zadanie 24 — chemia 2026, poziom rozszerzony, arkusz CKE — Fragment arkusza CKE MCHP-R0-100-A-2605 — zadanie 24. Na podstawie: CKE, matura maj 2026, chemia PR Oryginalny PDF CKE

Wpływ kierujący podstawników — tabela, którą trzeba znać

Podstawnik	Wpływ na reaktywność	Kieruje w położenie
$- NH_{2}$ , $- NHR$ , $- NR_{2}$	silnie aktywujący	orto / para
$- OH$ , $- O^{-}$	silnie aktywujący	orto / para
$- OCH_{3}$ , $- OR$	aktywujący	orto / para
$- NHCOR$ (amid)	aktywujący	orto / para
$- CH_{3}$ , $- R$ (alkil)	słabo aktywujący	orto / para
$- C_{6} H_{5}$ (fenyl)	słabo aktywujący	orto / para
$- F$ , $- Cl$ , $- Br$ , $- I$	dezaktywujący	orto / para ← wyjątek
$- CHO$ , $- COR$ , $- COOH$ , $- COOR$	dezaktywujący	meta
$- SO_{3} H$ , $- CN$	dezaktywujący	meta
$- NO_{2}$	silnie dezaktywujący	meta
$- NR_{3}^{+}$	silnie dezaktywujący	meta

Prosta reguła pamięciowa: grupy z wolną parą elektronową na atomie przy pierścieniu kierują orto/para; grupy z ładunkiem dodatnim albo wiązaniem podwójnym do elektroujemnego atomu kierują meta. Halogeny to jedyny wyjątek — mają wolne pary, więc kierują orto/para, ale ich efekt indukcyjny przeważa i pierścień dezaktywują.

Dlaczego kolejność etapów decyduje o produkcie

Kolejność	Pierwszy podstawnik	Kieruje	Produkt końcowy
projekt 1.	$- Cl$	orto / para	2-chloroanilina, 4-chloroanilina ✘
projekt 2.	$- NO_{2}$	meta	3-chloroanilina ✔

To modelowy przykład planowania syntezy wieloetapowej: o produkcie decyduje nie zestaw reakcji, lecz ich kolejność.

Trzy reakcje z zadania

Etap	Reakcja	Typ	Warunki
nitrowanie	$C_{6} H_{6} + HNO_{3} \to C_{6} H_{5} NO_{2} + H_{2} O$	substytucja elektrofilowa	$H_{2} SO_{4}$ (stęż.), ok. 50 °C
chlorowanie	$C_{6} H_{6} + Cl_{2} \to C_{6} H_{5} Cl + HCl$	substytucja elektrofilowa	katalizator $FeCl_{3}$
redukcja	$C_{6} H_{5} NO_{2} + 3 H_{2} \to C_{6} H_{5} NH_{2} + 2 H_{2} O$	redukcja	$H_{2}$ , katalizator Ni

Uwaga na warunki chlorowania: z katalizatorem $FeCl_{3}$ zachodzi substytucja w pierścieniu; w świetle, bez katalizatora — substytucja rodnikowa w łańcuchu bocznym (o ile jest).

Strategia „grupy maskującej”

Aby wprowadzić podstawnik w położenie sprzeczne z efektem kierującym grupy docelowej, stosuje się grupę przejściową o przeciwnym wpływie:

Cel	Problem	Rozwiązanie
$- NH_{2}$ w położeniu meta względem $- Cl$	$- NH_{2}$ kieruje orto/para	wprowadź $- NO_{2}$ (meta), zredukuj na końcu
podstawienie tylko w orto (bez para)	oba położenia dostępne	zablokuj para grupą $- SO_{3} H$ , usuń później
alkilowanie aniliny	$- NH_{2}$ reaguje z $AlCl_{3}$	zabezpiecz jako acetanilid, potem zhydrolizuj

Punktacja CKE

1 pkt — rozstrzygnięcie (projekt 2.) wraz z uzasadnieniem odwołującym się do wpływu kierującego: grupa $- NO_{2}$ kieruje w położenie meta, a atom $- Cl$ — w położenia orto/para.
0 pkt — brak rozstrzygnięcia albo uzasadnienie bez wskazania konkretnych podstawników.

Rozumiesz, jak to rozwiązać?

Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji

matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „substytucja elektrofilowa, efekt kierujacy podstawnikow, nitrowanie, chlorowanie, planowanie syntezy" zrobisz samodzielnie.

Otwórz matury-online.pl