Азотсодержащие гетероциклические соединения.

Задача 1.

При сжигании в кислороде порции азотсодержащего гетероциклического соединения (без заместителей в кольце) образовалось 0,75 моль углекислого газа, 0, 375 моль воды и 0,075 моль азота. Выведите формулу исходного соединения.

Решение.

Запишем уравнение реакции горения азотсодержащего гетероциклического соединения в общем виде:

С_хН_yN_z+(х+0,25y)О₂→хСО₂+0,5yН₂О +0,5zN₂

Вычислим количества веществ атомов, входящих в состав искомого соединения:

ν(СО₂)= 0,75 моль; ν(С)=0,75 моль;

ν(Н₂О)=0,375 моль; ν(Н)=0,75 моль;

ν(N₂)=0,075 моль; ν(N)=0,15 моль;

 х:y:z= ν(C): ν(Н): ν(N)=0,75:0,75:0,15

Находим среди этих цифр самое маленькое и все делим на него, получая:    х:y:z=5:5:1

С₅Н₅N.

Ответ: С₅Н₅N- пиридин.

Задача 2.

Смесь двухизомеров, один из которых представляет собой гомолог анилина, а другой- гомолог пиридина, содержит 13,1% азота по массе. Некоторое количество этой смеси может прореагировать с 0,95 л хлороводорода (объем измерен при 16,5⁰С и нормальном давлении) или с 320 г 4%-ной бромной воды. Установите возможные структурные формулы компонентов смеси и рассчитайте их массовые доли.

Решение.

Общая формула изомеров С_nН_2n-5N.

Так как вещества- изомеры, массовая доля азота в смеси не зависит от содержания веществ, следовательно через формулу массовой доли можно найти (n):

0,131=14/(14n+9), n=7.

Вещества в смеси- один из метиланилинов С₆Н₄(СН₃)NН₂ и гомолог пиридина: один из диметилпиридинов или этилпиридинов.

С хлороводородом реагируют оба вещества по уравнению:

С_nН_2n-5N + НCl→ С_nН_2n-5N×НCl

Приведем объем НСl к нормальным условиям, учитывая, что Т=(273 +16,5)К=289,5 К

По «объединенному газовому закону»

V₀=Р×V×Т₀/Р₀×Т

V₀(НCl)=(101,3×0,95×273)/(101,3×289,5)=0,896 л

Находим количество вещества хлороводорода, составляем соотношение со смесью изомеров, находим общее количество смеси изомеров:

ν(НСl)=V/V_m=0,896 л/22,4 л/моль=0,04 моль;

ν(С_nH_2n-5N): ν(НCl)=1:1 (по уравнению)

ν(С_nH_2n-5N)=0,04 моль,

С бромной водой реагирует только метиланилин, причем в зависимости от положения метильного радикала, молярное отношение реагентов может быть либо 1:2, либо 1:3.

Находим массу брома и его количество:

m(Вr₂)=m_(р-ра)×w/100%=320×4/100=12,8 г

ν(Вr₂)=m/M=12,8 г/160 г/моль=0,08 моль

Если метильный радикал находится в орто или пара- положении, то метиланилин реагирует с бромом в соотношении 1:2, тогда

ν(С₆Н₄(СН₃)NН₂)=0,08/2=0,04 моль, что невозможно, т.к.0,04 моль- это общее количество метиланилина и гомолога пиридина.

Следовательно, гомолог анилина- 3- метиланилин, который реагирует с бромом в соотношении 1:3;

ν (С₆Н₄(СН₃)NН₂)=0,08/3=0,027 моль, тогда ν(гомолога пиридина) равно 0,04-0,027=0,013 моль. Массовые доли изомерных веществ в смеси равны мольным долям:

w(С₆Н₄(СН₃)NН₂)=0,027/0,04=0,675 или 67,5%

w(гомолога пиридина)=0,013/0,04=0,325 или 32,5%.

Ответ: w(С₆Н₄(СН₃)NН₂)=67,5%;w(гомолога пиридина)= 32,5%.

 

Задачи для самостоятельного решения.

1. После приведения к нормальным условиям масса газовой смеси, полученной при сгорании в кислороде 1,675 г азотсодержащего гетероциклического соединения, составила 4,75 г с плотностью 1,8849 г/л (без учета избытка окислителя). Выведите формулу этого соединения.   

2. Продукты полного сгорания азотсодержащего гетероциклического соединения (в том числе и водяной пар) пропустили через избыток известковой воды. Масса выпавшего осадка составила 7,5 г, масса раствора уменьшилась на 3,525 г, объем непоглощенного газа оказался равным 168 мл (н.у.). О каком соединении идет речь?          

3. Газовую смесь, полученную при сгорании 0,168 г ароматического азотсодержащего гетероцикла привели к н.у. Объем полученной газовой смеси составил 268,8 мл, а относительная плотность газовой смеси по метану равна 2,684. Определите возможное строение исходного гетероцикла.

4. Продукты полного сгорания 0,072 моль незамещенного азотсодержащего гетероцикла были пропущены без предварительного охлаждения через 150 г 25%-ного раствора КОН. 

Масса полученного раствора составила 165,26 г, концентрация карбоната калия в этом растворе 24,05%. Объем непоглотившегося газа равен 1,61 л (н.у.). Определите состав и предложите строение исходного гетероцикла.           

5. При сжигании в кислороде порции азотсодержащего гетероциклического соединения (без заместителей в кольце) образовалось 280 мл углекислого газа, 140 мл паров воды и 70 мл азота (объемы измерялись при одинаковых условиях). Выведите формулу исходного соединения.   

6. При сжигании в кислороде порции азотсодержащего гетероциклического соединения (без заместителей в кольце) образовалось 240 мл углекислого газа, 150 мл паров воды и 30 мл азота (объемы измерялись при одинаковых условиях). Выведите формулу исходного соединения.

7. При сжигании в кислороде порции азотсодержащего гетероциклического соединения (без заместителей в кольце) образовалось 1,2 л углекислого газа, 0,8 л паров воды и 0,4 л азота (объемы измерялись при одинаковых условиях). Выведите формулу исходного соединения.   

8. При сжигании в кислороде порции азотсодержащего гетероциклического соединения, имеющего один углеводородный радикал в кольце образовалось 0,18 моль углекислого газа, 0, 105 моль воды и 0,015 моль азота. Выведите формулу исходного соединения.  

9. Смесь двухизомеров, один из которых представляет собой гомолог анилина, а другой- гомолог пиридина, содержит 78,5% углерода по массе. Некоторое количество этой смеси может прореагировать с 1,21 л бромоводорода (объем измерен при 22⁰С и нормальном давлении) или с 400 г 4%-ной бромной воды. Установите возможные структурные формулы компонентов смеси и рассчитайте их массовые доли.

10. Смесь двухизомеров, один из которых представляет собой гомолог анилина, а другой- гомолог пиридина, содержит 11,6% азота по массе. Некоторое количество этой смеси может прореагировать с 0,73 л хлороводорода (объем измерен при 24⁰С и нормальном давлении) или с 240 г 4%-ной бромной воды. Установить возможные структурные формулы компонентов смеси и рассчитайте их массовые доли.

11. Смесь двухизомеров, один из которых представляет собой гомолог анилина, а другой- гомолог пиридина, содержит 9,09% водорода по массе. Некоторое количество этой смеси может прореагировать с 1,45 л бромоводорода (объем измерен при 22⁰С и нормальном давлении) или с 600 г 4%-ной бромной воды. Установить возможные структурные формулы компонентов смеси и рассчитайте их массовые доли.

 

 

Ответы.

1. С₄Н₅N-пиррол 2. С₅Н₅N –пиридин 3. С₇Н₇N–винилпиридин 4. С₄Н₄N₂, пиримидин 5. С₄Н₄N₂, пиримидин     6. С₄Н₅N-пиррол    7. Имидазол    8. Метилпиридин 9. 66,7% 3-метиланилина; 33,3% диметилпиридин или этилпиридин 10. 66,7% 3,5-диметиланилина или 3-этиланилина; 33,3% гомолога пиридина с тремя атомами углерода в боковых цепях 11. 83% 3,5-диметиланилина или 3-этиланилина; 17% гомолога пиридина с тремя атомами углерода в боковых цепях.

        

                                  Раздел VI.