{"id":"chemia-2023-maj-matura-rozszerzona/zad/35","paper_id":"chemia-2023-maj-matura-rozszerzona","number":"35","points":2,"ptype":"open","subject":"chemia","category":"matura","year":2023,"month":"maj","level":"rozszerzona","text":"Spośród wymienionych odczynników wybierz wszystkie te, które należy zastosować w kolejnych etapach syntezy PABA (reakcje I-III). Napisz numery, którymi oznaczono wzory tych odczynników.","answer":null,"answer_text":null,"solution":"## Poprawna odpowiedź: Odczynniki **1, 2, 4**\n\n- Reakcja I (toluen → 4-nitrotoluen): odczynnik **4**\n- Reakcja II (4-nitrotoluen → kwas 4-nitrobenzoesowy): odczynnik **1**\n- Reakcja III (kwas 4-nitrobenzoesowy → PABA): odczynnik **2**\n\n## Sposób 1 - Analiza każdej reakcji z osobna\n\n### Reakcja I: Toluen → 4-nitrotoluen\n\nMusimy wprowadzić grupę nitrową \\(\\ce{-NO2}\\) do pierścienia benzenowego. To klasyczna **nitracja** - elektrofilowe podstawienie aromatyczne (\\(S_EAr\\)).\n\n- Elektrofil \\(\\ce{NO2+}\\) (kation nitronowy) powstaje z mieszaniny nitrującej:\n\n\\[\\ce{HNO3 + H2SO4 -> NO2+ + HSO4- + H2O}\\]\n\n- Grupa metylowa \\(\\ce{-CH3}\\) w toluenie to **podstawnik kierujący orto/para** - aktywuje pierścień i kieruje substytucję głównie do pozycji 4 (para), co daje żądany 4-nitrotoluen.\n\n**→ Potrzebny: odczynnik 4** (\\(\\ce{HNO3}\\) stęż. / \\(\\ce{H2SO4}\\) stęż.)\n\n### Reakcja II: 4-nitrotoluen → kwas 4-nitrobenzoesowy\n\nMusimy utlenić grupę metylową \\(\\ce{-CH3}\\) do grupy karboksylowej \\(\\ce{-COOH}\\). Grupa nitrowa \\(\\ce{-NO2}\\) pozostaje na pierścieniu niezmieniona.\n\n- Do utlenienia łańcucha bocznego przy pierścieniu aromatycznym używamy **kwaśnego roztworu KMnO₄**:\n\n\\[\\ce{4-NO2-C6H4-CH3 ->[\\ce{KMnO4 / H2SO4}][\\Delta] 4-NO2-C6H4-COOH}\\]\n\n- \\(\\ce{KMnO4}\\) w środowisku kwasowym jest silnym utleniaczem - niezależnie od długości łańcucha bocznego, utlenia go do \\(\\ce{-COOH}\\).\n\n**→ Potrzebny: odczynnik 1** (\\(\\ce{KMnO4}\\)(aq) / \\(\\ce{H2SO4}\\)(aq))\n\n### Reakcja III: Kwas 4-nitrobenzoesowy → PABA\n\nMusimy zredukować grupę nitrową \\(\\ce{-NO2}\\) do aminowej \\(\\ce{-NH2}\\). Grupa karboksylowa \\(\\ce{-COOH}\\) pozostaje niezmieniona.\n\n- Klasyczna **redukcja grupy nitrowej** przy użyciu cynku w kwasie solnym (cynk tworzy nascentowy wodór \\(\\ce{[H]}\\)):\n\n\\[\\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + 2[H]}\\]\n\n\\[\\ce{4-NO2-C6H4-COOH + 6[H] ->[\\ce{Zn/HCl}] 4-NH2-C6H4-COOH + 2H2O}\\]\n\n- Wynikiem jest PABA - kwas 4-aminobenzoesowy.\n\n**→ Potrzebny: odczynnik 2** (\\(\\ce{HCl}\\)(aq) / \\(\\ce{Zn}\\)(s))\n\n## Sposób 2 - Weryfikacja przez eliminację pozostałych odczynników\n\nSprawdzamy, dlaczego odczynniki **3, 5, 6** NIE są potrzebne:\n\n| Odczynnik | Co robi | Dlaczego nie pasuje |\n| **3 - \\(\\ce{NH4Cl}\\)(aq)** | Słaby kwas / bufor | Stosowany w redukcji Béchamp'a (\\(\\ce{Fe/NH4Cl}\\)), ale tutaj mamy Zn/HCl - \\(\\ce{NH4Cl}\\) zbędny |\n| **5 - odczynnik Tollensa** | Wykrywa aldehydy (\\(\\ce{Ag+}\\) → \\(\\ce{Ag^0}\\)) | W syntezie nie pojawia się żaden aldehyd; odczynnik Tollensa to odczynnik analityczny, nie syntetyczny |\n| **6 - \\(\\ce{NaOH}\\)(aq)** | Zasada, hydroliza, neutralizacja | Mógłby służyć do wydzielenia wolnej aminy po kroku III, ale nie jest to osobna reakcja I-III z schematu; w toluenie/PABA nie ma żadnej reakcji wymagającej zasady mocnej |\n\nŻaden z odczynników 3, 5, 6 nie jest potrzebny do przeprowadzenia żadnej z reakcji I, II, III.\n\n## Wzory z karty CKE\n\n> 📖 **Karta wzorów str. 7 - Wpływ kierujący podstawników w pierścieniu aromatycznym:**\n> Tabela podstawników orto/para-kierujących (m.in. \\(\\ce{-CH3}\\), \\(\\ce{-OH}\\), \\(\\ce{-NH2}\\)) i meta-kierujących (\\(\\ce{-NO2}\\), \\(\\ce{-COOH}\\)).\n> Użyliśmy tej reguły w Reakcji I - \\(\\ce{-CH3}\\) toluenu kieruje nitrację do pozycji para (4), co daje 4-nitrotoluen.\n\n> 📖 **Karta wzorów str. 15 - Układ okresowy pierwiastków:**\n> Wartościowości Mn (w \\(\\ce{KMnO4}\\): Mn na +7 → zmiana stopnia utlenienia przy redukcji do Mn²⁺ lub \\(\\ce{MnO2}\\)).\n> Pomocne przy zrozumieniu, dlaczego \\(\\ce{KMnO4}\\) jest silnym utleniaczem.\n\n## Typowe pułapki i uwagi\n\n> ⚠️ **Uwaga:** Nie mylić kierunku - w Reakcji I nitrujesz pierścień (działasz na \\(\\ce{C=C}\\)), a w Reakcji II utleniasz łańcuch boczny \\(\\ce{-CH3}\\). To dwa zupełnie różne miejsca reaktywności toluenu.\n\n> ⚠️ **Uwaga:** Odczynnik Tollensa (odczynnik 5) wygląda jak \"coś z chemii organicznej\" i może kusić - ale służy TYLKO do wykrywania aldehydów (próba Tollensa), nie do żadnej syntezy w tej sekwencji.\n\n> ⚠️ **Uwaga:** Uczniowie często dopisują \\(\\ce{NaOH}\\) jako \"potrzebny do wydzielenia aminy po redukcji Zn/HCl\" - to prawda na poziomie izolacji produktu, ale pytanie dotyczy odczynników **reakcji I-III** zdefiniowanych na schemacie, a neutralizacja soli amoniowej to etap izolacji, nie osobna reakcja chemiczna w tym schemacie.","image":null,"solution_image":null,"topics":null,"page_from":null,"source":"maturazai","answer_source":null,"answer_text_source":null,"solution_source":"maturazai","text_source":"maturazai","source_label":"Chemia · Matura · maj 2023 (rozszerzona)","subject_label":"Chemia","category_label":"Matura","text_html":"

Spośród wymienionych odczynników wybierz wszystkie te, które należy zastosować w kolejnych etapach syntezy PABA (reakcje I-III). Napisz numery, którymi oznaczono wzory tych odczynników.

","solutions":[{"source":"maturazai","label":"maturazai.pl (AI)","kind":"text","html":"

Poprawna odpowiedź: Odczynniki 1, 2, 4

\n\n

Sposób 1 - Analiza każdej reakcji z osobna

\n
Reakcja I: Toluen → 4-nitrotoluen
\n

Musimy wprowadzić grupę nitrową \\(\\ce{-NO2}\\) do pierścienia benzenowego. To klasyczna nitracja - elektrofilowe podstawienie aromatyczne (\\(S_EAr\\)).

\n\n

\\[\\ce{HNO3 + H2SO4 -> NO2+ + HSO4- + H2O}\\]

\n\n

→ Potrzebny: odczynnik 4 (\\(\\ce{HNO3}\\) stęż. / \\(\\ce{H2SO4}\\) stęż.)

\n
Reakcja II: 4-nitrotoluen → kwas 4-nitrobenzoesowy
\n

Musimy utlenić grupę metylową \\(\\ce{-CH3}\\) do grupy karboksylowej \\(\\ce{-COOH}\\). Grupa nitrowa \\(\\ce{-NO2}\\) pozostaje na pierścieniu niezmieniona.

\n\n

\\[\\ce{4-NO2-C6H4-CH3 ->[\\ce{KMnO4 / H2SO4}][\\Delta] 4-NO2-C6H4-COOH}\\]

\n\n

→ Potrzebny: odczynnik 1 (\\(\\ce{KMnO4}\\)(aq) / \\(\\ce{H2SO4}\\)(aq))

\n
Reakcja III: Kwas 4-nitrobenzoesowy → PABA
\n

Musimy zredukować grupę nitrową \\(\\ce{-NO2}\\) do aminowej \\(\\ce{-NH2}\\). Grupa karboksylowa \\(\\ce{-COOH}\\) pozostaje niezmieniona.

\n\n

\\[\\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + 2[H]}\\]

\n

\\[\\ce{4-NO2-C6H4-COOH + 6[H] ->[\\ce{Zn/HCl}] 4-NH2-C6H4-COOH + 2H2O}\\]

\n\n

→ Potrzebny: odczynnik 2 (\\(\\ce{HCl}\\)(aq) / \\(\\ce{Zn}\\)(s))

\n

Sposób 2 - Weryfikacja przez eliminację pozostałych odczynników

\n

Sprawdzamy, dlaczego odczynniki 3, 5, 6 NIE są potrzebne:

\n

| Odczynnik | Co robi | Dlaczego nie pasuje |
| 3 - \\(\\ce{NH4Cl}\\)(aq) | Słaby kwas / bufor | Stosowany w redukcji Béchamp'a (\\(\\ce{Fe/NH4Cl}\\)), ale tutaj mamy Zn/HCl - \\(\\ce{NH4Cl}\\) zbędny |
| 5 - odczynnik Tollensa | Wykrywa aldehydy (\\(\\ce{Ag+}\\) → \\(\\ce{Ag^0}\\)) | W syntezie nie pojawia się żaden aldehyd; odczynnik Tollensa to odczynnik analityczny, nie syntetyczny |
| 6 - \\(\\ce{NaOH}\\)(aq) | Zasada, hydroliza, neutralizacja | Mógłby służyć do wydzielenia wolnej aminy po kroku III, ale nie jest to osobna reakcja I-III z schematu; w toluenie/PABA nie ma żadnej reakcji wymagającej zasady mocnej |

\n

Żaden z odczynników 3, 5, 6 nie jest potrzebny do przeprowadzenia żadnej z reakcji I, II, III.

\n

Wzory z karty CKE

\n
📖 Karta wzorów str. 7 - Wpływ kierujący podstawników w pierścieniu aromatycznym:
Tabela podstawników orto/para-kierujących (m.in. \\(\\ce{-CH3}\\), \\(\\ce{-OH}\\), \\(\\ce{-NH2}\\)) i meta-kierujących (\\(\\ce{-NO2}\\), \\(\\ce{-COOH}\\)).
Użyliśmy tej reguły w Reakcji I - \\(\\ce{-CH3}\\) toluenu kieruje nitrację do pozycji para (4), co daje 4-nitrotoluen.
\n
📖 Karta wzorów str. 15 - Układ okresowy pierwiastków:
Wartościowości Mn (w \\(\\ce{KMnO4}\\): Mn na +7 → zmiana stopnia utlenienia przy redukcji do Mn²⁺ lub \\(\\ce{MnO2}\\)).
Pomocne przy zrozumieniu, dlaczego \\(\\ce{KMnO4}\\) jest silnym utleniaczem.
\n

Typowe pułapki i uwagi

\n
⚠️ Uwaga: Nie mylić kierunku - w Reakcji I nitrujesz pierścień (działasz na \\(\\ce{C=C}\\)), a w Reakcji II utleniasz łańcuch boczny \\(\\ce{-CH3}\\). To dwa zupełnie różne miejsca reaktywności toluenu.
\n
⚠️ Uwaga: Odczynnik Tollensa (odczynnik 5) wygląda jak "coś z chemii organicznej" i może kusić - ale służy TYLKO do wykrywania aldehydów (próba Tollensa), nie do żadnej syntezy w tej sekwencji.
\n
⚠️ Uwaga: Uczniowie często dopisują \\(\\ce{NaOH}\\) jako "potrzebny do wydzielenia aminy po redukcji Zn/HCl" - to prawda na poziomie izolacji produktu, ale pytanie dotyczy odczynników reakcji I-III zdefiniowanych na schemacie, a neutralizacja soli amoniowej to etap izolacji, nie osobna reakcja chemiczna w tym schemacie.
"}]}