Методика подготовки к ЕГЭ по химии: задание № 32

№ 3(104). 17 августа 2026 ■

Одна из важных задач школьного химического образования - качественная подготовка учащихся выпускных классов к сдаче ИГА по химии. Прежде всего, это относится к ЕГЭ для обучающихся 11-го класса. Залогом успешного решения этой задачи является высокий уровень знаний школьников по предмету [6]. Этого можно достичь лишь при умелой организации учителем учебной работы по химии. Следует отметить, что каким бы способом не планировалась итоговая государственная аттестация учащихся: в форме ЕГЭ, устного или письменного экзамена, – она предполагает наличие у выпускников системных, прочных, глубоких знаний, а, поэтому, рассчитана на серьезную, обстоятельную подготовку по предмету. В этом и заключается актуальность рассматриваемого в настоящей работе феномена – итоговой государственной аттестации по химии (в форме ЕГЭ) и подготовки к ней.

Анализ результатов ЕГЭ последних лет показывает, что одним из самых сложных заданий для выпускников является задание № 32 второй части - цепочка превращений органических веществ, символизирующая генетическую связь (и не только) между веществами различных классов органических соединений [3, 4]. Отличительной особенностью этого задания служит то, что оно охватывает практически весь курс органической химии, изучавшийся в 10-м классе. В этом безусловная сложность упомянутого задания: ведь для успешного его выполнения необходимо довольно хорошо разбираться в строении и свойствах органических веществ основных классов.

Как учитель может достичь необходимых результатов в приобретении учащимися прочных знаний, умений и навыков по органической химии? Ниже приводим некоторые методические рекомендации в помощь учителю [1, 2].

• 1.    Необходимо научить учащихся правильно изображать в плоскости структурные формулы органических веществ и моделировать их молекулы. Для этого на каждом уроке надо уделять этому достаточно времени, чтобы они уясняли четырёхвалентность атомов углерода. А, значит, понимали, что каждый углеродный атом всегда образует с соседними атомами 4 связи, соединяясь при этом в не

• 2.    Очень важно выработать у школьников умения анализировать структурные формулы органических веществ. Таким образом, видеть в этих формулах важнейшие их составляющие: отдельные атомы различных химических элементов, в первую очередь, это касается атомов углерода (первичные, вторичные, третичные, четвертичные); группы атомов – С-радикалы, функциональные группы, а также отдельные химические связи (простые, двойные, тройные) или целые п-комплексы (сопряженные линейные системы, ароматические циклы).

• 3.    Сформировать у учащихся умения сравнивать структурные формулы органических соединений друг с другом, обращая внимание, как на сходства веществ, так и на их различия.

• 4.    Наконец, на основе вышеизложенного научить учащихся целенаправленно выбирать правильные пути перехода от одних соединений к другим: подбирать конкретные химические реакции, а также реагенты и условия для их осуществления [1, 5].

разветвленные или разветвленные цепи, циклы и даже каркасы. Это относится и к атомам других химических элементов в составе органических молекул.

Рассмотрим эти общие принципы на конкретных примерах трансформации молекул органических веществ применительно к цепочкам превращений.

Пример 1.

Карбид алюминия → Х1 → Х2 → бензол → Х3 → Х4 → п-нитробензойная кислота.

В первую очередь в этой цепочке целесообразно заменить названия веществ их структурными формулами: они более информативны и позволяют сравнивать указанные вещества друг с другом, отмечая их сходства и различия в составе и строении, и на этой основе подбирать соответствующие реакции, т. е. планировать пути трансформации органических веществ.

Al4C3 → Х1 → Х2 → C6H6 → Х3 → Х4 → п-O2N-C6H4-COOH.

Проанализируем эту цепочку превращений.

В ней условно можно выделить два фрагмента.

Первый фрагмент цепочки: Al₄C₃ → Х₁ → Х₂ → C₆H₆.

Исходный карбид алюминия – карбид метанового типа. Поэтому из него можно получить только метан, следовательно, Х1 – СН4 (алкан):

A1 4 C 3 + 12 HCl ^ 4 A1C1 3 + 3 CH₄.

A1 4 C 3 + 12 H₂O ^ 4 A1(OH)₃ + 3 CH 4 .

Первый фрагмент цепочки приобретает вид:

Al4C3 → CH4 → Х2 → C6H6.

Вещество Х2 не может быть производным метана, т. к. из одноуглеродной молекулы невозможно получить шестиуглеродный бензол. Это можно сделать из двухуглеродной молекулы путем тримери-зации. Значит, Х2 – это ацетилен С2Н2 (алкин), который образуется из метана при крекинге.

• 2    CH₄ → CH≡CH + 3 H₂;

И далее:

• 3    CH=CH ^ C₆H₆.

Первый фрагмент цепочки расшифрован:

Al4C3 → CH4 → CH≡CH → C6H6.

Второй фрагмент цепочки: C₆H₆ → Х₃ → Х₄ → п-O₂N-C₆H₄-COOH.

Здесь удобнее всего провести ретросинтетический анализ по Кори [7, с. 37]. Предшественником п -нитробензойной кислоты n-O₂N-C 6 H₄-COOH могла быть бензойная кислота C 6 H 5 -COOH . Но карбоксильная группа – ориентант 2 рода, м -ориентант и пронитровать ее в пара-положение не удастся. Не может быть предшественником и нитробензол C 6 H 5 -NO 2 , т. к. нитрогруппа - сильная дезактивирующая группа, поэтому провести реакцию электрофильного замещения с ним невозможно. Примем во внимание, что карбоксильная группа может быть получена окислением алкильного радикала, например, метила. Следовательно, логично предположить, что предшественником п -нитробензойной кислоты может быть п -нитротолуол п-O₂N-C₆H₄-CH₃ . Это и есть Х₄. Тогда Х₃ – это толуол C₆H₅-СН₃ :

C₆H₆ + CH 3 -C1 ^ C 6 H 5 -CH 3 + HC1; '

C 6 H 5 -CH 3 + HNO 3 ^ п -O 2 N-C 6 H 4 -CH 3 + H 2 O;

• 5 п -O 2 N-C 6 H 4 -CH 3 + 6 KMnO 4 + 9 H 2 SO 4 ^

^ 5 п- O 2 N-C 6 H 4 -COOH + 6 MnSO 4 + 3K 2 SO 4 + 14 H 2 O.

Таким образом, оба фрагмента полностью расшифрованы:

• 1:    Al₄C₃ → СН₄ → С₂Н₂ → C₆H₆ и

• 2:    C₆H₆ → C₆H₅-СН₃ → п-O₂N-C₆H₄-CH₃ → п-O₂N-C₆H₄-COOH .

Они принципиально разные. В первом из них, как не трудно понять, все вещества – от карбида до бензола – совершенно различны: они отличаются и характером углеродных скелетов, и структурой, и природой функций в составе молекул. Таким образом, для получения бензола из карбида алюминия надо осуществить ряд превращений, кардинально изменяющих структуру исходного вещества. Другое дело второй фрагмент, где исходное вещество - бензол - и конечный продукт - п -нитробензойная кислота – имеют структурное сходство: основу их молекул составляет ароматический цикл, бензольное кольцо. И в этих превращениях не нужны глубокие структурные изменения, а достаточно достроить исходное вещество за счет функционализации, т. е. введения различных функций в бензольное кольцо.

Пример 2.

Х1 ─(Br2)→ 1,4-дибромбутан → X2 → янтарная кислота → Х3 → этан.

Заменим названия веществ структурными формулами:

Х1 ─(Br2)→ Br-CH2-CH2-CH2-CH2-Br → X2 → HOOC-CH2-CH2-COOH → Х3 → CH3-CH3.

В таком виде цепочка стала более информативной, появилась возможность сравнивать структурные формулы веществ, находить сходства и различия в их составе и строении и делать конкретные выводы, направленные на расшифровку превращений веществ.

Важно научить учащихся анализировать материал с различных позиций, учитывая все возможные пути анализа. Покажем это на рассматриваемом примере.

Итак, первый известный продукт - 1,4-дибромбутан, он получен бромированием неизвестного вещества Х1. Маловероятно, что это вещество – бутан, поскольку бромирование его идет иначе, а именно при монобромировании преимущественно образуется монобромпроизводное – 2-бромбутан, а при двойном бромировании – дибромпроизводное – 2,2-дибромбутан:

CH3-CH2-CH2-CH3 + Br2 → HBr + CH3-CHBr-CH2-CH3 – 2-бромбутан;

CH3-CHBr-CH2-CH3 + Br2 → HBr + CH3-CBr2-CH2-CH3 – 2,2-дибромбутан.

Не может быть Х1 и непредельным углеводородом – алкеном, т. к. в реакциях с бромом он образует дибромпроизводное, в молекулах которого два атома галогена находятся у соседних атомов углерода:

CH2=CH-CH2-CH3 + Br2 → CH2Br-CHBr-CH2-CH3 – 1,2-дибромбутан;

CH3-CH=CH-CH3 + Br2 → CH3-CHBr-CHBr-CH3 – 2,3-дибромбутан.

Не может удовлетворить условию задания и сопряженный бутадиен-1,3, способный к реакциям 1,4-присоединения – продукт этой реакции другой:

CH2=CH-CH=CH2 + Br2 → CH2Br-CH=CH-CH2Br – 1,4-дибромбутен-2.

Тогда применим еще один прием: мысленно удалим атомы брома от концевых атомов углерода: -CH2-CH2-CH2-CH2- и соединим эти атомы друг с другом и получим искомый Х1 – циклобутан. Действительно, малые циклы неустойчивы и легко раскрываются, вступая в реакции присоединения: это их роднит с алкенами.

Н2С—СН2     г СН--СН-СН2-СН-:

I I + Вг₂---^ I^х " I ²

НХ—СН2        Bf        Bf цикло бутан            1,4-Дибромбутан

Цепочка превращений принимает вид:

н2с—сн2

→ Br-CH2-CH2-CH2-CH2-Br → X2 → HOOC-CH2-CH2-COOH → → Х3 → CH3-CH3.

Для поиска Х 2 сравниваем друг с другом его предшественник 1,4-дибромбутан ВГ-СН 2 -СН 2 -СН 2 -CH₂-Br и продукт его превращения янтарную кислоту HOOC-CH₂-CH₂-COOH. Различие очевидное: в янтарной кислоте два концевых углерода – карбоксильные (-СООН), в дибромбутане – алкильные. Карбоксильные группы могут образоваться при окислении альдегидных карбонильных групп С=О, но соответствующий диальдегид H(O)C-CH₂-CH₂-C(O)H нельзя получить из 1,4-дибромбутана в одну стадию. Карбоксильные группы также легко образуются при окислении первичных спиртов, в данном случае из НО-СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -ОН - это и есть Х 2 , бутандиол-1,4, который получается из 1,4-дибром-бутана в реакции его с водным раствором щелочи:

Br-CH2-CH2-CH2-CH2-Br + 2 КОН → 2 КBr + НО-CH2-CH2-CH2-CH2-ОН.

Цепочка превращений стала такого вида:

н2с—сн2

→ Br-CH2-CH2-CH2-CH2-Br → НО-CH2-CH2-CH2-CH2-ОН →

→ HOOC-CH2-CH2-COOH → Х3 → CH3-CH3.

Наконец находим Х₃, для чего сравниваем между собой янтарную кислоту HOOC-CH₂-CH₂-COOH и этан CH₃-CH₃. Сразу можно заметить, что углеродный скелет этана С-С – это остаток углеродного скелета янтарной кислоты после ее декарбоксилирования (удаления карбоксильных групп). А декарбоксилирование проводят с помощью реакции Дюма, значит, Х 3 - это соль янтарной кислоты и щелочного металла, например, сукцинат калия:

HOOC-CH2-CH2-COOH + 2 КОН → 2 Н2О + КOOC-CH2-CH2-COOК.

Реакция Дюма:

КOOC-CH2-CH2-COOК + 2 КОН → 2 К2СО3 + CH3-CH3.

Необходимо заметить, что реакция янтарной кислоты с гидроксидом калия протекает между водными растворами этих веществ. А реакция между калиевой солью янтарной кислоты и гидроксидом калия происходит при сплавлении этих веществ.

Таким образом, цепочка превращений полностью решена:

Н2С—сн2

→ Br-CH2-CH2-CH2-CH2-Br → НО-CH2-CH2-CH2-CH2-ОН →

→ HOOC-CH2-CH2-COOH → КOOC-CH2-CH2-COOК → CH3-CH3.

Пример 3.

Этан → Х1 → Х2 → Х3 → Х4 → ПВК.

Исходное вещество в этой цепочке – этан, – простейший из алканов с двумя атомами углерода в молекуле, С 2 Н 6 . Структурная формула его: СН 3 -СН 3 .

В этой схеме превращений указана аббревиатура конечного продукта – ПВК. Следует отметить, что можно использовать только общепринятые аббревиатуры химических веществ. Их много, они хорошо известны химикам, и с ними можно ознакомиться по химическим справочникам.

В данном примере аббревиатура ПВК означает пировиноградная кислота: впервые она получена пиролизом виноградной кислоты, – отсюда и ее историческое (тривиальное) название. ПВК – это 2-оксопропановая кислота (международное название, IUPAC), или а-кетопропионовая кислота (рациональное название). Ее структурная формула: СН3-С(О)-СООН.

Теперь представим эту цепочку превращений в виде структурных формул указанных в ней веществ:

СН3-СН3 → Х1 → Х2 → Х3 → Х4→ СН3-С(О)-СООН.

Проанализируем эту цепочку превращений. Между исходным веществом этаном и конечным продуктом пировиноградной кислотой четыре неизвестных промежуточных соединения. В таких случаях лучше всего воспользоваться ретросинтетическим анализом по Кори: устанавливаем строение неизвестных веществ, начиная с ПВК, последовательно подбирая структуры каждого из предшественников. Так, пировиноградная кислота СН3-С(О)-СООН - это кетокислота, поэтому ее явным предшественником может быть оксикислота СН3-СН(ОН)-СООН, из которой ПВК может быть легко получена путем ее окисления.

5 СН 3 -СН(ОН)-СООН + 2 KMnO 4 + 3 H 2 SO 4 ^

^ 5 СН 3 -С(О)-СООН + 2 MnSO 4 + K 2 SO 4 + 8 H 2 O.

Значит, неизвестное вещество Х 4 - это и есть молочная кислота (тривиальное, историческое название), или а-оксипропионовая кислота (рациональное название), или 2-гидроксипропановая кислота (международное название, IUPAC) СН₃-СН(ОН)-СООН.

Теперь цепочка превращений имеет вид:

СН3-СН3 → Х1 → Х2 → Х3 → СН3-СН(ОН)-СООН→ СН3-С(О)-СООН.

Далее рассуждаем, из чего могла бы быть получена молочная кислота. Попробуем построить маршрут реакции, с помощью которого можно создать гидроксильную функциональную группу. В таком случае одним из очевидных ее предшественников могло быть галогенопроизводное, например, 2-хлор-пропановая (α-хлорпропионовая) кислота СН₃-СНCl-СООН. Если это вещество Х₃, то оно явно должно быть продуктом хлорирования пропановой кислоты СН 3 -СН 2 -СООН, которая в цепочке превращений Х₂. Однако, будучи трехуглеродной молекулой, пропановая кислота не может быть получена из этана в две стадии. Значит, надо выбрать другой путь синтеза молочной кислоты из Х₃.

Теперь примем во внимание возможность создания карбоксильной группы в молочной кислоте. Предшественником карбоксила -СООН в ней могла быть цианогруппа -C=N. Таким веществом является нитрил, формула которого CH 3 -CH(OH)-C=N. Нетрудно догадаться, что это циангидрин ацетальдегида, который легко образуется из двухуглеродной молекулы уксусного альдегида СН₃-С(О)Н. А этот путь синтеза оказался вполне реальным: Х 3 - это циангидрин ацетальдегида (или нитрил молочной кислоты), а Х₂ – это ацетальдегид (уксусный альдегид, этаналь):

СН3-СН(ОН)-C≡N + 2 Н2О → СН3-СН(ОН)-СООН+ NH3;

СН3-С(О)Н + HC≡N → СН3-СН(ОН)-C≡N.

Цепочка превращений приобретает следующий вид:

СН3-СН3 → Х1 → СН3-С(О)Н → СН3-СН(ОН)-C≡N →

→ СН3-СН(ОН)-СООН→ СН3-С(О)-СООН.

Осталось предсказать еще одно вещество - Х 1 - предшественник этаналя. Это сделать несложно, т. к. и этаналь, и исходный этан имеют одинаковый углеродный скелет, состоящий из двух атомов углерода. Значит, Х₁ – тоже двухуглеродная молекула. Это может быть этилен: этаналь легко может быть получен из этилена СН 2 =СН 2 , который является продуктом дегидрирования этана СН 3 -СН 3 . Следовательно, Х₁ – это этилен. Этилен можно превратить в ацетальдегид с помощью окисления водным хлоридом палладия или кислородом воздуха в присутствии солей палладия и меди:

• 1)    окисление этилена хлоридом палладия в водной среде – (Вакер-процесс):

СН2=СН2 + PdCl2 + H2O → СН3-С(О)Н + Pd + 2 HCl.

• 2)    каталитическое окислением этилена кислородом воздуха:

• 2    СН₂=СН₂ + O₂ → 2 СН₃-С(О)Н.

Наконец этилен образуется при каталитическом дегидрировании этана:

СН3-СН3 → СН2=СН2 + H2.

Таким образом, цепочка превращений полностью выполнена:

СН3-СН3 → СН2=СН2 → СН3-С(О)Н → СН3-СН(ОН)-C≡N →

→ СН3-СН(ОН)-СООН→ СН3-С(О)-СООН.

В заключении отметим, что предложенный материал может быть полезен как для учителей химии при подготовке и проведении занятий, так и самим школьникам старших классов для самостоятельной подготовки к итоговой государственной аттестации по химии.