Đề thi chính thức môn Hóa học - Kỳ thi chọn học sinh giỏi quốc gia THPT năm 2017 - Ngày thi thứ hai

Nội dung text: Đề thi chính thức môn Hóa học - Kỳ thi chọn học sinh giỏi quốc gia THPT năm 2017 - Ngày thi thứ hai

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO KỲ THI CHỌN HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA THPT NĂM 2017 ĐỀ THI CHÍNH THỨC Môn: HOÁ HỌC Thời gian: 180 phút (không kể thời gian giao đề) Ngày thi thứ hai: 06/01/2017 (Đề thi có 03 trang, gồm 05 câu) Một số kí hiệu viết tắt: Me: metyl; Et: etyl; Ac: axetyl; m-CPBA: axit m-cloropebenzoic; PCC: piriđini clocromat. Trong các quy trình tổng hợp hữu cơ, các chất vô cơ và điều kiện cần thiết có đủ. Câu I (3,5 điểm) 1. Cho các chất sau đây: CHO Br NH2 O NH2 O N Triquinacen Xiclooctatetraen A1 Adamantan A2 A3 Amantadin R NADPH a) Đề xuất cơ chế phản ứng chuyển vị bởi nhiệt từ A1 tạo thành adamantan. b) Đề xuất sơ đồ tổng hợp triquinacen và A1 từ A2. c) Đề xuất sơ đồ tổng hợp amantadin (thuốc kháng virut do ức chế kênh bơm proton) từ adamantan. d) Đề xuất cơ chế tạo thành A3 từ phản ứng của xiclooctatetraen với HBr. e) Giải thích tại sao tác nhân sinh học NADPH có tính khử tương tự như NaBH4. 2. Hiđrocacbon epizonaren (C15H24) được phân lập từ tinh dầu loài Salvia fruticosa Mill. (Labiateae). Epizonaren được sử dụng trong công nghệ chất thơm. Con đường tổng hợp hóa học epizonaren như sau: O CH O 1.CH I/Ag O COOEt 2 3 2 NaOH 1.CH MgBr O A4 A5 A6 A7 3 (CH ) NH.HCl (C H NO) (C H O) o o Epizonaren 3 2 13 25 2.EtONa/EtOH 11 18 EtONa/EtOH (C17H28O4) EtOH, t (C14H22O) 2.H2SO4, t Xác định cấu tạo các chất A4, A5, A6 và A7. Không cần xét đến hóa lập thể. O O 3. Cho p-cresol phản ứng với anhiđrit axetic, thu được B1. Đồng phân hóa B1 với sự H3C có mặt của AlCl đun nóng, thu được B2. Cho B2 phản ứng với anhiđrit phtalic, thu 3 O B5 O H C được B3. Thực hiện phản ứng este hóa B3 bằng CH 2N2, thu được B4. Trong điều 3 kiện xúc tác bazơ (KOH/piriđin), B4 chuyển thành B5 lần lượt qua các giai đoạn O OH ngưng tụ Claisen, hemiaxetal hóa và tách nước. O Xác định cấu tạo các chất B1, B2, B3 và B4. p-cresol Anhidrit phtalic Câu II (4,0 điểm) 1. Từ 2-metyl-1-(4-nitrobenzoyl)naphtalen, viết sơ đồ điều chế axit p-nitrobenzoic và 2-metyl-1-naphtylamin, biết trong tổng hợp cần dùng NH2OH. Từ axit p-nitrobenzoic, viết sơ đồ điều chế p-phenylenđiamin. 2. Hợp chất C1 (C10H18O) phản ứng với CH3MgBr, tạo khí metan; phản ứng với PCC, tạo thành xeton; phản ứng với KMnO4 loãng, lạnh tạo thành chất C10H20O3. Axetyl hóa C1 bằng CH3COCl, sau đó ozon phân/khử hóa, thu được C2 (C 12H20O4). Oxi hóa C2 bằng nước brom, thu được C3 (C 12H20O5). Chất C3 tham gia chuyển vị Baeyer Villiger với m-CPBA (tỷ lệ mol 1:1) thu được nhiều đồng phân trong đó có C4 (C12H20O6). Thủy phân C4 với H2SO4/H2O, thu được axit ađipic HOOC[CH2]4COOH, butan-1,3-điol và axit axetic. Xác định cấu tạo các chất C1, C2, C3 và C4. 3. a) Vật liệu xốp poliuretan được sử dụng rộng rãi. Đề xuất sơ đồ tổng hợp poliuretan từ toluen và etilen glicol. Biết rằng, bước cuối cùng là phản ứng của etilen glicol với toluen-2,4-điisoxianat (chứa nhóm chức NCO). b) Amino axit arginin chuyển hóa bởi enzym arginaza thành D1 và O ornithin (D2). Trong cơ thể người, D2 tham gia đào thải axit HOOC COOH NH Axit malonic HN benzoic dưới dạng hợp chất D3 (C19H20N2O4). D1 phản ứng với axit COOH H2N N malonic tạo thành axit barbituric là hợp phần của riboflavin. H O N O NH2 H Xác định cấu tạo các chất D1, D2 và D3. Arginin Axit barbituric 4. Hợp chất A (C 8H16O2) không tác dụng với H 2/Ni đun nóng. Cho A tác dụng với HIO 4, thu được A1 (C3H6O) có khả năng tham gia phản ứng iođofom và A2 (C 5H8O). Đun nóng A có mặt H 2SO4, thu được chất B (C8H14O) chứa vòng 6 cạnh. Cho B phản ứng với 2,4-đinitrophenylhiđrazin, thu được C; cho B phản ứng với H 2/Ni đun nóng, thu được chất D. Đun nóng D với H 2SO4 đặc, thu được E (C 8H14). Ozon phân E, sau đó khử hóa ozonit với Zn/HCl hoặc oxi hóa với H 2O2, đều thu được F (C8H14O2). F tham gia phản ứng iođofom sau đó axit hóa, thu được G (C6H10O4). COOEt a) Xác định cấu tạo các chất A, A1, A2, B, C, D, E, F và G. Đề xuất cơ chế từ A sang B. H O b) Đề xuất phương pháp điều chế β-xetoeste H từ A2 (C5H8O) và etanol. Trang 1/3
2. Câu III (4,0 điểm) 1. Hợp chất A (C20H20O7) là hợp phần wasabiside-E (phân lập từ rễ mù tạt). Một mol A phản ứng với 2 mol Ac2O/piriđin, thu được chất B (C24H24O9). Oxi hóa B bằng KHSO5/KBr, thu được C (C24H22O10). Metyl hóa hoàn toàn A, rồi oxi hóa bằng KHSO5/KBr, thu được D (C22H22O8). Cho C phản ứng với m-CPBA, sau đó thủy phân bằng dung dịch kiềm, rồi axit hóa, thu được E (C7H8O3) và F (C6H8O7). Nếu thay nhóm metoxi trong E bằng hiđro, thu được hiđroquinon (benzen-1,4-điol). Cho F phản ứng với CrO 3/H2SO4, thu được (HOOC)2CH-CH(COOH)2. Thủy phân D bằng dung dịch NaOH, rồi axit hóa; cho sản phẩm thủy phân phản ứng với CrO3/AcOH, thu được G. Cho G phản ứng với hỗn hợp Ag2O và Br2, rồi thủy phân sản phẩm tạo thành bằng dung dịch kiềm, thu được H. Oxi hóa 1 mol H bằng HIO 4, thu được tối đa 2 mol axit 3,4-đimetoxibenzoic và 2 mol HCOOH. Xác định cấu tạo các chất A, B, C, D, E, F, G và H. 2. Bengamit (X) có công thức C17H30N2O6, là hợp chất thiên nhiên trung tính được tách ra từ loài hải miên. Ozon phân X, sau đó khử hóa ozonit với Zn/HCl, thu được 2-metylpropanal và X1. Thủy phân X1 bằng dung dịch kiềm, thu được lysin H2N[CH2]4CH(NH2)COOH có cấu hình (S) và X2 (C 7H12O7). Nhóm hemiaxetal của X2 phản ứng với CH3OH/HCl, thu được X3 (C8H14O7). Cho X3 phản ứng với HIO4 dư, sau đó thủy phân, thu được các sản phẩm: axit (2R,3R)-3-hiđroxi-2-metoxi-4-oxobutanoic, etanđial và metanol. a) Xác định cấu tạo các chất X1, X2, X3 và X. Biểu diễn mỗi tâm lập thể bằng kí hiệu Z, E, R, S và (*). b) Tính số đồng phân lập thể của chất X (bao gồm các đồng phân hình học và quang học). 3. Meloxicam là thuốc chữa bệnh viêm và thoái hóa khớp. Sơ đồ tổng hợp meloxicam như sau: O O COOMe H NH3 ClCH2COOMe MeONa (CH ) SO M5 C N M1 M2 M3 3 2 4 N o NaOH M4 SO OH t (C H NO S) MeOH N 2 7 5 3 S S O O Meloxicam a) Xác định cấu tạo các chất M1, M2, M3, M4 và O O O M5. Tổng hợp chất M5 từ thioure (NH2CSNH2). H O C N S N N b) Meloxicam bị đào thải theo cơ chế oxi hóa bởi oxi O2 N + HOOC CHN N phân tử với xúc tác sinh học theo sơ đồ bên. S S O S O Hoàn thành cơ chế chuyển hóa đào thải meloxicam. O O Meloxicam 4. Phản ứng đa tác nhân là phương pháp tiên tiến để tổng hợp các dị vòng thơm. a) Dị vòng 1,4-đihiđropiriđin tạo thành qua các Ph giai đoạn ngưng tụ anđol, tạo imin, cộng Michael O O AcOH, to + NH4OAc và ngưng tụ aza-anđol theo sơ đồ bên. + + Ph N Ph Đề xuất cơ chế phản ứng. CHO H Br H NH COOMe N O b) Hợp chất đa dị vòng chứa pyrazin hình 2 COOEt thành theo sơ đồ bên. O NH2 A N COOMe Đề xuất cơ chế phản ứng. COOMe EtOOC Câu IV (4,5 điểm) 1. Dị vòng thơm inđol là hợp phần truyền tín hiệu kích hoạt các hoạt động của tế bào như serotonin (truyền dẫn xung thần kinh), axit 3-inđolylaxetic (kích thích sinh trưởng cây non và chồi rất mạnh thông qua tín hiệu thụ thể), Calis (điều trị rối loạn cương dương thông qua tín hiệu thụ thể đặc hiệu trên tế bào biểu mô thành mạch máu), Chuyển động của electron π trong inđol tương tự như hạt trong giếng thế tròn, gây ra tính thơm và các trạng thái “chấm lượng tử” thu phát năng lượng dưới dạng vi tín hiệu điện từ. a) Giả thiết năng lượng của các electron π trong hệ vòng thơm inđol tính theo mô hình hạt trong giếng thế tròn, năng lượng En tính theo biểu thức bên. Trong đó, n là số lượng tử chính (n = 0, ±1, ±2, -34 n2h2 ±3, ); h là hằng số Planck, h = 6,6261.10 J·s; m e là khối lượng electron, -31 En 2 2 me = 9,1094.10 kg; π = 3,1416; r (m) là bán kính của giếng thế tròn. 8me r N - Tính chu vi và bán kính chuyển động của các electron π. Giả thiết chu vi chuyển indol H động của electron π bằng chu vi giếng thế tròn và bằng chiều dài mạch liên hợp; độ dài liên kết trung bình giữa cacbon và cacbon là 1,4 Ǻ; độ dài liên kết trung bình giữa cacbon và nitơ là 1,25 Ǻ. - Tính bước sóng λ (nm) của photon kích thích 1 electron từ HOMO lên LUMO. Biết c = 2,9979.108 (m/s). b) Quá trình sinh chuyển hóa từ tryptophan theo sơ đồ sau: O CHO COOH O P O H2C OH Pyridoxal photphat E1 E2 OH NH2 A B C NH Pyridoxal photphat N (C11H9NO3) (C10H9NO) (C H NO ) Tryptophan 10 9 2 H Biết rằng, E1 là enzym đecacboxyl hóa, E2 là enzym oxi hóa, pyriđoxal photphat là tác nhân loại amin. Xác định cấu tạo các chất A, B và C. Trang 2/3
3. c) Tryptophan bị đecacboxyl hóa tạo thành tryptamin (D) và chuyển hóa thành physostigmin theo sơ đồ sau: H C MeHN O 3 H3C Adenin H2N OPP * Me S * SAM SAM O S NH2 E2 O R N NH F G N n H E N Physostigmin N (SAM) Tryptamin(D) H CH3 Polithiophen CH3 Biết rằng, E2 là enzym oxi hóa, SAM có vai trò như tác nhân hóa học CH3I, PP là gốc điphotphat. Xác định các chất F và G. Đề xuất cơ chế chuyển hóa từ D thành E. d) Chất K là hoạt chất để bào chế thuốc Calis. Chất K được tổng hợp như sau: cho etyl este O CHO của tryptophan phản ứng với piperonanđehit có xúc tác axit, thu được sản phẩm đóng vòng O Pictet Spengler H. Cho H phản ứng với CH 3NH2, thu được chất I. Cho I phản ứng với Piperonandehit ClCH2COCl, thu được chất K (C22H19N3O4). Xác định cấu tạo các chất H, I và K. 2. Aciclovir là thuốc kháng virut Herpes. Tiền thuốc của aciclovir là valaciclovir. a) Hoàn thành sơ đồ tổng hợp valaciclovir từ các chất cho dưới đây: O NH O 2 HCOOH N NH HO NH NH2 CH2Br2 O H2N N O H2N N N Isocytosine Valin HOCH2CH2OH DCC Boc2O Valaciclovir O O b) Đề xuất sơ đồ tổng hợp isocytosine từ hợp chất có ba nguyên tử cacbon và hợp chất chứa nitơ. c) Tiền thuốc valaciclovir bị thủy phân thành aciclovir sau đó chuyển thành aciclovir monophotphat 2- (C8H10N5O6P ) và đi vào quá trình diệt virut. Xác định cấu tạo của aciclovir và aciclovir monophotphat. 3. a) Nifedipin là hoạt chất để bào chế thuốc trị COOMe COOMe bệnh cao huyết áp theo cơ chế chẹn kênh canxi piridin NO2 NH2 trong tế bào cơ trơn. Nifedipin được tổng hợp O o N Nifedipin CHO DMF, t theo quy trình theo sơ đồ bên. piridin (C17H18N2O6) Xác định cấu tạo các chất N và Nifedipin. O O O O O b) Gliclazit là hoạt chất để bào chế thuốc S S đường huyết. Gliclazit được tổng hợp theo NH O LiCl, NH N H NaBH N Me 2 4 O 4 Me quy trình theo sơ đồ bên. O NH2 G1 G2 O N Na2CO3 Gliclazit H Xác định cấu tạo các chất G1 và G2. Câu V (4,0 điểm) 1. Thực hiện quá trình giãn nở đẳng nhiệt thuận nghịch 2 mol khí Ar (coi là lý tưởng) ở 400 K từ thể tích 5,0 dm3 đến thể tích gấp 5 lần. Tính công và nhiệt của quá trình. Giải thích ý nghĩa của các giá trị công và nhiệt thu được. Biết, R = 8,3145 J·K 1·mol 1. 2. Cho phản ứng 2A → B, được tiến hành trong điều kiện đẳng tích. Sự phụ thuộc của nồng độ chất B theo thời gian được cho trong bảng. Xác định bậc và hằng số tốc độ của phản ứng. t (phút) 0 10 20 30 40 [B] (mol·L 1) 0 0,089 0,153 0,200 0,230 0,312 3. Để xác định pH của dung dịch Y gồm HX 0,135 M, NaX 0,050 M và NH4Cl 0,065 M, tiến hành thí nghiệm sau: nhỏ vài giọt dung dịch chất chỉ thị HIn (pKa = 4,533) vào dung dịch Y (giả sử thể tích và pH của dung dịch Y không đổi), rồi đo độ hấp thụ quang A của dung dịch thu được trong cuvet có bề dày lớp dung dịch l = 1 cm ở hai – bước sóng 1 = 490 nm và 2 = 625 nm (Giả sử chỉ có HIn và In hấp thụ photon tại hai bước sóng này). Kết quả, giá trị A tại hai bước sóng tương ứng lần lượt là 0,157 và 0,222. Biết rằng độ hấp thụ quang A của dung dịch tuân theo định luật Lambert-Beer (A = εlC) và có tính chất cộng tính (A = A1 + A2). Hệ số hấp thụ mol phân tử, ε (L·mol –1·cm–1) của HIn và In– tại các bước sóng 490 nm và 625 nm được cho trong bảng sau: ε(HIn) (L·mol–1·cm–1) ε(In–) (L·mol–1·cm–1) 2 2 1 = 490 nm 9,04.10 1,08.10 2 3 2 = 625 nm 3,52.10 1,65.10 a) Tính pH của dung dịch Y và hằng số phân li axit (Ka) của axit HX. b) Sục khí NH3 vào 50,0 mL dung dịch Y đến pH = 9,24 thì hết a mol khí NH3 (thể tích dung dịch Y không + đổi). Tính a. Biết rằng: pKa(NH4 ) = 9,24; pKw(H2O) = 14,00. HẾT * Thí sinh không được sử dụng tài liệu; * Cán bộ coi thi không giải thích gì thêm. Trang 3/3