Br 1. Auch bei der folgenden Kombination, sind die Strukturen nicht identisch, sie lassen sich durch Drehung nicht ineinander überführen.

Transkript

1 Drill&Practice: Aufgaben und Lösungen, A. Dinter, KME Drill&Practice: Arene. Sind folgende Strukturpaare zueinander identisch? Die Frage ist möglicherweise nicht so simpel, wie sie sich anhört. Gemeint ist aber schon, dass man die beiden aromatischen Strukturen miteinander vergleicht und die beiden nichtaromatischen. Die aromatischen Strukturen sind zueinander identisch, da die Strukturen planar sind. Es existiert also ein,2-dibrombenzen aber kein,6-dibrombenzen. Bei den Cyclohexanstrukturen sieht die Sache etwas komplizierter aus. Da alle C-Atome sp 3 hybridisiert sind, ist der Sechsring nicht planar. Er liegt in der Sesselkonformation vor (vgl. Moleküldynamik bei Alkanen). So wie die Bindung zum om an den Ring gezeichnet ist, lässt sich nicht eindeutig sagen, ob das omatom nach oben oder nach unten gezeichnet werden muss. Daher gibt es mehrere Möglichkeiten der Anordnung der omatome. In folgendem Bild ist Kohlenstoff ummer gekennzeichnet. Die Strukturen sind nicht identisch, da sie nicht durch Drehung ineinander überführt werden können. (Es handelt sich hier um Spiegelbilder.) Auch bei der folgenden Kombination, sind die Strukturen nicht identisch, sie lassen sich durch Drehung nicht ineinander überführen. (Die Erörterung wird wesentlich verkompliziert, wenn auch noch bedacht wird, dass sich die eine Sesselform über die Wannenform in die andere umwandeln kann. ier nicht betrachtet.) 2. Welche Strukturen besitzen aromatische Systeme? inweis: Zeichnen Sie für Pyrrol, Furan und Thiophen die freien Elektronenpaare ein und versuchen Sie dann ein konjugiertes Elektronensystem zu konstruieren. Pyridin S Pyrrol Furan Thiophen Arene sind planare, ringförmige Moleküle, die 4n2 konjugierte Doppelbindungselektronen in einem delokalisierten π-elektronensystem besitzen. Das ist bei Struktur nicht erfüllt. Sie ist zwar konjugiert, hat aber nicht 4n2 e -. Struktur 2 und 3 sind aromatisch. Die -Atome haben keinen Einfluss auf das aromatische System.

2 Drill&Practice: Aufgaben und Lösungen, A. Dinter, KME 2 Pyrrol, Furan und Thiophen sind auch alle aromatisch, hier spielen die eteroatome (icht-c-atome) eine grosse Rolle, hier gezeigt am Beispiel Furan. Das eteroatom liefert ein freies Elektronenpaar, so dass ein aromatisches Elektronensextett gebildet wird. (Pyrrol und Thiophen identisch zu sehen.) 3. Geben Sie die amen an Cl Die omenklatur von Aromaten lässt sich gut in die bekannte omenklatur integrieren. Sie ist im Unterricht aber nicht explizit behandelt worden. Daher halten wir das hier ganz einfach. Ethylbenzen (-Ethylbenzen ist übertrieben) 4-Chlor-toluen (in Anlehnung an TT = 2,4,6-Trinitro-toluen, wo die - Gruppe als Position bezeichnet wurde. Das ist aber im Skript nicht richtig geregelt worden. Es könnte auch -Chlor- 4-methylbenzen heissen. Letzteres ist der IUPAC ame.) 4. Zeichnen Sie 3 veschiedene Grenzstrukturen von aphthalin. 5. Zeichnen Sie alle konstitutionsisomeren Tribrombenzene und geben Sie die amen an.,2,3 Tribrombenzen,2,4 Tribrombenzen,3,5 Tribrombenzen 6. Im Benzin finden sich bis zu 5% Benzen, da Benzen sehr klopffest ist. Würde man mit reinem Benzen fahren, müsste das Benzen/Luftgemisch für eine vollständige Verbrennung eine anderes Mischungsverhältnis haben, da Benzen sehr kohlenstoffreich ist. ehmen Sie an, Benzen und Luft seien ideale Gase. Welches Verhältnis Benzen/Luft muss für eine vollständige Verbrennung vorliegen? Stellen Sie die Reaktionsgleichung der Verbrennung auf und kalkulieren Sie. 2 C C Gesucht ist ein Volumenverhältnis. ach Avogadro ist das Verhältnis der Teilchenanzahl gleich dem Volumenverhältnis. ier hier das Verhältnis Benzen/Sauerstoff 2:5, was aus der Reaktionsgleichung entnommen werden kann. Da die Luft nur ca. 20% Sauerstoff enthält muss das Volumen verfünffacht werden, d.h. 2:75. Konkret: um 2 Liter gasförmiges Benzen zu verbrennen sind 75 Liter Luft nötig.

3 Drill&Practice: Aufgaben und Lösungen, A. Dinter, KME 3 Arene2. In der Mineralölsteuerverordnung (MinöStV) vom 20. ovember 996 (Stand am 6. ovember 2004) steht in Artikel 89 und 90: Die zugelassenen Lagerinhaber müssen eizöl extraleicht vor Entstehung der Steuerforderung nach Artikel 90 färben und kennzeichnen. eizöl extraleicht muss je 000 Liter bei 5 C, gleichmässig verteilt, mindestens enthalten: 4,2 g -Ethyl--4(4-phenylazophenylazo)naphtyl-2-amin, oder 5,5 g -(2-Ethylhexyl)--[[2-methyl-4-[(2- methylphenyl)azo]phenyl]azo]naphthyl-2-amin, oder 6,3 g-(tridecyl)--[[2-methyl-4-[(2-methylphenyl)azo]phenyl]azo]naphthyl-2-amin, oder ein in der Farbwirkung äquivalentes Gemisch aus diesen Farbstoffen; und 6,0 g -Ethyl--[2-(-isobutoxyethoxy)ethyl]-4-(phenylazo)anilin. Steuerlich wenig belastetes eizöl wird also durch Anfärbung mit Azofarbstoffen von steuerlich hoch belastetem aber chemisch identischem Dieselkraftstoff unterschieden. Der erste aufgelistete Stoff ist Sudanrot (die omenklatur lassen wir weg) Zeichnen Sie die 3 verwendeten Ausgangsstoffe. otieren Sie die Diazotierung und die Azokupplung. Azofarbstoffe werden aus Anilin mit atriumnitrit hergestellt. Das Reaktionsschema zeigt, dass die einzelnen Komponenten nach der Azogruppe miteinander gekoppelt werden. Die 3 Ausgangsstoffe sind also 2 2 a 2 Die Diazotierung und die Azokupplung sind folgende: 2 a 2 a 2 in Cl-Lsg in Cl-Lsg in Cl-Lsg 2 2 Diazotierung Azokupplung Elektrophil Elektrophil in Cl-Lsg Azokupplung

4 Drill&Practice: Aufgaben und Lösungen, A. Dinter, KME 4 2. Beurteilen Sie, warum sich die Farbe der Stoffe verändert. (Freie Elektronenpaare nicht eingezeichnet.) S 3 - a S 3 - a Benzen Anilin Kongorot farblos gelb gelborange orangerot rot Farbigkeit von Stoffen kommt durch die Absorption eines gewissen Wellenlängenbereichs des weissen Lichts zustande. Weisses Licht ist ja eine Kombination aller Farben im Wellenlängenbereich von 400 nm (blau/violett) bis 800 nm (rot). hohe Energie geringe Energie Werden Wellenlängen im Bereich von blau absorbiert (Spektralfarbe), so nehmen wir den Stoff als gelb war (Komplementärfarbe gelb = weiss minus Spektralfarbe blau). In der folgenden kreisförmigen, kontinuierlichen Farbdarstellung kommt das sehr schön heraus. ffensichtlich ist, dass die oben dargestellten Moleküle konjugierte π-elektronen besitzen: Benzen nur ein kleines, Kongorot ein grosses, ausgedehntes. Dies legt den Schluss nahe, dass für farbige Stoffe ein grösseres, konjugiertes π-elektronensystem notwendig ist (was übrigens auch für das β-carotin der Fall ist). Je grösser und delokalisierter ein π-elektronensystem ist, umso einfacher kann Licht absorbiert werden. Benzen hat nur ein kleines System, es bräuchte eine relativ hohe Energie zur Absorption um eine Farbigkeit zu zeigen. Für Benzen ist UV Licht hoher Energie erforderlich. Die Absorption ist für unser Auge nicht sichtbar. Anilin hat ein etwas ausgedehnteres Elektronensystem, braucht etwas weniger energiereiches Licht. Es absorbiert wohl ein blau (Spektralfarbe) und wir sehen das als gelb (Komplementärfarbe). Kongorat absorbiert im Bereich blaugrün und erzeugt ein rot. Je grösser die π-elektronensysteme werden, umso weniger energiereiches Licht ist erforderlich, um eine Farbigkeit zu erzeugen. Farbe ändert sich absorbierte Energie nimmt ab

5 Drill&Practice: Aufgaben und Lösungen, A. Dinter, KME 5 3. Stellen Sie Thymol her, den typischenthymianduft. Was sind die Ausgangsstoffe? Die Reaktion soll einstufig sein, d.h. folgende Reaktion soll ablaufen: A B Thymol (nicht mehrere Schritte). 3-Methylphenol könnte der eine Ausgangsstoff sein und 2-Chlorpropan der zweite. Dazu noch AlCl 3 als Katalysator für eine Friedel-Crafts Alkylierung. Die ortho-position ist sinnvoll (obwohl natürlich auch in der anderen ortho oder der para-stellung etwas substituiert werden könnte. In der nachfolgenden Zeichnung Thymol C δ δ C Cl AlCl 3 - C AlCl 4 C Cl AlCl 3 π-komplex σ-komplex 4. Formulieren Sie 2 Möglichkeiten für die Darstellung von Ethylbenzen. utzen Sie a) ein alogenalkan und b) Ethen. Für b) orientieren Sie sich am Kapitel der Alkene. Was muss passieren, damit aus einem Alken ein Elektrophil wird? a) Cl AlCl 3 Cl b) Ethen reagiert zuerst mit einer Säure z.b. Cl in einer elektrophilen Additionsreaktion. Das erzeugte positiv geladene Teilchen ist ein Elektrophil, was mit dem Aromaten reagieren kann. Selbstverständlich kann auch noch vieles andere passieren z.b. die Anlagerung des Cl - an das Carbokation ist viel schneller als die elektrophile aromatische Substitution und es entsteht das Chlorethan. Dann könnte man ja AlCl 3 zugeben. Cl Cl 5. Für die erstellung von Aspirin wird ein Phenolatanion mit C 2 umgesetzt. Ist C 2 zu einem elektrophilen Angriff überhaupt in der Lage? Im C 2 sind die partiell negativ geladen und das C partiell positiv. Damit ist die Voraussetzung für einen elektrophilen Angriff des C erfüllt. Auch die ortho-stellung ist sinnvoll, da hier eine negative Ladung vorhanden ist. Die para-stellung ist natürlich auch möglich und sterisch vielleicht sogar besser. (Die 3 Reaktionspfeile zeigen an, dass der elektrophile Angriff nur der erste Schritt ist. Die nachfolgenden Schritte, die hier nicht erläutert werden, lassen es logisch erscheinen, dass die ortho-position bevorzugt wird.) δ δ C δ C C 6. Eine Gruppe von Antibiotika stellen die sog. Sulfonamide dar. Eines der ersten war das Sulfanilamid. a) Eine Vorstufe ist die Sulfonierung von Anilin mit S 3. Zeichnen Sie S 3 und beurteilen Sie, ob das S 3, (wie das C 2 ) in der Lage ist, an das Anilin zu binden. Gehen Sie ganz logisch vor. 2 S 2 2 Sulfanilamid

6 Drill&Practice: Aufgaben und Lösungen, A. Dinter, KME 6 b) Wenn ein -Ion vorhanden ist, könnte dann Sulfanilsäure (aus dem Farbstoffexperiment) aus Anilin hergestellt werden? (Aus der Sulfanilsäure könnte dann das Sulfanilamid hergestellt werden.) c) In der technischen erstellung wird nicht S 3 verwendet sondern Chlorsulfonsäure ClS 3. Zeichnen Sie die Chlorsulfonsäure. Finden Sie da Reagenz brauchbar? Argumentieren Sie mit der S E. a) Der Schwefel kann elektrophil angreifen. S 2 b) Ja, Sulfanilsäure kann prinzipiell so hergestellt werden. S S 2 Sulfanilsäure S 3 c) Chlorsulfonsäure funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie die Friedel-Crafts-Alkylierung. Ja, das Reagenz ist brauchbar. 2 S Cl 2