Übungen zur VL Chemie für Biologen und Humanbiologen Lösung Übung 9

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1 Übungen zur VL Chemie für Biologen und Humanbiologen Lösung Übung 9 1. Geben Sie jeweils zwei Beispiele für Konformations- und Konstitutionsisomere, d.h. insgesamt vier Paare von Molekülen. Konformationsisomere: gleiche Summenformel, gleiche Konnektivität der Atome, Konformationsisomere sind ohne Bindungsbrüche ineinander überführbar und liegen im Gleichgewicht vor. Beispiel 1 Beispiel 2 Konstitutionsisomere: gleiche Summenformel, unterschiedliche Konnektivität der Atome Beispiel 1, Summenformel C 2 H 6 O Beispiel 2, Summenformel C 6 H 11 N 2. Doppelbindungen können in der cis-, trans-, Z- oder E-Konfiguration auftreten. Dies ist eine Form von Stereoisomerie (Stereoisomerie wird im Rahmen des chemischen Praktikums genauer behandelt). a) Geben Sie jeweils ein Beispiel für jede dieser Konfigurationen. b) Wieso sind diese Unterscheidungen überhaupt notwendig? a) Bei jeweils nur einem Substituenten an den Kohlenstoffatomen der Doppelbindung wird die Bezeichnung cis und trans verwendet. Bei drei oder vier Substituenten an der Doppelbindung wird die E- und Z-Einteilung verwendet. Es ist eine Priorisierung der Substituenten notwendig. Umso höher die Atommasse Atoms, welches direkt an der Doppelbindung sitzt, desto höher die Priorität. Bei mehreren Kohlenwasserstoffresten zählt die längere Kette. Befinden sich die beiden Substituenten höherer Priorität auf der gleichen Seite der Doppelbindung, liegt die Z-Konfiguration (zusammen) vor. Befinden sie sich auf entgegengesetzten Seiten, so liegt die E-Konfiguration (entgegen) vor.

2 b) Die Unterscheidung ist notwendig, da die beiden Stereoisomere in der Regel nicht ineinander überführt werden können und andere physikalische und chemische Eigenschaften besitzen. Dies liegt daran, dass bei einer Drehung um eine Doppelbdinung die p-orbitale, welche die π-bindung bilden zeitweise den Überlapp verlieren würden. Dies wäre sehr ungünstig. 3. Wieso nimmt Cyclohexan in der Regel eine sesselförmige Konformation ein? Wieso liegen die Kohlenstoffatome nicht alle auf einer Ebene (planarer Ring)? Die Kohlenstoffatome in Cyclohexan sind sp 3 -hybridisiert. Die vier Hybridorbitale bilden einen Tetraeder mit einem Winkel von 109,5. Deshalb bevorzugen die Kohlenstoffatome in Cyclohexan eine Konformation, in der alle Bindungswinkel möglichst dem Tetraederwinkel entsprechen. In einer planaren Konfiguration wäre der Winkel zwischen zwei Kohlenstoffatomen mit 120 sehr ungünstig. 4. Ein sehr großer Teil von Reaktionen zwischen organischen Molekülen sind polare Reaktionen, d.h. Reaktionen zwischen elektronenreichen (kernliebenden, nucleophilen) Molekülen bzw. Molekülteilen und elektronenarmen (elektronenliebenden, elektrophilen) Molekülteilen. Im Folgenden sind vier Beispielreaktionen gegeben. a) Kennzeichnen Sie negative und positive Partialladungen der Edukte mit δ- und δ+. Aufgrund der geringen Elektronegativitätsdifferenz ist die C-H-Bindung nur wenig polar, so dass diese hier nicht berücksichtig werden muss. b) Kennzeichnen Sie Elektrophil und Nucleophil. c) Zeichnen Sie Pfeile, um die Verschiebung von Elektronen zu beschreiben. Beachten Sie, dass der Pfeil immer von den Elektronen ausgeht. d) Zu welchem Reaktionstyp gehört die Reaktion? Nucleophile Substitution, elektrophile Substitution, nucleophile Addition oder elektrophile Addition? Ob der Reaktionstyp als nucleophil oder elektrophil bezeichnet wird, richtet sich in der Regel nach dem ersten Schritt des Reaktionsmechanismus. δ- und δ+ sind aus softwaretechnischen Gründen als dm und dp gekennzeichnet.

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4 5. Erklären Sie warum bei der unten gezeigten Reaktion zwei unterschiedliche Produkte entstehen können und warum eines der Produkte bevorzugt gebildet wird. Tip: Die Zwischenstufe (siehe Aufgabe 4) ist wichtig. 6. Welchen Effekt hat ein Katalysator auf a) den Reaktionsmechanismus? Der Reaktionsmechanismus ändert sich. Häufig wird der Mechanismus in mehr Teilschritte mit jeweils geringeren Aktivierungsenergien unterteilt. b) die Aktivierungsenergie? Relevant für die Geschwindigkeit einer Reaktion ist nur die Aktivierungsenergie des langsamsten Teilschritts (geschwindigkeitsbestimmender Schritt). Ein Katalysator setzt diese Aktivierungsenergie herab. c) die Reaktionsgeschwindigkeit? Die Reaktionsgeschwindigkeit ist direkt abhängig von der Höhe der Aktivierungsenergie des geschwindigkeitsbestimmenden Schrittes. Ein Katalysator reduziert die Aktivierungsenergie und beschleunigt damit die Reaktion. d) Man braucht nur sehr wenig Katalysator im Vergleich zu den Reaktanden. Warum? Der Katalysator geht unverändert aus der Reaktion hervor, so dass er für weitere Katalysecyclen wieder zur Verfügung steht.

5 7. a) Was sind konjugierte Doppelbindungen? Erklären Sie anhand eines Beispiels. b) Was bedeutet das für die sigma- und π-elektronen im konjugierten Doppelbindungssystem? Die π-elektronen sind über das gesamte konjugierte System delokalisiert, sigma-elektronen bleiben zwischen den jeweiligen Bindungspartnern lokalisiert. c) Welche Eigenschaft verbindet viele Moleküle mit einem großen System an konjugierten Doppelbindungen? Sie sind farbig. Die Ausdehnung des konjugierten Systems bestimmt die Farbe. Vorkommen: Blüten, rote Blätter im Herbst, Rotkohl, ph-indikatoren, usw. 8. a) Was ist ein Aromat? Nennen Sie alle Bedingungen, die ein Aromat erfüllen muss. 4n + 2 π-elektronen konjugiertes π-elektronensystem (alle beteiligten Atome sp 2 oder sp-hybridisiert) planar cyclisch b) Entscheiden Sie, ob die folgenden Verbindungen aromatische Systeme enthalten. Tip: freie Elektronenpaare beteiligen sich am π-elektronensystem, falls so ein aromatisches System entsteht. Carbeniumionen sind sp 2 -hybridisiert. Carbanionen können sowohl sp 3 als auch sp 2 - hybridisiert sein, je nachdem was günstiger für das betreffende Molekül ist. 1) JA 2) NEIN, weil 4 π-elektronen 3) JA 4) NEIN, weil 8 π-elektronen 5) NEIN, weil nicht konjugiert 6) JA

6 7) NEIN, weil 8 π-elektronen. 8) JA 9) JA 10) JA, 18 π-elektronen

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