Übungen zur VL Chemie für Biologen und Humanbiologen

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1 Übungen zur VL Chemie für Biologen und Humanbiologen Zeichnen Sie die Valenzstrichformeln folgender Verbindungen und benutzen Sie im Falle unbestimmter Alkylreste ein R: a) ein tertiärer Alkohol b) ein primäres Amin c) Diethylether O d) Dodecanthiol e) Propanaldehyd f) Propanon (Trivialname: Aceton) g) Benzen (Trivialname: Benzol) h) ein beliebiges Halogenalkan

2 i) para-dimethylbenzen (Trivialname: para-xylol) j) ein Peroxid k) ein Sulfon 2. a) Wie werden synthetische Polymere im Volksmund genannt? Kunstoffe oder Plastik b) Synthetische Polymere können zum Beispiel durch radikalische initiierte Kettenreaktionen aus Alkenen entstehen. Geben Sie drei Beispiele (Valenzstrichformeln) von Monomeren an und zeichnen Sie die Repetiereinheit des Polymers, welches daraus gebildet wird.

3 3. Die meisten Reaktionen in der organischen Chemie sind polare Reaktionen, d.h. Reaktionen zwischen einem elektrophilen Molekül(teil) und einem nucleophilen Molekül(teil). a) Was ist ein Elektrophil bzw. Nukleophil? Ein Elektrophil ist elektronenarm und daher elektronenliebend. Beispiel: Carbonyl- Kohlenstoffatom bei Essigsäurechlorid: Ein Nucleophil ist elektronenreich und daher kernliebend. Beispiel: Stickstoff in einem primären Amin. Folge: Diese beiden Verbindungen würde sofort miteinander reagieren! Das freie Elektronenpaar des Stickstoffs greift das Carbonylkohlenstoffatom des Säurechlorids an. b) Markieren Sie positive und negative Partialladungen in den folgenden Verbindungen mit δ+ und δ-. Die geringe Polarität der C-H-Bindung spielt hier keine Rolle: 1) 2) 3) unpolares Molekül, keine Partialladungen! 4) 5) Senfgas (S-LOST) kann intramolekular eine nucleophile Substitution eingehen. Der entstehende Dreiring kann wiederum von anderen Nucleophilen wie der Feuchtigkeit aus der Lunge angegriffen werden. Es kommt so zur Freisetzung von Salzsäure in der Lunge der Betroffenen. (Senfgas/LOST)

4 4. a) Was charakterisiert einen Aromaten? (4 Kriterien) 1) cyclisch 2) planar 3) konjugiertes π-elektronensystem (alle beteiligten Atome sp 2 -hybridisiert) 4) Anzahl π-elektronen ist 4 n + 2 (n = 0, 1, 2, 3, 4, ) b) Entscheiden Sie für folgende Verbindungen, ob ein aromatisches System in der Verbindung vorhanden ist: 1) JA 2) NEIN, weil 4 π-elektronen 3) JA 4) NEIN, weil 8 π-elektronen 5) NEIN, weil nicht konjugiert 6) JA 7) NEIN, weil 8 π-elektronen. Erklärung: am sp 3 -Kohlenstoff wurde ein Proton entfernt, so dass beide bindenden Elektronen am Kohlenstoff verbleiben. Es kommt zur Umhybridisierung nach sp 2, damit diese Elektronen im p z -Orbital am konjugierten System teilnehmen können. Der Ladungsüberschuss beträgt zwar nur ein Elektron, das Minus zeigt hier trotzdem ZWEI π-elektronen an. 8) JA 9) JA 10) JA, 18 π-elektronen

5 Tipp: 1. Heteroatome verlagern Ihr freies Elektronenpaar in ein p-orbital (sp 2 - Hybridisierung) und beteiligen sich so am pi-elektronensystem, wenn dadurch Aromatizität entstehen kann. 2. Carbokationen sind sp 2 -hybridisiert 3. Carbanionen können auch sp 2 -hybridisiert vorliegen, falls so Aromatizität geschaffen werden kann. 4. Nicht jedes pi-elektron muss sich am Aromat beteiligen. 5. a) Welchen Nutzen hat die Kenntnis über mögliche mesomere Grenzstrukturen? 1. Man kann die Stabilität einer Verbindung abschätzen. Je mehr mesomere Grenzstrukturen äquivalenter Energie formulierbar sind, desto stabiler ist die Verbindung. 2. Durch Formulierung von Grenzstrukturen lässt sich die Regioselektivität vieler Reaktionen erklären. Man erkennt Positionen mit erhöhter und erniedrigter Ladungsdichte. b) Geben Sie mesomere Grenzformeln für die folgenden Verbindungen an: Die freien Elektronenpaare bei den Valenzstrichformeln weggelassen, mit Ausnahme der Aufgaben 5 und 6. 1) 2) 3) O O O 4) 5) 6)

6 c) Verbindung 5 aus Aufgabe 5 wird mit Hilfe der Reagenzien Chlormethan und Aluminiumtrichlorid methyliert. Es handelt sich um eine elektrophile Substitution. An welchen Stellen des Benzenringes wird bevorzugt methyliert? (Tip: Nehmen Sie die mesomeren Grenzstrukturen aus Aufgabe 5 zu Hilfe) Ein Elektrophil (elektronenliebend) wird bevorzugt in para und ortho-stellung angreifen, weil aus den mesomeren Grenzstrukturen in Aufgabe 5b ersichtlich wird, dass dort ein Elektronenüberschuss herrscht. 6. Welche der beiden Verbindungen lässt sich leichter dehydratisieren? Zeichnen Sie die Valenzstrichformeln der entstehenden Produkte und vergleichen Sie deren Stabilität. großes konjugiertes π-system sehr stabil OH -H 2 O + Hauptprodukt Nebenprodukt Antw.: Die erste Verbindung lässt sich leichter dehydratisieren. Das entstehende Molekül besitzt ein sehr großes konjugietes π-system. Dies ist sehr stabil. Verbindung zwei erzielt höchstens zwei konjugierte Doppelbindungen ( Hauptprodukt).

7 7. Welches strukturelle Merkmal haben organische Farbstoffe gemeinsam und wovon hängt ab welche Wellenlängee des Lichtes sie absorbieren? Organische Farbstoffe besitzen ein großes konjugiertes π-system. Je größer das System, desto länger die Wellenlänge des absorbierten Lichtes. Beispiele: beta-carotin, ein natürlicher rot-organger Farbstoff, der in Karotten vorkommt. Der Farbstoff der Tomate ist sehr ähnlich. Rotkohl oder Blaukraut? Rotkohl enthält einen Farbstoff, der abhängig vom ph-wert des Bodens oder während der Zubereitung seine Farbe wechseln kann (wie ein ph-indikator). Durch Addition von Protonen oder OH - -Ionen ändert das konjugierte π-system seine Größe und daher die Farbe. Aus diesem Grund ist Rotkohl in manchen Regionen Deutschlands auch als Blaukraut bekannt.