icon  Chemiepraktikum für Mediziner Teil 8

8. Praktikumstag

Funktionelle Carbonsäurederivate, Carbonylverbindungen

Gegenstandskatalog (4. Aufl. 2001): 3.7 (Additions/Eliminierungs-Reaktionen), 3.8 (Substitutionsreaktionen), 6.2.1 (Acylglycerine)
Lehrbuch: Kapitel 19, 21

Aufgaben: 8-1 bis 8-14

Fragenkatalog 8 (8. Praktikumstag)

1. Welche Eigenschaften besitzt eine Carbonylgruppe (Carbonyl)?

2. a) Was verstehen Sie unter einem Nucleophil (= nucleophilen Reagenz)? Welche Nucleophile kennen Sie?
b) Ist OH- oder H2O nucleophiler?

3. Warum können Nucleophile mit Carbonylgruppen reagieren?

4. a) Was sind Aldehyde und Ketone? Nennen Sie jeweils ein Beispiel.
b) Wie reagieren Aldehyde und Ketone mit Wasser oder Alkoholen? Geben Sie den Reaktionsablauf mit allen Teilschritten wieder. Handelt es sich bei den einzelnen Reaktionsschritten jeweils um eine Addition, Elimination, Umlagerung oder eine Kondensation?
c) Was passiert bei Zugabe einer Säure?

5. a) Welche funktionellen Carbonsäurederivate kennen Sie? Ordnen Sie diese nach Ihrer Reaktivität gegenüber Nucleophilen.
b) Wovon hängt die Reaktivität gegenüber Nucleophilen ab?

6. a) Formulieren Sie den Mechanismus von Esterbildung und Esterhydrolyse unter Zugabe von H+-Ionen. Welche Rolle spielt die Säure bei diesen Reaktionen? Laufen diese Reaktionen vollständig ab?
b) Formulieren Sie den Mechanismus der alkalischen Esterhydrolyse. Warum hat diese Reaktion einen anderen Verlauf?

7. Erläutern Sie den Reaktionsablauf bei der Aldoladdition. Welche Rolle spielt die Natronlauge?

Colloquiumsfragen

1. Von welchen Faktoren ist die Acidität von Carbonsäuren abhängig? (Beispiele)

2. a) Welche Art von Isomerie tritt bei dem Paar Maleinsäure/Fumarsäure auf?
b) Von welcher der beiden Verbindungen läßt sich ein inneres Anhydrid bilden?

3. a) Was ist ein asymmetrisches C-Atom?
b) Erläutern Sie den Begriff Spiegelbildisomerie.
c) Was bedeuten die Buchstaben D und L (z. B. bei Milchsäure) sowie die Zeichen + und - bei optisch aktiven Verbindungen?

4. a) Wie läßt sich die Löslichkeit von Verbindungen in polaren bzw. unpolaren Lösungsmitteln erklären?
b) Diskutieren Sie die Veränderung der Wasser- bzw. Fettlöslichkeit innerhalb folgender Reihen:

     Bernsteinsäure, Äpfelsäure, Weinsäure
     Benzol, Benzoesäure, Natriumbenzoat
     Essigsäure, Buttersäure, Stearinsäure

5. Im Citronensäurecyclus tritt die Reaktionsfolge

Bernsteinsäure Pfeil Fumarsäure Pfeil L-Äpfelsäure Pfeil Oxalessigsäure (HOOC-CO-CH2-COOH) auf.

Entwickeln Sie das Formelschema. Welche Reaktionstypen liegen vor (z. B. Hydrierung/Dehydrierung, Hydratisierung/Dehydratisierung, Addition/Eliminierung)?

6. Nennen Sie je ein korrespondierendes Redoxpaar aus dem anorganisch- und organisch-chemischen Bereich, bei dem das Redoxpotential pH-abhängig ist (vollständige Gleichung).
a) Nach welcher Gesetzmäßigkeit läßt sich das Redoxpotential berechnen?
b) Würde bei diesen Beispielen das Redoxpotential bei pH-Erniedrigung größer oder kleiner werden?

7. a) Schreiben Sie die Strukturformel für je eine Carbonsäure und Sulfonsäure, ein Phenol, einen Alkohol und ein Mercaptan und benennen Sie diese Beispiele.
b) Wie heißen die betreffenden funktionellen Gruppen?
c) Ordnen Sie die o. g. Verbindungen nach steigender Acidität.
d) Erklären Sie den Zusammenhang zwischen Mesomeriestabilisierung und Acidität.
e) Gibt es einen Unterschied zwischen Thioalkoholen, Thiolen, Mercaptanen und Verbindungen, die eine Sulfhydrylgruppe enthalten?

8. a) In den biochemisch wichtigen Proteinen (Eiweißen) kommen häufig Disulfidbrücken vor. Formulieren Sie ihre reversible Bildung aus Mercaptogruppen. Welcher Reaktionstyp liegt vor?
b) Welche Reaktionen von Mercaptanen kennen Sie außerdem? (Gleichungen)


Aufgaben (8. Praktikumstag)

Demonstrationsversuch des Assistenten

Aufgabe 8-1 Derivate der Essigsäure

Begriffe/Sachverhalte: funktionelle Carbonsäurederivate und deren Hydrolyse


Teil a
Der Assistent gibt in ein zur Hälfte mit Wasser gefülltes 100 ml Becherglas 1-2 ml Acetylchlorid (Vorsicht! Abzug!). Energieabgabe in Form von Wärme: .Delta.H < 0

pH-Wert der Lösung:

Erklärung:


Hydrolysegleichung:


Teil b
Der Assistent wiederholt den Versuch mit 1-2 ml Essigsäureanhydrid. Die Reaktion verläuft weniger heftig. Nach 1-2 min bestimmt der Assistent den pH-Wert der Lösung.

pH-Wert der Lösung:

Warum wird ein anderer pH-Wert als im Teil a gemessen?


Hydrolysegleichung:


Teil c
Der Versuch wird mit 1-2 ml Essigsäureethylester wiederholt. Nach ca. 5 min wird der pH-Wert gemessen.

pH-Wert:


Versuchsergebnis:




Fassen Sie die Ergebnisse der Teile a-c zusammen.

Demonstrationsversuch des Assistenten

Aufgabe 8-2 Reaktion von Phosphorsäureanhydrid mit Wasser

Begriffe/Sachverhalte: Struktur von Phosphorsäureanhydrid, Hydrolyse von Phosphorsäureanhydrid/Reaktionswärme.


Vorsicht! Abzug!

Der Assistent gibt in ein zur Hälfte mit Wasser gefülltes Becherglas mehrere Spatelspitzen Phosphorsäureanhydrid (P4O10). Unter starker Wärmeentwicklung tritt eine heftige Reaktion ein. Das Becherglas wird einige Zeit stehen gelassen (evtl. rühren!), bis eine klare Lösung entstanden ist. Gegebenenfalls muß kurz aufgekocht werden. Danach wird mit pH-Papier geprüft.


Gleichung:


Erklärung:

Das wirksame Prinzip des wichtigsten Energieträgers im menschlichen/tierischen Körper (genannt ATP) ist die Spaltung einer Phosphorsäureanhydridbindung. Pro Tag setzt der Mensch rund 70 kg ATP um! Dieser Versuch soll Ihnen am Beispiel des reinen Phosphorsäureanhydrids eindrucksvoll demonstrieren, welch ungeheure Kräfte in Verbindungen wie ATP gebändigt sind.


Aufgabe 8-3 Hydrolyse von Acetamid

Begriffe/Sachverhalte: funktionelle Carbonsäurederivate, säurekatalysierte und alkalische Hydrolyse


Teil a
In einem 100 ml Becherglas wird eine Spatelspitze Acetamid mit ca. 10 ml NaOH-Lösung (c = 2 mol/l) vorsichtig erwärmt. Das Becherglas wird mit einem Uhrglas abgedeckt, an dessen Unterseite feuchtes Universalindikatorpapier befestigt wurde.

Beobachtung:


Wahrnehmbarer Geruch:


Hydrolysegleichung:






Teil b
Eine Spatelspitze Acetamid wird mit ca. 10 ml H2SO4-Lösung (c = 1 mol/l) in einem Becherglas vorsichtig erhitzt. Nach 1-2 min wird der Geruch geprüft.

Wahrnehmbarer Geruch:


Hydrolysegleichung:






Aufgabe 8-4 Fette

Begriffe/Sachverhalte: dreiwertige Alkohole, Monocarbonsäuren, Carbonsäureester, Fetthydrolyse


Geben Sie die Hydrolyse-Gleichung für Tristearylglycerin an. Kennzeichnen Sie im Edukt die Estergruppierungen und benennen Sie die Produkte.




Aufgabe 8-5 Amide der Kohlensäure

Begriffe/Sachverhalte: Derivate der Kohlensäure, Protolyse-Gleichgewichte der Kohlensäure


Teil a
Es sind die Strukturformeln einzutragen.

Kohlensäure Carbamidsäure
(Monoamid)
Harnstoff
(Diamid)






   


Teil b
Eine Spatelspitze Ammoniumcarbamat wird in Wasser gelöst und tropfenweise mit H2SO4-Lösung (c = 1 mol/l) versetzt. In den Gasraum des Reagenzglases wird ein Glasstab gehalten, der zuvor in Barytwasser getaucht wurde.

Beobachtung:


Gleichung 1
(Ionengleichung):


Gleichung 2
(Zerfall der Carbamidsäure):


Teil c
Eine Spatelspitze Harnstoff und 10 ml NaOH-Lösung (c = 2 mol/l) werden in einem Becherglas vorsichtig erwärmt. Das Becherglas wird mit einem Uhrglas abgedeckt, das unten mit feuchtem Universalindikatorpapier beklebt worden ist.

Beobachtung:


Wahrnehmbarer Geruch:


Hydrolysegleichung
des Harnstoffs:


Demonstrationsversuch des Assistenten

Aufgabe 8-6 Verhalten von Aldehyden gegenüber Wasser bzw. Ethanol

Begriffe/Sachverhalte: thermodynamische Effekte, katalysierte Reaktionen


Teil a
Es ist säurefrei zu arbeiten: frischer Aldehyd (warum?)! Reagenzglas + Thermometer müssen trocken und sauber sein!

Der Assistent füllt ein Reagenzglas mit genau 2 ml Ethanol.

Er prüft die Temperatur T1:

Er fügt genau 2 ml Acetaldehyd hinzu und mißt die Temperatur T2 sofort nach Zugabe, sowie die Temperatur nach 1, 2, 3 und 4 min:

T2 (sofort nach Zugabe): T5 (3 min):

T3 (1 min): T6 (4 min):

T4 (2 min):

 

Welche Aussagen lassen sich über die Lösungsenthalpie und die Reaktionsenthalpie machen?






Teil b
Der Assistent gibt in ein Reagenzglas ca. 2 ml Ethanol und einen Tropfen HCl-Lösung (c = 1 mol/l).

Er prüft die Temperatur T1:

Der Assistent fügt nun ca. 2 ml Acetaldehyd hinzu und mißt die Temperatur T2 sofort nach Zugabe sowie die Temperatur T3 nach 1 min.

T2 (sofort nach Zugabe):

T3 (nach 1 min):

Reaktionsgleichung mit Mechanismus:





Wodurch ist der gegenüber Teil a andersartige Temperaturverlauf bei Teil b begründet?


Teil c
Der Assistent wiederholt Teil a mit 2 ml H2O statt Ethanol und mißt die Temperaturen T1, T2, T3 und T4.

T1 (vor Zugabe):

T2 (sofort nach Zugabe):

T3 (nach 1 min):

T4 (nach 2 min):

Reaktionsgleichung:












Aufgabe 8-7 Kondensation mit NH2-Gruppen

Begriffe/Sachverhalte: Bildung von Azomethinen (Schiff'schen Basen)


Es ist die Reaktionsgleichung für die Kondensation von Benzaldehyd mit Anilin zu entwickeln.


Benzaldehyd + Anilin Pfeil Azomethin (Schiff'sche Base) +







Aufgabe 8-8 Aldoladdition und Aldolkondensation

Begriffe/Sachverhalte: Bildung von C-C-Bindungen, C-H-acide Verbindungen, Carbanionen als Nucleophile, mesomeriestabilisierte Systeme, Dehydratisierung von Aldolen


Teil a
Formulieren Sie den Reaktionsablauf (mit Mechanismus) der Aldolkondensation ausgehend von Acetaldehyd. Diese Reaktion läuft unter Zugabe von NaOH ab. Welche Rolle spielt die Natronlauge?

Acetaldehyd Pfeil Acetaldol Pfeil Crotonaldehyd



















Wieviele Isomere existieren vom Acetaldol und vom Crotonaldehyd?




Um welche Art von Isomerie handelt es sich jeweils?








Teil b
Die Reaktion bleibt nicht auf der Stufe des Crotonaldehyds stehen. Es entstehen höhere, mehrfach ungesättigte Aldehyde. Erläutern Sie, wie es zu ihrer Bildung kommt.


Teil c
Formulieren Sie die Aldolkondensation für 2 Moleküle Propionaldehyd.












Aufgabe 8-9 Milchsäure/Brenztraubensäure

Begriffe/Sachverhalte: korrespondierende Redoxpaare


Die Umwandlung von Brenztraubensäure in Milchsäure ist eine wichtige Voraussetzung für erhöhte Muskelarbeit. Ohne diesen Umwandlungsprozeß könnte man zwar langsam gehen, sprinten wäre jedoch unmöglich.

In welcher Form liegen Brenztraubensäure und Milchsäure im menschlichen Körper (also im Neutralbereich) vor? Wie heißen die Ionen? Formulieren Sie die Umwandlungsgleichung. Was für ein Reaktionspartner wird für den Ablauf der Reaktion benötigt?




Aufgabe 8-10 Keto-Enol-Tautomerie

Begriffe/Sachverhalte: Tautomerie-Gleichgewichte, CH-acide Verbindungen


Fe3+-Ionen bilden mit Enol-Molekülen einen roten Komplex, je höher die Enol-Konzentration ist, desto tiefer rot ist die Lösung gefärbt.

Teil a
Zu 5 Tropfen Aceton werden 2 ml Ethanol und 3 Tropfen 9 %ige Eisen(III)-chlorid-Lösung (FeCl3) gegeben.

Beobachtung:



Der Versuch wird mit 5 Tropfen Acetessigester (=Acetessigsäureethylester) wiederholt.

Beobachtung:



Erklärung:



Teil b

Unter dem Abzug arbeiten!

Sättigen Sie 10 ml Wasser durch Schütteln mit etwa 0,5 ml Acetessigester und filtrieren Sie zur Beseitigung ungelösten Acetessigesters durch einen trockenen Filter, kühlen Sie das Filtrat mit Eiswasser und geben Sie 3 Tropfen Eisen(III)-chloridlösung hinzu. Aus einer Bürette geben Sie nun schnell so lange Bromwasser in die Lösung, bis die rote Farbe verschwindet. Nach einiger Zeit tritt die rote Farbe wieder auf. Nach erneuter Zugabe von Bromwasser wiederholt sich dieser Vorgang.
Wie ist das Verschwinden und Wiedererscheinen der Rotfärbung zu erklären?


Aufgabe 8-11 Acidität von Acetessigester

Begriffe/Sachverhalte: C-H-acide Verbindungen, Keto-Enol-Tautomerie


Versetzen Sie 2-3 ml Wasser mit 1 Tropfen Phenolphthalein und 1 Tropfen NaOH-Lösung (c = 0,1 mol/l). Geben Sie dann 2-3 Tropfen Acetessigester hinzu.

Beobachtung:


Erklärung:






Tautomerisierung:












Säure-Base-Reaktion:



Aufgabe 8-12 Tautomerie, Isomerie und Mesomerie

Begriffe/Sachverhalte: Konstitutionsisomerie, Tautomerie, Stereoisomerie, Enantiomere, cis/trans-Isomerie, Mesomerie

Handelt es sich bei den folgenden Formelpaaren um identische Verbindungen, Tautomere, Konstitutionsisomere, cis- bzw. trans-Isomere, Enantiomere oder mesomere Grenzformen?

a   ________

b   ________

c   ________

d   ________

e   ________

f   ________


Für welche Formelpaare kann eines der 3 Zeichen =, Doppelpfeil bzw. equiv} benutzt werden?


Aufgabe 8-13 Aldehyde und Ketone, Reaktion mit Ag+

Begriffe/Sachverhalte: Reduktionsvermögen, Oxidierbarkeit


Versetzen Sie in einem fettfreien Reagenzglas 2 ml einer 5 %igen Silbernitratlösung tropfenweise so lange mit 5 %iger Ammoniaklösung, bis der entstandene Niederschlag gerade wieder in Lösung geht (ein Ammoniaküberschuß muß durch Zugabe von wenig Silbernitratlösung wieder kompensiert werden!). Dann geben Sie tropfenweise Natronlauge (c = 0,1 mol/l) hinzu und verteilen die Lösung auf zwei (saubere) Reagenzgläser, die mit 3 Tropfen Acetaldehyd bzw. Aceton versetzt und nach Kennzeichnung gegebenenfalls in ein siedendes Wasserbad gesetzt werden.


a) Acetaldehyd      Beobachtung:


b) Aceton      Beobachtung:


Erklärung:



Oxidation:



Reduktion:



Redoxgleichung:


Aufgabe 8-14 Aldehyde und Ketone, Reaktion mit Cu2+

Begriffe/Sachverhalte: Reduktionsvermögen, Oxidierbarkeit


Geben Sie in zwei (saubere) Reagenzgläser jeweils 2 ml Fehlingsche Lsg. I und 2 ml Fehlingsche Lsg. II. Versetzen Sie mit 5 Tropfen Acetaldehyd (a) bzw. Aceton (b) und erwärmen Sie die Reagenzgläser im siedenden Wasserbad.

a) Acetaldehyd      Beobachtung:

b) Aceton      Beobachtung:



Erklärung:



Oxidation:



Reduktion:


Fällungsreaktion: 2 Cu+ + 2 OH- Pfeil



Reaktionsgleichung:




prev toc next

up  Leitseite "Chemiepraktikum für Mediziner"


© J. Mittner, B. Kirste. 1999-05-11