Organische Chemie für Schüler/ Druckversion

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Organische Chemie für Schüler


H. Hoffmeister
Wikibooks


Inhaltsverzeichnis

Kohlenstoffverbindungen

Wöhler entdeckt die Harnstoffsynthese
und begründet die Organische Chemie

Harnstoff

Harnstoff ist ein weißer, kristalliner, geruchloser Feststoff. Er entsteht im Körper von Menschen oder Tieren, wenn Eiweiße aus der Nahrung abgebaut werden. Zusammen mit Wasser verlässt der Harnstoff den Körper als Urin. Aufgrund seines hohen Stickstoffgehaltes ist Harnstoff weltweit das bedeutendste Stickstoffdüngemittel.


Vor 200 Jahren glaubte man, er sei nur auf natürlichem Wege, also organisch herzustellen. Für organische Stoffe sei eine „Lebenskraft“ notwendig (die damals so genannte Vis Vitalis). Der deutsche Chemiker Friedrich Wöhler (1800 - 1882) wi­derlegte diese Ansicht. Im Jahr 1828 stellte er im Labor Harnstoff aus anorganischen Ausgangsstoffen künstlich her. Da niemand dies für möglich hielt, war Wöhler selbst von dem Ergebnis beeindruckt. So schrieb er bald darauf an seinen Freund Berzelius:


Berlin, 28 Februar 1828
Friedrich Wöhler
„Lieber Herr Professor!

Obgleich ich sicher hoffe, daß mein Brief vom 12. Januar und das Postskript vom 1. Februar bey Ihnen angelangt sind und ich täglich oder vielmehr stündlich in der gespannten Hoffnung lebe, einen Brief von Ihnen zu erhalten, so will ich in doch nicht abwarten, sondern schon wieder schreiben, denn ich kann, so zu sagen, mein chemisches Wasser nicht halten und muß Ihnen sagen, daß ich Harnstoff machen kann, ohne dazu Nieren oder überhaupt ein Thier, sey es Mensch oder Hund, nöthig zu haben. Das cyansaure Ammoniak ist Harnstoff. Vielleicht erinnern Sie sich noch der Versuche, die ich in der glücklichen Zeit, als ich noch bey Ihnen arbeitete, anstellte, wo ich fand, daß immer, wenn man Cyansäure mit Ammoniak zu verbinden sucht, eine krystallisirte Substanz entsteht, die sich indifferent verhielt und weder auf Cyansäure noch Ammoniak reagierte. Beim Durchblättern meines Journals fiel mir dies wieder auf, und ich hielt es für möglich, daß durch die Vereinigung von Cyansäure und Ammoniak die Elemente, zwar in derselben Proportion, aber auf eine andere Art zusammentreten könnten und hierbey vielleicht z.B. eine vegetabilische Salzbase oder etwas Ähnliches gebildet werden könnte.“


Die Tragweite der Entdeckung, zeigte sich auch darin, dass Wöhler noch im gleichen Jahr, im Alter von 28 Jahren zum Professor in Berlin ernannt wurde. 1832 wechselte er dann nach Kassel und wurde 1836 Leitender Professor für Chemie und Pharmazie an der Universität Göttingen. Dort arbeitete er auch mit Justus von Liebig zusammen. Sie veröffentlichten eine gemeinsame Arbeit:

Friedrich Wöhler, Justus von Liebig: „... die Erzeugung aller organischen Materien in unseren Laboratorium ist nicht allein wahrscheinlich, sondern muss als gewiss betrachtet werden. Zucker, Salicin, Morphin werden künstlich hervorgebracht werden. Wir kennen freilich die Wege noch nicht, auf dem dieses Endresultat zu erreichen ist, weil uns die Vorderglieder unbekannt sind, aus denen diese Materien sich entwickeln, allein wir werden sie kennen lernen.“
Quelle: Unbekannt


Bis zu seinem Tod im Jahre 1882 wirkte und lehrte Wöhler in Göttingen. Seine Vision wurde schnell Wirklichkeit. Viele organische Substanzen wurden in den folgenden Jahren auch im Labor hergestellt. Eine Trennung von anorganischer und organischer Chemie war nun im Grunde überflüssig.

Dass diese Trennung dennoch bis heute beibehalten wurde (obwohl die Grenzen fließend sind!) ist also eher historisch zu verstehen. Allerdings ist allen organischen Molekülen eines gemeinsam. Sie enthalten Kohlenstoffatome! Neben den auch immer enthaltenen Wasserstoffatomen, findet man einige Sorten von Elementen, die nicht immer aber in einigen organischen Stoffen enthalten sind, nämlich Stickstoff-, Sauerstoff-, Schwefel-, oder Phosphoratome. Man bezeichnet sie auch als  Heteroatome.


Heute versteht man unter dem Begriff „organische Chemie“ die Chemie der Kohlen­stoffverbindungen.


Übrigens ist es auch heute noch immer nicht möglich, alle Moleküle aus pflanzlichen oder tierischen Organismen künstlich herzustellen. Stattdessen werden sie aus Pflanzen und Tieren isoliert und man nutzt genmanipulierte Bakterien, die als Bio-Fabriken dienen.

Dafür gibt es zahlreiche neue organische Verbindungen, die sich in keinem Lebewesen finden lassen. Man nennt sie synthetisch, also künstlich hergestellt. Solche sind zum Beispiel Kunststoffe, Medikamente usw...

Zusatzinformationen:

Kohlenstoffverbindungen in der Natur - Der Kohlenstoffkreislauf

Diagramm des Kohlenstoffkreislaufes. Die schwarzen Zahlen zeigen wie viele Milliarden Tonnen Kohlenstoff (Gt C) in den verschiedenen Reservoiren vorhanden sind. Die violetten Zahlen zeigen an, wie viel Kohlenstoff zwischen den einzelnen Speichern pro Jahr ausgetauscht wird.

Kohlenstoff findet sich in der Natur zum einen in drei großen, miteinander im Austausch stehenden Reservoiren:

  1. in der Atmosphäre
  2. in der Land-Biosphäre, im Boden und in Verwitterungsmaterial
  3. im Ozean

Weitere Hinweise:

  1. Destruenten sind Zerkleinerer und Bakterien. Sie zersetzen nicht nur Blätter, Laub und Pflanzenreste, sondern auch tote Tiere. Dabei entstehen Mineralsalze, Wasser und Kohlenstoffdioxid.
  2. Kohlenstoff findet sich in der Natur zum einen in drei großen, miteinander im Austausch stehenden Reservoiren:1. in der Atmosphäre als Kohlenstoffdioxid2. im Boden und in Verwitterungsmaterial3. im Ozean (in Form von gelöstem Kohlenstoffdioxid)
  3. eine Kuh produziert pro Tag 120l Methan. Dieses ist ein kohlenstoffhaltiges Gas, welches die Atmosphäre schädigt
  4. Bei Stoffwechselvorgängen in Mensch und Tier (durch die Kohlenhydratverdauung) und bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen wie Benzin und Diesel, entstehen immer Kohlenstoffdioxid und Wasser (letzteres ist sichtbar im Winter am Auspuff und beim Ausatmen).
  5. Die Stoffkreisläufe sind geschlossen, alle Stoffe (wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasser und Mineralsalze) werden immer wieder verwendet. Der Energiekreislauf ist nicht geschlossen. Es muss ständig neue Energie dem System zugeführt werden. Dies geschieht durch die Sonne. Der Grund ist ein permanenter Verluste durch Wärmeabgabe, z.B. in den Weltraum sowie der Energiebedarf für Lebensvorgänge und der daraus entstehenden Wärme, die ebenfalls verloren geht.
  6. Sauerstoff wird vom Menschen in Mensch und Tier durch die Atmung in Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Dazu sind Kohlenhydrate notwendig. Kohlenstoffkreislauf und Sauerstoffkreislauf haben also eine Verbindung!

Zum Vergleich: Eine Kuh produziert pro Tag 120l Methan

Zusatzinformationen:

Untersuchung organischer Stoffe

Versuchsaufbau (V) 1: Zucker, Mehl, Kartoffelstückchen, Plastik, Kerzenwachs, Öl, Petroleum werden in Reagenzglasern stark erhitzt (und mit einem Kohlestückchen verglichen!).

Versuchsaufbau (V) 2: Die Stoffe werden in einem Tiegel entzündet. Wenn sie brennen, sofort wieder löschen!

Stoff Beobachtung „Erhitzen“ Beobachtung „Verbrennung“ Sonstiges
Zucker
Mehl
Kartoffelstückchen
Plastik
Kerzenwachs (Paraffin)
Öl
Petroleum
Spiritus C2H5OH + 3 O2 → 2CO2 + 3 H2O + E

Beobachtung (B): Die untersuchten Stoffe verkohlen und werden in der Regel schwarz

Schlussfolgerung (S): Alle organischen Verbindungen enthalten Kohlenstoff, was daran erkennbar ist, dass sich die Stoffe beim Erhitzen schwarz färben.

Man versteht deshalb die Organische Chemie auch als Chemie der Kohlen­stoffverbindungen.

Der Chemiker Berzelius teilte die Chemie 1806 in zwei Bereiche ein:

  • anorganische Chemie (Stoffe aus der unbelebten Natur)
  • und organische Chemie (Verbindungen pflanzlicher und tierischer Herkunft)

Qualitative Analyse organischer Stoffe

Bei der  Qualitative Analyse werden die Elemente, aus denen ein Stoff aufgebaut sind, durch bestimmte Methoden und Nachweis-Reaktionen, gesucht.

Kohlenstoff-Nachweis

V: Ein Stück Kohle oder ersatzweise ein anderes organisches Produkte, wie Pflanzenreste sowie Pflanzenprodukte wie Mehl, Mehlprodukte, Kartoffeln usw.… werden stark erhitzt, eventuell unter Sauerstoff-Zufuhr. Das entstehende Gas wird in  Kalkwasser geleitet.

Aufbau

B: S:
Die organischen Produkte färben sich alle beim starken Erhitzen schwarz → Beim Zersetzen der organischen Verbindungen entsteht Kohlenstoff
Das Kalkwasser wird trübe → Es ist CO2 entstanden, das im Kalkwasser zur Ausfällung von Calciumcarbonat führt. C + O2 → CO2 + E

Wasserstoff-Nachweis

V: Ähnlich wie vorher, aber: Das entstehende Gas wird durch wasserfreies  Kupfersulfat oder  Kobaltchlorid geleitet.

B: S:
Tröpfchen setzen sich an der kalten Glaswand ab. kein eindeutiger Nachweis!
Das weiße Kupfersulfat wird schwach blau bzw. das rosafarbene Kobaldchlorid wird blau. → Bei der Verbrennung bzw. beim Erhitzen entsteht Wasser, das durch die Reaktion von im Stoff gebundenen Wasserstoff mit Sauerstoff entstanden sein muss.

WICHTIG: Bei jeder Verbrennung organischer Substanzen entsteht Wasser. So kann man den Wasserdampf, der aus dem Auspuff des Benzinmotors kommt erkennen und auch beim Ausatmen wird vom Menschen Wasserdampf mit ausgeatmet. Im Menschen werden die Kohlenhydrate

Bei allen organischen Verbindungen können in der qualitativen Analyse Kohlenstoff und Wasserstoff nachgewiesen werden.
Man versteht deshalb die Organische Chemie auch als Chemie der Kohlen­wasserstoffverbindungen

Weitere Analysen organischer Verbindungen:

Neben Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten organische Verbindungen häufiger noch einige andere Elemente, die folgendermaßen nachgewiesen werden können:

  • Stickstoff: Nachweis durch Kochen mit Natronlauge. Es bildet sich Ammoniak, welches typisch riecht und Indikatorpapier blau färbt.
  • Schwefel: Erhitzen von schwefelhaltigen Substanzen färbt Bleiacetatpapier sowie Bleinitrat- oder Bleiacetatlösung schwarz. (Hintergrund: Beim Erhitzen bildet sich H2S, welches mit Bleiionen das schwarze PbS bildet)
  • Halogene (Fluor, Chlor, Brom, Iod): Auf einem ausgeglühten Streifen Kupferblech werden die Testsubstanzen in die rauschende, blaue Brennerflamme gehalten (z.B. ein Stück PVC). Man beobachtet eine grüne Flamme. (Hintergrund: Halogenionen verbinden sich mit Kupfer zu Kupferhalogeniden (z.B. CuF2, CuCl2 usw.. Diese färben die Brennerflamme beim Verdampfen grün).
  • Phosphor: ...
  • Sauerstoff: Sauerstoff lässt sich nicht einfach nachweisen, denn beim Verbrennen wird ja Sauerstoff aus der Luft benötigt und so ist der Nachweis einer sauerstoffhaltigen Verbindung als Verbrennungsprodukt kein Nachweis. Im Labor könnte man indirekt das Vorhandensein von Sauerstoff nachweisen, indem man den Stoff quantitativ untersucht und anhand der Differenz zwischen untersuchter Stoffmenge und nachgewiesenem Inhalt, einen weiteren Stoff erkennen kann.
Mit Hilfe von modernen Untersuchungsmethoden lässt sich das Vorhandensein von Sauerstoff aber auch direkt nachweisen.

Entzündung von organischen Stoffen II

V: Wundbenzin, Petroleum, Speiseöl und Ethanol werden in einen Porzellantiegel gegeben und die Dämpfe werden vorsichtig zugefächelt. Es wird versucht, die Dämpfe zu entzünden. (Petroleum und Speiseöl notfalls sehr vorsichtig erhitzen). Es wird dann eine Vorhersage zur Flüchtigkeit der Stoffe getroffen

B: Die meisten Verbindungen lassen sich leicht entzünden. Ihre aufsteigenden Gase lassen sich leicht entzünden.

S: Die meisten organischen Verbindungen sind gut brennbar, auch wenn ihre Entzündungs­temperaturen verschieden sind. Oft reicht schon ein Funke um Verbindungen wie Benzin, Aceton, Ether oder Alkohole zu entzünden. Hiervon geht eine große Gefahr der organischen Verbindungen aus. Im Labor umgeht man diese oft, indem man flammenlos erhitzt, z.B. mit elektrischen Heizplatten. Im Alltag sollte man nicht rauchen, wenn man mit organischen Stoffen Umgang hat (Z.B. beim Tanken oder beim Arbeiten mit Lösungsmitteln und Verdünnern!).

Unter der Entzündungstemperatur versteht man die Temperatur, bei der sich ein Stoff selbst entzündet.

Löslichkeit organischer Stoffe

V: Zucker, Mehl, Kartoffelstückchen, Plastik, Kerzenwachs, Öl, Petroleum werden mit Wasser (bzw. mit Benzin) versucht zu lösen

B: Nur der Zucker löst sich in Wasser auf

Organische Stoffe sind meist apolar (=unpolar), d.h. sie lösen sich nicht in Wasser auf, sondern nur in unpolaren Stoffen, wie Benzin.

Deshalb kann Benzin auch viele Flecken entfernen, die man mit der Waschmaschine nicht entfernen kann.

Vorbereitung quantitative Analyse: Wiederholung chemisches Rechnen (Klasse 9)

a) Die Avogadro Zahl:

Der Chemiker Avogadro benötige eine Zahl, um große Mengen von Atomen beschreiben zu können und um schließlich damit auch „vernünftig“ rechnen zu können.

Festgelegt wurde: 1 mol entspricht 6,022·1023 Atomen (=602 200 000 000 000 000 000 000 Atome)[1]

b) Die Masse von Atomen:

Als Chemiker will man natürlich dann auch wissen, was denn jetzt eigentlich so ein Atom wiegt?

Z.B.: ein Cu-Blech wiegt 0,8g. Eine Messung ergibt, es enthält genau 6,022 1023 Atome (=1mol)

→ ein Atom wiegt: m(Cu-Atom) = 0,8 g : 6,022 1023 Atome = 1,055 10-22 g/Atome

Diese Zahl ist natürlich absolut unhandlich und viel zu klein, um damit zu rechnen. Die Chemiker benannten die neue Einheit schließlich mit dem englischen Wort für Einheit „unit“

Die Einheit der Atommasse ist „unit.“. Im PSE sind die Massen der Atome in units (u) angegeben.

c) Die Dichte

Die Dichte (Formelzeichen: ρ; griechischer Buchstabe „rho“), ist das Verhältnis der Masse m eines Körpers zu seinem Volumen V.
Die Dichte ist eine Stoffeigenschaft.
ρ = m/V
Die (SI-) Einheit der Dichte ist kg/m3. Oft ist die Dichte noch in g/cm3 angegeben.

Durch Wiegen eines Körpers und seiner Verdrängung von Wasser kann die Dichte leicht bestimmt werden. Es gilt: 1 g/cm3 = 1000 kg/m3.

d) Die molare Masse

Sicher hast Du Dich nun schon gefragt, woher Chemiker überhaupt wissen, wie viele Atome z.B. in einem Stück Kohle enthalten sind? Vielleicht hilft Dir ein Vergleich, um auf die Lösung zu kommen:

Vergleich: Wie kann man bestimmen, wie viele (gleiche) Centmünzen in einer Streichholzschachtel sind, ohne diese zu öffnen oder die Cent einzeln abzuzählen?

Richtig, man kann sie wiegen! Wenn Du die Masse einer Münze kennst, kannst Du leicht die Anzahl in der Streichholzschachtel durch Division bestimmen:

Anzahl Münzen = Masse aller Münzen / Masse einer Münze

Nun ein chemisches Beispiel: Wie viele Atome sind in 12g Kohlenstoff enthalten?

Man hat also 12g Kohlenstoff, (z.B. ein kleines Stück Kohle). Man kennt die Masse, möchte wissen wie viel Atome es sind.

M = molare Masse [g/mol] (=Umrechnungsfaktor zwischen Masse und Stoffmenge[2])
m = Masse in g
n = Stoffmenge (also Anzahl an Atomen in mol)
m = M · n → n = m/ M

Der Zahlenwert der molaren Masse kann leicht aus dem PSE abgelesen werden. Er entspricht dem Wert der Atom- (bzw. Molekül-) Masse:

→ 1 mol Kohlenstoff hat die molare Masse 12,001 g/mol

→ 12,001 g C entsprechen 1mol

→ 1mol = 6,022·1023 Atome (=602 200 000 000 000 000 000 000 Atome Kohlenstoff sind enthalten!)

e) molare Masse bei Verbindungen

Auch für Verbindungen kann die Molare Masse angegeben werden. Sie ergibt sich einfach durch

Addieren der Atommassen der Elemente, die in einer Verbindung enthalten sind,

z. B. Bestimme die relative Molekülmasse von Wasser (von Zucker)

M(H2O) = 2 → 1,008u + 16u = 18,016u
M(C6H12O6) = 6 M(C) + 12 M(H) + 6 M(O)
= (6 · 12 + 12 · 1 + 6 · 16) g/mol
= 180 g/mol

Zusatzinformationen:  molare Masse  Mol (Stoffmenge)  Avogadrosches Gesetz

Gay Lusac: Umrechnung zw.. Normalbedingungen & herrschenden Bedingungen im Labor

=p1 · V1 p2 · V2
T1 · n1 T2 · n2

Aus dieser Umrechnung kann man das Gesetz der allgemeinen Gasgleichung ableiten:

p·V = n · R · T
  • R = 8,314472 J/ (mol · K) (=universelle Gaskonstante)

Zusatzinformationen

Aufgaben

  1. Wie groß ist die molare Masse von: C, H, O, H2O, HCl, H3PO4, C8H14?
  2. Du kennst nun die Anzahl an Atomen in einem 12g schweren Kohlenstoffstückchen, aber wie viel Atome sind in einem 10mal so schweren Kohlestückchen enthalten? Notiere bitte die Zahl ;-)
  3. Wie viel Moleküle sind in 1 Teelöffel Zucker (C6H12O6) enthalten? (1 Teelöffel entspricht 5g)
  4. Welcher Stoffmenge ist in einer mit Wasser gefüllten Badewanne (200l) enthalten? (Dichte von Wasser:  = 1g/ ml)
  5. Befinden sich mehr Atome in 1 kg Gold oder in 150g Aluminium?

Quantitative Analyse von Propanol nach Liebig

Eine quantitative Analyse ist ein chemisches und/oder physikalisches Verfahren, bei der es um die Beantwortung der Frage geht, wie viel von einem Stoff in einer gegebenen Probe vorhanden ist.

Quantitative Analyse von Propanol nach Liebig.svg

V: in einem Glasrohr wird Propanol (eigentlich ein unbekannter Stoff, aber zum Verständnis des Verfahrens, wird erstmal ein bekannter genommen) oxidiert. Es stehen 0,500 g Propanol zur Verfügung.

Vor Versuchsbeginn werden sowohl das Gewicht des Glasrohrs mit dem CaCl2 bestimmt (das soll später Wasser auffangen) als auch das Gewicht der Gaswaschlasche mit dem KOH (diese „fängt CO2 auf)

Mit dem Brenner wird die Reaktion gestartet und nach erfolgter Oxidation des unbekannten Stoffes (also hier des Propanols), wiegt man das Glasrohr und die Waschflasche erneut.

a) Bestimmen der Verhältnisformel

Aus den Masse an H2O bzw. CO2 lassen sich die Massen der in der Verbindung vorhandenen Elemente (C, H) durch ein einfaches Verhältnis mit den Atommassen bestimmen. Die Masse an Sauerstoff, wird dann durch Subtraktion von der Masse an eingesetztem Propanol bestimmt.

a) Bestimmung mKohlenstoff: \frac{m(CO_2)}{M(C) \cdot Anzahl \ C-Atome}</math>

Im Versuch wurden 1,100g CO2 gemessen

= 0,3g C

b) Bestimmung von mWasserstoff:

Im Versuch wurden 0,600g H2O gemessen

=0,066g H

c) Bestimmung m Sauerstoff: m Propanol = m Kohlenstoff + m Wasserstoff + m Sauerstoff

→ m Sauerstoff = m Propanol - (m Kohlenstoff + m Wasserstoff)

→ m Sauerstoff = 0,5g - (0,300g + 0,066g)

= 0,134g O

Massenwerte nützen nur leider wenig, da verschiedene Elemente ja unterschiedliche Massen haben. Eine Umrechnung auf die Stoffmenge (Anzahl der Atome!) ist notwendig!

d) Umrechnung: Stoffmenge n = m/ M

n Kohlenstoff = 0,300g / 12g/mol = 0,025mol
n Wasserstoff = 0,066 / 1g/mol= 0,066mol
n Sauerstoff = 0,134g / 16g/mol= 0,008mol

Die drei Werte lassen sich nun prima ins Verhältnis setzen, so dass eine Verhältnisformel entsteht:

n C n H n O
0,025 0,066 0,008 :0,008
3 8 1

→ die Verhältnisformel von Propanol ist C3H8O1

b) Bestimmen der Summenformel von Propanol

Eine Verhältnisformel beschreibt noch nicht die tatsächliche Formel einer Verbindung. Propanol könnte die Summenformel C3H8O1 oder aber auch C6H16O2 oder alle anderen Möglichkeiten nach der Formel N · (C3H8O1) haben!

M berechnet = N · M (unbekannte Substanz)

Nur durch Kenntnis der molaren Masse kann man die genaue Summenformel bestimmen. Bei Gasen ist die Verwendung der Formel des molaren Volumens eine einfache Lösung dieses Problems:

Dazu sind drei Rechenschritte nötig
  1. Molares Volumen: 1mol eines Gases bildet (bei Normalbedingungen[3]) 22,4l Gas
    Molare Masse
  2. Gleichsetzen der beiden Formeln:

Ein so berechnetes M wird nun mit dem berechnetem Wert aus a) vergleichen. Er sollte gleich, oder ein Vielfaches sein.

Also
In a) wurde durch die Verhältnisformel bestimmt: C3H8O1 → M(C3H8O1) = 60g/mol
In b) wurde M berechnet: M = 60 g/mol

Da beide Ergebnisse gleich sind, folgt: N·(C3H8O1) = M berechnet = 60 g/mol = N · 60 g/mol → N = 1 → C3H8O1 ist bereits die korrekte Formel!

Weitere Beispielaufgabe für den letzten Schritt:

1. Die Verhältnisformel einer unbekannten Verbindung ergibt: C1H3

Die Ermittlung der molaren Masse ergibt: 30g/mol

→ die korrekte Formel ist

N·(MC + MH + MH + MH) = 30g/mol

N·(12g/mol + 1g/mol + 1g/mol + 1g/mol) = 30g/mol|:15

N = 30/15 = 2

→ die korrekte Formel ist C2H6

Zusatzinformationen

 Quantitative Analyse  Kategorie:Chemisches Analyseverfahren

Aufgaben

  1. Bei einer quantitativen Analyse nach Liebig wurden für 0,5g einer unbekannten Verbindung folgende Werte gemessen: 1,100g CO2 , 0,600g H2O. Bestimme die Verhältnisformel.
  2. Die Verhältnisformel einer unbekannten Verbindung ergibt: C1H3. Die Ermittlung der molaren Masse ergibt: 30g/mol. Bestimme die korrekte Summenformel
  3. Eine unbekannte Verbindung wird analysiert. Sie wiegt 26g und nimmt bei Normalbedingungen (T = 273,15K entspricht 0 °C und Druck p = 101325 Pa entspricht 1013,25 mbar) ein Volumen von 7.4666 l ein. Die Verhältnisformel ergibt C1H1. Wie lautet die Summenformel?
  4. 1,50g einer unbekannten pflanzlichen Verbindung werden analysiert. Die Analyse ergibt 2,2g CO2 und 0,9g H2O.
    a) Bestimme die Verhältnisformel
    b) Das es sich nicht um ein Gas handelt, kann man die molare Masse nicht durch das molare Volumen bestimmen. Man weiß aber aus Untersuchungen, dass 1,470mol eine Masse von 250g haben. Bestimme die molare Masse und somit die Summenformel.
  5. Wie weist Du Stickstoff, Schwefel, Kohlenstoff und Wasserstoff in organischen Verbindungen nach? Erkläre kurz.
Lösungen
  1. Siehe Beispielaufgabe „Propanol“
  2. M(C1H3) = 15g/mol → die korrekte Summenformel lautet: C2H6
  3. m = 26g
    V = 7.4666L
    Verhältnisformel = C1H1.
    Summenformel = ? → gesucht ist M (CxHx)

    →M = 22,4 l/mol · 26g / 7,4666l = M (CxHx) = 78 g/mol
    →M (C1H1) = 13g/mol (C= 12 g/mol, H = 1 g/mol)
    → die korrekte Formel lautet C6H6
    a) C1H2O1
    b) C6H12O6 (=Glucose, ).
  4. Stickstoff: Nachweis durch Kochen mit Natronlauge. Es bildet sich Amoniak, welches typisch riecht und Indikatorpapier blau färbt. Schwefel: Erhitzen von Schwefelhaltigen Substanzen färbt Bleiacetatpapier sowie Bleinitrat- oder Bleiacetatlösung schwarz. (Hintergrund: Beim Erhitzen bildet sich H2S, welches mit Bleiionen das schwarze PbS bildet)
    Halogene (Fluor, Chlor, Brom, Iod): Auf einem ausgeglühtem Streifen Kupferbleich werden die Testsubstanzen in die rauschende, blaue Brennerflamme gehalten (z.B. ein Stück PVC). Man beobachtet eine grüne Flamme. (Hintergrund: Halogenionen verbinden sich mit Kupfer zu Kupferhalogeniden (z.B. CuF2, CuCl2 usw.). Diese färben beim Verdampfen die Brenner-flamme grün.

Analyse von Feuerzeuggas

Aufgabe: Bestimme in Gruppenarbeit, welches Gas in Feuerzeug enthalten ist

Tipp: Es handelt sich um ein Alkan!

a) Planung des Versuches

Es kann nur ein Gas sein, deshalb kann es nur Methan, Ethan, Propan oder Butan sein.

Um das Gas genau bestimmen zu können, muss die molare Masse (M) bestimmt werden.

Da Vm bekannt ist (22,4l/mol), muss man für die Analyse nur noch die Masse (durch wiegen des Feuerzeugs, vor und nach dem Versuch) und das Volumen (durch Füllen des Reaktionsgefäßes mit Wasser und anschließendem Ausmessen) bestimmen.

b) Durchführung

Die praktische Durchführung bietet einige Hindernisse. Das Feuerzeuggas wird am besten in einen mit Wasser gefüllten Rundkolben gefüllt. Von diesem wird vorher das Volumen mit Hilfe eines Messzylinders bestimmt.

Rundkolben gefüllt mit Wasser

Siehe auch gute Versuchsanleitungen auf:  Universelle Gaskonstante

Luftverschmutzung durch Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen und die Konsequenzen

a) Luftverschmutzung

Durch Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen entsteht immer Kohlenstoffdioxid (CO2)

b) Erderwärmung durch den Treibhauseffekt

Quelle: NASA - [1]

Übermäßiger Kohlenstoffdioxidausstoß verstärkt den Treibhauseffekt. Zusatzinformationen:

Wiederholungsaufgaben

  1. Erkläre das Zustandekommen des Treibhauseffektes. Welche Gase sind beteiligt? Wie entstehen Sie?
  2. Treibhauseffekt und Ozonloch werden in der Bevölkerung gerne gleichgesetzt, obwohl sie komplett verschiedene Ursachen und Auswirkungen haben. Dennoch scheinen sie sich gegenseitig zu verstärken. Kannst Du erklären wie?



  1. 'Das entspricht 6 Milliarden • 1Milliarde • 100000
  2. entspricht der Masse eines Centstücks im oberen Bsp.
  3. Das molare Volumen eines jeden (idealen) Gases beträgt 22,413996 l/mol unter Normalbedingungen (also 0°C und 1013,25 hPa) und 24,4640424 l/mol bei Standardbedingungen (also 25°C und 1013,25 hPa).

Kohlenstoff als Bindungspartner

Die Atombindung bei Wasserstoff & Kohlenstoff

Ionen gibt es nur in Kristallen oder gelöst in Wasser. Bei Kohlenwasserstoffen liegt beides nicht vor.

Sie verbinden sich mit einer anderen Methode, der Atombindung. Dazu überlappen die äußeren Elektronenwolken und bilden einen gemeinsamen Bereich (dieser wird auch Molekülorbital genannt[1]). Damit gehört das Valenzelektronen-Paar beiden Atomen in gleicher Weise und sie erhalten Edelgaskonfiguration.

Lewis, 1916: Atome sind in Molekülen durch gemeinsame Elektronen verbunden (=Atombindung bzw. Elektronenpaar Bindung).

Vom Kohlenstoffatom gehen in der Regel 4 Elektronenpaarbindungen ab (oder es liegen Doppel- oder Dreifachbindungen vor, dann sind es entsprechend weniger). Meistens ist Kohlenstoff dabei mit Kohlenstoff oder mit Wasserstoff verknüpft (aber auch Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff (u.a.) sind möglich). Je länger dabei eine Kohlenstoffkette ist, desto fester und dickflüssiger wird eine Substanz.

Tipp: Bei Problemen mit dem Erstellen von Atombindungen, lies nochmals das Arbeitsblatt „Regeln zum Erstellen von Valenzstrichformeln“ im Kapitel „Atombindung“.

Kohlenstoff als Bindungspartner

Kohlenstoff ist ein Element der 4. Hauptgruppe, d.h. es hat vier Außenelektronen. Es fehlen also 4 Valenzelektronen zum Erreichen der Edelgaskonfiguration. Das Ausbilden von 4 Atombindungen bietet sich an, um diesen Zustand zu Erreichen. Dabei bilden die Außenelektronen des Kohlen­stoffatoms mit den Außenelektronen der Reaktionspartner gemeinsame Bindungselektro­nenpaare. Am stabilsten sind dabei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen.


Beim Verbrennen organischer Substanzen wird viel Energie freigesetzt. Diese stammt aus den Bindungen und wird von den Menschen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe (Erdöl, Erdgas), Holz und Kohle genutzt. Auch die Verbrennung von Kunststoffen in Müllverbrennungsanlagen setzt diese Energie frei. Kein Wunder, denn auch Kunststoffe sind Kohlenwasserstoffverbindungen.

Kettenförmige Kohlenwasserstoffe (ohne Mehrfachbindungen) nennt man Alkane. Ringförmige entsprechend Cycloalkane. Ketteförmige Kohlenwasserstoffe mit Doppelbindungen, werden Alkene, mit Dreifachbindungen Alkine genannt.

Die einfache Verknüpfung von Kohlenstoff mit anderen Nichtmetallen über Atombindungen ermöglicht eine schier unendliche Anzahl an möglichen Kombinationen. Mehr als 5 Millionen sollen in der Natur zu finden sein! Im Labor entstehen täglich neue.

Obwohl in der anorganischen Chemie viel mehr Elemente reagieren, sind bisher nur ca. 150 000 Verbin­dungen bekannt. Im Vergleich dazu schätzt man die Anzahl an organischen Verbindungen auf ca. 10 Millionen.

Organische Moleküle enthalten Kohlenstoff und Wasserstoff sowie zum Teil Sauerstoff und einige andere Elemente z.B. Stickstoff, Schwefel, Phosphor.

Ausnahmen: Kohlenstoffverbindungen, die als anorganisch gelten.

  • Oxide des Kohlenstoffs (z.B. CO, CO2)
  • Kohlensäure (H2CO3)
  • Salze der Kohlensäure (z.B. Kalk CaCO3)

Die homologe Reihe der Alkane

Als homologe Reihen bezeichnet man Reihen von Verbindungen, deren Glieder sich nur durch eine CH2-Gruppe voneinander unterscheiden, die aber ansonsten gleich gebaut sind. Alkane enthalten nur C-C-Einfachbindungen sowie C-H-Bindungen. Da die maximal mögliche Anzahl von Wasserstoff-Atomen gebunden ist, spricht man deshalb auch von gesättigten Kohlenwasserstoffen.
Verbindung (Strukturformel) Name Summenformel Isomere Sdp. Dichte
Methan Lewis.svg Methan (gasförmig) CH4 1 - 161,4 °C 0,47 g/cm³ (bei Verflüssigung)
Ethan Lewis.svg Ethan (gasförmig) C2H6 1 - 88,6°C 0,57 g/cm³ (bei Verflüssigung)
Propan Lewis.svg Propan (gasförmig) C3H8 1 - 42,1°C 0,59 g/cm³ (bei Verflüssigung)
Butan Lewis.svg Butan (gasförmig) C4H10 2 - 0,5 °C 0,60 g/cm³ (bei Verflüssigung)
Pentane.svg Pentan (flüssig) C5H12 3 36,1°C 0,63 g/cm³
Hexane displayed.svg Hexan (flüssig) C6H14 5 68,7°C 0,66 g/cm³
Heptane.svg Heptan (flüssig) C7H16 9 98,4°C 0,68 g/cm³
Octane.svg Oktan (flüssig) C8H18 18 125,6°C 0,72 g/cm³
Nonane.svg Nonan (flüssig) C9H20 35 150,8°C 0,73 g/cm³

Decane.svg

Dekan (flüssig) C10H22 75 174,3°C 0,74 g/cm³

Zusatzinformationen:

Eigenschaften der Alkane - Schmelz- und Siedepunkte

Kettenlänge Name Smp. [°C] Sdp. [°C] Kettenlänge Name Smp. [°C] Sdp. [°C]
CH4 Methan -183 -161 C16H34 Hexadekan 18 287
C2H6 Ethan -183 -88 C17H36 Heptadekan 21 302
C3H8 Propan -189 -42 C18H38 Oktadekan 29 317
C4H10 Butan -138 -0,5 C19H40 Nonadekan 33 330
C5H12 Pentan -130 36 C20H42 Eicosan 36,7 343
C6H14 Hexan -95 69 C21H44 Henikosan 40,5 356
C7H16 Heptan -91 98 C22H46 Dokosan 42 370
C8H18 Okatan -57 126 C23H48 Trikosan 49 380
C9H20 Nonan -51 151 C24H50 Tetrakosan 52 391
C10H22 Dekan -30 174 C25H52 Pentakosan 54 402
C11H24 Undekan -26 195 C26H54 Hexakosan 56,4 412
C12H26 Dodekan -12 215 C27H56 Heptakosan 59,5 442
C13H28 Tridekan -5 234 C28H58 Octakosan 64,5 432
C14H30 Tetradekan 5,5 253 C29H60 Nonakosan 63,7 440
C15H32 Pentadekan 9,9 270 C30H62 Triakontan 65,8 450
Schmelz- und Siedepunkte der ersten vierzehn n-Alkane, Temperaturangaben in Grad Celsius

Was macht die Alkane so besonders?

  • Die von Methan abgeleiteten Verbindungen werden als Alkane bezeichnet.
  • Alkane kommen als unverzweigte Ketten, verzweigte Alkane oder als cyclischen Alkane vor.
  • Alkane mit der gleichen Summenformel, aber verschiedener Strukturformel nennt man Isomere (so gibt es zwei C4H10 Moleküle, drei C5H12 Moleküle und 4,111,846,763 mögliche C30H62 Isomere ;-) ).
  • In Alkanen bilden Kohlenstoffe 4 Einfachbindungen aus, Wasserstoffe bilden immer nur eine!
  • Die Alkane C1 bis C4 sind bei Raumtemperatur gasförmig. Ab C14H30 sind Alkane bei Raumtemperatur Feststoffe.
  • Bei Raumtemperatur flüssige Alkane sind wasserklare Flüssigkeiten mit stark aromatischem Geruch, der an Benzin erinnert. Je länger die Kohlenstoffkette wird, desto dickflüssiger, öliger werden sie. Der Geruch lässt entsprechend nach.
  • Alkane könne auch in Ringen auftreten. Man nennt sie dann Cycloalkane.
  • Alkane werden auch wegen der Abwesenheit von Doppelbindungen als gesättigt bezeichnet.
  • Rein kettenförmige Alkane werden auch als n-Alkane (z.B. n-Heptan) bezeichnet. Verzweigte Alkane werden als iso-Alkane bezeichnet.
  • Je länger die Kohlenstoffkette (also mit zunehmender Molekülmasse), desto höher liegen Schmelz- und Siedepunkte des Alkans. Ursache sind steigenden van der Waals-Kräfte aufgrund zunehmender Kettenlänge.
Allgemeine Summenformel der kettförmigen Alkane: Cn H2n+2

Allgemeine Formel der zyklischen Alkane: Cn H2n

Lange unverzweigte Alkane bilden lineare Zick-Zack-Ketten aus.

Alkangemische

a) Paraffin

Ein Gemisch langkettiger (C18-C45) Alkane wird als Paraffin bezeichnet. Eine allgemeine Summenformel kann somit nicht angegeben werden. Die molare Masse liegt damit zwischen 275-600 g/ mol.

Es ist weiß, mit einer leichten Transparenz. Es entsteht z.B. als Produkt der Erdöldestillation. Paraffin ist geruchlos. Hartparaffin schmilzt zwischen 50 und 60 °C, Weichparaffin bei etwa 45 °C.

Verwendung von Paraffin
  • als Kerzenwachs
  • Mikrowachs
  • Ceresin
  • Lackpoliturzusatz
  • Petroleumersatz (Brennstoff für Öllampen)
  • Vaseline
  • Ausgangsstoff bei der Herstellung von Kaugummi

b) Benzin

Benzin ist eine Mischung aus verschiedenen leichten Kohlenwasserstoffen. Es befinden sich neben Alkanen auch Cycloalkane, Alkene (mit Doppelbindungen) und Alkine (mit Dreifachbindungen) im Gemisch. Benzin wird durch fraktionierte Destillation aus Erdöl oder auch im geringen Maße durch Kohleverflüssigung gewonnen.

Zusatzinformationen  Paraffin  Benzin

Isomerie

In Campinggaskartuschen findet man in der Regel das Gas Butan, da es einen Siedepunkt von ca. 0,5°C hat, lässt es sich unter etwas Druck leicht verflüssigen. Das komprimierte Gas wird dadurch flüssig, obwohl in solchen Campinggaskartuschen nicht allzu starker Druck vorliegt.

Untersucht man das enthaltene Gas genau, so findet man meist zwei verschiedene Gase, welche allerdings eine identische Anzahl an Kohlenstoff und Wasserstoffatomen haben.

Von Butan existieren zwei Formen, diese werden Isomere genannt. Beide sind gasförmige, farblose, gesättigte Kohlenwasserstoffe. Sie unterscheiden sich jedoch hinsichtlich ihrer Eigenschaften. Vor allem Schmelz- und Siedepunkte sowie die Dichte unterscheiden sich deutlich. In anderen Eigen­schaften sind sie sich ähnlicher.

Die Ursache für die höheren Schmelz- und Siedepunkte des n-Butans liegen in der besser Aus­bildung von Van der Waals-Kräften. Diese bilden sich im allgemeinen bei kettenförmigen Molekülen immer besser aus. Dadurch halten die Ketten besser „zusammen“ und man benötigt mehr Energie (in diesem Fall Temperatur) um die Moleküle so stark ins schwingen zu versetzen, dass sie den Aggregatzustand ändern.

Moleküle mit verzweigten Ketten haben immer geringere Siedepunkte als unverzweigte, weil die Van der Waals-Kräfte sich zwischen Ketten besser ausbilden als bei ungleichmäßig geformten Molekülen.

Substanzen, die trotz gleicher Summenformel eine andere Strukturformel (und somit verschiedene Eigenschaften) haben, nennt man Isomere (isos gr. = gleich, meros gr. = Teil).

Aufgabe:

  1. Zeichne alle Isomere von Pentan, Hexan, Heptan usw.

Die Isomerenanzahl wächst sehr rasch mit steigender Kohlenstoffzahl.

  • C7H16: 9 Isomere
  • C8H18: 18 Isomere
  • C10H22: 75 Isomere
  • C15H32: 4347 Isomere
  • C20H42: 366319 Isomere
  • C30H62: 4,111,846,763 Isomere

Die Zahl der tatsächlich existierenden Isomere ist kleiner, als die Zahl der theoretisch möglichen!

Stoffvielfalt durch Isomerie

Butan Pentan Hexan Octan
2 Isomere 3 Isomere 5 Isomere 17 Isomere
Butan Skelett.svg
Smp: -138,3°C
Sdp: -0,5°C
Pentan Skelett.svg
Smp: -130°C
Sdp: 36°C
Hexan Skelett.svg Octan Skelett.svg
Smp: -56,8
Sdp: 125,7
Isobutane.svg
Smp: -159,4v°C
Sdp: -11,7°C
Isopentan.svg
-159°C
28°C
2,2,4-Trimethylpentan.svg

Zusatzinformationen  Isomerie

Isomere von Heptan und Oktan

Konformations-Isomerie am Beispiel des Ethans

H3C―CH3

Kohlenstoff ist sp³-hybridisiert und die C-C-Bindung frei drehbar.

Ethane-staggered-CRC-MW-dimensions-2D.png

Konformationen: mögliche räumliche Anordnungen der Atome im Molekül, die durch die freie Drehbarkeit um die Sigma-Bindung entstehen. Konformationsisomere: Moleküle, die unterschiedliche Konformationen einnehmen.

Zwei Möglichkeiten der Darstellung:

99% seiner Zeit verbringt das Ethanmolekül seine Position in der gestaffelten Konformation
ekliptische (verdeckte) Konformation gestaffelte Konformation
Newman-Projektion
Newman projection ethane.png
Kugel-Stab-Modell
Ethane-rotamers-3D-balls.png

Einfache Reaktionen der Alkane

  • Alkane sind gut brennbar. Alkane dienen z.B. als Energieträger für Verbrennungsmotoren (Diesel, Benzin, Kerosin) sowie zum Heizen von Häusern. Dabei gilt folgende allgemeine Reaktionsgleichung → es entstehen immer Wasser und Kohlenstoffdioxid:
CnH2n+2 + (2n +1) O2 → n CO2 + (n+1) H2O + E
  • Je länger die Kette, desto gelber die Flamme (und desto höher die Leuchtkraft), weil mehr Ruß durch unvollständige Verbrennung entsteht.
  • Alkane brennen erst oberhalb der Verdampfungstemperatur, da zum Brennen ein Alkangas-Luftgemisch notwendig ist.
  • Innerhalb der Explosionsgrenze explodieren Alkane. Die Explosionsgrenze ist bei Alkanen nicht einheitlich!
Beobachtung: Entfärbung der Lösung, Indikatorpapier färbt sich rot
  • Eine typische Reaktion ist die Halogenierung von Alkanen durch radikalische Substitution (z.B.: Brom wird zu n-Hexan gegeben). Anschließend wird mit Sonnenlicht oder dem Overhead-Projektor belichtet. Der Nachweis findet durch Universalindikatorpapier (über dem RG) statt.

Vorkommen und wichtige Beispiele der Alkane

1. Methan

Vorkommen
  • Hauptbestandteil von Erdgas. Auch in aus Steinkohle gebildetem Stadtgas enthalten. Dazu findet eine trockene Destillation von Steinkohle unter Luftausschluss bei 1200 °C statt. Der Rest wird als Koks bezeichnet.
  • Methan entsteht in der Natur bei: - Fäulnisprozessen (z.B. im Komposthaufen, in Sümpfen und im Klärschlamm der Kläranlage- der Cellulosegärung der Wiederkäuer- unterirdisch in Steinkohlegruben als Grubengas (Gefahr, da die „schlagenden Wetter“ (Methan-Luft-Explosionen) die durch einen Funken entstehen können.
  • Es entsteht bei Vedauungsvorgängen von Wiederkäuern sowie beim Reisanbau (Anteil des Reisanbaus an der weltweiten Methanproduktion ca. 17 %!).
Eigenschaften und Verwendung
  • farb- und geruchloses Gas (Wieso heißt es eigentlich in Krimis immer: „Es riecht nach Gas.“? Weil es einen Zusatzstoff enthält der den typischen Geruch auslöst um Gas erkennbar zu machen!)
  • Methan ist in Wasser unlöslich
  • brennbar: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2OH = -888 kJ/mol
  • geringere Dichte als Luft
  • explosives Luft/Methan-Gemisch(Explosionsgrenze 10% - 90% CH4)
  • wichtigen Rohstoff der chemischen Industrie. So wird Beispielsweise Wasserstoff durch thermische Spaltung oder durch Reaktionen mit Wasserdampf (an Nickel-Katalysatoren) gewonnen, durch Hitzespaltung gewinnt man Acetylen (Ethin) C2H2:
CH4 + E → C + 2H2 (bei 1200°C)
CH4 + H2O → CO + 3H2 (bei 800-900°C, an einem Nickelkatalysator)
  • 2 CH4 → C2H2 + 3H2

Zusatzinformationen:  Methan

2. Propan:

  • Tritt als Begleiter des Erdöls, im Erdgas und in Crackgasen auf.
  • Wird als Stadtgas zum Beheizen von Häusern verwendet.
  • Treibgas in Sprays

Zusatzinformationen:  Propan

3. Butan und sein Isomer:

  • n-Butan und Isobutan sind Flüssiggase, die bei der Erdöldestillation anfallen. Sie kommen im Erdöl und Erdgas vor.
  • in Wasser ist Butan so gut wie unlöslich (nur 150 ml/l).
  • Beide Isomere verhalten sich chemisch ähnlich (beide sind brennbar und werden von den Halogenen Chlor und Brom unter Lichteinfluss angegriffen.
  • n-Butan wird seit dem FCKW-Verbot als Treibgas in Spraydosen verwendet.
  • Beide Isomere werden in Feuerzeugen, oft im Gemisch mit Propan, eingesetzt.
  • Butan wird (trotz der Brennbarkeit) im Kühlschrank als Kältemittel eingesetzt
  • manche Solarkollektoren verwenden Isobutan als Wärme(über)träger.

Zusatzinformationen:  Butan

4. Pentan und seine Isomere:

  • Es gibt drei Isomere des Pentans.
  • Der Flammpunkt liegt bei -49 °C, die Zündtemperatur bei 309 °C.
  • Löslichkeit: 0.36 g/l (16 °C) in Wasser.
  • Pentan wird heutzutage als FCKW-freies Kältemittel in Kühlschränken und Klimaanlagen verwendet.

Zusatzinformationen:

Cycloalkane

Du kennst jetzt die kettenförmigen Alkane, man nennt sie auch aliphatische Alkane. Ihre Kette kann verzweigt oder unverzweigt sein. Wenn Kohlenstoffatome sich in einem Ring anordnen, nennt man diese auch Cycloalkane.

Die Eigenschaften der Cycloalkane sind mehr oder weniger die typischen physikalischen und chemischen Eigenschaften der Alkane. In der Natur spielen zyklische Ringsysteme als Bestandteile vieler pflanzlicher und tierischer Stoffe eine große Rolle. Allerdings liegen dort oft Cycloalkane mit mehreren Mehrfachbindungen vor. Diese haben dann deutlich andere Eigenschaften als die Alkane.

Da man die drei C-C-Bindungen im Cyclopropan als gebogen betrachten muss, wird sie auch als Bananenbindung bezeichnet

Cyclopropan ist ein brennbares Gas mit einem Sdp. von -33°C, es ist reaktionsfreudig, da die Bindungswinkel zwischen den einzelnen Kohlenstoffatomen stark vom üblichen Tetraederwinkel abweichen und somit die Ringe unter einer gewissen inneren Spannung stehen. Durch eine Reaktion kann der Ring aufgebrochen werden, was viel Energie freisetzt.

Cyclobutan ist ebenfalls ein brennbares Gas. Sein Sdp. liegt bei 12,5°C. Es ist aus den gleichen Gründen ebenfalls reaktionsfreudig.

Cyclopentan ist eine farblose Flüssigkeit, die leicht entzündbar ist. Der Sdp. liegt bei 49°C.

Cyclohexan ist ebenfalls eine farblose Flüssigkeit. Sein Sdp. liegt bei 81°C. Es ist nicht so reaktionsfreudig, da hier ein sehr „entspannter“ Tetraederwinkel vorliegt. Obwohl der Ring planar gezeichnet ist, so ist er es nicht!

Name Summenformel Sdp. Ringspannung Strukturformel
Cyclopropan C3H6 -33°C 115 Cyklopropan.svg
Cyclobutan C4H8 -12°C 110 Cyclobutane.svg
Cyclopentan C5H10 59°C 27 Cyclopentane.svg
Cyclohexan C6H12 81°C 0 Cyclohexane simple.svg

Zusatzinformationen:  Cycloalkane

Stabilität der cyclischen Alkane

Allgemeine Formel der cyklischen Alkane: CnH2n

Homologe Reihe
  • Cyclopropan (C3H6): sehr instabil
  • Cyclobutan (C4H8): stabil
  • Cyclopentan (C5H10): stabil
  • Cyclohexan (C6H12): stabil
  • Cycloheptan (C7H14): instabil
  • Cyclooctan (C8H16): stabil
Je stärker die Bindungswinkel der Cycloalkane vom Tetraederwinkel 109° abweichen, desto instabiler ist das Molekül (aufgrund der hohen Winkelspannung).

Alkene und Alkine

Ethen

Ethen (Trivialname Ethylen) ist ein farbloses, süßlich riechendes Gas. Es ist das einfachste Alken und enthält eine Doppelbindung. Man spricht auch von einem ungesättigten Kohlenwasserstoff.

Wenn man den räumlichen Bau anschaut, sieht man schnell, dass es ein planares Molekül ist, welches einen Bindungswinkel von 120° hat.

grüne, unreife Bananen werden gepflückt, transportiert und danach mit Ethen zum reifen gebracht

Ethen wird als Pflanzenhormon verwendet. So werden z.B. noch grüne Bananen gepflückt, transportiert und dann kurz vor Verkauf mit Ethen begast, welches sie zum Reifen bringt.

Auch reife Früchte wie Bananen geben Ethen ab, so dass unreifes Obst, wie Tomaten, in Gegenwart von Bananen weiter reifen.

Des weiteren ist es Ausgangsstoff für sehr viele chemische Synthesen und zur Kunststoffherstellung (PE - Polyethylen, Polystyrol (=Styropor) sowie Polyester u.a.). Auch der Alkohol Ethanol kann daraus hergestellt werden.

Vorsicht: Ethen ist hochentzündlich. Bei einem Luftvolumenanteil von 3 - 36% bildet es explosive Gemische. In hoher Konzentration wirkt es auch als Betäubungsmittel.

Alkene enthalten Zweifachbindungen. Sie gehören zu den ungesättigten Kohlenwasserstoffen. Ihre Namen enden auf -en.
Ethin

Ethin:Ethin (Trivialname Acetylen) ist ebenfalls ein farbloses, leicht süßlich riechendes Gas. Beide Kohlenstoffatome sind über eine Dreifachbindung miteinander verbunden. Es ist der einfachste Vertreter aus der homologen Reihe der Alkine:

Der räumlichen Bau ist planar (kettenförmig) (Bindungswinkel von 180°).

Es brennt mit stark rußender Flamme. Im richtigen Gemisch mit Sauerstoff werden dabei Temperaturen von bis zu 3100°C erreicht. Aus diesem Grunde wird es als Schweißgas verwendet.

Ethin-Luftgemische zwischen 2-82% Luftvolumenanteil sind hochexplosiv. Unter hohem Druck zerfällt es, so dass es in Schweißflaschen nur mit geringem Druck gelagert werden kann.

Die Löslichkeit in Wasser beträgt Normalbedingungen nur 1,23 g/l, wohingegen die Löslichkeit in Alkohol und Aceton sehr gut ist.

Außer zum Schweißen ist dieses Gas besonders gut für chemische Synthesen als Ausgangsstoff geeignet. Außer Kunststoffen wie Polyvinylchlorid[2] (PVC) werden auch viele organische Säuren wie Essigsäure daraus hergestellt.

Alkine enthalten Dreifachbindungen. Sie gehören zu den ungesättigten Kohlenwasserstoffen. Ihre Namen enden auf -in.

Zusatzinformationen

Die Genfer Nomenklatur von organischen Verbindungen (IUPAC) - Teil 1

  1. Es wird die längste Kohlenstoffkette gesucht und die Kohlenstoffatome werden entsprechend nummeriert. Dabei spielt es keine Rolle, ob von Links oder rechts gelesen wird!
  2. Bei Doppelbindungen wird die Endsilbe-an“ durch die Silbe „-en“ ersetzt. Die Endung „-in“ wird für Dreifachbindungen verwendet. Die Kette wird dann so nummeriert, dass die Doppel- (bzw. Dreifach-) Bindung die niedrigste Ziffer erhält. Die Lage der Mehrfachbindungen im Molekül wird durch die Nummer des Kohlenstoffatoms bezeichnet, das in der Mehrfach­bindung die kleinere Nummer trägt. Sie wird vor (oder früher auch nach) dem Namen des Alkens stehen. Treten mehre Mehrfachbindungen auf, wird ein „di, tri... “ vor die Endsilbe eingesetzt.
    Propen

    (1,5)-Heptdien
  3. Seitengruppen werden mit den Namen der entsprechenden Alkane (Alkene/ Alkine) und der Endung „-yl“ gekennzeichnet. Ihre Anzahl wird, (wenn von 1 abweichend) durch die Silben Di-, Tri-, Tetra-, Penta- gekennzeichnet: Vor die Bezeichnung des Restes kommt die Nummer der Stelle der Verzweigung. Treten z.B. zwei Methyl Reste auf, so kommt noch die Silbe „di“ hinzu. Die Seitengruppen werden in alphabetischer Reihenfolge genannt (also -ethyl vor -methyl).
    → 3-Ethyl, 4-Methyl-Heptan → 3, 3-Dimethyl-1-Hepten
  4. Mehrere Doppelbindungen werden durch die Endsilbe „-dien“ gekennzeichnet. Verbindungen mit Doppel- und Dreifachbindungen werden durch die Endungen „-enin“ gekennzeichnet. Sind viele Mehrfachbindungen (oder funktionelle Gruppen) vorhanden, kann die Zahl auch direkt vor das -en oder -in gestellt werden: z.B. 1-Buten = But-1-en.
    → 3-Ethyl, 4-Methyl-(1,5)-Heptdien → 5 Ethyl, 2,5-Dimethyl-(1,6)-Heptenin
  5. Wichtig: Die Nummerierung der Kohlenstoffkette (siehe 1.) ist so durchzuführen, dass nicht nur Mehrfachbindungen, sondern auch Seitenketten eine möglichst niedrige Nummer erhalten.

Zusatzinformationen:

Übungen zur Nomenklatur organischer Verbindungen (Domino)

Im Benzin enthaltene Alkane und Alkine

Benzin ist ein Gemisch. Es enthält mehrere verschiedene Alkane, Cykloalkane, Alkene und Cycloalkene. Hier ein Ausschnitt eines typischen Benzins:

Aufgaben
  1. Ordne die folgenden Namen den einzelnen Verbindungen zu:
    1,3 Diethyl-Cyclo-Pentan, 2,4,5 Trimethyl-Heptan, 1,2 Dimethyl-Cyclohexan, 3,4, Dimethyl-Octan, 3 Isopropyl-Hexan, Oktan, Benzol (=1,3,5-Hextrien), Heptan, 2,2,4 Trimethyl-Heptan, 1,3,5 Trimethyl-Benzol, 3 Methyl-Pentan, Isopropyl-4-Propyl-Benzol, 4 Ethyl-3 Methyl-Heptan, 3,4 Dimethyl-Heptan, (1-Methyl-Propyl)-Cyclopentan, Isobutyl-Benzol.
  2. Wie kann man die unterschiedliche Zusammensetzung des Gemisches „Benzin“ erklären?

Bindungswinkel und Drehbarkeit

a) Alkane

Erinnere Dich an das Kapitel „Atombindung“. Nach der Elektronenpaarabstoßungstheorie stoßen sich Elektronen voneinander ab. Deshalb haben auch Bindungselektronenpaare immer einen größtmöglichen Abstand voneinander. Ein Atom mit vier Bindungen (also genauso wie der Kohlenstoff in Methan, Ethan usw.) liegt also nicht so vor, wie wir ihn oft zeichen:

Maximale Abstoßung liegt bei einem Winkel von 109,5° vor. Die räumliche Gestalt, welche entsteht, wenn man die H's verbindet, nennt man Tetraeder.

Dies ist die räumliche Anordnung, wie sie bei sehr vielen Molekülen, welche 4 Bindungspartner haben vorliegt, ermöglicht den größtmöglichen Abstand zwischen den Bindungspartnern.

Hintergrund ist die Abstoßung der Elektronenwolken untereinander (und im Übrigen auch die der Atomkerne). Elektronen und Atome „versuchen“ jeweils einen möglichst großen Abstand voneinander zu bekommen.

Die Einfachbindung ist frei drehbar!

b) Alkene

Ethen

In Alkenen liegen am Doppelbindungs-“C“ nur 3 Bindungen vor (die Doppelbindung zählt nur einmal, da sie ja nur EINE Doppelbindung ist!). Der Bindungswinkel beträgt 120°.

Die Doppelbindung ist nicht frei drehbar!

b) Alkine

Ethin

Ein C mit Dreifachbindung hat nur 2 Bindungen. Somit ist der maximale Abstand erreicht, wenn ein Bindungswinkel von 180° vorliegt!

Die Dreifachbindung ist nicht drehbar!

Funktionelle Gruppen

  • Alle Seitenketten oder besonderen Substituenten (das sind Atome, welche H in der Kohlenstoffkette ersetzen) werden funktionelle Gruppen genannt. Auch Seitenketten (mit oder ohne Doppelbindung) gelten als funktionelle Gruppen.
  • Sind andere Atome als C oder H in funktionellen Gruppen beteiligt, führen diese in der Regel zu polaren Atombindungen und somit oft zu Dipolen. Dies hat wiederum Einfluss auf Siede- und Schmelzpunkte sowie die Löslichkeit in polaren Lösungsmitteln. Es gilt, je stärker der Dipol, desto eher löst sich der Stoff auch in Wasser.
  • Funktionelle Gruppen sind leichter angreifbar als die Hauptkette. Hier finden also oft die Reaktionen statt.
  • Hat man als funktionelle Gruppen neben den Alkylresten auch Halogene oder Sauerstoff, Stickstoff oder Mehrfachbindungen, so werden diese (wenn man es sehr genau mit der Nomenklatur nimmt) in folgender Reihenfolge benannt:Brom vor Chlor vor Sauerstoff vor Stickstoff vor Doppelbindungen vor Alkylketten
  • Hintergrund dieser Anordnung ist die Massenzahl: 35Br > 17Cl > 8O > 7N > 6C)
  • Seitenketten mit Einfachbindungen enden auf -yl (Methyl, Ethyl usw.), Seitenketen mit Doppelbindungen enden auf -enyl (Ethenyl, Propenyl usw.).
  • Alternativ zum cis/trans-Bennenungssystem wurde ein weiteres, das E/Z-System eingeführt (siehe Wikipedia unter Nomenklatur!)
  • Auch Mehrfachbindungen zwischen zwei Kohlenstoffen der Hauptkette gelten als funktionelle Gruppe. Sie werden oft bei Reaktionen aufgespalten! → Moleküle mit Mehrfachbindungen sind deutlich reaktiver als reine Alkane!
  • Die funktionelle Gruppe eines aromatischen Benzolringes wird als „Phenyl“ bezeichnet, also die Atomgruppe –C6H5.

Verschiedene graphische Darstellungsmöglichkeiten von organischen Verbindungen

Organische Verbindungen sind im Aufbau komplex. Durch ihre dreidimensionalen Aufbau ist es schwierig, sie zweidimensional auf Papier darzustellen. Hier eine Übersicht über verschiedene Darstellungsweisen:

a) Summenformel

Die Summenformel beschreibt einfach die Summe der beteiligten Atome. Sie sagt nichts über den tatsächlichen Aufbau aus.

C2H6 - Ethan

b) Konstitutionsformel

Die Konstitutionsformel zeigt den einfachen, zweidimensionalen Aufbau der Verknüpfungen von Kohlenwasserstoffen.

Ethan Lewis.svg

c) Strukturformel

In der Regel entspricht sie der Konstitutionsformel. Sie kann (bei einfachen Molekülen) auch dreidimensional gezeichnet sein (gestrichelte Linien ragen nach hinten, dicke Dreieckslinien ragen nach vorn - aus der Ebene hinaus).

Ethan Keilstrich.svg

d) Halbstrukturformel (Kettenschreibweise)
  • Propan: CH3-CH2-CH3
  • Iso-Butan: CH3-CH(CH3)-CH3
e) Strichschreibweise

Bei dieser Schreibweise werden Wasserstoffe nicht gezeichnet. Die Kohlenstoffatome befinden sich an den Winkeln bzw. Schnittpunkten.

Bsp.: 2,2-Dimethylbutan

Weitere Möglichkeiten der dreidimensionalen Abbildung für die K12

 Newman-Projektion

 Fischer-Projektion

 Haworth-Formel

Wiederholungsaufgaben

  1. Was versteht man unter einer Atombindung? Zeichne die Atombindung zwei Sauerstoffatome.
  2. Zeichne die folgenden Verbindungen als Valenzstrichformel: H2, O2, N2, Cl2, HCl, CO, H2O, CH4, CO2
  3. Was ist die homologe Reihe der Alkane? Wie unterscheiden sich Alkane, Alkene und Alkine? Nenne je ein Beispiel sowie die allgemeine Formel.
  4. Welchen Zusammenhang siehst du zwischen der Länge der Kohlenstoffkette und dem Litergewicht sowie der Siedetemperatur der homologen Reihe der Alkane?
  5. a) Welche Summenformel haben Cyclo-Alkane b) Alkene mit zwei Doppelbindungen)?
  6. Erkläre den Begriff „Isomer“. Zeichne dann alle Isomere von Hexan.
  7. Wie erklärst Du Dir die Vielfalt der organischen Verbindungen?
  8. Nenne 10 Stoffe in denen Kohlenstoff enthalten ist
  9. Wie kann man Kohlenstoff chemisch nachweisen? Beschreibe ein Experiment mit Aufbau.
  10. Welche Gefahr geht von den Dämpfen kohlenstoffhaltiger Lösungsmittel (z.B. Benzin oder Alkohol) aus?
  11. Kohlenstoff steht in der 4. HG. Wie viel Atombindungen kann ein Element der 4. HG nur haben?
  12. Stelle die Valenzstrichformeln der folgenden Verbindungen auf: a) alle Dir bekannten Säurenb) Methan, Heptan, C2H6, C6H14, C4H10, C9H20, C2H4, C6H12, C6H6
  13. Wiederhole die Regeln der Genfer Nomenklatur.
  14. Zeichne: 2,2 Dimethyl Propan; 2,3,4 Trimethyl-Penten; 4,4, Dimethyl Heptan
  15. Unter welchen Bedingungen konnten sich Erdgas und Erdöl bilden. Beschreibe den Vorgang.
  16. Norddeutsches Erdgas enthält auch Schwefelwasserstoff. Welche Gefahren würden auftreten, wenn dieser Bestandteil nicht vor der Verbrennung heraus gewaschen würde? Begründe mit einer Reaktionsgleichung!
  17. Woran liegt es, dass die Zusammensetzung des Erdöls aus verschiedenen Ländern unterschiedlich ist?
  18. Erkläre den Begriff „Isomer“ und stelle alle Isomere von Hexan auf
  19. Gib die Strukturformeln und Namen von 4 isomeren Alkoholen der Summenformel C4H11OH an!  
  20. Zeichne die folgenden Strukturformeln und benenne die Substanzen:a) CH3-CHCl2 b) C2H5OH c) CH3-CH4O d) C2H3Br e) C3H8Cl f) C6H6 g) C3H8 h) C3H5Cl i) C3H4COOH j) C3H3O k) Butanal l) (CH3)3CCH3 m) CH2=C(CH3)CH2F  n) H3C-CH2-Br o) 1,5-Diiodpenta-1,4-dien p) 2-Fluor-3,4-dimethylhex-3-en q) 4,4, Dimethyl Heptan r) 2,3,4 Trimethyl Penten s) H3C-CH2-CH2-CH2-CH2 t) H3C-CH=CH-CH=CH-CH3 u) 2,2 Dimethyl Propan
  21. Begründe, warum es in der organischen Chemie eine theoretisch unendliche Anzahl an Verbindungen gibt.
  22. Warum ist Kohlenstoff immer vierbindig und warum darf Wasserstoff nur eine Bindung haben? Wie viele Bindungen hat Stickstoff? Wie sehen die typisch gebunden Sauerstoffe aus?
  23. Nenne 10 Stoffe in denen Kohlenstoff enthalten ist. Wie kann man Kohlenstoff in ihnen chemisch nachweisen? Beschreibe ein Experiment. (Wie kann man Halogene in Kohlenwasserstoffen nachweisen?)
  24. Vervollständige die Tabelle:
Stoffklasse funktionelle Gruppe Endung Beispiel
Alkan C-C
Alken
Alkin
Alkohol
Carbonsäure
Halogenalkane
  1. Erstelle eine Übersicht über die drei Dir nun bekannten Reaktionsmechanismen. Erkläre jeden Mechanismus schrittgenau. und nenne jeweils mögliche Ausgangstoffe (=Edukte) und mögliche Produkte.
  2. Benenne die folgenden Verbindungen:



  1. nicht einwandfrei, da MO der ganze Bereich ist!
  2. Vinyl: R-CH=CH2

Eigenschaften und Reaktionen von Kohlenwasserstoffen

Viskosität

In diesem Kapitel lernst Du einiges zu Eigenschaften und Verwendung von Alkanen. Zuerst soll eine besondere Eigenschaft von Flüssigkeiten untersucht werden.

Dazu werden in einem Experiment 5 Flüssigkeiten nach der Fallgeschwindigkeit einer Metallkugel untersucht. Eine Reihenfolge der Geschwindigkeit soll bestimmt werden.

Benzin > Wasser > Diesel > Pflanzenöl > Paraffin
C8H18 > H2O > z.B.: C14H30 > z.B.: C30H62 > z.B.: C22H46

Wie kann man aber unterschiedlichen Messergebnisse erklären?

Flüssigkeiten unterschieden sich in ihrer „Zähigkeit“. Diese physikalische Eigenschaft nennt man Viskosität. Je höher die Viskosität dabei ist, desto dickflüssiger ist die Substanz.
Informationen zur Viskosität
  • Der Begriff „Viskosität“ hat seinen Ursprung im lateinischen Wort für Mistel „viscum“, da früher aus ihren Beeren zäher Vogelleim hergestellt wurde
  • Physiker unterschieden zwischen Newton'schen Flüssigkeit und nicht-Newtonsche Flüssigkeiten, wie Margarine oder Vanilleeis.
  • Bei Alkanen hat Nonan eine Viskosität ähnlich der von Wasser
  • ihre Maßeinheit ist N · s / m2 (mPa/ s)
  • Der Fall der Kugel ist abhängig von der nach oben gerichtete Auftriebskraft FA, der nach unten gerichtete Gewichtskraft FG, der nach oben gerichtet Reibungskraft FR
  • Paraffin wird als Schmiermittel z.B. in Waffenöl und Vaseline benutzt

Vergleich von Viskositäten verschiedener Flüssigkeiten

Flüssigkeit Viskosität [N·s/ m2]
Pentan 0,23
Hexan 0,32
Heptan 0,41
Oktan 0,54
Nonan 0,71
Dekan 0,92
Petroleum 0,65
Wasser 1,00
Ethanol 1,19
Quecksilber 1,50
Traubensaft 2-5
Blut (37°C) 4-25
Kaffeesahne ca. 10
Olivenöl ca. 102
Honig ca. 104
Paraffinöl 110 - 230
Bitumen ca. 1010
Glycerin 1480
Asphalt 100000

Was sind die molekularen Ursachen der verschiedenen Viskositäten?

Beim Fallen einer Kugel durch verschiedene Flüssigkeiten sieht man deutlich eine Zunahme der Viskosität bei langkettigen Molekülen.

→ Langkettige Moleküle haften scheinbar besser zusammen, so dass eine fallende Kugel einen größeren Widerstand beim Fallen hat.

a) Idealfall - völlig symmetrische Verteilung der Elektronen (Bsp.: C3H6)

b) Normalfall - asymmetrische Verteilung der Elektronen → kurzzeitige Dipole bilden sich, es kommt zur zwischenmolekularen Anziehung!

Elektronen bewegen sich zwischen den Atomen, was zu einer momentanen, ungleichmäßigen Ladungsverteilung im Molekül führt. Es bilden sich temporärere Dipole. Man spricht auch von asymmetrischen Ladungsverteilungen. Als Folge kommt es zu Wechselwirkungen mit anderen Molekülen, das heißt der Pluspol eines Dipols induziert beim Nachbarmolekül einen Minuspol. So entsteht dort ein induzierter Dipol.


Ursache für die Zunahme der Viskosität bei langkettigen Molekülen sind die mit steigender Kettenlänge zunehmenden „Van der Waals-Kräfte“. Sie bilden sich besonders bei langen und unverzweigten Alkanketten aus

Der Einfluss der VdW-Kräfte ist durch eine einfache Modellvorstellung leicht zu erkennen:

Metallkugel zwischen Alkanen.png

Die Metallkugel muss bei kurzkettigen Alkanen viel weniger Bindungen aufspalten, sie fällt schneller → die Flüssigkeit hat eine geringere Viskosität

Ursache für die unterschiedlichen Viskositäten sind zwischenmolekulare Kräfte in einer Flüssigkeit. Besonders die Van der Waals-Kräfte sind ausschlaggebend. Ihre Ursache sind kurzzeitige Dipole
Aufgaben
  1. Warum spricht man bei Viskosität auch von der „inneren Reibung“?
  2. Nenne hoch viskose Flüssigkeiten des Alltags.
  3. Stelle einen Viskositätenvergleich bei isomeren Alkanen an (z.B. n-Pentan & iso-Pentan).
  4. Aceton hat eine Viskosität von nur 0,33. Kannst Du Ursachen erkennen, die mit seinem Aufbau zu tun haben?
  5. Erkläre mit Hilfe von Zeichnungen Van der Waals-Kräfte und ihre Wirkung besonders auf Flüssigkeiten langkettiger Kohlenwasserstoffe.
  6. Wiederhole die Einflussfaktoren auf die Viskosität einer Flüssigkeit.

Zusatzinformationen zu Van der Waals-Kräften

  • Benannt nach dem Physiker Johannes Diderik van der Waals
  • im Vergleich zur Atombindung und Ionenbindung sind sie nur eine schwache Bindungskraft
  • sie treten immer auf (!), man bemerkt sie aber meist nur in Flüssigkeiten, die keine Ionenbindungen haben
Das bedeutet, einfach ausgedrückt, dass sich zu einem bestimmten Zeitpunkt wesentlich mehr Elektronen auf der einen Seite des Atoms befinden als auf der gegenüberliegenden Seite. Die daraus entstehende elektrische Anziehung ist schwach und hat nur eine geringe Reichweite.
  • Das Zustandekommen von Van-der-Waals-Bindung ist sehr vom Abstand der Moleküle abhängig. Zwei Atome beziehungsweise Moleküle müssen sich also sehr nahe kommen, bevor es zu einer Wechselwirkung kommt.
  • Diese Annäherung ist umso schwieriger, je verzweigter die Moleküle sind und je stärker sie sich bewegen. Mit anderen nimmt die Viskosität ab, je höher die Temperatur ist, also je mehr kinetische Energie die Moleküle haben. Mit steigender Temperatur reißen Van-der-Waals-Bindungen auf. Dies ist bei nicht ionogenen Flüssigkeiten in der Regel der Übergang vom flüssigen zum gasförmigen Zustand.
Gecko an Glaswand
  • Anschauliche Auswirkung der Van-der-Waals-Kräfte - Geckos (Reptilien), nutzen die Van-der-Waals-Kräfte, um an senkrechte Flächen zu klettern. Sie haben dazu Haftballen unter ihren Füßen mit sehr vielen feinen Härchen. Durch jedes kleine Härchen kommt es ein wenig zur Anziehung mit, also zur Wechselwirkung mit der glatten Oberfläche. Durch die hohe Anzahl der Härchen, reicht diese Kraft aus, Geckos sogar kopfüber unter Glas laufen zu lassen.
  • Das längste Experiment: Der Physiker der Universität Queensland in Brisbane, Australien Thomas Parnell (1881-1948), startete 1930 ein Experiment mit dem „Feststoff“ Pech (Rückstand bei der Teerdestillation), welches sogar mit einem Hammer zertrümmert werden kann. Vor 70 Jahren füllte er einen Trichter mit Pech. Er wollte zeigen, dass es bei Raumtemperatur eigentlich (sehr!) zähflüssig ist. (Ca. 100 000 000 000 viskoser als Wasser). Schon 1938 tropfte der erste Tropfen aus dem Trichter. (1947, 1954, 1962, 1970, 1979, 1988 und 2000 weitere. Für ca. 2012 wird der nächste erwartet.

Löslichkeit

Aus dem ersten und dem dritten Jahr Chemieunterricht kennst Du schon ein paar Eigenschaften von Flüssigkeiten. Dazu gehört auch die Löslichkeit. Während Du damals die Löslichkeit von Feststoffen, wie Salzen in Wasser untersucht hast, wirst Du diesmal etwas über die Löslichkeit von Kohlenwasserstoffen wie Alkanen lernen.

V: Mische Fett und Wasser im RG. Anstelle des Fetts können auch Flüssigkeiten wie Öl, Benzin, Paraffin untersucht werden. Teste auch die Löslichkeit der Stoffe untereinander.

B: Bei vielen Flüssigkeitsgemischen sieht man deutlich 2 Phasen im RG. Ein Einfärben der wässrigen (zur Identifizierung) mit KMnO4 oder Tinte ist leicht möglich.

S: Alle flüssigen Alkane sind (wie sehr viele organische Lösungsmittel) unpolar, also Wasser abstoßend (=hydrophob). Mischt man Alkane mit Wasser, ergibt sich für einen kurzen Zeitraum eine „Emulsion“ - nach wenigen Sekunden entmischt sich aber alles in zwei Phasen. Die Alkane schwimmen dabei immer oben, da sie in der Regel eine geringere Dichte als Wasser haben.

Als so genannte Fett liebende Lösungsmittel, lösen sich Alkane gut untereinander. Auch Fette und Öle können sie lösen (=lipophil).

Gründe für den apolaren Charakter der Alkane

Die C-H Bindung der Alkane ist durch die geringe Differenz der Elektronegativitäten nur gering Polar. Zusätzlich fallen die ohnehin schwachen Partialladungen durch den symmetrischen Bau des Alkans in einem Punkt zusammen.

→ das Dipolmoment aller gesättigter Kohlenwasserstoffe ist somit immer null!

→ Alkane sind unpolar (hydrophob (=wasserfeindlich) und gleichzeitig lipophil (=fettliebend))

→ sie lösen sich nur in unpolaren Lösungsmitteln und mischen sich nicht mit polaren Lösungsmitteln wie z.B. Wasser.


Beispiele für Gemische apolarer Flüssigkeiten aus dem Alltag
  • das 1:50 Zweitakter Gemisch für Mofas
  • Fleckentfernung von Fett- und Schmierflecken der Fahrradkette mit Waschbenzin, usw.
Alkane, wie andere Kohlenwasserstoffe auch, lösen Fette gut.

Sie eignen sie sich somit gut, als Fleckentferner.

Waschbenzin und Terpentin werden aus diesem Grunde im Haushalt verwendet.

polar: Wasser liebend - hydrophil entspricht: Fett abstoßend - lipophob

apolar/ unpolar: Wasser abstoßend - hydrophob entspricht: Fett liebend - lipophil

Hydrophile Stoffe lösen sich gut in hydrophilen Lösungsmitteln, lipophile lösen sich gut in lipophilen Lösungsmitteln.

Vereinfacht kann man sagen, dass sich Stoffe, besonders gut in Lösungsmitteln ähnlichen Aufbaus auflösen (das führte zur weit verbreiteten (aber nicht ganz richtigen) Aussage: „Gleiches löst sich in Gleichem“).
Aufgaben
  1. Hähnchen verschmierte Finger lassen sich kaum nur mit Wasser reinigen. Warum?
  2. Wie kannst Du die fettigen „Hähnchen-Finger“ am Besten reinigen?
  3. Es gibt Folienstifte, die mit Wasser abgewaschen werden können. Andere Folienstifte hingegen sind permanent. Kannst Du etwas zu den Inhaltsstoffen dieser Stifte sagen?
  4. Nagellack wird mit dem fast unpolarem Aceton entfernt. Was verrät uns das über Nagellack?
  5. Welche Funktion hat ein Verdauungsschnaps nach fetthaltigem Essen?
Zusatzinformationen
  • Eine Emulsion ist ein fein verteiltes Gemisch zweier verschiedener, sich normalerweise nicht mischender Flüssigkeiten wie z.B. Öl und Wasser. Man findet sie dauerhaft in Speiseeis und Cremes.
  •  Emulsion

Flecken und ihre Entfernung

Wenn man erstmal die einfachen Regeln der Löslichkeit kennt - und weiß mit welcher Art von Stoff man es zu tun hat (besonders seine Polarität sollte man wissen!), dann weiß man oft auch, wie man z.B. Flecken aus Kleidung entfernen kann.

Fleckbestandteil Entfernung
Bier Ein Lappen mit Waschbenzin oder Alkohol befeuchten und reiben, dann mit Waschmittellösung reinigen
Blut in kaltem Wasser einweichen und dann mit etwas Waschmittelpulver und einem nassen Tuch reiben
Cola Waschen mit Waschmittel
Farbe auf Ölbasis & Lacke Waschbenzin, besser Terpentin, auf einen Lappen geben und immer wieder mit neuer, sauberer Stelle reiben
Fett- & Schmierflecken kleinere Flecken mit Waschmittel, größere mit Spiritus, Waschbenzin
Kaugummi Kleidungsstück ins Eisfach legen und später mechanisch entfernen. Evtl. mit Waschbenzin versuchen
Kugelschreiber Spiritus oder Aceton auf einen Lappen und immer wieder mit neuer, sauberer Stelle reiben
Rotwein erst über Nacht Salz auf den frischen Fleck streuen, dann mit Waschbenzin versuchen - später dann Waschmittellösung versuchen - viel Glück ;-)
Obstsaft wie Rotwein
Schuhcreme Lappen mit Waschbenzin getränkt nehmen und reiben, später mit Waschmittel reinigen.
Wachs evtl. mit Waschbenzin und Lappen versuchen
Weißwein sofort mit warmen Wasser auswaschen.
Das Lösungsmittel muss zum Fleck passen. Es sollte ähnlichen Charakter (polar/apolar) haben. Bei Kleidung sollte man grundsätzlich aufpassen, dass nicht saubere Bereiche um den Fleck mit dem heraus gelöstem Schmutz verschmutzt werden.

Brennbarkeit der Alkane

Alkane sind brennbar. Auch viele Alkene und Alkine sind leicht entzündlich. Kürzerkettige Kohlenwasserstoffe sind in der Regel „leicht flüchtig“, ihre Dämpfe sind besonders leicht entzündlich.

Mit zunehmender Kettenlänge nimmt allerdings die Entzündungstemperatur zu.

Alkanedämpfe entzünden sich beim
  1. Benzinrinnenversuch
  2. Zigarette Rauchen beim Tanken.
  3. Vorglühen des Dieselmotors

Vergleicht man die Alkane der homologen Reihe, so sieht man, dass die Flamme oranger und lichtstärker wird. Auch der Russanteil nimmt zu. Letzteres ist ein Indiz auf eine unvollständige Verbrennung. Würde sich ein höherer Sauerstoffanteil in Reaktionsnähe befinden, würden auch diese Alkane rückstandsfrei verbrennen.

Derartige Überlegungen sind bei der guten Ausnutzung von Benzin und Diesel im Verbrennungsmotor wichtig. Das Luft-Brennstoffgemisch ist bei optimaler Einstellung des Vergasers so gut, dass die innere Energie des Treibstoffes optimal genutzt wird und keine Rußpartikel als Abgase entstehen.

Bei der Verbrennung von organischen Verbindungen entstehen immer Wasser und Kohlenstoffdioxid: z.B.: CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2 + E
Aufgaben
  1. Stelle die Reaktion der Verbrennung von Heptan, Oktan, Ethanol (=Spiritus: C2H5OH) und Zucker (C6H12O6) auf.
  2. Warum haben fossile Energieträger (wie Erdgas, Diesel, Benzin usw.) für den Menschen eine so hohe Bedeutung? Gibt es keinen Ersatz für sie?
  3. Erkläre die Funktionsweise des Benzinmotors. Erkläre mit Hilfe der folgenden Begriffe: Benzin-Luftgemisch, Verdichtung, Kolben, Zündkerze, Oktanzahl,
  4. Im Verbrennungsmotor entstehen als Nebenprodukt immer auch Stickoxide wie NO und NO2. Kannst Du erklären warum?

Halogenierung

Bromierung von Hexan (theoretischer Versuch)

V: In ein Reagenzglas oder einen Erlenmeyerkolben werden ca. wenige Milliliter eines Alkans (z.B. Pentan) gefüllt. Es werden aus einer Pipette wenige Tropfen Brom zugefügt. Der Kolben wird im dunklen Abzug beobachtet und dann mit dem Tageslichtprojektor beleuchtet.

Nach Ende der Reaktion werden die Dämpfe mit feuchtem Indikatorpapier gemessen.

Mit einem Tropfen der Flüssigkeit wird eine Beilsteinprobe durchgeführt.

B: Die Flüssigkeit wird durch das Brom leicht gelb gefärbt und entfärbt sich unter Lichteinfluss. Das Indikatorpapier färbt sich in den entstehenden Dämpfen leicht rot.

Zusatzversuche:

Der Indikatortest zeigt das Entstehen einer Säure an

Die Beilsteinprobe ist positiv → Halogene sind in der organischen Verbindung enthalten!

S: Durch Licht wird Brom in einzelne Atome gespalten. Diese Bromatome ersetzen (=substituieren) Wasserstoffatome im Alkan.

Mechanismus der radikalischen Substitution:

  1. Start durch homolytische Spaltung und der resultierenden Entstehung der Bromradikale
    E + Br–Br → Br• + •Br
  2. Das Bromradikal entreißt dem Pentan ein H-Radikal und bildet so ein Pentanradikal
    R–H + •Br → R• + HBr (weitere Pentanmoleküle reagieren)
  3. Das Pentanradikal spaltet weitere Brommoleküle zu weiteren Bromradikalen
    R• + Br–Br
  4. Das Bromradikal reagiert mit einem weiteren Pentan (siehe 2a)
    → radikalischer Kettenmechanismus bzw. radikalische Substitution
Abbruch der Kettenreaktion
  • es liegt kein Pentan oder Brom mehr vor.
  • es reagieren zwei Radikale (zwei Bromradikale oder zwei Pentanradikale) miteinander. Dies ist statistisch wahrscheinlicher, je länger die Reaktion abläuft, da dann mehr Radikale in der Flüssigkeit zu finden sind.
Aufgaben
  1. Erkläre, warum sich Brom in Alkanen überhaupt auflöst?
  2. Erstelle den Reaktionsmechanismus mit Chlor und Hexan
  3. Warum spricht man überhaupt von einem Reaktionsmechanismus?
  4. Was sind Halogenalkane, welche bekannten gibt es und wofür werden/ wurden sie eingesetzt.
Zusatzinformationen
  • Die Beilsteinprobe ist ein Halogennachweis. Dazu wird die zu analysierende Substanz auf ein ausgeglühtes Kupferblech getropft und in die Brennerflamme gehalten. Färbt sich die Flamme grün, ist dies ein Nachweis für Halogene, da Verbindungen vom Typ Cu(Halogen)2 eine grüne Flammenfarbe haben.
  • Da hierbei Dioxine entstehen können sollte der Versuch im Abzug durchgeführt werden.
  • http://de.wikipedia.org/wiki/Beilsteinprobe
  • Zur Spaltung von Brom in Radikale ist Energie notwendig
Zusatzinformationen

 Reaktionsmechanismus  Radikalische Substitution  Radikalische Addition  Elektrophile Substitution  Elektrophile Addition  Eliminierung  Nukleophile Substitution  Nukleophile Addition

Energetische Betrachtung der radikalischen Substitution

Die Reaktion verläuft in mehreren Schritten. Man spricht von Zwischenschritten, bzw. Übergangsstufen. Jedem Schritt ist natürlich dann auch ein Abschnitt im Energiediagramm zuzuordnen.

Reaktionsverlauf der radikalischen Substitution von Brom an Pentan.svg

Berechnung der Gesamtenergie der Reaktion:

Auch die Spaltung einzelner Bindungen kann betrachtet werden. Da Du aus der 10. Klasse schon weißt, dass das Zustandekommen von neuen Bindungen Energie freisetzt, ist es nur logisch, dass auch der gegenteilige Prozess, die Bindungsspaltung Energie benötigt.

Dies ist leicht vorstellbar: Will man zwei verbundene Gegenstände trennen, z.B. zwei Legosteine, so muss man etwas Energie aufbringen, um die Bindung zu lösen.

Energiebedarf bei der Spaltung einer
Bindung Bindungsenergie
C-H 440 kJ/mol
F-F Bindung (homolytisch): 159 kJ/mol
H-H Bindung: 436 kJ/mol
Cl-Cl Bindung (homolytisch): 242 kJ/mol
N-H Bindung: 391 kJ/mol
Br-Br Bindung (homolytisch): 193 kJ/mol
O-H Bindung: 463 kJ/mol
I-I Bindung (homolytisch): 151 kJ/mol
Freiwerdende Energie bei der Bildung einer[1]
Bindung Bindungsenergie
H-F Bindung:-565 kJ/mol
C-F Bindung:-465 kJ/mol
H-Cl Bindung: -432 kJ/mol
C-Cl Bindung:-360 kJ/mol
H-Br Bindung: -365 kJ/mol
C-Br Bindung:-290 kJ/mol
H-I Bindung: -151 kJ/mol
C-I Bindung:-240 kJ/mol

Diese Energien werden auch Bildungsenthalpien genannt.

Die Gesamtenergie einer radikalischen Substitution kann man nun leicht berechnen:

ESpaltung der C-H Bindung des Pentans + EBildung der H-Br Bindung + ESpaltung von Br2 + EBildung der Pentan-Br Bindung = EGes
440 kJ/mol + (- 365 kJ/mol) + 193 kJ/mol + (-298 kJ/mol) = -30 kJ/mol
Aufgaben
  1. Berechne die Energie der Chlorierung von Ethan
  2. Berechne die Energie der Iodierung von Methan
  3. Warum sind radikalische Substitutionen im Labor besonders gefährlich? Berechne die frei­werdende Energie an einem beliebigem Beispiel

Halogenalkane

Als Halogene bezeichnet man die Elemente der 7. Hauptgruppe (F, Cl, Br, I, At). Die ersten vier Elemente dieser HG reagieren z.B. durch eine radikalische Substitution mit Alkanen (aber auch z.B. in Additionen mit Alkenen). Bei diesen Reaktionen entstehen einfach oder mehrfach Substituierte Halogenalkane.

Da die Halogenatome innerhalb der Verbindungen wesentlich die Eigenschaften der Alkane verändern/ bestimmen, spricht man auch von einer funktionellen Gruppe.

Halogenalkane sind einerseits wichtige Zwischenprodukte für weitere chemische Synthesen, andererseits werden sie aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften auch als Endprodukte eingesetzt.

Gerade mehrfach halogenierte Alkane sind schlecht brennbar und fanden früher oft Verwendung in Löschmitteln.

Manche Halogenalkane, wie z.B. CCl4, stehen im Verdacht Krebs erzeugend zu sein!
Bekannte Verbindungen sind
  • CHCl3 Chloroform (=Trichlormethan), süßlich riechende Flüssigkeit, früher als Narkosemittel einigesetzt)
  • CHI3Iodoform, leicht gelbe, charakteristisch riechende Flüssigkeit, Verwendung zur Desinfektion
  • CCl4Tetrachlorkohlenstoff (=Tetrachlormethan), eine nicht brennbare Verbindung von süßlichem Geruch (Lösungsmittel, Feuerlöschmittel).

Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen

Enthalten Alkane sowohl Fluor und Chlor als funktionelle Gruppe, spricht man auch von FCKWs (=Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen). Manchmal werden sie auch, um den der exakten Nomenklatur gerecht zu werden CFKW genannt. Sie würden vor ihrem Verbot oft als Treibgase in Spraydosen oder Kältemittel verwendet werden. FCKWs sind sehr beständig, unbrennbar und sind meist ungiftig.

CF2Cl2leicht zu verflüssigendes Gas, Einsatz früher als Kühlflüssigkeiten in Kühlschränken.

Verbot der FCKWs

Aufgrund schädlichen Wirkung auf die Ozonschicht unserer Atmosphäre, welche alle Lebewesen in einer Höhe von 12-20km vor aggressiven UV-Strahlen schützt, wurden FCKWs 1995 weltweit verboten. Die chemische Stabilität macht diese Gase in der Atmosphäre nur schwer abbaubar (mittlere Verweildauer je nach Produkt zwischen 44-180 Jahre). Aus diesem Grunde wird die Ozonschicht auch in den kommenden Jahren weiter abnehmen, da sich nach wie vor große FCKW Mengen in ihr befinden.

Eine andere Möglichkeiten der Halogenierung

Elektrophile Substitution von Ethanol: C2H5OH + HCl → C2H5Cl + H2O

Zusatzinformation

 Halogenkohlenwasserstoffe  Halogenalkane  Fluorchlorkohlenwasserstoffe  Tetrachlormethan  Trichlorfluormethan  Ozonloch  Ozonschicht

Nomenklatur der Halogenalkane

  1. Die Nomenklatur entspricht den Regeln der üblichen Nomenklatur der Alkane (d.h. zuerst längste Kette suchen, alphabetisches Sortieren der Reste usw...)
  2. Der Name des Halogens (Fluor, Chlor, Brom, Iod) wird vor den Namen (evtl. mit di, tri, tetra usw...) vorangestellt. Die Nummer wird entsprechend den Regeln zur Bestimmung von Verzweigungen bei Alkanen angegeben. Also z.B. „2-Chlor-Propan“
  3. Bei Halogensubstituenten und Verzweigungen (z. B. Ethyl- und Chlor-Verzweigungen in einem Molekül) wird das Halogen als „funktionelle Gruppe“ zuerst genannt.
Aufgaben
  1. Leite aus Formeln und Namen die Regeln für die Nomenklatur der Halogenalkane ab!
  2. Zeichne die folgenden Verbindungen (mit allen freien Elektronenpaaren):
    a) 3,4-di-Brom,1-Fluor-Hepen
    b) 2-Chlor,4-Ethyl,3-Methyl-Heptan
    c) 4-Brom-2,2,4-Triiod-Nonan
    d) 4-Brom-(2,5)-Octdien
  3. Welches Alkan hat eine molare Masse von 58g/mol? Welche Masse hätte dies Alkan als 2fach mit Fluor substituiertes? (Welches Alken hat die Masse von 84 g/mol?)
    a) Erstelle den Reaktionsweg einer Chlorierung von Propan. Wie viel verschiedene Produkte sind denkbar? Zähle mindestens 8 auf!
    b) Erstelle ein passendes Energiediagramm und erkläre die Begriffe exotherm und endotherm.
    c) Warum sind die Übergangsprodukte nicht isolierbar?
  4. Die Bromierung von Pentan funktioniert besonders gut, wenn das Reaktionsgemisch lange belichtet wird. Erkläre, warum bei einer kurzen Belichtungsdauer die Produktausbeute geringer ist.
  5. a) Wenn der Versuch nur mit rotem Licht oder nur mit blauem Licht bestrahlt wird, gibt es einen Unterschied in der Ausbeute. Erkläre.
    b) Wie müsste die Ausbeute der beiden Versuche im Vergleich mit weißem Licht sein?

Die elektrophile Addition

V: Zu einem Alken wird etwas Brom oder Bromwasser gegeben.

B: Es findet eine Entfärbung statt.

S: Diese sehr typische und schnell verlaufende Nachweisreaktion für Mehrfachbindungen ist keine Substitution, da man nach der Reaktion keine Doppelbindungen mehr vorfindet. Vielmehr wird die Doppelbindung aufgespalten und es werden Bromatome an das Kohlenstoffgerüst addiert. Man spricht von einer Additionsreaktion. Da nun kein freies (gelbes) Brom mehr im Reaktionsgefäß vorhanden ist, entfärbt sich die Lösung.

Stereo-Add-Brom-Alken.png

Zum Verständnis des genauen Ablaufs wird der Einfachheit halber nicht von Penten ausgegangen, sondern von Ethen. Grundsätzlich ist dieser Mechanismus aber an allen Alkenen gleich!

Mechanismus der elektrophile Addition am Beispiel des Ethen:

Addition-Brom-Alken.png

  1. Kurzzeitige Dipole beim Brom sorgen für eine Anziehung zwischen dem elektropositiveren Bromatom und der Doppelbindung, welche ja eine geballte „Ladung“ von Elektronen auf wenig Raum darstellt und somit minimal negativ geladen ist.
  2. Als Folge wird das Brommolekül heterolytisch gespalten (in Br+ und Br-).
  3. Das positivere Bromion wird von der Doppelbindung angezogen und bildet einen Übergangskomplex mit dem Ethen. Die Doppelbindung wird dabei aufgespalten.
  4. Es bildet sich eine feste Bindung zwischen dem unteren Kohlenstoff und dem Bromion, da die Doppelbindung sozusagen wie ein Fensterladen „aufklappt“. In der Folge ist das obere C-Atom allerdings nur noch dreibindig und somit positiv geladen (=Carbeniumion). Die fehlende Bindung bringt das zweite (negative) Bromion mit.
  5. Kohlenstoff und Brom vereinigen sich. Es ist ein Alkan entstanden. Die Doppelbindung ist nicht mehr vorhanden. Ihre Elektronen sind nun ein Teil der Bindungen zu einem Bromatom.
Hinweise
  • Additionen finden an Doppelbindungen und Dreifachbindungen statt.
  • Auch H2, Halogenwasserstoffe (z.B. HCl), H2O und ähnliche Stoffe, können Additionen auslösen
  • Man spricht von einer elektrophilen Reaktion, da diese durch elektrostatische Ladungen (positive und negative Ladungen) induziert wird und Ladungen auch im weiteren Reaktionsverlauf eine Rolle spielen.
  • Das Hauptmerkmal der elektrophilen Addition ist der Angriff eines „Elektrophilen“, also eines positiv geladenen Teilchens.
  • Dem gegenüber gibt es noch die nukleophile Substitutuion. Hier greift ein negatives Teilchen die positive Ladung des Nukleus (=Atomkerns) der Kohlenwasserstoffkette an.
  • Typische nukleophile Angriffe gehen von Sauerstoff (z.B. bei einer Hydratisierung), Stickstoff (bei der Addition von Aminen NH2), dem Carbo(An)ion oder Schwefel aus

Beispiele für Additionsreaktionen

  • Hydrierung: Addition von Wasserstoffionen
  • Halogenierung: Addition von Halogenenionen
  • Hydrohalogenierung: Addition von HF, HCl, HBr oder HI
  • Hydratisierung: Addition von Wasser
  • Sulfonierung: Addition von Schwefeltrioxid (SO3)2-
  • Addition von Schwefelsäure
Aufgaben
  1. Welche Produkte entstehen bei der Reaktion von 2-Buten mit HCl?
  2. Würde man stattdessen 3-Hexen nehmen, wäre das Ergebnis dann vergleichbar?
  3. Führe eine Addition an 1-Hexenol durch. Wie viel verschiedene Produkte erhält man?
  4. Erkläre das Energiediagramm der Addition
  5. komplexere Additionen: Isobuten Toluol und Hexen mit HCl, HBr
Zusatzinformationen

 Elektrophile Addition  Nukleophile Addition  Carbeniumion  Carbokation

Zwei Carbokationen - Carbeniumion und Carboniumion

Als Carbokationen bezeichnet man positiv geladene Kohlenstoffatome in Kohlenwasserstoff­mole­külen.

Man unterscheidet zwischen Carbeniumionen mit drei Substituenten und Carboniumionen mit fünf Bindungen.

Zusatzinformationen

 Carbeniumion  Carbokation

Die Eliminierung

Die Eliminierung ist ein weiterer Reaktionsmechanismus organischer Substanzen. Bei der Eliminierung wird aus einem Alkan ein Alken, es findet also die Bildung von Mehrfachbindungen statt.

DehydrationOfAlcoholWithH-.svg

Ein einfaches Beispiel ist die Eliminierung von Alkoholen. So ist es leicht, mit Schwefelsäure aus Propanol Ethen zu bilden.

Mechanismus der Eliminierung

Der Mechanismus ist relativ leicht verständlich. Die Schwefelsäure löst die Reaktion aus, da sie eine recht hohe Affinität zu Laugen (also Hydroxiden (=OH)-) hat. Die alkoholische Hydroxidgruppe trennt sich mit dem Elektronenpaar vom Alken und hinterlässt einen dreibindigen Kohlenstoff. Das Molekül gleicht es dadurch aus, dass es ein Wasserstoffatom ohne Elektron (also ein Proton) abspaltet und diese Bindung dazu nutzt, eine Doppelbindung zu bilden. So haben wieder alle Kohlenstoffe in der Verbindung Edelgaskonfiguration. Ein Alken ist entstanden.

Das freigewordene Proton sowie ein Proton der Schwefelsäure verbinden sich gemeinsam mit der Hydroxidgruppe. Sie bilden H3O+. Aus der Schwefelsäure wurde der Säurerest Hydrogensulfat.

Tipp: Bei heterolytischen Spaltungen bekommt in der Regel der elektronegativere Bindungs­partner das Bindungselektronenpaar zugeteilt.

Aufgaben
  1. Zeichne die folgenden Verbindungen (mit allen freien Elektronenpaaren):
    a) 2,3 di Brom, 1Fluor Hexen (3)
    b) 2 Chlor, 4 Ethyl, 3 Methyl Heptan
    c) 4 Brom, 2,2,4, Triiod Nonan
    d) 4 Brom Oktdien (2, 5)
  2. Welches Alkan hat eine molare Masse von 58g/mol? (Welches Alken hat 84 g/mol?)
  3. a) Erstelle den Reaktionsweg einer Chlorierung von Propan. Wie viel verschiedene Produkte sind denkbar?
    b) Erstelle ein passendes Energiediagramm und erkläre die Begriffe exotherm und endotherm.
    c) Warum sind die Übergangsprodukte nicht isolierbar?
  4. Die Bromierung von Pentan funktioniert besonders gut, wenn das Reaktionsgemisch lange belichtet wird. Erkläre, warum bei einer kurzen Belichtungsdauer die Produktausbeute geringer ist.
    Wenn der Versuch nur mit rotem Licht oder nur mit blauem Licht bestrahlt wird gibt es einen Unterschied. Erkläre.
  5. Erstelle eine Übersicht über die drei Dir nun bekannten Reaktionsmechanismen. Erkläre jeden Mechanismus schrittgenau und nenne jeweils mögliche Ausgangsstoffe (=Edukte) und mögliche Produkte.

Fragen zur Testvorbereitung

  1. Vergleiche Diamant und Graphit hinsichtlich ihrer Eigenschaften und dem Aufbau.
  2. Was versteht man unter der „Chemie des Kohlenstoffs“. Auf wen geht die Auftrennung der Chemie in organische und anorganische Chemie zurück?
  3. Beschreibe die Verbrennung organischer Substanzen am Beispiel der Verbrennung von Benzin (zur Vereinfachung Octan). Stelle eine Reaktionsgleichung auf und formuliere einen Merksatz, der dies für alle organischen Substanzen zusammenfasst.
  4. Stelle die Reaktionsgleichung für die Verbrennung von Methan, Ethan und Propan auf.
  5. Welche Konsequenzen ergeben sich aus der Reaktionsgleichung in 3. und 4. für unsere Umwelt?
  6. Was ist die homologe Reihe der Alkane? Wie unterscheiden sich Alkane, Alkene und Alkine? Nenne je ein Beispiel sowie die allgemeine Formel.
  7. Welchen Zusammenhang siehst du zwischen der Länge der Kohlenstoffkette und dem Litergewicht sowie der Siedetemperatur der homologen Reihe der Alkane.
  8. a) Welche Summenformel haben Cyclo-Alkane b) Alkene mit zwei Doppelbindungen)?
  9. Erkläre den Begriff „Isomer“ und stelle alle Isomere von Hexan auf
  10. Gib die Strukturformeln und Namen von 4 isomeren Alkoholen der Summenformel C4H9OH an!  
  11. Zeichne die folgenden Strukturformeln und benenne die Substanzen:a) CH3-CHCl2 b) C2H5OH c) CH3-CH3O d) C2H3Br e) C3H7Cl f) C6H6 g) C3H8 h) C3H5Cli) C3H4COOH j) C3H3O k) Butanal l) (CH3)3CCH3 m) CH2=C(CH3)CH2F  n) H3C-CH2-Br o) 1,5-Diiodpenta-1,4-dien p) 2-Fluor-3,4-dimethylhexen (3) q) 4,4, Dimethyl Heptan r) 2,3,4 Trimethyl Penten s) H3C-CH2-CH2-CH2-CH2 t) H3C-CH=CH-CH=CH-CH3 u) 2,2 Dimethyl Propan
  12. Begründe, warum es in der organischen Chemie eine theoretisch unendliche Anzahl an Verbindungen gibt.
  13. Warum ist Kohlenstoff immer vierbindig und warum darf Wasserstoff nur eine Bindung haben? Wie viele Bindungen hat Stickstoff? Wie sehen die typisch gebunden Sauerstoffe aus?
  14. Nenne 10 Stoffe in denen Kohlenstoff enthalten ist. Wie kann man Kohlenstoff in ihnen chemisch nachweisen? Beschreibe ein Experiment. (Wie kann man Halogene in Kohlenwasserstoffen nachweisen?)
  15. Welche Gefahr geht von den Dämpfen kohlenstoffhaltiger Lösungsmittel (z.B. Benzin oder Alkohol) aus?
  16. Erstelle eine Übersicht über die drei Dir nun bekannten Reaktionsmechanismen. Erkläre jeden Mechanismus schrittgenau und nenne jeweils mögliche Ausgangsstoffe (=Edukte) und mögliche Produkte.
  17. Erstelle den genauen Mechanismus der Bildung von 1-Chlor-Hexan aus Hexan. Achte darauf, keine Fehler zu machen! Lerne an diesem Beispiel ordentlich und gewissenhaft zu zeichnen! Jede vergessene Bindung bedeutet ein Hanuta für den Nachbarn!
  18. Gib eine Methode an, nach der aus 1-Butanol Buten entsteht
  19. Wie kann man Brombutan herstellen? Nenne verschiede Wege
  20. Formuliere die Iodierung von Ethan. Nenne mindestens drei mögliche Abbruchreaktionen
  21. Formuliere einen chemischen Syntheseweg zur Herstellung von Ethanol. Wie wird Alkohol eigentlich üblicherweise hergestellt?
  22. Nenne Verwendungszwecke von Carbonsäuren und Aldehyden.
  23. Wozu wird Glycerin, Aceton, Ethanal, Ameisensäure und Octan verwendet?
  24. Nenne eine Methode zur Darstellung von Ethan-1,2-diol (=Glycol)
  25. Beschreibe den Reaktionsmechanismus und die Reaktionsbedingungen der folgenden Reaktion: CH2Cl–CH3–CH3 + ........ → ...... → H2C=CH–CH3
  26. Vervollständige die Reaktionsgleichung (und gib Pfeile über die sich bewegenden Atome an und benennen Edukte und Produkte:    (CH3)3C-OH + H2SO4 → ...
  27. Welche zwischenmolekularen Kräfte gibt es? Beschreibe Sie und ordne sie hinsichtlich ihrer zunehmenden Wirkungsstärke
  28. Vergleiche die zwischenmolekularen Kräfte von Methanol und Oktanol.
  29. Ordne Wasser, Methanol und Diethylether nach Molekülmassen und vergleiche deren Siedepunkte. Kann man diesen Widerspruch erklären?
  30. Beurteile die Löslichkeit folgender Substanzen in Wasser: Methansäure, 1-Octanol, Ethansäuremethylester, 2-Propansäure
  31. Was versteht man unter Viskosität? Erkläre und nenne Beispiele.
  32. Inwiefern hat der räumliche Bau eines Moleküls Einfluss auf dessen polaren Charakter? Begründe am Beispiel von CCl4, CO2 und HF.
  33. Welche Art von Bindung liegt im Chloroform-Molekül (CCl3) vor?
  34. Erkläre, warum sich Alkane nicht in Wasser, sehr wohl aber in Öl und Fett lösen. Benutze dazu die folgenden Begriffe: Hydrophob, hydrophil, lipophob, lipophil, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, räumlicher Bau und Abstoßung.
  35. Erkläre das Zustandekommen von zwei Phasen beim Mischen von Alkanen mit Schwefelsäure.
  36. Was erwartest Du, wenn man Kochsalz in Benzin gibt und kräftig rührt? Begründe.
  37. Wie entstehen Van-Der-Waals-Kräfte? Welchen Einfluss haben Sie und wie entstehen sie?
  38. „Die unterschiedliche Entzündbarkeit der flüssigen Alkane entspricht der homologen Reihe und ist von den Massen und den Van-der-Waals-Kräften abhängig“. Stimmt diese Aussage? Begründe!
  39. Welche Faktoren bestimmen Smp und Sdp? Begründe mit Hilfe des Teilchenmodells und der Brownsch'schen Molekularbewegung. In welcher Form spielt die zugeführte Energie dabei eine Rolle?
  40. Nenne und vergleiche die Eigenschaften von Alkanen, Alkinen und Alkenen erst allgemein und dann am Beispiel von Ethan, Ethen und Ethin.
  41. Was sind Halogenalkane für Stoffe. Beschreibe die Stoffklasse.
  42. Nenne die Summenformeln von Paraffin, Aceton, Ether (Diethylether), Glycerin.
  43. Lerne die Formeln der Säuren „Chlorwasserstoff“, „Bromwasserstoff“, „Iodwasserstoff“ und „Schwefelwasserstoff“.
Vervollständige die Tabelle
Stoffklasse funktionelle Gruppe Endung Beispiel
Alkan C-C
Alken
Alkin
Alkohol
Carbonsäure
Halogenalkane



  1. Achtung: freiwerdende Energien bekommen ein negatives Vorzeichen! Benötigte Energien ein positives!

Organische Verbindungen mit funktionellen Gruppen

Übersicht über wichtige Stoffklassen der organischen Chemie

Stoffklasse Merkmal bzw. funktionelle Gruppe Endung Beispiel
(Achtung: Freie Elektronenpaare fehlen!)
Alkan – C – C – -an Ethan:

Ethan Keilstrich.svg Ethane-A-3D-balls.png

Alken Alkene-2D-skeletal.svg -en Ethen:

Ethene structural.svg Ethylene-CRC-MW-3D-balls.png

Alkin Alkyne general.svg -in Ethin:

Ethyne-2D-flat.png Acetylene-CRC-IR-3D-balls.png

Halogenalkan – C – Hal Sonderregeln zur Nomenklatur! Bromethan:

Bromethan.svg Bromoethane-3D-balls.png

Alkohol Hydroxy Group Structural Formulae.svg -ol Ethanol:

Ethanol flat structure.png Ethanol-3D-balls.png

Keton Ketone Structural Formulae V.1.png -on Propanon:

Aceton.svg Acetone-3D-balls.png

Aldehyd Aldehyde Structural Formulae V.1.png -al Ethanal:

Acetaldehyde-2D.png Acetaldehyde-3D-balls.png

Carbonsäure Carboxylic-acid.svg -säure Ethansäure:

Essigsäure Keilstrich.svg Acetic-acid-CRC-GED-3D-balls-B.png

Carbonsäureester Ester.svg -oat (s.u.) Ethylacetat (früher Essigsäureethyl­ester):

Ethyl-acetate-2D-skeletal.png Ethyl-acetate-3D-balls.png Ester Teile.png

Ether Ether-(general).png s.u. Dimethylether:

DiMeether.png Dimethyl-ether-3D-balls.png

Zucker -ose Glucose:

Glucose chain structure.svg D-glucose-chain-3D-balls.png

Es gibt zwei Möglichkeiten der Nomenklatur bei Estern:

Da Ester durch die Reaktion von Alkohol mit Säuren entstehen, bilden sich die Namen entsprechend: Rest des Alkohols + Rest der Säure + oat (früher: Säurename + Restname + Ester)


Es gibt zwei Möglichkeiten der Nomenklatur bei Ethern:

Ether werden als Alkoxyalkane bezeichnet. Dabei wird der längere Alkyl-Rest als Stamm und der kürzere Rest als Alkoxy-Substituent benannt (früher: Name aus den beiden Alkyl-Resten + -ether).

Übersicht über die funktionellen Gruppen

Als Funktionelle Gruppen bezeichnet man besondere Atome, die anstelle eines Wasserstoffes an eine Kohlenwasserstoffkette angehängt ist. Die funktionellen Gruppen sind entscheidend für die chemischen Eigenschaften und das chemische Verhalten dieser Verbindung. So kann ein einzelnes Chloratom die Eigenschaften einer Kohlenstoffkette aus 10 Kohlenstoffatomen komplett verändern.

Oft werden auch spezielle Bindungsarten (Doppel-, Dreifachbindung sowie Ringschlüsse) zu den funktionellen Gruppen zugeordnet.

Funktionelle Gruppe Name
Aromatische Ringe Aromaten
aromatischer Ring mit -OH Phenole
R-C≡N Nitrile
R-CO Ketone
R-COH Aldehyde
R-COOH Carbonsäuren
R-COO-R’ Ester
R-Hal (F, Cl, Br, oder I) Halogenkohlenwasserstoffe
Ringschluss Cycloalkane
R-N=N-R’ Azoverbindungen
R-N=O Nitrosoverbindungen
R-NH2 Amin
R-NO2 Nitroverbindungen
R-O-C≡N Cyanat
R-OH Alkohole
R-O-O-R’ Peroxide
R-O-R’ Ether
R-O-SO2-O-R Sulfate
R-SH Thiole (bzw. Mercaptane)
R-SO2-R’ Sulfone
R-SO3H Sulfonsäure
R-S-R’ Thioether
R-S-S-R’ Disulfide

Beachte: R (bzw. R’) kennzeichnen beliebige Kohlenwasserstoffketten als Rest

Übersicht über wichtige funktionelle Gruppen und bekannte Vertreter

(Achtung: freie Elektronenpaare fehlen!)
Name/
funktionelle Gruppe
Beispiele Verwendung und Besonderheiten
Alkohole [-ol]

Hydroxy Group Structural Formulae.svg

Methanol

Methanol flat structure.png Methanol-3D-balls.png

Früher bekannt als Methylalkohol oder Holzgeist. Hochgiftige, farblose, leicht brennbare Flüssigkeit. Sie wird schon durch Hautkontakt in den Körper aufgenommen. Schon kleinste Mengen führen zu Nervenschäden und Erblindung. Mengen ab ca. 5ml sind tödlich.

Ein Erkennungsmerkmal ist die Verbrennung mit leicht bläulicher Flamme. Ein weiterer Nachweis (und eine Unterscheidung zu Ethanol ist die Verbrennung mit Borax. Dabei entsteht Trimethylborat, das mit grüner Flamme verbrennt.

Es findet Verwendung als Lösungs- und Reinigungsmittel, als Treibstoff und Benzinersatz.

Zusatzinformationen:  Methanol

Ethanol

Ethanol flat structure.png Ethanol-3D-balls.png

Der bekannteste Alkohol wurde früher auch Ethylalkohol oder Weingeist genannt. Er ist ein sehr wichtiges Lösungsmittel, Bestandteil von Reinigungsmitteln und Ausgangsstoff für viele chemische Synthesen.

Als Genussmittel wird in den meisten Ländern Alkoholsteuer darauf erhoben. Damit er trotzdem für andere Zwecke, wie z.B. zum Reinigen von Fenstern, zur Verfügung steht, wird er als Spiritus mit einem Vergällungsstoff in den Handel gebracht. Dieser ist ungenießbar.

Ethanol ist giftig. Zwar kann die Leber und die darin gespeicherten Enzyme (z.B. Alkoholdehydrogenase) das Blut wieder entgiften, aber schon ein Glas Wein/ Bier lässt Menschen (je nach Gewicht) die typischen Vergiftungserscheinungen spüren (Schwindel, Übelkeit, Orientierungsstörung, gesteigerte Aggressivität usw.). Die tödliche Dosis liegt etwa bei 3,0 bis 4,0 Promille.

Zusatzinformationen:  Ethanol

Glycerin

Glycerin - Glycerol.svg Glycerin Skelett.svg Glycerol-3D-balls.png

Glycerin (bzw. Glycerol) ist der Trivialname von Propantriol. Dieser dreiwertige Alkohol ist eine wichtige Ausgangssubstanz für Cremes und andere Kosmetika. Es wirkt als Frostschutzmittel in Scheibenwischanlagen und kann bei der Kunststoffproduktion als Weichmacher verwendet werden. Man findet es auch in Zahnpasta und vielen natürlichen Lipiden (Fetten).

Zusatzinformationen:  Glycerin


Name/
funktionelle Gruppe
Beispiele Verwendung und Besonderheiten
Aldehyde [-al]

Aldehyde Structural Formulae V.1.png

Methanal (=Formaldehyd)

Formaldehyde-2D.svg Formaldehyde-3D-balls-A.png

Formaldehyd ist ein farbloses, stechend riechendes Gas, welches schwerer als Luft ist. In geringen Mengen riecht es etwas süßlich. Es ist ein gutes Reduktionsmittel und noch in Konzentrationen von 0,05-1 ml/m³ wahrnehmbar.

Bei Hautkontakt oder beim Einatmen kommt es zu Verätzungen. Als tödliche Menge reichen schon ca. 10ml Lösung. In geringeren Mengen ist es immer noch krebserregend und kann außerdem Allergien, Haut-, Atemwegs- oder Augenreizungen verursachen.

Es wird zur Herstellung von Kunststoffen, Düngemitteln, Farbstoffen, Konservierungsstoff in der Kosmetikindustrie, Desinfektionsmitteln usw. verwendet. Früher würde es gepresstem Holz beigefügt, um dieses vor Schimmel und Insektenbefall zu schützen. Alte Möbel aus gepresstem Holz können auch noch Jahrzehnte später Formaldehyd ausdünsten.

Zusatzinformationen:  Formaldehyd

Ethanal (=Acetaldehyd)

Ethanal (=Acetaldehyd) Acetaldehyde-3D-balls.png

Ethanal ist eine farblose, sehr leicht flüchtige und daher leicht entzündliche Flüssigkeit mit betäubendem, stechendem Geruch, die mit Wasser in jedem Verhältnis mischbar ist.

Beim Abbau von Alkohol in der Leber entsteht Ethanal als Zwischenprodukt. größere Mengen davon sind u.a. (neben Magnesiummangel im Blut) für den Kater am nächsten Morgen mitverantwortlich.

Es entsteht ebenso (neben über 1000 anderen Verbindungen) bei der Verbrennung von Tabak.

Es ist Bestandteil von Kunststoffen (Synthesekautschuk) Farben und wird zur Herstellung von Parfümen verwendet. Auch in der Gummi-, Papier- und Lederindustrie wird es eingesetzt. Manchmal wird es auch als Konservierungsstoff von Früchten und Fisch verwendet.

 Ethanal

Ketone [-on]

Ketone Structural Formulae V.1.png

Aceton

Aceton.svg Acetone-3D-balls.png

Aceton ist eine dünnflüssige, farblose Flüssigkeit mit typischem Geruch. Sie ist sehr leicht flüchtig und leicht entzündlich und bildet mit Luft ein explosives Gemisch. Mit Wasser ist sie in jedem Verhältnis mischbar und wird deshalb auch oft als Lösungsmittel verwendet (besonders für Harze, Fette, Öle, Klebstoffe, Lacke und Farben). Früher wurde es häufig als Nagellackentferner eingesetzt

Zusatzinformationen:  Aceton


Name/
funktionelle Gruppe
Beispiele Verwendung und Besonderheiten
Carbonsäure [-säure]

Carboxylic-acid.svg Carboxylic-acid-group-3D.png

Ameisensäure

Formic acid.svg Formic-acid-CRC-MW-3D-balls.png

Ameisensäure ist eine farblose, ätzende, stark riechende und in Wasser lösliche Flüssigkeit, die in der Natur vielfach von Lebewesen zu Verteidigungszwecken genutzt wird. Ameisensäure ist ein starkes Reduktionsmittel.

Mit Wasser ist sie in jedem Verhältnis mischbar.

Als Konservierungsstoff für die Lebensmittelindustrie trägt es die Nummer E 236.

Ihr Säurerest heißt Formiat.

Zusatzinformationen:  Ameisensäure

Ethansäure (=Essigsäure)

Essigsäure Keilstrich.svg Acetic-acid-CRC-GED-3D-balls-B.png

Reine Essigsäure ist eine stark riechende Flüssigkeit, die schon bei 16,5°C erstarrt. Sie wird dann auch als Eisessig bezeichnet. Sie hat eine recht hohe ätzende Wirkung und greift unter anderem Kalk und Metalle an.

Sie ist in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar. Wässrige Lösungen der Essigsäure werden auch Essig genannt.

Der Essig im Handel enthält zwischen 5-15% Essigsäure. Als Konservierungsstoff für die Lebensmittelindustrie trägt es die Nummer E 260.

Die Salze der Essigsäure werden als Acetate bezeichnet.

Zusatzinformationen:

 Ethansäure

 Essig

Weitere Säuren: An Carbonsäuren gibt es eine zu große Vielfalt, um alle wichtigen Vertreter hier aufzulisten. Aus diesem Grunde folgt nur eine Kurzübersicht.

Kurzkettige Carbonsäuren sind stark polar. Langkettige Carbonsäuren haben ein polares und ein unpolares Ende der Kohlenwasserstoffkette. Die mit Mehrfachbindungen werden ungesättigten Fettsäuren genannt. Ohne Doppelbindungen als gesättigte Fettsäuren).

Komplexe Carbonsäuren, wie sie oft auch in der Natur in Pflanzen oder beim Stoffwechseln von Tieren auftreten können auch 2 Säuregruppen bzw. auch Hydroxidgruppen enthalten.

Sie bilden sie untereinander Wasserstoffbrückenbindungen aus und haben u.a. deshalb hohe Siedepunkte. Bei langkettigen Carbonsäuren haben auch die Van-der-Waals-Kräfte größen Einfluss auf die hohen Schmelz- und Siedepunkte

Zusatzinformationen:  Carbonsäuren

Propionsäure

CH3-CH2-COOH

Propionsäure Skelett.svg

Propionic-acid-3D-balls.png

Konservierungsmittel, kaum noch verwendet (E 280), Säurerest: Propionate

 Propionsäure

Milchsäure

CH3-CHOH-COOH

Milchsäure.svg

Lactic-acid-3D-balls.png

Bestandteil des Säureschutzmantels der Haut. Entsteht beim sauer werden von Milch, Kochsalzersatz in der Diät­nahrung (E 270), Säurerest: Lactate

 Milchsäure

Buttersäure

CH3-CH2-CH2-COOH

Buttersäure Skelett.svg

Butyric-acid-3D-balls.png

Einsatz bei der Kunststoffherstellung, Säurerest: Butyrate

 Buttersäure

Weinsäure

Tartaric acid.svg

Tartaric-acid-3D-balls.png

HOOC-CHOH-CHOH-COOH

Bestandteil in Weintrauben, Säuerungsmittel in der Lebensmittelindustrie (E 334), Säurerest: Tartrate

 Weinsäure

Citronensäure

C6H8O7 · H2O

Zitronensäure - Citric acid.svg

Citric-acid-3D-balls.png

Konservierungsstoff und Säuerungsmittel (E 330), Säurerest: Citrate

 Citronensäure

Benzoesäure

C6H5COOH

Benzoic acid.svg

Benzoic-acid-3D-balls-B.png

Lebensmittel-Konservierung (E 210) , Säurerest: Benzoate

 Benzoesäure

Stearinsäure

C18H36O2

Stearinsäure Skelett.svg

Stearic-acid-3D-balls.png

Seifen- und Kerzenwachsherstellung, Säurerest: Stearate

 Stearinsäure

Ether [-'ether]

Ether-(general).png

Diethylether (oft auch einfach nur „Ether“ genannt)

Diethyl-ether-2D-flat.png

Diethylether.svg

Diethyl-ether-3D-balls.png

Diethylether richt leicht süßlich und wird vom Geruch oft mit dem Geruch von „Zahnarztpraxen“ in Verbindung gebracht. Es ist eine klare, farblose Flüssigkeit, welche bei Raumtemperatur sehr schnell verdunstet.

Beim Einatmen hat gasförmiger Dieethylether eine betäubende Wirkung, so dass er ab 1846 von Ärzten als Narkotikum (4-5-Vol% Diethylether in der Atmeluft, mindestens 15g) Die Wirkung ist dabei eine Lähmung des ZNS, so dass es zu Bewusstseinsverlust und Schmerzunempfindlichkeit kommt. In der Bevölkung hieß der Stoff von da an auch vereinfacht „Ether“.

Der Vorteil dieses Betäubungsmittels ist, dass er Atmung und Blutkreislauf nur kaum beeinträchtigt, so dass die Patienten zwar mit Kopfschmerzen, aber sonst gesund aus der Narkose erwachten.

Die Gefahr lag darin, dass Dieethyletherdämpfe mit Luft ein explosives Gemisch bilden.

Diethylether ist recht apolar, so dass er ein gutes Lösungsmittel für lipophile Stoffe und ein schlechtes für Wasser und hydrophile Stoffe darstellt.

Diethylether entzündet sich bereits als Gemisch mit Luft bei 180 °C von selbst!

Beim Stehenlassen bilden sich in Vorratsflaschen Peroxidverbindungen (R-O-O-R). Diese sind ebenfalls gefährlich und steigern die Explosivität.

Ester [-ester]

Ester.svg

Essigsäureethylester (=Ethylacetat)

Octan etylu.svg

Essigsäureethylester.svg

Ethyl-acetate-3D-balls.png

Ester sind meiste klare farblose Flüssigkeiten. So auch der Essigsäureethylester. Er ist teilweise in Nagellackentferner enthalten und ist auch in vielen Klebstoffen als Lösungsmittel enthalten.

Wenn man davon viel einatmet, reizt das die Atemwege, wirkt narkotisierend/ betäubend und kann auch beim regelmäßigen Schnüffeln abhängig machen.

Essigsäureethylester löst sich etwas in Wasser und löst sich vor allem in Ölen und Fetten (lipophile Stoffe).

Man findet es neben der Verwendung als Lösungsmittel in geringen Konzentrationen auch als künstlichen Fruchtaromastoff in Lebensmitteln sowie bei der Kunststoffherstellung (Kunstharze, Cellophan, Celluloid)

Fragen zur Testvorbereitung

  1. Vergleiche Diamant und Graphit hinsichtlich ihrer Eigenschaften und dem Aufbau.
  2. Was versteht man unter der „Chemie des Kohlenstoffs“. Auf wen geht die Auftrennung der Chemie in organische und anorganische Chemie zurück?
  3. Beschreibe die Verbrennung organischer Substanzen am Beispiel der Verbrennung von Benzin (zur Vereinfachung Octan). Stelle eine Reaktionsgleichung auf und formuliere einen Merksatz, der dies für alle organischen Substanzen zusammenfasst.
  4. Stelle die RG für die Verbrennung von Methan, Ethan und Propan auf
  5. Welche Konsequenzen ergeben sich aus der Reaktionsgleichung in 3. und 4. für unsere Umwelt?
  6. Was ist die homologe Reihe der Alkane? Wie unterscheiden sich Alkane, Alkene und Alkine? Nenne je ein Beispiel sowie die allgemeine Formel.
  7. Welchen Zusammenhang siehst du zwischen der Länge der Kohlenstoffkette und dem Litergewicht sowie der Siedetemperatur der homologen Reihe der Alkane.
  8. a) Welche Summenformel haben Cyclo-Alkane b) Alkene mit zwei Doppelbindungen)?
  9. Erkläre den Begriff „Isomer“ und stelle alle Isomere von Hexan auf
  10. Gib die Strukturformeln und Namen von 4 isomeren Alkoholen der Summenformel C4H11OH an!
  11. Zeichne die folgenden Strukturformeln und benenne die Substanzen:a) CH3-CHCl2 b) C2H5OH c) CH3-CH4O d) C2H3Br e) C3H8Cl f) C6H6 g) C3H8 h) C3H5Cli) C3H4COOH j) C3H3O k) Butanal l) (CH3)3CCH3 m) CH2=C(CH3)CH2F n) H3C-CH2-Br o) 1,5-Diiodpenta-1,4-dien p) 2-Fluor-3,4-dimethylhex-3-en q) 4,4, Dimethyl Heptan r) 2,3,4 Trimethyl Penten s) H3C-CH2-CH2-CH2-CH2 t) H3C-CH=CH-CH=CH-CH3 u) 2,2 Dimethyl Propan
  12. Begründe, warum es in der organischen Chemie eine theoretisch unendliche Anzahl an Verbindungen gibt.
  13. Warum ist Kohlenstoff immer vierbindig und warum darf Wasserstoff nur eine Bindung haben? Wie viele Bindungen hat Stickstoff? Wie sehen die typisch gebunden Sauerstoffe aus?
  14. Nenne 10 Stoffe in denen Kohlenstoff enthalten ist. Wie kann man Kohlenstoff in ihnen chemisch nachweisen? Beschreibe ein Experiment. (Wie kann man Halogene in Kohlenwasserstoffen nachweisen?)
  15. Welche Gefahr geht von den Dämpfen kohlenstoffhaltiger Lösungsmittel (z.B. Benzin oder Alkohol) aus?
  16. Erstelle eine Übersicht über die drei Dir nun bekannten Reaktionsmechanismen. Erkläre jeden Mechanismus schrittgenau. und nenne jeweils mögliche Ausgangstoffe (=Edukte) und mögliche Produkte.
  17. Gib eine Methode an, nach der aus 1-Butanol Buten entsteht
  18. Wie kann man Brombutan herstellen? Nenne verschiedene Wege
  19. Formuliere die Iodierung von Ethan. Nenne mindestens drei mögliche Abbruchreaktionen
  20. Warum gibt es unter Umständen hunderte von Produkten? Nenne ein paar Beispiele, die dies verdeutlichen.
  21. Formuliere einen chemischen Syntheseweg zur Herstellung von Ethanol. Wie wird Alkohol eigentlich üblicherweise hergestellt?
  22. Nenne Verwendungszwecke von Carbonsäuren und Aldehyden.
  23. Wozu wird Glycerin, Aceton, Ethanal, Ameisensäure und Octan verwendet?
  24. Nenne eine Methode zur Darstellung von Ethan-1,2-diol (=Glycol)
  25. Beschreibe den Reaktionsmechanismus und die Reaktionsbedingungen der folgenden Reaktion: CH2Cl-CH2-CH3 + _________________ → _________________ → H2C = CH – CH3 + _________________
  26. Vervollständige die Reaktionsgleichung (und gib Pfeile über die sich bewegenden Atome an und benennen Edukte und Produkte:    (CH3)3C-OH + H2SO4 → ...
  27. Welche zwischenmolekularen Kräfte gibt es? Beschreibe Sie und ordne sie hinsichtlich ihrer zunehmenden Wirkungsstärke
  28. Vergleiche die von Methanol und Oktanol in Wasser.
  29. Ordne Wasser, Methanol und Diethylether nach Molekülmassen und vergleiche deren Siedepunkte. Kann man diesen Widerspruch erklären?
  30. Beurteile die Löslichkeit folgender Substanzen in Wasser: Methansäure, 1-Octanol, Ethansäuremethylester, 2-Propansäure
  31. Was versteht man unter Viskosität? Erkläre und nenne Beispiele.
Vervollständige die Tabelle
Stoffklasse funktionelle Gruppe Endung Beispiel
Alkan C-C
Alken
Alkin
Alkohol
Carbonsäure
Halogenalkane

Vertiefung

Weitere Isomerieformen

Man unterscheidet zwischen zwei Arten von Isomerie: Struktur- (bzw. Konstitutionsisomerie) und Stereoisomerie:

Konstitutionsisomerie

Strukturisomere: Verbindungen mit gleicher Summenformel, aber verschiedenen Strukturformeln. (Unterscheidung in der Reihenfolge der aneinander gebundenen Atome.)

Stereoisomerie

Stereoisomere: Verbindungen, deren Strukturformel (=Konstitution) und Summenformel im Grunde gleich ist, die sich aber in der räumlichen Anordnung unterscheiden. (Zum Verständnis muss man dazu wissen, dass Mehrfachbindungen nicht frei drehbar sind!)

Isomerism-ball-de.svg

cis-trans-Isomere:Moleküle, bei denen die Stellung der Substi­tu­enten an der Doppel­bindung bzw. Dreifach­bindung vertauscht ist. Sie haben in der Regel unterschiedliche chem­ische Eigenschaften.
Cis-2-pentene.svg Trans-2-pentene.svg
cis-2-Penten trans-2-Penten
Cis-1,2-dichloroethene.png Trans-1,2-dichloroethene.png
cis-1,2-Dichloroethen trans-1,2-Dichloroethen
Maleic-acid-3D-balls-A.png Fumaric-acid-3D-balls.png
cis-Butendisäure
(Maleinsäure)
trans-Butendisäure
(Fumarsäure)
Diastereomere: Moleküle, welche Stereo­isomere mit Chiralitäts­zen­trum, aber keine Enantiomere sind. Sie haben i.d.R. unterschied­liche chemische Eigen­schaf­ten)
(S)-Weinsäure
(D-(−)-Weinsäure)
(R)-Weinsäure
(L-(+)-Weinsäure)
meso-Weinsäure

D-tartaric acid.png

L-tartaric acid.png Meso-Weinsäure Spiegel.svg

DL-Weinsäure (racemisch)
(bei 1:1 Verhältnis)

Enantiomere (=Stereoisomere): Moleküle, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Sie können nicht zur Deck­ung gebracht werden können und haben i.d.R. identische chemische Eigen­schaf­ten.
Die gestrichelten Bindungen zeigen nach hinten, die fetten, nach vorn!
Konformationsisomere: Moleküle mit einer unterschiedlichen räumlichen Anordnung, die durch Rotation um Einfachbindungen entsteht.
Butan Konformere
Zusatzinformationen

 cis-trans-Isomerie  Isomer

Zwischenmolekulare Kräfte beeinflussen Schmelz- und Siedepunkte

a) Allgemeine Vorgänge beim Schmelzen und Sieden

Im Anfangsunterricht Chemie des ersten Jahres hast Du gelernt dass alle Stoffe aus winzigen Atomen oder Molekülen bestehen, welche ständig zittern. Diese Brown’sche Molekularbewegung. ist von der Temperatur abhängig. Die folgende Skizze verdeutlicht noch einmal, was passiert, wenn man gefrorenes Wasser bis zum Sieden kocht.

Fest-gasförmig-flüssig.svg

Je mehr Energie in das System gesteckt wird, desto heißer ist es und desto stärker bewegen sich die Teilchen. Ab einem gewissen Punkt halten sie nicht mehr zusammen und der Aggregatzusatnd ändert sich. Dieser Punkt ist also von der Stärke der gegenseitigen Anziehung (=Wechselwirkung) der Teilchen untereinender abhängig.

Mit anderen Worten: Wird der Schmelzpunkt (=Smp) überschritten, lösen sich die Teilchen vom Eisblock ab, weil sie sich zu stark bewegen und sich nicht mehr gegenseitig stark genug anziehen. Der Feststoff schmilzt. Bei weiterer Erwärmung benötigen die Teilchen immer mehr Platz, bis sie schließlich am Siedepunkt (=Sdp) in die Gasphase übergehen (dort ist noch genügend Platz vorhanden).

Der Schmelz- und der Siedepunkt sind demzufolge eine Stoffeigenschaft, die von den Kräften zwischen den Atomen bzw. den Zwischenmolekularen Kräften abhängig ist. Jeder Stoff hat andere Schmelz- und Siedepunkte. Man kann dadurch Stoffe erkennen und zuordnen:

Wasser Alkohol Eisen Zink Quecksilber Helium Wasserstoff Sauerstoff
Smp. 0°C -117°C 1535°C 419°C -39°C -272°C -259°C -219°C
Sdp. 100°C 79°C 2870°C 906°C 357°C -269°C -253°C -183°C
b) Mögliche Kräfte zwischen Molekülen

Im dritten Jahr Chemieunterricht hast gelernt, welche verschiedenen Arten der zwischenmolekularen Kräfte es gibt. Hier eine kurze Wiederholung.

Ionenladungen

Positve und negative Ionen ziehen sich stark an. Demzufolge haben ionogene Verbindungen auch die höchsten Schmelz- und Siedepunkte

Dipol-Dipol-Kräfte

Dipole sind schwache Ladungen innerhalb von Molekülen und kommen durch ungleiche Ladungsverteilungen zustande. Diese ungleichen Ladungsverteilungen haben ihre Ursache in den verschiedenen Elektronegativitäten der Elemente. Dipolmoleküle bilden lockere Verbände - so genannte Molekülaggregate. Die Anziehungskräfte zwischen Dipolen sind viel geringer als die zwischen Ionen und wirken nur über kurze Entfernungen.

Bsp.: CO2 hat eine mehr als doppelt so hohen Molekülmasse wie H2O. Sein Siedepunkt liegt bei -78°C. Also müsste Wasser unterhalb (!) dieser Temperatur bereits Sieden. Da die Moleküle des Wassers aber wunderbare Dipolmoleküle sind, die sich gegenseitig prima anziehen, muss wesentlich mehr Energie zum Sieden des Wassers aufgebracht werden. Es muss also demzufolge mehr Energie aufgebracht werden, diesen „Zusammenhalt“ zu spalten, damit die Moleküle in die Gasphase übertreten können. Puh, noch mal Glück gehabt, weil sonst garantiert kein Leben auf Wasserbasis entstanden wäre ;-)

Liegen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen vor, so erhöhen sich Schmelz- und Siedepunkt.

Wasserstoffbrückenbindungen (=WBBs)

Wasserstoffbrückenbindung
Räumliche Vernetzung der Wassermoleküle

Zwischen den Wasserstoffatomen und freien Elektronenpaaren bilden sich so genannte Wasserstoffbrückenbindungen. Sie führen zu einer schwachen Anziehung zwischen den Molekülen.

WBBs bilden sich beispielsweise auch zwischen Wasserstoff und Stickstoff oder Halogenmolekülen.

Die Kräfte zwischen Molekülen der Wasserstoffverbindungen von Stickstoff, Sauerstoff und Fluor bezeichnet man als Wasserstoffbrückenbindungen. Sie beeinflussen ebenfalls Schmelz- und Siedepunkte.

Van der Waalskräfte (VdW-Kräfte)

Die Ladungen einer Atombindung in Molekülen sind wegen der Bewegung der Elektronen nicht in jedem Moment symetrisch verteilt. Dadurch entstehen momentane, kurzzeitige Dipole, die allerdings nur sehr schwach sind und auch schnell wieder verschwinden, bzw. sich verschieben.

Sie treten nur bei Atomen und apolaren Molekülen auf. (Zum Vergleich: WBBs sind permanente Dipole).

Zwischen unpolaren Molekülen wirken schwache Van der Waals-(Anziehungs)-Kräfte. Ihre Ursache sind kurzzeitige Dipole durch kurzzeitige, unsymetrische Elektronen­verteilungen. Das bedeutet, einfach ausgedrückt, dass sich zu einem bestimmten Zeitpunkt wesentlich mehr Elektronen auf der einen Seite des Atoms befinden als auf der gegenüberliegenden Seite. Die daraus entstehende elektrische Anziehung ist schwach und hat nur eine geringe Reichweite.
Die Stärke der VdW-Kräfte hängt ab von
  • Anzahl der e- im Atom. Je mehr e- vorhanden sind, desto stärker kann die asymetrische Verteilung sein, desto stärker sind folglich die Dipole.
  • Zahl der Atome im Molekül (je höher die Molekülmasse, desto stärker die VdW-Kräfte)
  • Zahl der Berührungsstellen zwischen zwei (oder mehr) Molekülen
  • Das Zustandekommen von Van-der-Waals-Bindung ist sehr vom Abstand der Moleküle abhängig. Zwei Atome beziehungsweise Moleküle müssen sich also sehr nahe kommen, bevor es zu einer Wechselwirkung kommt.
  • diese Annährung ist umso schwieriger, je verzweigter die Moleküle sind

Warum liegen bei längeren Alkanketten höhere Siedepunkte vor?

Da Alkane weder Ionenbindungen, Dipol-Dipol-Bindungen noch WBBs ausbilden, nehmen nur die VdW-Kräfte Einfluss auf ihren Siedepunkt.

Van-der-Waals-Alkanketten.png

Wie man leicht sieht, besteht bei langkettigen Molekülen auch verstärkt die Möglichkeit VdW-Bindungen auszubilden. Sie sind zwar nur kurzzeitig, haben aber dennoch Einfluss auf Schmelz- und Siedepunkte.

Abstufung der verschiedenen Bindungsenergien zwischen Atomen
Van der Waals-Kräfte < Dipol-Dipol-Kräfte < WBB < Ionenbindung < Atombindung
Zunahme der Bindungsenergie
Zunahme der Bindungsstärke

Bedenke: Je stärker die Bindung zwischen Atomen oder Molekülen ist, desto mehr Energie wird benötigt, diese Bindung wieder aufzuspalten.

Bei der Bildung einer Bindung ist es genau umgekehrt. Der entsprechende Betrag Energie wird bei der Bindungsbildung frei.

Aufgaben
  1. a) Wo liegen stärkere zwischenmolekulare Kräfte vor: H2S oder H2O? b) Wie kannst Du Deine Feststellung beweisen?
  2. Erkläre die unterschiedlichen Schmelz- und Siedepunkte von n-Butan und iso-Butan.
  3. Welcher Zusammenhang besteht zwischen Viskosität und Van der Waals Kräften?
  4. Aceton hat eine Viskosität von nur 0,33. Kannst Du Ursachen erkennen, die mit seinem Aufbau zu tun haben?
  5. Erkläre mit Hilfe von Zeichnungen Van der Waals-Kräfte und ihre Wirkung besonders auf Flüssigkeiten langkettiger Kohlenwasserstoffe
Zusatzinformationen

 Van-der-Waals-Bindung  Johannes Diderik van der Waals  Wasserstoffbrückenbindung  Dipol-Dipol-Kräfte

Mehr zum Cyclohexan und seinem Bau

Cyclohexan
  • farblose Flüssigkeit
  • Sdp.: 81 °C (n-Hexan 69 °C)
  • typische Alkaneigenschaften
  • typische Alkanreaktionen (z.B. radikalische Substitution SR)allerdings nur ein Monosubstitutionsprodukt
  • Der Cyclohexanring ist nicht planar gebaut.

Chair-Boat-Conformation general.svg

Cracken von langkettigen Kohlenwasserstoffen

Die wichtigsten Rohstoffe, welche aus Erdöl gewonnen werden sind v.a. Treibstoffe wie Benzin und Diesel sowie kurzkettige (C2-C4) Kohlenwasserstoffe zur Kunststoffproduktion.

Da die Zusammensetzung von Erdöl unterschiedlich ist und der prozentuale Anteil an Benzin, Diesel und kurzkettigen Kohlenwasserstoffen in Erdöl (natürlich) nicht den menschlichen Bedürfnissen entspricht, benötigt man ein Verfahren, um aus den kaum nutzbaren langkettigen Kohlenwasser­stoff­ketten kurzkettige, dringend benötigte herzustellen.

Ein Verfahren dazu ist das so genannte Cracken. Im Grunde wird eine lange Kohlenwasserstoffkette dabei in mehrere Kürzere durch Erhitzen auf ca. 800°C (oder durch einen Katalysator bei ca. 450°C) „zerschnitten“.

Dies funktioniert deshalb so einfach, da die Kohlenstoffatome bei solche hohen Temperaturen derart stark schwingen, so dass die Ketten „reißen“.

Zu beachten ist, dass an den Bruchstellen von langkettigen Alkanen jeweils CH2- Glieder vorliegen. Daraus folgt, dass die neuen Kettenenden der entstehenden Bruchstücke allerdings nicht immer CH3-Enden haben können! (da ja Wasserstoffatome fehlen)[1]. Als Konsequenz entstehen beim Cracken immer erstmal Alkene.

Beispiel
Cracken von Octan in Butan und Buten

Cracken Octan - Butan - Buten.gif

Zusatzinformationen

 Cracken

Die Genfer Nomenklatur von organischen Verbindungen (IUPAC) - Teil 2

Für Teil 1 siehe Kapitel 4: Kohlenstoff als Bindungspartner

Nomenklatur mit Alkohole-Substituenten

  • Bei Alkoholen wird das Hydroxid als Alkanderivate behandelt. Dem Namen des Alkans wird die Endung -ol angehängt. Den Platz der Hydroxidgruppe erhält wie üblich eine möglichst geringe Nummer. Wichtig: Die Namen und Ziffern der Alkylsubstituenten werden denen der Alkanolsubstituenten vorangestellt:

Pentan-1-ol (bzw. 1 Pentanol)

3-Methyl-1-Pentaol

Cyclohexanol

  • Hydroxidgruppen, Halogengruppen sowie Alkylgruppen können entsprechend ihrer Stellung die Hauptkette als primäre, sekundäre oder tertiäre kennzeichnen. Entscheidend ist dabei immer, wie viele weitere Kohlenstoffe an dem C zu finden sind, welches die Hydroxigruppe bindet.
  • Entsprechend der Anzahl der OH-Gruppen unterscheidet man einwertige, zweiwertige, dreiwertige (usw.) also mehrwertige Alkohole

Glycerin (dreiwertig)

Glycol (zweiwertig)

Phenol
  • Liegen die Hydroxygruppen am Benzol (C6H6) vor, so spricht man von Phenolen. Kommen zusätzlich Alkylgruppen vor, so werden sie im Namen wieder vorangestellt.
  • Bei der Benennung von Verbindungen mit Alkoholsubstituenten und Mehrfachbindungen, werden zuerst die Alkoholsubstituenten genannt.
    b) Nomenklatur mit Halogen-Substituenten
  • Die Nomenklatur entspricht den Regeln der üblichen Nomenklatur der Alkane (d.h. zuerst längste Kette suchen, alphabetisches Sortieren der Reste usw...)
  • Der Name des Halogens (Fluor, Chlor, Brom, Iod) wird vor den Namen (evtl. mit di, tri, tetra usw...) vorangestellt. Die Nummer wird entsprechend den Regeln zur Bestimmung von Verzweigungen bei Alkanen angegeben. Also z.B. „2 Chlor-Propan“
  • Bei Halogensubstituenten und Verzweigungen (z. B. Ethyl- und Chlor-Verzweigungen in einem Molekül) wird das Halogen als „funktionelle Gruppe“ zuerst genannt.

Nomenklatur mit Ether & Esther Substituenten

  • Grundsätzlich gibt es hier eine neue und eine ältere (aber noch häufig verwendete Methode. Da Ester durch die Reaktion von Alkohol mit Säuren entstehen, bilden sich die Namen entsprechend: Rest des Alkohols + Rest der Säure + oat (früher: Säurename + Restname + Ether)
  • Auch hier gibt es zwei entsprechende Methoden. Heute werden Ether als Alkoxyalkane bezeichnet. Dabei wird der längere Alkyl-Rest als Stamm und der kürzere Rest als Alkoxy-Substituent benannt. (früher: Name aus den beiden Alkyl-Resten + -ether)

Effekte in Molekülen

Induktive Effekte sind Polarisationseffekte, die durch elektronenanziehende oder -abstoßende Atome oder Atomgruppen bewirkt werden und über 2-3 π-Bindungen hinweg übertragen werden können. Man unterschiedet den +I-Effekt (elektronenschiebend) vom -I-Effekt (elektronenziehend).

Welcher I-Effekt vorliegt hängt von dem betrachteten „Schlüsselatom“ ab. Hat dieses Atom eine negative Partialladung so ist es Elektronen abstoßend. Bei einer positiven Partialladung ist es Elektronen anziehend.

Die "Schlüsselatome" werden oft auch als π-Akzeptoren (elektronenanziehend) oder π-Donatoren (elektronenabstoßend) bezeichnet z.B.

Induction principle general formulae v.1.png

Je weiter die Nachbaratome vom Schlüsselatom entfernt sind, desto mehr schwächt sich die Wirkung des induktiven Effektes des Fluoratoms ab. Am stärksten wirkt er bei C1.

Erklärungen für I-Effekte

Da Elektronen freibeweglich sind, liegt im Grunde immer eine asymmetrische Verteilung von Elektronen zwischen zwei Atomen vor. Betrachtet man jetzt das Fluoratom und das C1-Atom, dann werden rein statistisch betrachtet die Elektronen zum Fluoratom hingezogen, da es elektronegativer (und somit elektronenanziehender) ist. Das elektronenanziehendere Fluor übt also einen -I-Effekt aus (sprich: negativer induktiver Effekt).

Dadurch wird die Elektronendichte bei dem anderen C1-Atom verringert! Es ist im Vergleich zu seinem Nachbarkohlenstoffatom C2 also auch minimal elektronegativer geworden. Ein Ausgleich kann geschehen, indem sich die Elektronen zwischen dem C1- und dem C2-Atom zum C1-Atom leicht verschieben. Dieser Effekt wird sogar noch weiter durch die Kohlenstoffkette wirken, schwächt sich aber dabei sehr schnell ab.

Generell kann man also sagen, dass der Fluorsubstituent das C1-Atom positiviert hat. Einen elektrophilen Angriff wird also eher am anderen Ende der Kohlenstoffkette stattfinden. Das C1-Atom eignet sich eher für einen nukleophilen Angriff.

Übersicht über das zunehmende Vermögen Elektronen anzuziehen

(CH3)3C– <(CH3)2CH– < C2H5– <CH3– <H < –C6 H5 (Ring) < MeO– <HO– < I– < Br– <Cl– <–NO2 < F–

elektronenschiebend (+I-Effekt) → Effekt bei H = 0 → elektronenziehend (-I-Effekt)
Zusatzinformationen

 I-Effekt  Mesomerer Effekt (nur LK)

Weiterer Einfluss des Induktiven Effekts
  • Einfluss auf die Lage der Zweit-Substituenten am Benzol (nur LK)
  • Einfluss auf die Säurestärke eines Moleküls (Säuren mit einem elektronenanziehenden Substituenten spalten das Protons leichter ab, elektronenschiebendende Substituenten führen hingegen zu einer geringen Säurestärke (+I-Effekt)

Regioselektivität bei der elektrophilen Addition

Additionen von Verbindungen des Typs H–X bringen in der Regel mehrere Produkte hervor. Es entstehen Produktgemische. Allerdings sind die prozentualen Anteile meist deutlich verschieden:

Die beiden in Frage kommenden Kohlenstoffe des Ausgangsstoffes (=Edukt) unterschieden sich durch ihre Substituenten. Eines trägt nur Wasserstoffe, das andere keinen Wasserstoff. Stattdessen ist es mit zwei Kohlenstoffen verbunden.

Man erkennt sofort, dass das Proton des H–Cl das weniger substituierte Kohlenstoffatom Angriff und an diesem gebunden wird. Ursache ist der Induktive Effekt[2] der Kohlenstoffatome, die sozusagen (sehr minimal) Elektronen schiebend die Kernladung des angegriffenen Kohlenstoffs erhöhen.

Regel von Markovnikov

Alkene, die ähnlich durch unsymetrische Stoffe (z.B. H-Cl, H-F, H-Br. H-OH, Alkohole usw.) substituiert werden, liefern bei der Addition Produktgemische. Dabei wird das Produkt bevorzugt entstehen, bei dem sich der elektrophilere Teil (z.B. das Halogenion) des angreifenden Stoffes an dem Kohlenstoff, das die meisten Wasserstoff-Atome besitzt, anlagert.

Aber was ist die Ursache?

Der Grund ist, dass das Elektrophil an die Doppelbindung so addiert, dass das stabilere Carbenium-Ion als Übergangszustand gebildet wird. Denn dieser Übergangszustand ist sehr instabil. Durch den I-Effekt wird es stabilisiert.

Zusatzinformationen

 Induktiver Effekt  Markownikow-Regel

Versuche zur Löslichkeit organischer Stoffe

Gesetzmäßigkeiten bei Lösungsvorgängen.

Erstelle eine Tabelle nach folgendem Muster und vergleiche die Löslichkeit der folgenden Stoffe in den verschiedenen Lösungsmitteln. Achte bei den organischen Lösungsmitteln darauf, die RG nicht mehr als ca. 2cm hoch zu füllen (und dann logischerweise nur wenig Lösungsstoffe zu verwenden!)

Notiere das Lösungsvermögen mit (+; +/- ; -) in der Tabelle

Kochsalz Schwefel (Hart)paraffin Wasser Spiritus Benzin Pflanzenöl Kunst­stoff
Wasser x
Spiritus x
Benzin x
  • Erkläre mit Hilfe von Zeichnungen die Regeln zu den Gesetzmäßigkeiten bei Lösungsvorgängen.
  • Ist Spiritus eher polar oder apolar? Erkläre mit einer Zeichnung.

2. Bestimmen des Charakters - hydrophil oder lipophil?

In ein Reagenzglas gibt man eine winzige Menge (1 Korn!) des Farbstoffes Sudanrot und füllt mit ca. 5ml Wasser auf. Nach dem Beobachten gibt man eine halb so große Menge Benzin hinzu und schüttelt.

  • Was ist zu beobachten? Wie kann die Beobachtung erklärt werden?
  • Warum spricht man von 2 Phasen?
  • Mit Methylenblau macht man die gegenteilige Beobachtung. Erkläre
  • Gibt man Sudanrot und Methylenblau gemeinsam mit Wasser und Benzin in ein Reaktionsgefäß, so lässt sich ein Vorgang beobachten. Erkläre.

3. Löslichkeit von Gasen

Etwas Universalindikator (oder Lackmus) wird in ein Becherglas mit (wenig!) Wasser gegeben. Nun wird solange Kohlenstoffdioxid zugefügt, bis ein Farbumschlag auftritt.

  • Erkläre die Hintergründe.
  • Wie schätzt Du die Eigenschaften von Kohlenstoffdioxid bezüglich seiner Wasserlöslichkeit ein?
  • Nenne die Alltagsanwendung zu diesem Versuch
  • Welche Beobachtung aus dem Tierreich zeigt uns, dass sich auch Sauerstoff in Wasser löst?
Zusatzaufgaben
  1. Vervollständige: Organische Stoffe sind meist ________________ (bzw. ________________), d.h. sie lösen sich nicht in _____________ auf, sondern in ______________ Stoffen, wie Benzin. ________________ Stoffe hingegen, wie z.B. Wasser oder Salze, sind ________________und lösen sich gut in wässrigen (also ________________) Lösungsmitteln.
  2. Warum ist Spiritus ein gutes Lösungsmittel für Nikotin verschmierte Möbel?
  3. Flecken mit Verschmierungen der Fahrradkette sollte man nicht versuchen in der Waschmaschine zu reinigen, sondern eher mit Fleckenwasser direkt entfernen. a) Was ist Fleckenwasser? b) Welchen Nachteil hätte das Waschen in der Maschine?



  1. bei komplexen Verfahren können zusätzliche Wasserstoffe natürlich später an die Doppelbindungen addiert werden
  2. Der Induktive Effekt (I-Effekt), der sowohl als +I-Effekt (=elektronenschiebend) als auch als -I-Effekt (=elektronenziehend) auftritt, wird durch funktionelle Gruppen oder auch einzelne Atome ausgelöst.

Reaktionsmechanismen

Hat die Konzentration der Edukte einen Einfluss auf den Reaktionsmechanismus?

Versuch: Reaktion von Ethanol mit Schwefelsäure

Nach der anfänglichen Protonierung des Ethanols entsteht das Ethyloxoniumion

Ethyloxoniumion → Reaktion mit Hydrogensulfation

Nun gibt es drei Möglichkeiten:


Schwefelsäure-mono-Ethylester → Reaktion mit unprotonischen Alkoholmolekülen

Diethylether

Ethen → Monomolekulare Eliminierung: Reaktion wird durch die Zunahme der Teilchen bevorzugt: Entropie
Die Wahl der Reaktionsbedingungen steuert die Reaktion (d.h. nicht nur Temperatur oder Druck, auch die Konzentration der Edukte beeinflusst die Reaktion).

Übersicht über die drei Reaktionsmechanismen der organischen Chemie

In der OC gibt es im Grunde drei Reaktionsmechanismen (sowie die Umlagerung), die alle weiter unterteilt werden können (doch das kommt erst auf einer der folgenden Seiten):

a) Substitution: An der Kohlenstoffkette „sitzende“ Atome oder funktionelle Gruppen werden ausgetauscht bzw. ersetzt

b) Addition: Ein Angriff an Mehrfachbindungen führt zum öffnen der Mehrfachbindung und zu einer Addition von Atomen oder Molekülen. Man sagt auch, die Kohlenstoffkette wird dadurch weiter mit Atomen (Substituenten) gesättigt.

Ethen und Brom reagieren zu 1,2-Dibromethan
Methanal und Bromwasserstoff reagieren zu 1-Brom-Methanol
Beachte
  • die Addition ist nur an ungesättigten Kohlenwasserstoffen möglich.
  • oft liegt die Besonderheit der Regioselektivität vor.

c) Eliminierung: Substituenten werden entfernt, eines der bindenden Elektronenpaare bildet eine neue Mehrfachbindung.

Ein Alkohol reagiert säurekatalysiert zu einem Alken und Wasser

d) Umlagerung (nur LK): innerhalb des Moleküls werden Atome oder Atomgruppen verschoben. Das Kohlenstoffgerüst verändert sich.

Cope-Umlagerung

Zusatzinformationen:  Umlagerung

Unterschiede der Reaktionsmechanismen

Die Unterteilung werden bei den ersten beiden Mechanismen nach dem zuerst angreifenden Teilchen vorgenommen. Zu Beginn von Reaktionen in der OC werden in der Regel Atombindungen gespalten. Dies kann auf zwei Arten geschehen:

homolytische Spaltung:
Radikale mit ungepaarten Elektronen entstehen.
heterolytische Spaltung:
Ionen entstehen

Die so gebildeten Teilchen können also ein geladenes Teilchen oder ein Radikal sein:

a) Angriff durch Ionen oder zumindest schwach positivierte bzw. negativierte Teilchen

Ist das angreifende Teilchen durch eine heterolytische Spaltung entstanden und positiviert, so greift es elektrophil (also Elektronen liebend) an. Negative Teilchen werden eher von den Protonen im Kern der Kohlenstoffatome angezogen. Man spricht daher von einem nukleophilen Angriff.

Weiterhin kann auch eine Radikal angreifen → radikalische Reaktionen

b) Angriff durch ein Radikal

Durch homolytischen Bindungstrennung entstehen so genannte Radikale, welche ein ungepaartes Außenelektron und somit keine Edelgaskonfiguration haben. Diese Teilchen sind dennoch ungeladen, aber sehr reaktiv.

Radikalische Substitution

Wiederholung: Wikibooks-logo.svg Organische Chemie für Schüler/ Eigenschaften und Reaktionen von Kohlenwasserstoffen#Halogenierung

Nukleophile Substitution

Eine für Alkohole typische Reaktion ist die Substitution.

Sie läuft in zwei Schritten ab, einer vorherigen Protonierung und der anschließenden Substitution.

  1. Protonierung durch das Proton der angreifenden Säure (nur bei Hydroxidsubstituenten nötig)
  2. Angriff des Nucleophils (z.B. negatives Halogenion)
Erste Möglichkeit SN1
Erst Abspaltung der Abgangsgruppe, dann Angriff des Nukleophils

Mechanismus Sn 1 V1-Seite001.svg

Das angreifende nukleophile Teilchen muss mindestens ein freies Elektronenpaar besitzen.

Zweite Möglichkeit SN2
Gleichzeitige Abspaltung und rückseitiger Angriff des Halogenions

Mechanismus Sn 2 V1-Seite001.svg

Läuft die Abspaltung und der Angriff gleichzeitig ab, also beide Teilchen eine Einfluss auf die Reaktion haben, so spricht man auch von einer bimolekularen Substitution.

SN2: Gleichzeitige Abspaltung und rückseitiger Angriff des Hydroxidions

Nach dem SN2-Mechanismus läuft beispielsweise die Bromierung von Ethanol ab. Merke: Die Bindung zum abgehenden Substituenten wird in dem Maße gelöst, wie sich die Bindung zum Nucleophil bildet.

Je stabiler das Carboniumion ist (durch I-Effekte), desto eher ist der SN1-Mechanismus gegenüber dem SN2-Mechanismus begünstigt. Tertiäre Alkohole reagieren eher nach SN1, primäre eher nach SN2

Nach welchem Mechanismus eine Reaktion abläuft, ist vor allem von der Molekülstruktur der Ausgangsstoffe sowie vom Lösungsmittel abhängig.

Zusatzinformationen

 Nukleophile Substitution

Aufgaben
  1. 2-Brom-2-methylpropan reagiert mit Wasser.
    a) Formuliere für beide Möglichkeiten den Reaktionsmechanismus
    b) Benenne das Produkt
    c) Welchen Mechanismus hältst Du für wahrscheinlicher?
Lösung

Mechanismus Aufgabe 1 (SN1: Erst Abspaltung des Bromids, dann Angriff des Wassers)

Sn1pierwszyetapreakcjipowstaniekarbokationu.svg
NS1 reaction part2 recombination carbocation nucleophile.svg
NS1 reaction part3 proton transfer forming alcohol.svg

Kann man anhand der Energiediagramme SN1 und SN2 unterscheiden?

Walden-Umkehr

Was ist Nucleophilie?

Nukleophile Substitutionen sind sehr häufig in der organischen Chemie anzutreffen, was auch auf die große Vielfalt der vorhandenen Reaktionspartner zurückzuführen ist. Dabei findet immer der Angriff des Nukleophils und das Verlassen der Abgangsgruppe als Reaktion statt. Man spricht in diesem Fall sogar von einem „Wettbewerb“.

Gute nucleophile Angriffe gehen von Anionen aus, welche in der Regel als Lithium-, Natrium- oder Kaliumsalze der Reaktion zugefügt werden. Aber auch partialnegative Atome können angreifen - sie sind dementsprechend schwächer nukleophil.

Gute Nucleophile

Wie man am letzten Beispiel sieht, können auch Moleküle mit freien Elektronenpaaren als Nukleophile reagieren. Zu den potentiellen Reaktionspartnern gehört somit also auch Wasser oder Amine (H3C–NH2).

Nucleophilie ist also eine kinetische Größe, die Aussagen über die Reaktionsgeschwindigkeit einer Reaktion in Bezug auf ein bestimmtes Ion oder Molekül erlaubt.
Zusatzinformationen

Da Nukleophile immer freie Elektronenpaare haben sind sie somit auch immer Basen und können so auch Eliminierungsreaktionen auslösen.

 Nukleophilie

Eliminierung

V1: 2-Propanol wird mit Schwefelsäure erhitzt.

B1: Es entweicht ein farbloses Gas.


V2: Das Gas wird durch gelbes Bromwasser geleitet

B2: Das Bromwasser entfärbt sich

S2: Es muss ein Alken/ Alkin vorgelegen haben, da an diesen durch Bromwasser eine Addition stattfindet


S: Es ist Propen entstanden, welches Bromwasser entfärbt (durch eine sofortige Addition des Broms an die Doppelbindung). Aus dem Propanol hat sich Wasser abgespalten.

Die Abspaltung von Wasser aus einer Verbindung wird auch als Dehydratisierung bezeichnet. Dehydratisierungen finden z.B. bei Alkoholen in Gegenwart von konzentrierten Säuren (wie H2SO4 oder H3PO4) statt.

Mechanismus der Eliminierung

Der Mechanismus ist relativ leicht verständlich. Die Schwefelsäure löst die Reaktion aus, da sie eine recht hohe Affinität zu Laugen (also Hydroxiden (=OH)-) hat. Die alkoholische Hydroxidgruppe trennt sich mit dem Elektronenpaar vom Alkan und hinterlässt einen dreibindigen Kohlenstoff. Das Molekül gleicht es dadurch aus, dass es ein Wasserstoffatom ohne Elektron (also ein Proton) abspaltet und diese Bindung dazu nutzt, eine Doppelbindung zu bilden. So haben wieder alle Kohlenstoffe in der Verbindung Edelgaskonfiguration. Ein Alken ist entstanden.

Das freigewordene Proton sowie ein Proton der Schwefelsäure verbinden sich gemeinsam mit der Hydroxidgruppe. Sie bilden H3O+. Aus der Schwefelsäure wurde der Säurerest Hydrogensulfat.

Tipp: Bei heterolytischen Spaltungen bekommt in der Regel der elektronegativere Bindungspartner das Bindungselektronenpaar zugeteilt.

LK

E1: Voraussetzung für die Eliminierung ist die Bildung eines Carboniumions

E1-Mechanismus

E2: Bei diesem Mechanismus erfolgt das Abspalten eines Protons (mit Hilfe einer Base) und das Abspalten des Bromid-Ions gleichzeitig. Das heißt es entsteht kein Carbokation als Zwischenprodukt. Die E2 hingegen ist ein konzertierter Prozess. Es werden keine Carbeniumionen gebildet.

E2-Mechanismus

Eliminierung und nucleophile Substitution sind Konkurrenzreaktionen.

Zusatzinformationen:  Eliminierungsreaktion

Was entsteht eigentlich für eine Säure?

Wenn Schwefelsäure mit Wasser in Verbindung kommt, dissoziiert sie in die Ionen H+ und (HSO4)- bzw. 2H+ und (SO4)2- .

Das ist so bei starken Säuren. Ist also das Produkt wasserfrei, dann entsteht Schwefelsäure. Liegt immer auch etwas Wasser vor, durch den Alkohol, der nicht rein war oder durch Wasser bei den Ausgangsstoffen oder weil sogar Wasser entsteht, dann bilden sich die Ionen.

Elektrophile Addition (AE)

QSicon in Arbeit.svg

Dieses Kapitel bzw. dieser Abschnitt wird durch intensive Zusammenarbeit sicher schnell besser. Der Hauptautor freut sich über jeden, der mitmacht. Versucht dich vielleicht nur an den schon vorgegebenen Inhalt und an die Form (bei Listen z.B.) anzupassen. Aber wenn etwas nicht passt, rührt sich der Hauptautor bestimmt. Kaputtmachen kannst du nicht viel – also sei mutig. Danke.

Beispiele für Additionsreaktionen

  • Hydrierung: Addition von Wasserstoffionen
  • Halogenierung: Addition von Halogenenionen
  • Hydrohalogenierung: Addition von HF, HCl, HBr oder HI
  • Hydratisierung: Addition von Wasser
  • Sulfonierung: Addition von Schwefeltrioxid (SO3)2-
  • Addition von Schwefelsäure

Bromierung von Ethen

V: Man leitet Ethen durch einen Standzylinder mit Brom

B: Entfärbung des Broms

S: Es fand eine elektrophile Addition statt.

Mechanismus der elektrophilen Addition

1) Kurzzeitige Dipole führen zur heterolytischen Spaltung (in Br+ und Br-). Das positivere Bromatom wird von der Doppelbindung angezogen, bildet einen positiv geladenen Übergangskomplex (=Carbeniumion) und bildet schließlich eine Bindung mit dem negativen Bromion.

Übergangzustände (nicht stabil oder isolierbar)

Besonderheit Regioselektivität!(nicht in diesem Bsp.) Das Bromidion greift das weniger stark substituierte C-Atom an, da dies eine niedrigere Elektronendichte aufweist.

→ Induktiver EffektDurch unterschiedliche Elektronegativitätswerte von Atomen in einer Atombindung wird diese polarisiert und der elektronegativere Partner zieht die Elektronen zu sich heran. Es sinkt entsprechend am anderen Atomen die Elektronendichte.

-I-Effekt:Ein Atom oder Molekülteil entzieht einem benachbarten C-Atom Elektronendichte  Nucleophile greifen besser an. (z.B. Halogenatome, Sauerstoffatome)
+I-Effekt:Ein Atom oder Molekülteil erhöht die Elektronendichte an einem benachbarten C-Atom  Elektrophile greifen besser an. (z.B. Alkylgruppen)
Zusatzinformationen

 Elektrophile Addition

Der π-Komplex

Pi-Komplex (π-Komplex) ist eine Bezeichnung aus dem Fachjargon der Komplexchemie. Es bezeichnet Koordinationsverbindungen, die häufig nur als instabile Zwischenstufen auftreten. Sie basieren auf Wechselwirkungen zwischen Elektronenpaaren einer Doppelbindung und freien Koordinationsstellen, oft denen eines Übergangsmetalls.

Besonderheit Regioselektivität

Regioselektivität bei der elektrophilen Addition

Regel von Markovnikov

Die Markovnikov-Regel (1869) besagt, dass die Anlagerung von Halogenwasserstoffen an asymmetrische Alkene immer an den Kohlenstoff mit dem meisten Wasserstoff erfolgt.

Beispiel einer Reaktion nach Markovnikov:

Reaktion von Propen mit Salzsäure zu 2-Chlorpropan

Da die Bildung des Produkts der Markovnikov-Regel folgte, nennt man es "Markovnikov-Produkt".

Aber was ist die Ursache für ungleiche Verteilungen zwischen beiden Produkten?

Zwei Carbokationen - Carbiniumion und Carboniumion

Kettenlänge und die daraus folgende Geschwindigkeit der elektrophilen Addition

Länge des Alkyl-Restes - Reaktionsgeschwindigkeit.svg Je länger die Alkylkette, desto größer ist der +I-Effekt des Alkyl-Restes
→ höhere Elektronendichte der Doppelbindung
→ schnellerer Angriff des Elektrophils

Wiederholungsaufgaben

  1. Formulieren sie den Mechanismus der Reaktion von 1-Butanol mit Iodwasserstoffsäure
  2. Welche Mechanismen sind für Alkohole typisch?
  3. Der Entzug von Wasser aus einer Verbindung wird auch Dehydratisierung genannt. Formuliere eine solche Reaktion für 2-Propanol und benenne den Reaktionsmechanismus
  4. Vergleiche die Anzahl der theoretisch möglichen Produkte der Reaktion von HCl mit Butan bzw. 1-Buten
  5. Benenne die folgenden Verbindungen und vergleiche anschließend die jeweilige Reaktion mit Brom hinsichtlich der Produkte und der Reaktionsgeschwindigkeit:
    Ethen + Brom
    Propen + Brom
    Buten + Brom
    tert-Butyl-Ethen + Brom
  6. Gibt man 1-Brompentan mit einer Lauge zusammen bilden sich zwei Phasen (=Schichten)
    a) Erklären sie dieses Phänomen mit einer allgemeingültigen Regel
    b) Beim Erhitzen dieses Gemisches verschwinden diese beiden Schichten (bei gleich bleibendem Volumen). Auch nach dem Abkühlen bleibt nur eine Phase übrig. Erstelle die Reaktionsgleichung und benenne die Produkte.
  7. Welche Produkte bilden sich beim Erhitzen von 2-Methyl-2-Hydroxy-Pentan mit konzentrierter Schwefelsäure?
  8. In einigen Fällen bilden sich bei organischen Reaktionen als Zwischenprodukte so genannte Carbeniumionen mit drei Substituenten. Welche Gründe sprechen dafür, dass sie a) überhaupt isoliert werden können und b) nicht sehr lange existent sind?
  9. Zeichne alle möglichen Produkte der Dehydratisierung von 3-Methyl-3-Hexanol. Welches der möglichen Isomere wird prozentual am meisten entstehen?
  10. Formuliere die Reaktionsgleichungen von:
    a) NaOH + CH3-CH2-CH2-Br
    b) NH3 + CH3-CH2Br

Alkohole

Alkohol

Wikipedia hat einen Artikel zum Thema:

Allgemeine Informationen

  • Neben Nikotin ist Alkohol die die häufigste Droge in Deutschland. (Volksdroge Nummer 1)
  • Er ist fast immer präsent: beim Essen, Fernsehen, Arbeiten, Reisen, Unterhalten, Sport.
  • Das Wort „Alkohol“ kommt aus dem Arabischen „Ar-kul“ = das Feinste
  • seit 3000 Jahren bekannt
  • Umgangssprachlich wird unter Alkohol vor allem der Alkohol Ethanol (früher Äthanol oder noch früher Ethylalkohol, auch Weingeist) verstanden. Es gibt natürlich zu jedem Alkan entsprechende Alkohole und mehrfach Alkohole! Zur Unterscheidung werden sie deshalb auch Alkanole genannt.
  • In Deutschland starben im Jahr 2005 ca.17.000 Menschen durch Alkohol-Missbrauch. 2005 starben alleine in Russland 36000 Menschen nur durch Alkoholvergiftungen!
  • Konsum: In Deutschland wurden 2001 pro Kopf getrunken (120 L Bier, 16 L Wein, 6 L Spirituosen, 6 L Sekt. Das entspricht 153 L alkoholischer Getränke im Vergleich zu 507 L nicht alkoholische Getränke) also einer Menge von 10,5 Litern reinem Alkohol pro Einwohner.

Wirkung

  • Berauschende Wirkung
  • Die Blutgefäße werden geweitet, → stärkere Durchblutung (rote Haut, Nase)
  • Hautporen öffnen sich → trotz anfänglichem Wärmegefühl erfolgt ein Wärmeverlust für den Körper → Gefahr der Unterkühlung
  • Die Niere scheidet Alkohol mit viel Wasser aus
  • hoher Wasserverlust durch Urinausscheidung
  • Nachdurst
Alkohol enthaltende Getränke (mit Angabe des Alkoholgehaltes in Volumenprozent)
  • reifer Kefir: bis ca. 3%
  • Leichtbiere: 1-2,5%
  • Vollbiere: ca 3-5%
  • Starkbiere: 6-12%
  • Weine: 10-15%
  • Met: 5-14%
  • Liköre: 15-75%, oft ~ 30%
  • Spirituosen: ca. 30-96%
Im Handel ist noch eine andere Form erhältlich

Spiritus enthält meist 96% Ethanol und 4% Wasser sowie einen geringen Anteil an Vergällungsmittel, welcher den Alkohol ungenießbar machen soll. Solcher vergällter Alkohol ist für Menschen ungenießbar und somit von der Genussmittelsteuer befreit.

Spiritus ist ein gutes Reinigungsmittel für Fette, Lösungsmittel und beispielsweise Nikotinflecken

Chemische Hintergründe, Aufnahme und Abbau

Die Aufnahme des Alkohols (=Resorption) in das Blut findet vor allem in Magen und Darm statt. Sie dauert (je nach Getränk) ca. 30-60 Minuten. Ein geringer Teil des Alkohols wird allerdings schon von der Mundschleimhaut aufgenommen, so dass der aufgenommene Alkohol direkt ins Blut gelangt und sich dann über den gesamten Körper verteilt. Er wirkt dabei besonders auf Gehirn und Nervenzellen.

Alkohol wird mit dem Blut in die Leber transportiert, welche ihn dann letztlich durch enzymatische Vorgänge abbaut (pro Stunde und pro Kilogramm Körpergewicht ca. 0,1g Alkohol)[1].

Da vor allem bei destillierten (gebrannten) Produkten die volle Wirkung des Getränks erst nach ca. 30min einsetzt, kann diese erst nach einiger Zeit eingeschätzt werden. Keinesfalls schon sofort nach dem Genuss! Dies bemerken vor allem sehr junge Jugendliche, die erstmalig Alkohol trinken, anfänglich keine Wirkung spüren und dann weiter trinken. Nach einer halben Stunde haben sie dann schon zu große Mengen getrunken → Alkoholvergiftung.

Die Alkoholaufnahme wird bei die Durchblutung steigernden Faktoren beschleunigt:

  • Sport
  • Wärme (Irish Coffee, Grog)
  • Zucker (Likör)
  • Kohlenstoffdioxid (als Kohlensäure z.B. im Sekt)

Die Alkoholaufnahme wird durch Fette verlangsamt:

  • Dies führt aber nicht zu einer niedrigeren Aufnahme des Alkohols insgesamt, sondern nur zu einer zeitlichen Streckung.

Abbau des Ethanols im menschlichen Körper

Der Alkoholabbau wird im Körper durch gespeicherte Leberenzyme durchgeführt.

Ethanol → Ethanal → Ethansäure (=Essigsäure) → Kohlenstoffdioxid
  • Das Zwischenprodukt Ethanal sowie ein oft einhergehender kurzzeitiger Magnesiummangel (bedingt durch eine hohe Affinität von Ethanol zu Magnesium) ist für den so genannten Kater verantwortlich.
  • Der Abbau des Ethanols wird durch Zucker gehemmt → Bei süßen Getränken bleibt der Alkohol länger im Blut und seine Abbauprodukt Ethanal entsteht später und über ein längeren Zeitraum. Die Konsequenz ist eine verstärkte Katerwirkung bei süßen alkoholischen Getränken wie Bowlen und Likören.
  • Der Abbau des Ethanols im menschliche Körper ist bei Frauen und Männern nicht genau gleich. minimale genetische Unterschiede beschleunigen den Alkoholabbau bei Männern im Magen durch die „gastrische“ Alkoholdehydrogenase. Männer bauen Alkohol also etwas schneller ab als Frauen. Hinzu kommt eine bei Männern in der Regel größere Körpermasse, welche den Abbau ebenfalls beschleunigt.
  • Durch häufigen Alkoholkonsum wird die Abbaurate übrigens nicht erhöht. Der Trainingseffekt bei regelmäßigem Konsum ist vor allem auf eine Vorratsspeicherung von Alkoholdehydrogenase in der Leber sowie eine Gewöhnung des Nervensystems an die höhere Ethanolmenge zurückzu­führen.
  • Berechnung des Alkoholspiegels: C Alkohol (in Promille ‰) = [Getrunkener Alkohol (in Gramm)] : [Körpergewicht (in Kilogramm) ] · 0,7

Alkoholkonsum

Wie reagiert ein Mensch auf steigenden Alkoholgehalt?
‰ (Promille) Wirkung
0,2 Entspannung, Wärmegefühl, Persönlichkeitsveränderungen wie z.B.: Fröhlichkeit, Gespräch­igkeit, Risikobereitschaft, Volkstänze oder sich sonst irgendwie zum Deppen machen *g*
0,5 Aggressionen steigen, Leistungsfähigkeit sinkt, Selbstüberschätzung nimmt zu („klar kann ich noch fahren“)
0,6 Sehleistung bereits vermindert (leichter Tunnelblick), Konzentrationsverlust
0,8 Sehfähigkeit lässt um etwa 30% nach, Reaktionszeit ist etwa 35% länger. Motorik bereits grob
1-2 Rausch, Sprach- und Gleichgewichtsstörungen, Verlust der Selbstkontrolle, Absterben von Gehirnzellen (reicht deutlich aus für ein „nie wieder Alkohol“ am nächsten Morgen *g*)
2-3 Betäubungsstadium: Erinnerungslücken (Filmriss), Verwirrung, Erbrechen, vermehrte Anzeichen von Atemschwierigkeiten
3-4 komplette Desorientierung/Halluzinationen, Lähmungen, Tiefschlaf
4-5 Atmungsmuskel wird gelähmt → Tod
(Leichte) Symptome des Dauerkonsums

Magenschleimhautentzündungen, Magengeschwüre, Verminderung der Sexualfunktion, geringere körperliche Leistungsfähigkeit, teilweise Verwahrlosung

(Schwerwiegende) Symptome des Dauerkonsums

Abhängigkeit (bereits ab 2 Bier pro Tag möglich!), erst Fettleber, später Schrumpfleber (=Leber­zirrhose), Organbeeinträchtigungen, Organversagen, soziale Ausgrenzung.

Nebenwirkungen
  • Alkohol ist ein gutes Lösungsmittel für viele Substanzen. Dies ist problematisch, wenn Alkohol zusammen mit Medikamenten oder anderen Drogen konsumiert wird. Vielfältige Wechselwirkungen, welche die Einzelwirkungen noch verstärken sind üblich.
  • jedes Jahr sterben tausende weltweit durch den für Menschen giftigen Alkohol Methanol, welcher bei der Herstellung von Ethanol als Nebenprodukt entstehen kann. (2006 alleine 300 in Russland)
Aufgaben
  1. Berechne, wie viel Promille Alkohol Du schon bei einem Glas der folgenden Alkoholika im Blut hättest:
    • Ein Glas Bier (0,3l) enthält 14,4g reinen Alkohol
    • Ein Glas Wein (0,2l) enthält 19,2g reinen Alkohol
    • Ein Glas Schnaps (Korn) (0,02l) enthält 7,8g reinen Alkohol
  2. Warum reagieren Männer und Frauen unterschiedlich stark auf dieselbe Menge Alkohol? Ergibt sich dadurch eine Konsequenz für eine mögliche Sucht Gefährdung?
  3. 10% aller Verkehrsunfälle werden durch Alkohol verursacht. Jährlich sterben dadurch mehr als 2000 Menschen[2], mehr als 55000 werden dabei verletzt. Ein Viertel der „Alkoholtäter“ sind nach Polizeiangaben jünger als 25 Jahre. Versuche Ursachen und Erklärungen für diese Aussagen zu finden.
Zusatzinformationen

Ethanolherstellung

Herstellung durch alkoholische Gärung

Alkohol entsteht u.a. bei der Vergärung von zucker- oder stärkehaltigen Substanzen durch Hefen oder Bakterien. So entsteht zum Beispiel Wein aus Weintrauben oder Bier (aus Malz und Hopfen).

Durch Destillation kann der Alkoholgehalt noch erhöht bzw. fast reiner Alkohol (=Azeotropes Gemisch) gewonnen werden. Solche Getränke bezeichnet man als Spirituosen (z.B. Whiskey, Kognak, Schnaps, Wodka oder Rum). Liköre sind Spirituosen, denen Zucker und Aromen zugesetzt werden.

Als Nebenprodukt kann beim Destillieren Methanol (früher auch Methylalkohol genannt) entstehen. Dieser ist so giftig, dass jedes Jahr Hunderte daran sterben!

Zur Wiederholung aus der Biologie: Hefezellen betreiben Zellatmung, aber bei Sauerstoffmangel (=anaerobe Bedingungen) führen sie die alkoholische Gärung durch!

C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 + E

Die maximal erzielbare Alkoholkonzentration durch Gärung beträgt dabei ca. 15% Vol., danach sterben die Hefepilze.

Herstellung durch elektrophile Addition von Wasser an ein Alken

Wasseraddition.png

(1) Kurzzeitige Dipole beim Wasser sorgen für eine Anziehung zwischen dem elektropositiveren Wasserstoff des Wassers und der Doppelbindung.

(2) Als Folge wird das Wasser heterolytisch gespalten (in H+ und OH-). Das Wasserstoffion wird von der Doppelbindung angezogen

(3) Es bildet sich ein Übergangskomplex von H+ mit dem Ethen. Die Doppelbindung wird dabei aufgespalten.

(4) Es bildet sich eine feste Bindung zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff, da die Doppelbindung sozusagen wie ein Fensterladen „aufklappt“. In der Folge ist das obere C-Atom allerdings nur noch dreibindig und somit positiv geladen (=Carbeniumion).

(5) Die positive Ladung des Carbeniumions sorgt für eine Anziehung und eine anschließende Verbindung mit dem negativen Hydroxid. Es ist Ethanol entstanden.

Nomenklatur

  • Alkohole heißen Alkanole, Endung –ol (bzw. bei komplexen Verbindungen auch „-Hydroxy“)
  • Kohlenstoffkette, die die funktionelle Gruppe trägt gibt der Verbindung den Namen
  • Alkyl- und Halogensubstituenten werden dem Namen vorangestellt
  • Man kann die Alkohole in primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole unterscheiden, indem man je nach Anzahl der Kohlenstoffnachbarn des OH-Gruppe gebundenen C-Atoms zählt.
  • Primärer Alkohol: Das C-Atom mit der OH-Gruppe hat ein weiteres C-Atom gebunden (z.B. bei Ethanol) - siehe auch Beispiel 1.
  • Sekundärer Alkohol: Das C-Atom mit der OH-Gruppe hat zwei weitere C-Atome gebunden - siehe auch Beispiel 2.
  • Tertiärer Alkohol: Das C-Atom mit der OH-Gruppe hat drei weitere C-Atome gebunden (Beispiel 3)

Auch eine Unterscheidung nach der Anzahl in einem Molekül vorhanden OH-Gruppen in einwertige, zweiwertige, dreiwertige usw... (also mehrwertige) Alkohole ist möglich. Mehrwertige Alkohole enthalten also zwei oder mehr OH-Gruppen.

Eigenschaften primärer Alkanole

Alkanole leiten sich von den Alkanen ab und sind gesättigte Alkohole mit der Summenformel CnH2n+1+OH. Ein entständiges Wasserstoffatom der Kohlenstoffkette ist durch eine Hydroxidgruppe ersetzt. Früher wurden diese Alkohole auch mit der Endung „-yl“ versehen, z.b. Methylalkohol scheint als Wort unausrottbar in den Köpfen der Menschheit fest gebrannt - die korrekte Bezeichnung lautet Methanol).

Die Isomerie kommt hier genauso vor, wie bei den Alkanen auch, so dass es mit steigender Kettenlänge und Verzweigung der Kohlenstoffkette eine zunehmende Anzahl an Isomeren gibt.

Schmelz- und Siedepunkte liegen höher als die der entsprechenden Alkane - Ursache ist die Hydroxidgruppe, welche Wasserstoffbrückenbindungen (WBBs) ausbildet. So kommt es zu einem stärkerem Zusammenhalt der Moleküle. Dadurch ist mehr Energie notwendig, sie aus ihrem jeweiligem Verband zu lösen und in den nächsten Aggregatzustand zu überführen.

Systematischer Name Summenformel Dichte (g/cm3) Siedepunkt (°C) Siedepunkt der ent­sprechenden Alkane (°C)
Methanol CH3OH 0,812 66 -161
Ethanol C2H5OH 0,806 78 -88
Propanol C3H7OH 0,817 96,5 -42
Iso-Propanol C3H7OH 0,789 81 -0,5
Butanol C4H9OH 0,823 116,7 36
Pentanol C5H11OH 0,829 137 69
Hexanol C6H13OH 0,833 157 98
Heptanol C7H15OH 0,836 175 126
Octanol C8H17OH 0,839 194,5 151
Nonanol C9H19OH 0,842 213 174

Typische Vertreter der Alkohole

Typische primäre Alkohole
Methanol

Methanol flat structure.png

Methanol-3D-balls.png

H3C-OH
  • Lösungsmittel
  • Zur Herstellung von Formaldehyd HCHO
  • Verbrennungsmotoren CO2
  • allerdings: sehr giftig (Erblindung, Tod)
Ethanol

Ethanol flat structure.png

Ethanol-3D-balls.png

  • gut in Benzin und Wasser löslich
  • Siedetemperatur: 78°C
  • hat einen amphoteren Charakter, d.h. Alkanole sind sowohl Säuren als auch Basen (elektronenziehende Substituenten wie z.B. Halogene erhöhen dabei die Säurestärke)
  • Ethanol bildet mit Alkalimetallen unter Bildung von Wasserstoff so genannte Alkoholatanionen. Ethanol + Natrium → Natriumethanolat + Wasserstoff + E2 C2H5OH+ 2 Na → 2 C2H5O-Na+ + H2 + E
  • Die Salze der Alkanole heißen Alkoholate.
Eigenschaften sekundärer Alkanole
Isopropanol

(2-Propanol)

2-Propanol2.svg

Isopropanol-3D-balls.png

  • farblose, brennbare Flüssigkeit
  • leicht flüchtig, Geruch nach „Krankenhaus“
  • wirkt leicht betäubend, reizt Schleimhäute, Augen und Atemwege
  • Lösungsmittel der Industrie für Fette, Harze, Farben sowie Lösungsmittel der Kosmetikindustrie
  • Verwendung als Frostschutzmittel (z.B. in der Scheibenwischanlage), Desinfektionsmittel
  • Reinigungsmittel für Elektronikbauteile wie CPU oder Digicam-Sensoren
  •  2-Propanol
Eigenschaften zwei- und mehrwertiger Alkohole
Auch als Polyalkohole bezeichnet, enthalten mehrwertige Alkohole mehrere Hydoxidgruppen.
Ethandiol (Glykol)

Ethylene glycol.svg

Ethylene-glycol-3D-balls.png

zweiwertiger Alkohol (Glycol)
  • Halbstrukturformel: OH-CH2-CH2-OH
  • wegen 2 H-Brücken pro Molekül höhere Viskosität und hohe Siedetemperatur (197°C)
  • Frostschutzmittel
  • giftig
Glycerin (Propantriol)

Glycerin Skelett.svg

Glycerol-3D-balls.png

dreiwertiger Alkohol (Glycerin)
  • Halbstrukturformel: CH2OH-CHOH-CH2OH
  • zähflüssig
  • TS = 290°C
  • ungiftig, süßlich
Pentaerythrit(ol)

Pentaerythritol.svg

Pentaerythritol-3D-balls.png

  • Summenformel: C5H8(OH)4
  • Halbstrukturformel: (CH2OH)2-C-(CH2OH)2
  • Schmelzpunkt: 260°C
  • Siedepunkt: 276°C
  • Dichte: 1,4 g/cm3
Eigenschaften aromatischer Alkohole
Phenol (Hydroxybenzol)

Phenol2.svg

Phenol-3D-balls.png

  • aromatische Hydroxylverbindung
  • farblose Kristalle; TSmp. = 41°C
  • giftig; leichte Aufnahme durch die Haut
  • schwache Säure (→ Phenolatbildung)
  •  Phenol

Die funktionelle Gruppe der Alkohole -OH

Funktionelle Gruppen sind Gruppen, welche an Alkanen und Alkenen eine besondere Funktion erfüllen. Sie sind in der Regel stark für den Charakter der jeweiligen Verbindung bestimmend. So ist die funktionelle Gruppe der Alkanole, die auch Alkohole genannt werden die Hydroxylgruppe (OH) die funktionelle Gruppe. Sie kennzeichnet die Gruppe der Alkohole, welche auch Alkanole genannt wird.

Beispiele für natürlich vorkommende Alkohole
  • Ethanol ist ein Produkt der alkoholischen Gärung von Hefen.
  • Glycerin findet man in Membranfetten, Fetten und Ölen. Es gibt auch einen Frosch, der im Winter eingefroren in Eis überlebt, da er Glycerin im Blut hat, welches vor Kristallisation schützt.
  • Zucker, Stärke und Zellulose enthalten viele Hydroxylgruppen
Verwendung
  • Kurzkettige Alkohole sind meist recht passable Lösungsmittel für wasserlösliche also hydrophile Stoffe. Aber auch unpolare (lipophile) Stoffe lassen sich teilweise Lösen. Alkohol hat als Lösungsmittel damit eine Doppelrolle.
  • als Genussmittel
  • Rohstoff der Kosmetik und Parfumindustrie
  • Lösungsmittel und Ausgangstoff für Synthesen in der chemischen Industrie
  • zur Sprengstoffherstellung bei der Synthese von Nitroglyzerin
  • Alkohole sind Ausgangstoffe für die Produktion von Alkansäuren durch Oxidation
2 Ethanol + O2 → 2 Ethanal + H2O
2 Ethanal + O2 → 2 Ethansäure + H2O

Der Vorgang ist umkehrbar, d.h., durch eine Reduktion von Ethansäure lässt sich Ethanol herstellen.

Zusatzinformationen

Oxidierbarkeit von Alkoholen (Unterschied primäre und sekundäre Alkohole)

Butan-1-ol Skelett.svgButanal-skeletal.pngButyric acid acsv.svg

Primäre Alkohole werden über das entsprechende Aldehyd zur Carbonsäure oxidiert.

2-butanol Line-Structure.svgButanone-skeletal-structure.svg

Sekundäre Alkohole können nur zum Keton oxidiert werden. Eine weitere Oxidation ist mangels Angriffspunkt für einen zweiten Sauerstoff nicht möglich. Nur die endgültige Oxidation zum Kohlenstoffdioxid ist immer möglich.

Tertiäre Alkohole nur zum Kohlenstoffdioxid oxidiert werden.

→ Unterscheidbarkeit isomerer Alkohole

Dem Alkohol verwand: Die Ether

Ether sind Verbindungen, welche nach dem Schema R1OR2 aufgebaut sind (R steht dabei für beliebige Alkylreste). Sie kommen sowohl in der Natur (z.B. die Aromastoffe Anisol und Vanillin), als auch in künstlich hergestellten Formen vor. Der bekannteste Ether ist der Di-Ethyl-Ether:

Diethyl-ether-2D-flat.pngDiethylether.svgDiethyl-ether-3D-balls.png

Diethylether ist eine gutes Lösungsmittel für apolare Stoffe und hat einen scharfen Geruch nach Desinfektionsmittel, bzw. Zahnarzt. Es wurde früher als Narkosemittel benutzt.

  • Halbstrukturformel Diethylether: CH3-CH2-O-CH2-CH3
  • Smp. / Sdp.: -116,3°C, 34,4°C

Die Bindungsverhältnisse der Ether sind denen der Alkohole ähnlich - auch wenn es formal keine Alkohole sind!

Es gibt sowohl unverzweigte, verzweigte und zyklische Ether.

Die meisten Ether sind nicht sehr reaktionsfreudig.

Säurekatalysierte Kondensation von zwei Alkoholen zu Ether

Durch Säure können zwei Alkoholmoleküle zu einem Ether kondensieren: Alkoholkondensation.svg

  • R = beliebiger Alkylrest
  • wird bei der Herstellung nur eine Alkoholart verwendet, entstehen symetrische Ether

Zusatzinformationen:

Wiederholungsaufgaben zu Alkoholen

  1. Gibt es eine eindeutige homologe Reihe der Alkohole?
  2. Wie kann man Ethanol gewinnen. Nenne 2 Möglichkeiten.
  3. Zeichne alle und benenne (nur 10) Alkohole mit 5 Kohlenstoffatomen. Ordne anschließend in primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole.
  4. Welche Alkohole sind dabei Spiegelbildisomere?
  5. Je höher die Anzahl an Kohlenstoffatomen, desto viskoser werden sie. Erkläre.
  6. Warum haben Alkohole im Vergleich zu Alkanen gleicher Kettelänge höhere Smp. und Sdp.?
  7. Zeichne 1-Propanol und Propantriol und treffe Aussagen bezüglich der Smp., Sdp. und der Viskosität.
  8. Ordne die folgenden Substanzen hinsichtlich ihrer Löslichkeit in Wasser: CO2, Methan, Methanol, Pentanol. Begründe.
  9. Ordne die folgenden Substanzen hinsichtlich ihres Vermögens Kochsalz zu lösen: Methanol, Wasser, Benzin, Tetrachlormethan.
  10. Ordne nach zunehmenden Siedepunkten: 1,2 Propandiol, Glycerin, 2 Propanol, Propan.
  11. Vergleiche Ethanol und (Diethyl-)Ether (H3C-CH2-O-CH2-CH3) hinsichtlich ihrer Siedepunkte.
  12. Formuliere die Reaktionsgleichung des Ethanolations mit Wasser. Was wird man beobachten können, wenn man Universalindikator hinzufügt.
  13. In Gegenwart von Natronlauge reagiert Ethanol nicht als Säure. Bei der Reaktion mit Natrium gibt es allerdings schon ein Proton ab. Ist Ethanol damit doch eine Säure?

Weblinks



  1. Das Enzym Alkoholdehydrogenase baut Ethanol zu Ethanal (H3C-CHO) ab, das weiter zu Ethansäure (=Essigsäure) oxidiert wird. Die Ethansäure wird über den Citratzyklus und die Atmungskette in allen Zellen des Körpers unter Energiegewinnung zu CO2 veratmet.
  2. Insgesamt ca. 60 000 Alkoholtote in Deutschland

Carbonsäuren

Carbonsäuren (organische Säuren)

V1: In konzentrierte Essigsäure werden zwei Elektroden aus Graphit gegeben und ein Stromkreis mit Ampèremeter angeschlossen (5-10 Volt Wechselspannung). Die so gemessene Stromstärke gibt Auskunft über die Leitfähigkeit der Lösung.

Nach dem ersten Messen der Leitfähigkeit wird kontinuierlich Wasser hinzu gegeben und die Stromstärke beobachtet.

Versuchsaufbau Leitfähigkeit Essigsäure.svg

B S:
1. Essigsäure zeigt keinerlei messbare Leitfähigkeit → In Lösungen können nur Ionen die Elektronen von einer Elektrode zur anderen transportieren.

Liegt keine Leitfähigkeit vor, ist der Stromkreis nicht geschlossen. Also sind demzufolge keine Ionen in der Lösung vorhanden

2. Je mehr Wasser hinzu gegeben wird, desto höher steigt die Leitfähigkeit. Sie übertrifft sogar den Wert der Leitfähigkeit von reinem Wasser. → Durch die Zugabe von Wasser müssen sich Ionen gebildet haben.

Wo kommen diese Ionen her?

Essigsäure (Ethansäure) + Wasser → Essigsäuresäureanion + Oxoniumion
Genau wie die anorganischen Säuren reagieren organische Säuren in einer Protolyse mit Wasser und übertragen dabei ein Proton (Säure-Base-Reaktion). Dabei wird in Wasser das Oxoniumion gebildet, welches die stärkste Säure in wässrigen Systemen ist. Als Protolyse bezeichnet man den Übergang eines Protons (H+) von einem Molekül auf ein anderes. Säuren sind ionogene Verbindungen und leiten demzufolge den elektrischen Strom.
Wichtige Zusatzinformationen
  • Die Heterolyse ist ebenfalls eine heterolytische Spaltung. Eine solche Aufspaltung von Verbindungen in Wasser in ihre Ionen wird auch Dissoziation genannt.
  • Eine Dissoziation muss nicht vollständig sein. Bei Essigsäure dissoziiert ca. jedes 100. Molekül (→ pH ca. 5, da die Konzentration an H3O+ = 10-5 mol/l (statt 10-7 mol/l bei Wasser)
  • Da H+ keine Elektronen hat und nur ein Proton (und kein Neutron!), wird es unter Chemikern auch als Proton bezeichnet!
  • Wichtig: Säure und saure Eigenschaften sind keine unveränderbaren Stoffeigenschaften (wie z.B. der Siedepunkt). Essigsäure beispielsweise ist also erst in Verbindung mit Wasser eine Säure! Sauer kann folglich keine Stoffeigenschaft sein, sondern erst das Ergebnis einer Reaktion, bei der Oxoniumionen[1] entstehen.
  • Umgangssprachlich sagen Chemiker oft, dass das H+ - Ion die Säureeigenschaften ausmacht. Als Erklärung für viele Modelle ist dies auch mehr als ausreichend. Genau genommen ist es aber immer das Oxoniumion (H3O+), welches die sauren Eigenschaften ausmacht.
  • Zum Nachdenken: Du kennst jetzt die beiden Grundtypen chemischer Reaktionen:

a) Redoxreaktionen: Elektronen (e-) werden übertragen b) Säure-Base-Reaktionen: Protonen (p+) werden übertragen

Zusatzinformationen

 Dissoziation

Eisessig

Carbonsäuren haben durch ihren Aufbau und vor allem durch das Ausbilden starker WBBs hohe Schmelz- und Siedepunkte (im Vergleich zu Alkanen und Alkoholen gleicher Kettenlänge).

Besonders deutlich wird dies beim Gefrieren von Essigsäure.

V: Essigsäure wird in den Kühlschrank gestellt (evtl. ein gelegtes RG).

B: Essigsäure ist nach wenigen Minuten gefroren.

S: Der Schmelzpunkt von Essigsäure liegt oberhalb der Temperatur des Kühlschranks.

Kühlschränke kühlen meist im Bereich von 4-6°C, der Schmelzpunkt von wasserfreier, konzentrierter Essigsäure liegt bei 16,2°C.

 Essigsäure

Versuche mit Carbonsäuren

V1. pH- Messung von Natriumacetat in wenig Wasser

B: Natriumacetat zeigt mit Wasser einen leicht alkalischen pH-Wert von ca. 9.

S: Nicht alle Salze reagieren mit Wasser neutral! Es gibt mit Wasser reagierende saure und alkalisch reagierende Salze. Natriumacetat ist ein Salz der Essigsäure. Es reagiert als Base, indem es ein Proton des Wassers aufnimmt. Dabei bilden sich Hydroxidionen (OH), welche für den gemessenen pH-Wert verantwortlich sind.

Natriumacetat + Wasser → Essigsäure + Hydroxid + Natriumion
Reagenzglas mit Kalkwasser.svg

V2. Essigsäure unverdünnt und verdünnt in Calciumcarbonat (Kalk) geben. Das Gas kann mit einem Stopfen und einem Glasrohr in Kalkwasser geleitet werden.

B:

  • Bei verdünnter Essigsäure ist die saure Wirkung viel stärker!
  • Gasentwicklung (wenn Kalkwasser verwendet wurde, trübt es sich milchig)

S: Man würde erst mal erwarten, dass bei einer konzentrierten Säure die Reaktion heftiger ist.

Zur Reaktion muss man aber wissen, dass durch Wasserzugabe eine weitere (zweite!) Säure (das Oxoniumion H3O+) entsteht und diese als starke Säure viel stärker sauer als Essigsäure ist.

Essigsäure + Calciumcarbonat + Wasser → Essigsäuresäureanion + Oxoniumion + Kohlenstoffdioxid

Kalkwasser trübt sich aufgrund des Kohlenstoffdioxids. Kalkwasser ist ein Kohlenstoffdioxidnachweis. Das entstandene Kohlenstoffdioxid lässt die Flüssigkeit aufschäumen.

Informationen zu Carbonsäuren

Carbonsäuren kommen in der Natur häufig vor. Sie dienen z.B. als Abwehrstoff (Ameisensäure), Fruchtsäuren, kommen in Schweiß vor und bilden Ölen, Fette, Harze und Wachse. Man findet sie ebenfalls in Geruchsstoffen und in natürlichen Aromen. Essigsäure beispielsweise entsteht durch die Oxidation von Aldehyden oder primären Alkoholen:

Stehenlassen von Wein in einer geöffneten Flasche:

Alkohol → Oxidation zum Aldehyd → Oxidation zur Carbonsäure

Ethanol → Ethanal → Ethansäure (= Essigsäure)

Da die Carbonsäuren sich von den Alkanen ableiten und als funktionelle Gruppe die Carboxyl-Gruppe enthalten (Achtung: das C-Atom der Carboxygruppe wird mitgezählt!), kann man entsprechend auch hier eine homologe Reihung aufstellen[2]:

Name Trivialname Säurerestanion Formel
Methansäure Ameisensäure Formiat H–COOH
Ethansäure Essigsäure Acetat H3C–COOH
Propansäure Propionsäure Propionat H3C–CH2–COOH
Butansäure Buttersäure Butyrat H3C–(CH2)2–COOH
Zusatzinformationen

 Carbonsäuren  Ameisensäure  Essigsäure  Propionsäure  Buttersäure

Weitere Typen von Carbonsäuren

Gesättigte und ungesättigte Fettsäuren:

Höhere, (langkettige) Carbonsäuren werden Fettsäuren genannt. Carbonsäuren mit mindestens 4 Kohlenstoffatomen können von Lebewesen zum Aufbau von Fetten verwendet werden. Man nennt sie deshalb und auch wegen ihrer Unlöslichkeit in Wasser Fettsäuren. Die meisten Fettsäuren bei Säugetieren tragen 15-16 Kohlenstoffatome.

Enthalten sie keine Doppelbindungen, nennt man sie gesättigte Fettsäuren. Sie sind eher in tierischen Fetten zu finden. Ungesättigte Fettsäuren enthalten entsprechend eine oder mehrere Mehrfachbindungen. Sie sind für die menschliche Ernährung sehr wertvoll, da sie Vorstufen zu Vitaminen darstellen können. Man findet sie eher in Pflanzen.

Beispiele für Fettsäuren:

Palmitinsäure

Palmitinsäure (Anion: Palmitat) H3C–(CH2)14–COOH(=C15H31COOH) Palmitinsäure und Stearinsäure sind die mit am häufigsten vorkommenden Bestandteile pflanzlicher Fettsäuren. Palmöl besteht z.B. zu 45% daraus.

Stearinsäure

Stearinsäure (Anion: Stearat) H3C–(CH2)16–COOH(= C17H35COOH)schwache, feste (!) Säure, bildet weiße Blättchen, Geruch nach altem Fett, nicht wasserlöslich, Verwendung als Zusatzstoff in Waschmitteln. Das Natriumsalz Natriumstearat wird als Reinigungsmittel verwendet, auch Zusatzstoff der Lebensmittelindustrie, manchmal Wachsbestandteil. Stearinsäure ist Ausgangsstoff zur Herstellung von Kernseife und somit in vielen Waschmitteln vorhanden. Ebenfalls für Kosmetika verwendet (Cremes).

Als gesättigte Fettsäure v.a. im Schweinefett (14%), im Rinderfett (20%), und auch in der Milch (im Milchfett 13%) zu finden.  Stearinsäure

Ölsäure

Ölsäure (Anion: Oleat) H3C–(CH2)15–COOH(=C17H33COOH)Bestandteil der entsprechenden Triglyceride sehr vielen natürlichen Ölen und Fetten vor, z.B.: Olivenöl (55-80 %), Traubenkernöl (15-20 %) und Erdnussöl.

Linolsäure C17H31COOH
Weitere wichtige Alkansäuren

Ameisensäure, Arachinsäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Valeriansäure, Capronsäure, Önanthsäure, Caprylsäure, Pelargonsäure, Caprinsäure, Undecansäure, Laurinsäure, Tridecansäure, Myristinsäure, Pentadecansäure, Palmitinsäure, Margarinsäure, Stearinsäure

Dicarbonsäuren und Polycarbonsäuren

Carbonsäuren können eine oder mehrere Carboxylgruppen enthalten. Carbonsäuren mit zwei Carboxylgruppen werden Dicarbonsäuren genannt.

Die Vorsilben Mono-, Di- oder Tri- geben dabei natürlich die Anzahl der Carboxyl-Gruppen an

Beispiele
  • Oxalsäure Oxalat HOOC–COOH (=Ethandisäure; kommt in Sauerklee vor)
  • Malonsäure Malonat HOOC–CH2–COOH
  • Bernsteinsäure Succinat HOOC–CH2–CH2–COOH

Hydroxycarbonsäuren

Ihr Kennzeichen ist, dass sie zusätzlich zur Carboxylgruppe noch eine Hydroxygruppe (OH) haben.

z.B. Milchsäure (Hydroxypropansäure), Citronensäure, Weinsäure.


Cyclische Carbonsäuren

Ist die funktionelle Carboxygruppe mit einem aromatischem Ring verbunden (oft Benzol) nennt man sie Cyclo-Carbonsäuren. Der Benzolring kann zusätzlich noch mit einer OH-Gruppe verbunden sein (aromatischen Hydroxycarbonsäuren).

Übersicht über die wichtigsten Carbonsäuren und ihre Salze

Wenn eine Carbonsäure dissoziiert, dann entsteht ein Proton und ein Säurerestanion. Das Säurerestanion kann sich aufgrund seiner negativen Ladung leicht mit einem positiv Metallkation (z.B. Na+ oder K+) vereinigen und so ein Salz bilden. Diese Salze heißen entsprechend den anorganischen Salzen nach dem Metallnamen und dem Säurerestionnamen.

Säure Säurerestion Beispielsalz
Oxalsäure Oxalat Natriumoxalat
Buttersäure Butyrat Natriumbutyrate
Malonsäure Malonat Natriummalonat
Bernsteinsäure Succinat Natriumsuccinat
Palmitinsäure Palmitat Natriumpalmitat
Stearinsäure Stearat Natriumstearat
Milchsäure Lactat Natriumlactat
Citronensäure Citrat Natriumcitrat
Weinsäure Tartrat Natriumtartrat
Äpfelsäure Malat Natriummalat
Ascorbinsäure Ascorbat Natriumascorbat

Allgemeine Eigenschaften der Carbonsäuren

Carbonsäuren

Kurzkettige Carbonsäuren (bis C8) sind bei Raumtemperatur flüssig. Durch ihre hohe Polarität lösen sie sich gut in Wasser. Dabei geben sie ihr Proton ab (Disso­ziation in Ionen). Aber nur kurzkettige Carbonsäuren (bis C4) sind wasserlöslich, da bei ihnen der polare Anteil der Carboxylgruppe gegenüber der unpolaren Kohlenstoffkette überwiegt. Wasserstoffbrückenbindungen erhöhen die Wasserlöslichkeit. Je länger nun die apolare Kohlenstoffkette wird, desto mehr nehmen deren apolare Eigenschaften zu, die Van-der-Waals-Kräfte steigen und die Siedepunkte nehmen auch zu. So ist die Pentansäure kaum noch in Wasser löslich.

Die feste Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen und die daraus resultierenden hohen Siedepunkte sind die Konsequenz. In der Reihe Alkane → Aldehyde → Alkohole → Carbonsäuren haben sie die höchsten Siedepunkte bei gleicher Kohlenstoffkettenlänge.

→ kürzerkettige Carbonsäuren (bis Octansäure) sind wasserlöslich und bei Raumtemperatur flüssig

Carbonsäuren längerer Kohlenwasserstoffketten sind dickflüssiger und ihr apolarer Charakter nimmt deutlich zu. Fettsäuren sind kaum noch wasserlöslich.

Verstärkt wird dieser Effekt durch die bei Carbonsäuren typische Bildung von „Dimeren“ - dabei handelt es sich um eine Form von Assoziation zwischen jeweils zwei Molekülen:

Carbonsäuredimer

Zwei Moleküle bilden einen lockeren Verband (ein Dimer) - dieser zusätzliche Zusammenhalt erhöht Schmelz und Siedepunkte der Carbonsäuren. So liegen Smp. und Sdp. wesentlich höher als die der vergleichbaren Alkohole.

Die O-H Bindung ist durch den -I Effekt des anderen (hier: oberen) Sauerstoffatoms stark polarisiert.

Entsprechend wie die Wasserlöslichkeit nimmt auch die Dissoziation und die damit verbundene Säurestärke mit zunehmender Kettenlänge der Carbonsäuren ab.

Vergleich[3]
  • pKs-WertAmeisensäure = 3,65
  • pKs-WertEssigsäure = 4,65

Generell ist die Säurestärke vor allem von der Elektronegativität des Atoms an welches das H-Atom gebunden ist abhängig. Ein weiterer Effekt ist die anschließende Stabilisierung des negativ geladenen Anions (Säurerests) durch Elektronen ziehende Effekte sowie durch Mesomerie der Doppelbindung:

Acetic Acid Dissoziation.svg

Mesomerie: Grenzstrukturen zeigen eine Delokalisierung der Doppelbindung

Herstellung:

Carbonsäuren können durch Oxidation von Alkoholen oder Aldehyden sowie durch die Reduktion von Kohlendioxid (mit Grignard-Verbindungen) hergestellt werden.

Der Hauptanteil der Produktion geschieht allerdings durch Gärung (Essigsäureproduktion durch Gärung im sauerstoffreichen Milieu). Dies geschieht schon durch stehen lassen einer offenen Weinflasche nach wenigen Tagen.

Verwendung:

Carbonsäuren und ihrer Salze werden zu vielen Zwecken verwendet:

  • Zusatzstoffe und Konservierungsstoffe in Lebensmitteln
  • Herstellung von Seifen (Tensiden)
  • Ausgangsstoffe sowie Zwischenprodukte für weitere organischen Synthesen u.a. - Herstellung von Riechstoffen (als Basis für Ester)
  • Herstellung von Kunststoffen,
  • Medikamentenherstellung
  • Farbstoffherstellung
  • Kunstharzherstellung
Aufgaben
  1. Was versteht man unter einem korrespondierendem Säure-Base-Paar? Erstelle zur Erklärung eine beliebige Reaktionsgleichung einer Neutralisation und kennzeichne es.
  2. In welche Ionen dissoziiert Ameisensäure?
  3. Welchen Einfluss haben andere Faktoren auf die Leitfähigkeit bei Messungen von Flüssigkeiten?
  4. Welcher Zusammenhang besteht zwischen Ionenanzahl einer Lösung und der sich daraus ergebenden Erhöhung der Leitfähigkeit?
  5. Reines (destilliertes) Wasser hat auch eine leichte Leitfähigkeit. Sie lässt nach Berechnung auf eine Konzentration von ca. 10-7 mol Ionen pro mol Wasser schließen. Weißt Du welches Ion (welche Ionen) hier für die Leitfähigkeit verantwortlich sind?
  6. Je länger die Kohlenstoffkette einer Monocarbonsäure, desto geringer wird ihre Leitfähigkeit. Finde verschiedene Ursachen für diesen Befund!
  7. Was versteht man unter Mesomerie?

Formeln von einigen ausgewählten organischen Säuren

Monocarbonsäuren
Dicarbonsäuren
Hydroxycarbonsäuren

Der sechseckige Ring steht für eine zyklische Kohlenstoffverbindung mit der Formel C6H6

Säuren mit aromatischen Ring

Übersicht über die organischen Säuren

Die Carbonsäuren beinhalten eine große Gruppe von organischen Säuren, die in der Natur weit verbreitet sind.

Methansäure (Ameisensäure)
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Ameisensäure ist eine farblose, ätzende und in Wasser lösliche Flüssigkeit. Durch die stark polare Carboxygruppe ist Ameisensäure in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar. Der Schmelzpunkt liegt bei 8°C, der Siedepunkt bei 100,7°C. Sie dient Ameisen als Abwehrstoff. Sie riecht demzufolge stechend riechend und reizt die Haut, Augen und Atemwege. Man findet sie ebenfalls in Quallen sowie in Brennnesseln mit Natriumformiat als Nesselgift und in verschiedenen Laufkäferarten als Verteidigungswaffe. Da sie auch bakterienabtötend wirkt, wird sie in der Lebensmittelchemie zur Konservierung verwendet (E236), z.B. von Fruchtsäften. Salze der Ameisensäure werden Formiate genannt und in der Textil- und Lederindustrie zum Imprägnieren oder Beizen von Leder sowie zur Konservierung (Natriumformiat (E237) und Calciumformiat (E238)) verwendet.

 Ameisensäure

Ethansäure (=Essigsäure)
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Essigsäure ist im allgemeinen in seiner mit Wasser verdünnten Form als Essig bekannt. Ihr typischer Geruch macht sie leicht erkennbar. Reine, wasserfreie Essigsäure ist eine wasserklare Flüssigkeit, welche schon bei 16,5°C (Smp.) erstarrt. Die feste Essigsäure nennt man auch Eisessig. Ihr Sdp ist mit 118°C relativ hoch im Vergleich zu andern polaren Stoffen mit vergleichbarer molarer Masse. Ursache ist die Ausbildung von Dimeren.

Auch wenn Essig nur schwach sauer ist (nur ca. 5% konzentriert), so ist konzentrierte Essigsäure recht stark ätzend. Sie greift Kalk (deshalb Verwendung in WC-Reinigern) und unedle Metalle an. Zusätzlich ist sie brennbar. Ihre Salze heißen Acetate.

Ihre keimabtötende Wirkung macht man sich als Konservierungsstoff für Lebensmittel (E260) zunutze. Auch die Salze Kaliumacetat (E261), Natrium­acetat (E262) und Calciumacetat (E263) werden als Konservierung­smittel verwendet (für Obst- und Gemüsekonserven).

Bei Wiederkäuern ist sie das Hauptprodukt des bakteriellen Abbaus der Kohlenhydrate im Futter, insbesondere von Zellulose. Sie wird bei Hochleistungskühen im Umfang von mehreren Litern täglich von der Pansenwand absorbiert und anschließend von den Tieren energetisch genutzt, vorwiegend zur Bildung von Milchfett. Bei der Gärfutter-Bereitung ist sie dagegen unerwünscht und in höheren Konzentrationen ein Hinweis auf Fehlgärungen.

Innerhalb des Organismus ist Essigsäure der universelle intrazelluläre Brennstoff, dessen Oxidation über viele Zwischenschritte zur Produktion von ATP führt.

Wein oxidiert an der Luft zu Essig. Dieses Verfahren wurde bereits in der Antike angewandt.

Essisgsäure wird als Zwischenprodukt der chemischen Industrie z.B. für die Herstellung von Kunststoffen und Kunstfasern verwendet.

Hergestellt wird sie großtechnisch entweder durch Bakterien (Acetobacter), welche auch unter Sauerstoffmangel (vergleichbar den Hefen) eine Ethanolgärung durchführen könnten, oder durch Reaktion von Methanol mit Kohlenmonoxid.

 Essigsäure

Propansäure (= Propionsäure)
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Propansäure ist eine klare, ölige Flüssigkeit mit stechenden und unangenehmen ranzigem Geruch, sie reizt die Augen und Atemwege. Als schwache Säure wirkt sie keimtötend (→ Verwendung als Konservierungsstoff und Insektizid). Die Salze heißen Propionate.

Sie kommt in einigen natürlichen ätherischen Ölen sowie in wenigen Bakterienarten vor (Käseherstellung: Propionsäurebakterien bilden bei Hartkäsen, wie dem Emmentaler neben dem Aroma auch (durch CO2 Freisetzung) die typischen Löcher. Propionsäurebakterien findet man auch unter Destruenten, welche Biogas aus organischen Abfällen produzieren.

Auch die Propionsäure wird in beträchtlichen Mengen von Pansen-Bakterien der Wiederkäuer bei der Vergärung von Kohlenhydraten produziert, speziell beim Abbau von Stärke. Nach Absorption durch die Pansenwand wird sie von den Wiederkäuern bevorzugt zur Bildung von Blut- bzw. Milchzucker genutzt.

Verwendung: Ausgangsstoff zur Herstellung von Kunststoffen, Herbiziden, Medikamenten. In Lebensmitteln als E 280 (sowie als Natriumpropionat (E 281), Calciumpropionat (E 282) und Kaliumpropionat (E 283)) wird sie als Schimmelprophylaxe eingesetzt - z.B. manchmal bei abgepacktem Brot.

 Propionsäure

Buttersäure
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Buttersäure ist eine farblose Flüssigkeit, mit einem Geruch nach Erbrochenem bzw. ranziger Butter. Die Dämpfe der Säure sind noch leicht ätzend und reizen z.B. die Augen.

Buttersäure entsteht in der Natur durch Buttersäuregärung, z.B. beim Ranzigwerden von Butter. So auch im menschlichen Darm. Die durch die Bakterien abgegebene Buttersäure macht Abschnitte des Darms für Pilze und Bakterien, wie etwa Salmonellen, zum Überleben zu sauer. Die Salze der Buttersäure heißen Butyrate. Buttersäure ist bei der bakteriellen Umsetzung im Pansen von Wiederkäuern ein unerwünschtes, aber unvermeidliches Produkt, dessen Bildung vom Zuckergehalt des Futters abhängt. Bei der Herstellung von Silagen ist Buttersäure nur in Spuren akzeptabel. Buttersäuregeruch ist hier Anzeichen einer Fehlgärung.

Sie wird zum Beispiel als Ausgangsstoff für Ester als Duft- oder Aromastoff verwendet. z.B. bildet sie mit Ethanol, eine Art Ananasaroma:

Buttersäure + Ethanol → Buttersäureethylester + Wasser + E

Weiter stellt man aus ihr Cellulosebutyrat (=ein witterungsbeständiger und fester Kunststoff), Medikamente und Insektizide her.

 Buttersäure

Chemische Reaktionen der Carbonsäuren

  • Die bekannteste Reaktion der Carbonsäuren ist die Esterbildung aus Carbonsäure und Alkoholen. (Siehe dazu Kapitel „Ester“). Ein Sonderfall stellt dabei die Veresterung von Glycerin mit drei Fettsäuren dar. Es entstehen die zum Membranaufbau bei Menschen verwendeten Triglyceride.
  • Eine weitere bekannte Reaktion ist die Substitution. Besonders Halogene lassen sich an die Kohlenstoffkette anlagern (→ Halogencarbonsäuren entstehen). Halogencarbonsäuren sind reaktiver und stärker sauer (durch den I-Effekt des Halogens) als ihre nicht halogenierten Gegenstücke. Mit Wasser reagieren die Halogencarbonsäuren wieder zurück zur Carbonsäure und dem entsprechenden Halogenwasserstoff.

Substitution einer Carbonsäure mit Chlor

Essigsäure und Chlor reagiert zu Chloressigsäure und Chlorwasserstoff

Substituiert man halogenierte Carbonsäuren mit Ammoniak (NH3) bilden sich Amide. Bildung eines Amids aus einer Halogencarbonsäure:

Chloressigsäure + Ammoniak → Ethansäureamid (Acetamid) + Ammoniumchlorid

Nicht zu verwechseln sind Amide (funktionelle Gruppe: CO–NR2) mit Aminosäuren (zwei funktionelle Gruppen: Aminogruppe NH2 und Carbonsäuregruppe COOH).

  • Saure Reaktion der Carbonsäuren: Wie schon erwähnt spalten vor allem kürzerkettige Carbonsäuren recht leicht ihr Proton ab und reagieren unter Bildung in Wasser von H3O+ sauer. Günstig wirkt dabei die Mesomeriestabilisierung des Anions.

Beachte den Einfluss der Substituenten auf die Säurestärke:

  • Substituenten mit -I-Effekt erhöhen die Säurestärke (also geringer pKs).
  • Substituenten mit +I-Effekt verringern die Säurestärke (hoher pKs)
Aufgabe
  1. Erkläre den Zusammenhang zwischen dem I-Effekt und der resultierenden Säurestärke mit eigenen Worten
  2. Wie stellt man mit den Metallen Magnesium, Calcium, Zink oder Eisen die entsprechenden Acetate her? (Welche Gemeinsamkeit haben diese Metalle?)

Stereoisomerie (=Spiegelbildisomerie)

Milchsäure ist u.a. das Produkt der Milchsäurebakterien. Diese befinden sich bei Menschen und Wirbeltieren auf der Haut und leben mit diesen in Symbiose (zum gegenseitigen Nutzen). Sie wer­den vom Körper u.a. über den Schweiß ernährt und scheiden als Stoffwechselendprodukt Milch­säure aus. Diese schützt uns Menschen beispielsweise vor Hautpilzen und anderen (schädlichen) Bakterien.

Milchsäurebakterien befinden sich auch am Euter der Kuh. So gelangen sie in die Milch und nach wenigen Tagen, haben sie sich ausreichend vermehrt und soviel Milchsäure hergestellt, dass die Milch sauer wird. Bei der Herstellung von vielen Milchprodukten (z.B. der Yoghurtherstellung) macht man sich dies zunutze.

Wenn man die Milchsäure im Labor untersucht, stellt man fest, dass es zwei Isomere gibt. Da sie sich im Aufbau wie Spiegelbilder zueinander verhalten, nennt man diese auch Spiegelbildisomere (oder Stereoisomere)

Milchsäure Enantiomerenpaar.svg DL-Milchsäure.svg

  • Linksdrehende Milchsäure = L(+)-Milchsäure (lat.: laevus = links)
  • Rechtsdrehende Milchsäure = D(-)-Milchsäure (lat.: dexter = rechts)

Stellt man die Kohlenstoffkette von oben nach unten dar (nach Fischer), so erkennt man, dass der Wasserstoff und das Hydroxid sowohl einmal links oder rechts liegen können. Durch einfaches Dre­hen der Verbindung kann man beide Formen nicht ineinander überführen.

Dies tritt immer dann auf, wenn vier unterschiedliche Substituenten an einem Kohlenstoffatom sit­zen. Solche Substanzen, die sich spiegelbildlich zueinander verhalten, nennt man auch Enantiomere (griechisch: enantios = entgegengesetzt).

(Man nennt solche Verbindungen auch chirale Verbindungen (nicht deckungsgleich), das Phänomen auch Chiralität. In allen Fällen liegt ein zentrales asymmetrisches Kohlenstoffatom vor.)

Die bekanntesten chiralen Verbindungen sind Zucker, einige Carbonsäuren wie Milchsäure und Weinsäure sowie die Aminosäuren.

Chirale Verbindungen lassen sich durch polarisiertes Licht unterschieden, deshalb spricht man in diesem Zusammenhang auch oft von optischer Aktivität.

Ein Gemisch aus links- und rechtsdrehenden Substanzen wird auch Racemat genannt.

Stereoisomere haben die gleiche Summen- und Strukturformel (=Konstitutionsformel), aber nicht die gleiche räumliche Anordnung der Substituenten.
Zusatzinformationen

Es gibt Stereoisomere, die keine Enantiomere sind. Man bezeichnet diese als Diastereomere.

 Isomerie

Aufgaben
  1. Zeichne beide Isomere der Weinsäure

Fischer Projektion

Die Fischer-Projektion erlaubt das Darstellen der optisch aktiven Substanzen auf dem Papier.

Regeln
  1. Die Kohlenstoffkette wird senkrecht angeordnet, so dass das C-Atom mit der höchsten Oxidationszahl oben ist.
  2. die restlichen Substituenten werden horizontal angeordnet
  3. Gruppen, die waagrecht am C* sitzen zeigen nach vorne aus der Tafelebene. Gruppen, die senkrecht am C* sitzen zeigen nach hinten aus der Tafelebene
  4. Das Enantiomer wird nach der Stellung der funktionellen Gruppe am C* bezeichnet.- steht die funktionelle Gruppe nach links → L-Form - steht funktionelle Gruppe steht nach rechts → D-Form
DL-Milchsäure.svg
DL-Glycerinaldehyd.svg
Zusatzinformationen

 Fischer-Projektion  Hermann Emil Fischer


  1. Oxonium wurde früher auch Hydroniumion genannt
  2. Viele Carbonsäuren sind unter ihrem Trivialnamen eher bekannt.
  3. Zur Erklärung pKs- Wert (=Säurestärke) siehe  pKs-Wert

Ester

Versuche mit Estern

Darstellung von Essigsäureethylester

Reflux apparatus numbered.svg

In einem Rundkolben werden 50 ml Ethanol und 50 ml Essigsäure sowie 10 ml konz. Schwefelsäure ca. 5 min. erhitzt.

Das Erhitzen geschieht aus Sicherheitsgründen mit einer elektrischen Heizplatte. Wenn die Reaktion abgelaufen und abgekühlt ist wird alles aus dem Kolben in ein Becherglas mit Wasser erhitzt

B: Ein flüssiges Produkt entsteht

S: Es entsteht Essigsäureethylester, welcher sehr flüchtig ist.

Zusatzversuch: in Essigsäureethylester kann leicht Styropor aufgelöst werden.

Veresterungen im RG

a) Ester aus anorganischen Säuren

V: 1 ml Ethanol + 3 ml konz. Schwefelsäure werden über der Brennerflamme erwärmt.

S: Es bildet sich Ethylschwefelsäureester, welcher einen typischen Estergeruch hat.

b) Birnenaroma

V: Zu 3 ml Pentanol werden 3 ml halbkonzentrierter Essigsäure und wenige Tropfen konz. Schwefelsäure zugefügt. Dann wird alles kurz erwärmt. (Wegen der brennbaren Dämpfe nicht erhitzen!)

S: Es entsteht Essigsäurepentylester (naturidentischer Aromastoff), welcher ein Hauptbestandteil von Birnenaroma ist.

c) Nelkenaroma

V: Zu einer Spatelspitze Benzoesäure wird wenig (ca. 3 ml) Ethanol sowie wenige Tropfen Schwefelsäure gegeben.

S: Es ist der naturidentische Aromastoff Benzoesäureethylester entstanden

Was sind Ester?

Carbonsäureester

Ester sind Verbindungen mit der funktionellen Gruppe R1-COOR2 (R1=Rest 1; R2=Rest 2)

Ester entstehen bei der Reaktion einer organischen Säure[1] und eines Alkohols unter Abspaltung von Wasser (Kondensation). Die umgekehrte Reaktion, Spaltung eines Esters in Alkohol und Säure unter Anlagerung von Wasser, nennt man Hydrolyse.

Das Wort Ester ist aus der Bezeichnung Essig-Äther (Ethylacetat) abgeleitet, einer wenig wasserlöslichen Substanz mit einer ähnlich betäubenden Wirkung wie Diethylether.

Veresterung, Gesamtgleichung

Diese Reaktion wird Veresterung genannt. Sie entspricht einer nukleophilen Addition[2]. Veresterungen laufen nicht einfach durch, solange bis kein Ausgangsstoff vorliegt (wie z.B. es bei einer Verbrennung der Fall wäre). Es findet auch eine Rückreaktion der Produkte zu den Ausgangsstoffen statt. Nach einiger Zeit stellt sich also innerhalb des Reaktionsgemisches ein chemisches Gleichgewicht ein, und es liegen alle vier Stoffe gleichzeitig vor. Da Seife durch Hydrolyse von Fettsäure-Glycerinestern hergestellt wird, spricht man bei der Rückreaktion der Veresterung auch von „Verseifung“ bzw. Verseifungsreaktion.


Bei Veresterungen findet immer auch eine Rückreaktion statt.

Benannt werden Ester

a) entweder korrekt nach den beiden Komponenten und der funktionellen Gruppe: Ethylethanoat

b) nach dem Prinzip „Rest des Alkohols“ mit -yl (also hier Ethyl) + Grundkörper der Säure (= Ethan) und der Endung „oat“ gebildet.

c) manchmal auch durch Trivialnamen, die sich in der Regel aus den Trivialnamen der Salze der Säuren ableiten: Methylacetat (=Essigsäuremethylester), Ethylbutyrat (=Buttersäureethylester) u.a.

Seife wird durch Kochen von Fetten mit Laugen hersgestellt. Die Hydroxid-Ionen der Lauge neutralisieren die Wasserstoff-Ionen der Fettsäuren und verschieben so das Gleichgewicht stark in Richtung Hydrolyse, so daß die Esterspaltung fast vollständig verläuft.

Verseifung

R1-COO-R2 + H2O + NaOH → R1-COO-Na+ + R2-OH

Eigenschaften & Verwendung

  • Carbonsäureester zeigen nur eine geringe Polarität (durch die beiden Sauerstoffatome). Sie lösen sich demzufolge nur minimal in Wasser, was auf der Ausbildung von Wasserstoffbrücken-Bindungen zwischen dem Lösungsmittel Wasser und dem herausragenden, freien Sauerstoffatom beruht.
  • Je länger die Kohlenstoffketten werden, desto geringer ist die Wasserlöslichkeit, da die Wirkung des polaren Sauerstoffs im Verhältnis zu den unpolaren Kohlenstoffketten immer kleiner wird. Zum Vergleich: In 1 l Wasser lösen sich 250 g Essigsäuremethylester, nur noch 80 g Essigsäureethylester und weniger als 1 g Essigsäurebutylester. Alle längerkettigen Ester sind also hydrophob.
  • In Wasser reagieren sie neutral.
  • Ihre Siedepunkte liegen im Vergleich zu Alkoholen bzw. Carbonsäuren gleicher Kettenlänge durch nur geringe Ausbildung von Wasserstoffbrücken-Bindungen wesentlich niedriger.
  • Die Ester der kurzkettigen Carbonsäuren (C1 bis C5) sind stark flüchtig und haben einen angenehmen, fruchtigen Geruch. Man findet Ester als Aromastoffe in der ganzen Natur, unter anderem auch in reifen Früchten (Fruchtester)[3].
  • Ester finden vielfältige Verwendung in der Lebensmittelindustrie (u. a. als Aromastoffe in Fastfood, Limonaden, Weingummi, Bonbons).
  • Ester werden auch als Lösungsmittel verwendet, z. B. in Farben und Lacken.
  • Wachse sind Ester aus langkettigen Säuren (z. B. Palmitinsäure) und langkettigen Alkoholen (>26 C-Atome). So besteht Bienenwachs hauptsächlich aus Estern des Myrcylalkohols (C30H61OH).
  • Fette und fette Öle sind Mehrfachester langkettiger Carbonsäuren mit Glycerin.
  • Andere Mehrfachester sind zum Beispiel die als Bestandteile der Zellmembran vorkommenden, aus Glycerin gebildeten Phosphoglyceride.
  • Seifen sind Alkalisalze höherer Fettsäuren. Ihre wässrigen Lösungen haben durch das gleichzeitige Vorliegen eines polaren Endes (Carbonsäure-Anion) und eines unpolaren Endes (lange Kohlenwasserstoffkette) eine waschaktive Wirkung. Solche Stoffe werden auch Tenside genannt.
  • Lactone sind cyclische Ester mit nur einem Ausgangsmolekül, welches beide an der Esterbildung beteiligten funktionellen Gruppen zugleich enthält, die Säuregruppe und die Alkoholgruppe.
  • Aus Dicarbonsäuren und Mehrfachalkoholen lassen sich lange Ester-Kettenmoleküle darstellen: Polyester. Der bekannteste Polyester ist der Kunststoff PET (PolyEthylenTerephtalat).
  • Auch Zellulose, welche ja aus Glucosemolekülen aufgebaut ist und sehr viele Hydroxylgruppen trägt, kann mit Essigsäure verestert werden. Celluloseacetat findet u. a. Verwendung als Textilfaser ("Acetatseide"). Das Polymergerüst wird hier aber, anders als bei den Polyestern, nicht durch die Veresterung gebildet, es liegt schon beim Ausgangsmaterial Zellulose vor.
  • Ein anderer Celluloseester ist Cellulosenitrat (RCO-NO2), das vor der Entwicklung der modernen Kunststoffe von großer Bedeutung war, z. B. als Bestandteil des Zelluloids (für photographische Filme, Brillengestelle etc.). Auch heute findet es noch Verwendung, z. B. für Tischtennisbälle oder hochwertige Füllhalter.
  • Man verwendet Ester in Weichmachern für Kunststoffe wie PVC. (Geruch nach neuem Auto!)
  • Medizinische Verwendung: Ethylnitrit (CH3-CH2-O-N=O) wirkt harntreibend und fiebersenkend, Amylnitrit ((CH3)2CHCH2CH2-O-N=O) wirkt krampflösend bei Asthma und bei epileptischen Anfällen.
  • Verwendung einiger Phosphorsäureester als Insektizid (z.B. Parathion (C10H14NO5PS) und Dichlorvos (C4H7Cl2O4P).
  • Einige Ester werden auch als militärische Kampfstoffe verwendet. Tabun (Dimethylphosphoramidocyansäureethylester, C5H11N2O2P2), Soman (Methylphosphonofluoric acid, C7H16FO2P), Sarin (Methylfluorphosphonsäureisopropylester, CH3P(O)(F)OCH(CH3)2)
  • Glycerintrinitrat (O2NO-H2C-CH(ONO2)-CH2-ONO2), auch bekannt als Nitroglyzerin, wird als Sprengstoff verwendet.
  • Im Saft von Wolfsmilchgewächsen sind Phorbolester enthalten. Sie lösen neben ausgeprägten Hautverätzungen und starken Magenbeschwerden auch bösartige Tumore aus, da sie das Enzym Proteinkinase C stimuliert, welches das Wachstumsverhalten von Krebszellen modifiziert.

Zusatzinformationen:

  • Eine weitere (technisch bedeutende) Reaktion ist die Umesterung. Hierbei wird bei einem Ester der Alkoholrest durch einen anderen ausgetauscht. So wird z. B. Rapsöl mit Methanol umgeestert, so daß aus einem Fettsäure-Glycerinester-Molekül mit drei langkettigen Fettsäuren drei Moleküle Fettsäure-Methylester erzeugt werden: Biodiesel
  •  Ester

Beispiele für Veresterungen

Einfache Ester

+ Methanol Skelett.svg Methyl acetate.png +H2O.svg
Essigsäure Skelett.svg + Ethanol Skelett.svg Essigsäureethylester.svg +H2O.svg
+ Butan-1-ol Skelett.svg Butyl acetate.svg +H2O.svg

Komplexe Ester: Fette und Öle

Önanthsäure Skelett.svg + Glycerin Skelett.svg200xp + 3 H2O.svg
Heptansäure + Glycerin → Triglycerid (ein Fett)

Komplexe Ester: Polyester:

Terephthalsäure.svg + Glykol - Glycol.svgPET.svg + n H2O.svg
Terephthalsäure + Glycol → Polyethylenterephthalat (PET)



  1. es gibt auch Ester von anorganischen Säuren (z.B. Phosphorsäure, Borsäure).
  2. zuerst greift der Alkohol an das partial positive Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe an.
  3. Beispiele: Ethansäure-2-butylester (CH3COOC4H9) riecht nach Apfel, Ethansäure-2-methyl-1-propylester (CH3COOCOOC3H7) riecht nach Banane, Ethansäure-2-hexylester (CH3COOC6H13) riecht nach Erdbeere.


Aromatische Kohlenwasserstoffe

Die Aromaten sind eine besondere Verbindungsklasse der OC. Ihr Hauptmerkmal ist ihre besondere Bindungsstruktur (konjugierten Doppelbindungen[1]) in Ringform. Sie unterscheiden sich in der Regel deutlich in ihren Eigenschaften von den kettenförmigen Kohlenwasserstoffverbindungen (auch aliphatische Kohlenwasserstoffe genannt).

Geschichte

Der erste Aromat den man entdeckte war das Benzol (C6H6). Von seinem Geruch stammt die Bezeichnung Aromat (Griechisch: Aroma = Duft).

Bald fand man auch Stoffe mit ähnlichen Eigenschaften, welche einen anderen Aufbau zeigten. Man bemerkte schnell, dass diese Verbindungen trotz Doppelbindungen nicht leicht zu Additionsreaktionen zu bewegen waren.

Gemeinsame Eigenschaften

  • mehrfach ungesättigt (also mehrere Doppelbindungen)
  • zyklische, fast immer planare (!) Moleküle
  • alle Atome des Rings sind sp2-hybridisiert (nur LK)
  • gegenüber der Addition an der Doppelbindung relativ reaktionsträge
  • neigen stattdessen zu einer Substitution an der Doppelbindung
  • das Bindungssystem aus konjugieren Doppelbindungen ist für eine hohe Stabilität des Moleküls verantwortlich. Um die Bindungen aufzubrechen ist vergleichsweise viel Energie notwendig.
Der aromatische Zustand wird definiert durch die Anforderungen: cyclischer & planarer Aufbau, konjugiertes Doppelbindungssystem und dem Erfüllen des wichtigsten Kriteriums - der Hückel-Regel!

Hückel-Regel: Die Zahl der delokalisierten π-Elektronen muss bei Aromaten der Formel 4n+2 entsprechen. (z.B. 2, 6, 10, 14)

Der bekannteste Vertreter der Aromaten ist das Benzol. (nach der Hückel-Regel besitzt Benzol 6π-Elektronen.)

Reaktionen von Aromaten

Additionsreaktionen am Aromaten sind aufgrund der festen Bindungsstruktur schwierig. Aromaten reagieren überwiegend nach dem Mechanismus der elektrophilen aromatischen Substitution (z.B. Sulfonierung, Nitrierung). Nucleophile aromatische Substitution sind selten.

Aromaten lassen sich mehrfach substituieren. Dafür gelten dann besondere Regeln.

Zusatzinformationen

Benzol (C6H6)

Eigenschaften und aromatische Struktur

Das erste Mal, dass Wissenschaftler auf Benzol aufmerksam wurden, war beim Prozess des Entgasens von Steinkohle. Dies führte man im 19. Jahrhundert durch, um beispielsweise Gas für Straßenlaternen zu gewinnen. Als Nebenprodukt fand man eine bei Raumtemperatur farblose Flüssigkeit, welche besonders aromatisch riecht. Liebig nannte sie Benzol.

Benzol ist besonders dünnflüssig und verbrennt an der Luft mit oranger und rußender Flamme. Schon bei Raumtemperatur ist es allerdings leicht flüchtig, so das seine Dämpfe besonders feuergefährlich sind.

Den Umgang damit sollte man meiden, da es über die Haut in den Körper eindringt und über die Lunge eingeatmet wird und im Körper als Zellgift wirkt. Es schädigt das Knochenmark, die Leber und die Nieren sowie die Bildung der roten Blutkörperchen. Schon geringe Mengen führen beim Einatmen zu Schwindel und Erbrechen. Bewusstlosigkeit schließt sich an.

Des Weiteren ist es krebserregend (cancerogen).

Benzol ist apolar und mischt sich demzufolge nicht mit Wasser. Es ist aufgrund seines apolaren Charakters ein gutes Lösungsmittel für apolare Stoffe und somit ein wichtiger Rohstoff der chemischen Industrie.

Vorkommen und Verwendung

Man findet Benzol in Steinkohle und Erdöl. Bei der Verbrennung von Benzin und Diesel wird es demzufolge freigesetzt. Auch wenn der Anteil im Laufe der letzten Jahre in Treibstoffen stetig abgenommen hat, so werden immer noch 75% der Emissionen durch den Verkehr freigesetzt.

Es entsteht ebenfalls beim Verbrennen von Tabak. (10-100 µg pro Zigarette). Auch durch Vulkanausbrüchen oder unvollständigen Bränden (Schwelbränden) kann es entstehen und freigesetzt werden.

Lebensmittel die an Tankstellen verkauft werden waren in den letzten Jahren immer wieder durch verhältnismäßig hohe Benzolbelastung aufgefallen. Mittlerweile sind die Tankstellenmärkte mit Überdruck gefüllt, damit beim Öffnen der Tür nur Luft nach draußen gelangt und keine Benzingase hinein.

Viele Substanzen, welche Benzol enthielten sind heutzutage in Deutschland verboten. (Außer den Treibstoffen, wo es z.B. die Klopffestigkeit von Benzin erhöht (Zumischung 1 bis 5%!). In den USA ist diese Praxis schon lange verboten.

In der chemischen Industrie wird es als Lösungsmittel sowie als Ausgangsstoff für die Synthese vieler organischer Verbindungen (v.a. von Kunststoffen) verwendet (z.B. Anilin, Styrol, Nylon, Synthesekautschuk, Kunststoffe, waschaktive Stoffe, Insektizide, Farbstoffe usw.)

Mehrringige Aromaten sowie Aromaten mit Substituenten werden ebenfalls aus Benzol gewonnen (Phenol, Nitrobenzol, Anilin, Chlorbenzol, Hydrochinon und Pikrinsäure usw.).

Geschichte der Strukturaufklärung des Benzols

Der Chemiker August Kekulé (1829-1896) erforscht die Strukturformel des Benzols. Er hatte an dieser harten Nuss lange zu „knabbern“. Aus den Messungen von 1845 des Chemikers Mitscherlich wusste er, dass alle 6 Atome des Benzols gleichwertig sind und das es reaktionsträge wie ein Alkan ist. Additionen, wie die der Alkene waren bei Benzol aber nicht möglich.

Mit den üblichen Alkanformeln war aber dieses Rätsel nicht zu lösen, bis ihm eines Nachts im Traum die Verbindung in Form einer Schlange erschien, die den eigenen Schwanz erfasste. So schloss Kekulé auf die Ringstruktur des Benzols.

Mesomerie

Kekulé nahm an, dass die Doppelbindungen des Benzols nicht einen festen Platz haben, sondern dass sie vielmehr ständig den Platz wechseln.

Heute weiß man, dass die 6 pz-Elektronen des Benzols über und unter der Ebene des Rings liegen. Es bildet sich ein ringförmiges π-Elektronensystem aus, welches durch die ständige Bewegung der Elektronen delokalisiert ist.

Durch diese Form der Mesomerie ist das Benzolmolekül energetisch besonders stabilisiert und demzufolge reaktionsträge. Deshalb ist ein wichtiges Erkennungsmerkmal der Aromaten auch das Ausbleiben der Additionsreaktion mit beispielsweise Bromwasserstoffsäure oder Bromwasser.

Ein Beweis für die Delokalisierung und die demzufolge besondere Art der Bindung sind die Bindungslängen zwischen den Kohlenstoffatomen. Eine C-C Einfachbindung ist 154pm und eine C=C Doppelbindung ist 134pm[2] lang. Beim Benzol liegt bei allen Kohlenstoffen eine Bindungslänge von 139pm vor.

Zusatzinformationen:

 Benzol

Mesomeriestabilisierung des Benzol
Orbitale im Benzolring

Die Senkrecht stehenden p-Orbitale (Elektronenwolken) überlappen und bilden so über und unterhalb des Benzolrings einen gemeinsamen Bereich. Dieser wird π-Orbital genannt.

Dies ist der tatsächliche Zustand der Elektronen im Benzol. Mesomere Grenzstrukturen können diese exakt Darstellung nicht liefern - vermitteln aber immerhin ein Idee davon!

Merkmale der Bindungen
  • Planarer Aufbau des gesamten Moleküls
  • Die Bindungslänge zwischen allen Kohlenstoffatomen beträgt 139pm
  • Jedes Kohlenstoffatom besitzt ein p-Orbital (auch sp2-Hybridisierung genannt). Die Folge ist eine Delokalisierung der Elektronen ober- und unterhalb des Rings.

Verschiedene Aromaten

a) Fünfringige Aromaten

b) Sechsringige Aromaten

Freiarbeit Aromaten: 1. Was sind Aromaten?

Hückel-Regel: Aromaten haben 4n+2 π-Elektronen, welche alternierend angeordnet sind.
  1. Sind Aromaten mit 3 Kohlenstoffatomen möglich?
  2. Zeichne Aromaten mit 6 bzw. 9 oder 10 Kohlenstoffatomen
  3. Zeichne in die folgenden Strukturformeln die Doppelbindungen ein und bestimmen dann, ob Aromaten vorliegen:
  1. Zeichne alle drei mesomeren Grenzformen für Naphthalin. C10H8
  2. Ist die Verbindung [10]-Annulen ein Aromat, oder nicht?
  3. Ist Cycloheptatrien ein Aromat?
  4. Kannst Du jetzt definieren, was der aromatische Zustand ist?

Zusatzinformationen:  Hückel-Regel  Naphthalin

Freiarbeit Aromaten: 2. Nomenklatur der Aromaten

Hückel-Regel: Aromaten haben 4n+2 π-Elektronen, welche alternierend angeordnet sind.
  1. Zeichne: a) Benzaldehyd, b) Benzylalkohol, c) Toluol, d) Phenol e) Benzoesäure
  2. Zeichne: a) 1,3,5-Trimethylbenzol, b) 2,6-Dibrom-4-chlortoluol, c) Phenylcyclohexan
  3. Heteroaromaten sind durch Atome im Ringsystem gekennzeichnet, die nicht aus Kohlenstoff bestehen. Sind sie wirklich Aromaten?

Pyrrol

Pyridin

Furan

Thiophen[3]

Vorsicht: die Hückelregel gilt nur bei einfachen Ringsystemen, bei polycyclischen Aromaten sowie bei Heteroaromaten gilt sie nicht immer!
  1. Bei welchen der oben genannten Aromaten gilt sie nicht?
  2. Entsprechen die folgenden polycyklischen Aromaten der Hückelregel?

Anthracen

Phenanthren

Benzpyren

Biphenyl

  1. Wähle zwei beliebige Verbindungen dieser Seite und male jeweils zwei mesomere Grenzstrukturen

Zusatzinformationen:  Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe

Freiarbeit Aromaten: 3. Die elektrophile aromatische Substitution

Sulfonierung von Benzol
  1. Erkläre mit Deinen Worten den Ablauf und die Reaktionsschritte der katalytischen Sulfonierung von Benzol. Beachte dabei die drei mesomeren Grenzstrukturen in der Klammer. Damit die Reaktion abläuft, verwendet man übrigens frisch konzentrierte Schwefelsäure, welche immer auch etwas Schwefeltrioxid (SO3) enthält. Dieses verbindet sich mit Protonen der Schwefelsäure zu (HSO3)+.
  2. Suche aus zwei verschiedenen Chemiebüchern (oder aus dem Internet) den Ablauf einer Halogenierung eines Aromaten (z.B. der Bromierung von Benzol). Schau genau hin und suche Gemeinsamkeiten und Unterschiede. Erstelle dann eine eigene Zeichnung für deine Unterlagen.
  3. Zeichne ein Energiediagramm unter deine Version der aromatischen, Eelektrophilen Substitution und ordne dem Energiediagramm dann die passenden Substanzen zu.
  4. Wie würde das Energiediagramm aussehen, wenn stattdessen eine Addition von Brom am Aromaten stattfinden würde?

Freiarbeit Aromaten: 4. Phenol und seine Besonderheiten

Phenol
Phenolphthalein
  1. Lies in Deinem Buch über Phenol und seine Eigenschaften nach und erstelle dann einen Kurzsteckbrief (Vorkommen, Eigenschaften, Verwendung). Beantworte dann, ob es eher ein Alkohol, eine Lauge, eine Base oder eine Säure ist.
  2. Wenn Phenol ein Proton abgibt, liegt das einfach negative Phenolation vor. Zeichne es und finde insgesamt 5 mesomere Grenzstrukturen. (Tipp: die Ladung ist nicht immer am Sauerstoff!)
  3. Wie interpretierst Du die folgende Regel: „Je mehr mesomere Grenzstrukturen vorliegen, desto stabilisierter ist ein Ion und somit ist seine Existenz wahrscheinlicher“
  4. Erstelle die Protolysegleichung der Reaktion von Phenol mit Wasser sowie die Reaktionsgleich­ungen der Reaktion mit Natrium und Natronlauge. Kennzeichne dann das Natriumphenolation.
  5. Wozu wird Phenol verwendet?
  6. Phenol als Substituent an Kohlenstoffketten oder anderen aromatischen Ringen wird Phenyl genannt. Wie ist eigentlich die Summenformel von Phenyl?
  7. Zur Erfreuung des Chemikerherzens. Konjugierte π-Elektronensysteme sind ab einer gewissen Länge farbig. Phenolphtalein hat ein solches umfangreiches konjugiertes π-Elektronensystem. a) Warum entfärbt es sich bei Säurezugabe? Für Nomenklaturmasochisten: benenne es korrekt!

Zusatzinformationen:

Freiarbeit Aromaten: 5. Anilin - ist keine Lauge, aber eine Base

  1. Lies in Deinem Buch über Anilin und seine Eigenschaften nach und erstelle dann einen Kurzsteckbrief (Vorkommen, Eigenschaften, Verwendung). Beantworte dann, ob es eher eine Lauge, eine Säure oder eine Base ist.
  2. Erstelle die Reaktionsgleichung der Säure-Base-Reaktion von Anilin mit Salpetersäure.
  3. Wiederhole die Säure und Base Definitionen nach Brönstedt. Kennzeichne dann jeweils das korrespondierende Säure-Base-Paar der Reaktion aus der vorherigen Aufgabe.
  4. Weltweit werden ca. 1 Mrd. kg Anilin benötigt. Wozu wird es eigentlich verwendet?
  5. Welches wäre der korrekte IUPAC-Name von Anilin?
  6. Wie sieht im Vergleich Nitrobenzol aus?

Zusatzinformationen:  Anilin

Freiarbeit Aromaten: 6. Toluol und andere Benzol Derivate

  1. Lies in Deinem Buch über Toluol, Benzoesäure, Xylol und Styrol nach und erstelle dann jeweils Kurzsteckbriefe (Vorkommen, Eigenschaften, Verwendung).
  2. Di-Methylbenzol (=Xylol) liegt in insgesamt drei Isomeren vor. Zeichne sie. Sie werden als ortho-, meta bzw para-Xylol bezeichnet.
  3. Formuliere die Reaktionsgleichung für die Kern- bzw. Seitenkettenbromierung von Toluol.[4]
  4. Zeichne die drei Isomeren Trimethylbenzole.
  5. Formuliere die Reaktion von Benzoesäure mit Kalilauge.
  6. Zeichne 2,4,6-Trinitromethylbenzen (=TNT). (Nitro- als Substituent bezeichnet Nitrit (ohne Ladung), also NO2)
  7. Wie müssen die Zwischenstufen der oxidativen Herstellung von Benzoesäure aus Toluol aussehen? Zeichne und benenne sie:

Zusatzinformationen:


  1. konjugiert bedeutet, dass abwechselnd einfache und Doppelbindungen vorliegen
  2. 1pm = 1/1000 000 000 000 m = 10-12m
  3. Thio = Schwefel
  4. Hier gilt die KKK oder SSS Regel

Carbonylverbindungen

Darstellung von Aldehyden und Ketonen aus Alkoholen

a) Die Reaktion von Kupferoxid mit Ethanol

V: Frisch oxidiertes (noch heißes) CuO wird in Ethanol/ Spiritus gegeben

B: Das schwarze Kupferoxid wird wieder rötlich/ kupferfarben, aromatischer Geruch

S: Es hat sich Kupfer gebildet → es fand eine Reduktion von CuO statt. Reduktionen laufen aber immer zusammen mit Oxidationen ab (=Redoxreaktionen). Wer wurde also oxidiert?

→ Ethanol muss oxidiert worden sein.

Ethanol und Kupfer(II)-Oxid reagiert zu Ethanal und elementarem Kupfer und Wasser

Kupferoxid wird zu Kupfer reduziert, d.h. die Fläche des schwarzen Blechs, das mit Alkohol in Berührung kommt wird wieder blank. Die bei dieser Reduktion aufgenommenen Elektronen werden vom Ethanol abgegeben, welches so zu Ethanal oxidiert.

Es ist das Aldehyd „Ethanal“ entstanden. Aldehyde entstehen durch Oxidation von primären Alkoholen. Werden sie weiter oxidiert, so entstehen aus Aldehyden Carbonsäuren.

Bestimmen von Oxidationszahlen in organischen Molekülen

Ethanol Lewis.svg
  1. Zur Bestimmung von Oxidationszahlen werden in organischen Verbindungen zuerst alle Bindungen hinsichtlich der Elektronegativitätsdifferenzen untersucht und dann dem jeweils elektronegativeren Bindungspartner die Bindungselektronen „zugeteilt“.
  2. Die Anzahl der Bindungselektronen, die nach der vorherigen Zuordnung „noch mit einem Atom in Kontakt“ sind, wird gezählt und mit der Stellung (also der Haupt-gruppennummer) im PSE verglichen. Im Falle des oberen Kohlenstoffs (siehe Bei-spiel) sind ihm 5 Elektronen zugeordnet, d.h, im Vergleich zur Stellung im PSE (4. HG) hat er ein (negatives) Elektron zuviel → die Oxidationszahl ist -I.
Aufgaben
  1. Bestimme nach dieser Methode alle Oxidationszahlen in CO2, C6H12O6, Isobutanol, einer Aminosäure Deiner Wahl.
Zusatzinformationen

 Oxidationszahl

Die Reaktion von Butanol mit Kaliumdichromat (theoretischer Versuch)

Material: 3 Reagenzgläser oder Erlenmeyerkolben, 1-Butanol, 2-Butanol, 2-Methyl-2-Propanol (tertiärer Alkohol), schwefelsaure Kaliumdichromatlösung Tipp: Alkohole auf ca. 40°C im Wasserbad vorwärmen.

Vom Butanol gibt es drei verschiedene Isomere. Man bezeichnet sie als primäres, sekundäres und tertiäres Butanol. Reagieren sie bei Redoxreaktionen unterschiedlich?

Darstellung von Aldehyden aus primären Alkoholen

V1: In einem Erlenmeyerkolben werden 10ml 1-Butanol (=primäres Butanol) mit 3ml schwefelsaurer Kaliumdichromatlösung versetzt. Dann wird das Gemisch leicht erwärmt.

B1: Farbumschlag von orange nach grün

Darstellung von Ketonen aus sekundären Alkoholen

V2: In einem Erlenmeyerkolben werden 10ml Butan-2-ol (=sekundäres Butanol) mit 3ml schwefel­saurer Kaliumdichromatlösung versetzt. Dann wird das Gemisch leicht erwärmt.

B2: Farbumschlag von orange nach grün, anderer Geruch als bei V1

Darstellung mit tertiären Alkoholen

V3: In einem Erlenmeyerkolben werden 10 ml 2-Iso-Butanol (=tertiäres Butanol) mit 3 ml schwefel­saurer Kaliumdichromatlösung versetzt. Dann wird das Gemisch leicht erwärmt.

B3: kein Farbumschlag → keine Reaktion!

Schlussfolgerungen V1-V3:

Primäre und sekundäre Alkohole reagieren mit Kaliumdichromat (K2Cr2O7). Es bildet sich dabei das grüne Cr-(III). Unter diesen Reaktionsbedingungen findet keine Reaktion bei tertiären Alkoholen statt.

S1: Die orange Reagenzlösung färbt sich auf Grund der entstehenden Cr3+‑Ionen grün

Der primäre Alkohol wird zum Aldehyd oxidiert.

Ein Alkohol reagiert mit Kaliumdichromat und Oxoniumionen zu einem Aldehyd, Chrom-(III)-Ionen und Wasser.

S2: Die Reagenzlösung färbt sich auf Grund der entstehenden Cr3+‑Ionen grün

Der sekundäre Alkohol wird zum Keton oxidiert.

Reduktion
Oxidation

Aldehyde und Ketone können durch „Dehydrierung“ von Alkoholen erhalten werden (so kamen sie früher zu ihrem Namen: Alcoholus dehydrogenatus = Aldehyd).

Primäre Alkohole oxidieren mit dem passenden Partner zu entsprechenden Aldehyden, sekundäre Alkohole oxidieren zu ihren entsprechenden Ketonen.

Tertiäre Alkohole lassen sich nicht auf diesem Wege oxidieren.

Zusatzinformationen'

Auch tertiäre Alkohole können oxidiert werden - aber nur mit etwas mehr Gewalt. Dabei müssen dann C–C-Bindungen gespalten werden. Es entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser.

 Aldehyde

 Keton

 Kaliumdichromat

 Kaliumchromat

Wiederholung: Schritte zum Erstellen der Redoxreationsgleichungen

Die folgenden Schritte sollen für Dich ein Rezept darstellen, nach dem Du vorgehen kannst, wenn Du in Zukunft Reaktionsgleichungen für Redoxreaktionen aufstellst. Bei einfachen Aufgaben kannst Du den Schritt 5 & 6 überspringen.

Eine kleine Warnung für alle Schnellrechner: Überspringst Du einen Schritt, wird das Ergebnis in der Regel falsch sein!

  1. Unvollständige Gleichung aus dem Experiment aufstellen (Ausgangsstoffe → Produkten)
  2. Oxidationszahlen ermitteln (Oxidation und Reduktion bestimmen)
  3. Teilgleichungen aufstellen
  4. Anzahl der jeweils aufgenommenen oder abgegebenen e- ermitteln
  5. Ladungsausgleich - in alkalischer Lösung mit (OH)- (=Hydroxidionen) - in saurer Lösung durch (H3O)+ (=Oxoniumionen)- (in manchen Büchern wird auch mit O2- ausgeglichen)
  6. Stoffbilanz mit Wasser
  7. Elektronenanzahl der Teilgleichungen untereinander durch Multiplikation ausgleichen
  8. Teilgleichungen „addieren“ und so die gesamt Gleichung aufstellen. Fast fertig!
  9. Überlegen, ob Energie benötigt oder freigesetzt wird
  10. Überprüfung der Gleichung durch Probe (Dazu zählt man wie oft jedes Element und jede Ladung auf beiden Seiten vorkommt - die Zahlen müssen immer gleich sein!)

Tipps:

  1. Nur Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und die Elemente der 7. HG kommen als zweiatomiges Element vor: → H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2, I2 (es gibt also niemals Fe2 oder Al4 als Element!)
  2. Überlege Dir immer gut, ob die Formel, die Du gerade erstellt hast, überhaupt logisch ist und sie Dir bekannt vorkommt. Ein einfaches Zusammenzählen aller Atome ist nämlich nur sehr selten die richtige Lösung: z.B. verbrennt CH4 + O2 nicht zu CH4O2, sondern zu CO2 + H2O (Kohlen­stoff­dioxid und Wasser).
Wenn ein Element, ein Ion oder ein Molekühl e- AUFnimmt ist das eine REDuktion. Wenn ein Element, ein Ion oder ein Molekühl e- ABgibt ist es eine Oxidation.
Zusatzinformationen

 Redoxreaktion

Schrittweise Lösung der Redoxreaktion am Beispiel: Ethanol wird zu Ethanal oxidiert

  1. Ausgangsstoffe und Endstoffe aufstellen: (CrVI2O7)2-, Ethanol → Ethanal, Cr3+
  2. Oxidationszahlen bestimmen
  3. Teilgleichungen aufstellen, Oxidations- und Reduktionsschritt bestimmen
    red: (CrVI2O7)2- → 2 CrIII 3+ O
    ox: H3C–H2C-I-O-H → H3C–CI H
  4. Elektronenanzahl der jeweils aufgenommenen oder abgegebenen e- ermitteln
    red: (CrVI2O7)2- + 3e- → 2 CrIII 3+ O
    ox: H3C–H2C-I–O-H → H3C–CI + 2e- H
  5. Ladungssumme ausgleichen (beachten: saures Milieu (H3O+/H2O) oder alkalisch (OH-/H2O)?)
    red: (CrVI2O7)2- + 6e- + 14H3O+→ 2 CrIII 3+ O
    ox: H3C–H2C-I–O-H + 2H2O → H3C–CI + 2e- + 2H3O+ H
  6. Stoffbilanz mit Wasser red: (CrVI2O7)2- + 6e- + 14H3O+ → 2 CrIII 3+ + 21H2O
    ox: H3C–H2C-I–O-H + 2H2O → H3C–CI + 2e- + 2H3O+ H
  7. Elektronenzahlen der Teilgleichungen untereinander ausgleichen
    red: (CrVI2O7)2- + 6e- + 14H3O+ → 2 CrIII 3+ + 21H2O
    ox: 3 H3C–H2C-I–O-H + 2H2O → 3H3C–CI + 6e- + 6H3O+ |·3 \ H
  8. Teilgleichungen addieren (e-, H2O, H3O+ „kürzen“) O
    (Cr2O7)2- + 8H3O+ + 3H3C–H2C–OH + → 2Cr3+ + 15H2O + 3H3C–C H
  9. Überlegen, ob Energie benötigt oder freigesetzt wird: Die Reaktion ist minimal exotherm
  10. Probe Cr: 2/2, H: 24 + 18/ 30 + 12 (Summe: 42), O: 7+8+3/ 15+3 (Summe: 18)

Was sind Aldehyde?

Aldehyde ( auch Alkanale genannt) sind Verbindungen, welche als funktionelle Gruppe mindestens eine endständige Carbonylgruppe besitzen. Diese wird dann auch als Aldehydgruppe bezeichnet. Natürlich existieren auch Mehrfachaldehyde - diese tragen Aldehydgruppen z.B. an zwei offenen Enden der Kohlenstoffkette.

Der Name „Aldehyd“ leitet sich als Kurzform von lateinisch alcohol(us) und dehydrogenatus ab (dehydrierter Alkohol).

Die Aldehydgruppe am Beispiel des einfachsten Aldehyds:

Methanal (=Formaldehyd)

Durch ihre funktionelle Gruppe sind Aldehyde recht reaktiv.

  • Doppelbindungen sind reaktiver als Einfachbindungen. Bei Aldehyden ist die polare Doppelbindung (durch das elektronegative Sauerstoffatom) besonders reaktiv für Additionsreaktionen. Die Polarisierung der Doppelbindung aktiviert also die Doppelbindung noch stärker. Sie ist somit ein guter Ansatzpunkt für nukleophile Additionen
  • Die Polarisierung der Doppelbindung wirkt sich ebenfalls auf die C-H Bindung aus (-I-Effekt). Die Folge ist eine Zunahme der Azidität. (Ein Elektronenmangel am Kohlenstoff wird teilweise durch eine Verlagerung der C-H Bindung kompensiert. Dadurch wird die C-H Bindung stärker polarisiert und somit geschwächt: → Ein Proton (H+) kann leichter abgegeben werden.→ Aldehyde reagieren leicht sauer!
  • Bei Aldehyden gibt es oft eine Keto- und Enolform (Keto-Enol-Isomerie)[1].

Nomenklatur

Aldehyde werden durch den Namen des Alkans und der Endung -al bezeichnet[2] (Methan → Methanal, Ethan → Ethanal usw.).

Da viele Aldehyde den Menschen bereits lange bekannt sind, haben sie zusätzlich oft noch ihre historisch entstandenen Trivialnamen. Man sollte die ersten drei zumindest mal gehört haben, da sie scheinbar unausrottbar sind ;-)

Diese Trivialnamen leiten sich von der weiteroxidierten Form des Aldehyds (der Carbonsäure) ab. Für Methanal ist die oxidierte Form Methansäure (lat. acidum formicum) → Formaldehyd

Für Ethanal ist die oxidierte Form Ethansäure (lat. acidum aceticum → Acetaldehyd usw.

IUPAC-Bezeichnung Trivialnamen Siedepunkt in °C Summenformel[3]
Methanal Formaldehyd -19,5 CH2O
Ethanal Acetaldehyd 21 CH3CHO
Propanal Propionaldehyd / Propylaldehyd 48 C2H5CHO
Butanal Butyraldehyd 75 C3H7CHO
Pentanal Valeraldehyd / Amylaldehyd 103 C4H9CHO
Hexanal Capronaldehyd / Hexaldehyd 131 C5H11CHO
Heptanal Oeanantaldehyd / Heptaldehyd 153 C6H13CHO
Octanal Caprylaldehyd / Octylaldehyd 171 C7H15CHO
Nonanal Pelargonaldehyd / Nonylaldehyd 193 C8H17CHO

Verwendung und Vorkommen von Aldehyden

  • Vor allem Formaldehyd (=Methanal) wird als Ausgangsstoff in der chemischen Industrie häufig verwendet (Ausgangsstoff u.a. für die Herstellung von Kunststoffen, Lösungsmitteln, Farbstoffen, Parfums und Medikamenten).
  • Da es giftig ist und außerdem im Verdacht steht krebserzeugend zu sein, wird es als reines Produkt nicht mehr verwendet. Man findet es teilweise auch heute noch in Desinfektionsmitteln (die so genannte Formalinlösung) und als Flüssigkeit in organischen, biologischen Präparaten.
  • Die Giftigkeit des Formaldehyds kommt u.a. dadurch zustande, dass es ein starkes Reduktionsmittel ist.
  • Teilweise findet man Formaldehyd auch in neu erworbenen Kleidungsstücken! Es soll einem Befall mit Schädlingen in Lagerhäusern der wärmeren Zonen vorbeugen. Aus diesem Grunde ist es immer empfehlenswert neue Kleidung vor dem Tragen gut zu waschen (v.a. billige Kleidungsstücke!).
  • Aldehyde spielen im menschlichen Stoffwechsel eine wichtige Rolle als Zwischenprodukt. Ethanal entsteht z.B. im Verlauf der Abbaureaktion in der Leber. Es ist maßgeblich für den „Kater“ verantwortlich.

Letztlich muss noch erwähnt werden, dass einige Zucker Aldehyde oder Ketone sind:

Glucose (Traubenzucker)

 Aldehyde

 Formaldehyd

 Ethanal

Reaktionen der Aldehyde

a) Nukleophile Additionen an Aldehyden

  • Ein nukleophiles Teilchen mit seinen freien Elektronenpaaren (z.B. ein Molekül wie H2O) wird durch die C=O Doppelbindung angezogen und bindet an den Kern des Kohlenstoffatoms (da dieser elektropositiver ist). Der Sauerstoff bekommt durch das Anbinden eine negative Ladung. Liegen freie Protonen vor (also bei Reaktionen in Wasser oder im sauren Milieu) findet dann eine Verbindung zwischen dem negativen Sauerstoff und einem Proton statt (OH-Bildung aus der Carbonylgruppe).
  • Oxidation von Aldehyden zur entsprechenden Carbonsäure (wichtige Nachweisreaktion).

b) Addition von Wasser an Aldehyde und Ketone - Hydratbildung

Mischt man Aldehyde (z.B. Ethanal) mit Wasser, bilden sich so genannte Aldehydhydrate. Diese Reaktion gelingt besser, wenn sie im leicht Sauren stattfindet:

Bildung eines Aldehydhydrates

Nach der Protonierung der Carbonylgruppe greift das Wassermolekül als Nucleophil mit dem freien Elektronenpaar seines Sauerstoffatoms den elektrophilen Carbonylkohlenstoff an. Ein Proton wird abschließend wieder abgespalten.

c) Addition von Alkohol an Aldehyde und Ketone - Halbacetalbildung

Die Reaktion funktioniert im Grunde wie die Vorherige, nur dass statt Wasser ein Alkohol verwendet wird.

Halbacetalbildung, Addition eines Wasserstoff-Ions an den Aldehyd
Halbacetalbildung, Addition von Wasser an das Produkt
Halbacetalbildung, Abspaltung des Wasserstoff-Ions

d) Addition von Halbacetalen an Aldehyde und Ketone - Acetalbildung

Halbacetal + Alkohol → Acetal + Wasser
Vollacetalbildung1.svg
Vollacetalbildung2.svg
Vollacetalbildung3.svg
Vollacetalbildung4.svg

Beispiel: Ringschluss bei Zuckermolekülen (Zucker sind Aldehyde!)

Mutarotation: Die Gleichgewichtseinstellung zwischen α- und β-D-Glucose läuft über die offenkettige Form.

e) Aldolreaktion

Gibt man zu Aldehyden eine Base, so reagiert diese durch Abspaltung in der Regel mit dem aziden Wasserstoff zu Wasser.

Mechanismus der basenkatylisierten Aldoladdition
Mechanismus der basenkatalysierten Aldolkondensation

Das gebildete Aldol ist also ein Kondensationsprodukt aus Alkohol und Aldehyd. Dies ist eine Möglichkeit neue C–C Bindungen zu bilden, bzw. Moleküle zu verknüpfen.

Nachweise von Aldehyden
  • Tollensprobe
  • Fehlingprobe
  • Schiffsche Probe
Zusatzinformationen

 Acetale

 Aldol-Reaktion

Oxidation von Glycerin

Es gibt zwei Möglichkeiten:

Aldehydbildung
Glycerin reagiert mit Kupfer(II)-oxid zu 2,3-Di-Hydroxy-1-Propanal und Kupfer
Ketonbildung
Glycerin reagiert mit Kupfer(II)-oxid zu 1,3-Di-Hydroxy-2-Propanon und Kupfer

Die sich dahinter verbergende Reaktion ist eine Redoxreaktion.

Was sind Ketone?

Die Ketongruppe: R1–C–R2

In Ketonen liegt ebenfalls eine Carbonylgruppe vor. Der Sauerstoff ist wieder mit einer Doppel­bindung an einen Kohlenstoff gebunden. Der Kohlenstoff ist allerdings sekundär, d.h. er hat zwei Kohlenstoffnachbarn.

Ketone entstehen durch Oxidation sekundärer Alkohole. Sie werden auch Alkanone genannt. Das einfachste Keton ist Propanon (=Aceton).

Die Verwendung der Ketone entspricht ungefähr der Verwendung der Aldehyde (für chemische Industrie, Medizin-, Kosmetik- und Parfüm-Industrie).

Nomenklatur

Ketone haben den Alkanen entsprechende Namen mit der Endung -on.

(Propan → Propanon usw.)

Eigenschaften
  • Ketone geringer Kettenlänge sind leicht polar und somit in Wasser löslich.
  • kurzkettige Ketone sind dünnflüssige, farblose Flüssigkeiten.
  • eine weitergehende Oxidation von Ketonen zur Carbonsäure ist nicht möglich. Dies ist der che­mische Unterscheidungshinweis zu den Aldehyden (welche die Carbonsäuren bilden können).
  • Wenn Ketone oxidieren, dann nur unter Aufbrechen einzelner C–C Bindungen zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
  • Das C, welches mit der Ketongruppe verbunden ist, wird durch seine Nachbarn mit einem +I-Effekt stabilisiert.
  • Ketone zeigen eine niedrigere Reaktionsfreudigkeit im Vergleich zu den Aldehyden.
  • Ketone riechen in der Regel angenehmen und fruchtig.
Herstellung
  • Neben der Oxidation von sekundären Alkoholen ist die wichtigste Herstellungsmethode für aromatische Ketone die Friedel-Crafts-Acylierung. (LK)
Reaktionen
  • Auch Ketone (so wie Aldehyde) zeigen Additions- und Kondensationsreaktionen.
  • Gleichgewichtsreaktion der Ketone mit ihrer tautomeren Form, den Enolen (Keto-Enol-Tautomerie) (LK)

Keto-Enol-Tautomerie2.svg

Wichtige Vertreter der Ketone

Aceton, Cyclohexanon, Absinthol, Himbeerketon, Mycosporin

Zusatzinformationen

 Keton

Reaktionen von Aldehyden und Ketonen mit Kaliumpermanganat

Material: Ethanol, Propanon, schwefelsaure Kaliumpermanganatlösung.

V: Im Reagenzglas gibt man zu wenig Ethanal bzw. Propanon schwefelsaure Kaliumpermanganat­lösung, leicht erwärmen.

B: Essiggeruch, es entsteht zuerst ein brauner Niederschlag, dann eine farblose Lösung.

S: Der Ansatz mit Ethanal entfärbt sich unter Bildung von Essigsäure und anfänglichem braunen MnO2 Niederschlag. Dann bilden sich farblose Mn2+-Ionen.

Aldehyde lassen sich im Gegensatz zu Ketonen mit schwefelsaurer Kaliumpermanganatlösung zu Carbonsäuren oxidieren.


Aufgaben
  1. Propanon geht unter diesen Bedingungen keine Redoxreaktion ein. Warum eigentlich nicht?

Nachweisreaktionen für Aldehyde

a) Silberspiegelprobe (Tollensreaktion)

V: Herstellen der Nachweisreagenz (Tollensreagenz): In ein fettfreies RG werden einige Tropfen AgNO3-Lösung und soviel verdünnte Ammoniaklösung getropft, bis sich der anfangs gebildete weiße Niederschlag wieder auflöst. Evtl. kann noch etwas OH- zugefügt werden.

Zu dieser klaren Lösung werden 2ml eines Aldehyds (z.B. Ethanal, für einen schönen Silberspiegel kann man auch eine Spatelspitze Glucose in 1ml Wasser nehmen) zugegeben.

Beide Lösungen werden vermischt und in ein Becherglas mit fast kochendem Wasser gestellt (T>70°C). Das RG nicht bewegen!

B: An der Glaswand bildet sich nach ca. 5min. ein Silberspiegel.

S: Die Silberanionen werden durch das Aldhyd (bzw. der „Aldehydform“ der offenen Form der Glucose) zu elementarem Silber reduziert. Das Aldehyd reagiert zur Carbonsäure (aus Glucose entsteht Gluconat.[4]).

Die Funktionsweise[5] der Tollensreaktion am Beispiel des Ethanals (Redoxreaktion)

Redox Tollens Oxidationszahlen C.svg
Zusatzinformationen

 Silberspiegelprobe

b) Die Fehlingprobe

V: In je einem RG wird 1ml Propanal bzw. Aceton gefüllt. Man gibt 2ml Fehling I und 2ml Fehling II - Lösung hinzu. (1:1) hinzu und erhitzt unter dauerndem Schütteln bis zum Sieden.

Hinweis: Fehling 1: verdünnte CuSO4 Lösung

(z.B. 7g Kupfersulfatpentahydrat auf 100 ml Wasser)

Fehling 2: alkalische Kaliumnatriumtartrat-Lösung (10g NaOH in 50 ml Wasser auflösen und darin 34g Kaliumnatrium­-tartrat-tetrahydrat (KNaC4H4O6 · 4 H2O) auflösen und dann auf 100ml auffüllen).

Vorsicht beim Erhitzen. Siedeverzug und Entzündungsgefahr!

B: Propanol und Fehlingreagenz färbt sich nach dem Erhitzen von tiefblaue (klare Lösung) zu ziegelrot (trübe Lösung).

Aceton und Fehlingreagenz regaieren nicht!

S: Cu2+ Ionen sind blau gefärbt. Cu+ Ionen liegen im Tartratkomplex[6] in einer roten Farbe vor. (freie Cu+ Ionen sind eher grün!). → es findet also eine Redoxreaktion statt:

Die Aldehydgruppe reduziert das Cu(II)-Ion der Fehlingschen Lösung zu rotem Cu(I)-oxid[7]. Mit Ketonen ist diese Reaktion nicht möglich, da diese nicht weiter oxidiert werden können.

Die Fehlingreaktion ist ein Nachweis für Aldehyde. Eine leichte Unterscheidung von Aldehyden und Ketonen ist so möglich.

Oxidation:

Eine Aldehydgruppe wird im basischen zur Carbonsäure oxidiert.

Reduktion:

Kupfer(II)-ionen und Hydroxidionen reagieren zu Kupfer(I)-hydroxid, das weiter zu Kupfer(I)-oxid dehydratisiert.

Redoxreaktion:

Kupfer(II)-ionen und Aldehydgruppen reagieren im basischen Milieu zu Kupfer(I)-oxid, Carboxylaten und Wasser

Da man sich im alkalischen Milieu befindet, kommt es zu einer Abgabe des Protons der Carbon­säure (=Protolyse).

Da die Reaktion in alkalischer Umgebung stattfindet, wird die entstehende Carboxygruppe durch Hydroxidionen zur Carboxylatgruppe im Sinne einer Säure-Base-Reaktion deprotoniert

Die Fehlingreaktion funktioniert auch mit Alkoholen, da auch diese oxidiert werden können und so Elektronen für eine Kupferionenreduktion bereitstellen können.

Zusatzinformation

 Fehling-Probe

c) Schiffsche Probe und Unterscheidung von Methanal, Ethanal und Propanon (LK)

siehe  Schiffsche Probe

Aceton

Propanon ist das einfachste Keton. Es liegt bei Raumtemperatur als farblose, aromatisch riechende und leicht flüchtige Flüssigkeit vor. Es hat eine sehr geringe Viskosität - es ist also sehr dünnflüssig.

Sein Trivialname ist Aceton. Viele organische Stoffe, welche häufig verwendet werden haben Trivialnamen - welche vor allem im Laboralltag und in der Bevölkerung recht üblich sind.

Verwendung
  • als Lösungsmittel für fettlösliche Stoffe
  • als Reingungsmittel (z.B. früher in Nagellackentferner)
  • als Ausgangsstoff für andere chemische Synthesen
  • Lösungs- und Extraktionsmittel für Harze, Fette und Öle
  • Aceton löst ein Vielfaches seines eigenen Volumens an Acetylen
  • Ausgangsstoff u.a. für die Aldoladditionen und Aldolkondensationen
  • zusammen mit Wasserstoffperoxid ist Aceton eines der Ausgangsstoffe für die Herstellung des Sprengstoffes Acetonperoxid.
  • In den USA und anderen Ländern wird Aceton in geringer Menge (1:2000 - 1:5000) Autokraftstoffen (Benzin und Diesel) zugefügt.
Weitere Eigenschaften
  • Die Dämpfe sind leicht entzündlich und bildet mit Luft ein explosives Gemisch. Die hohe Flüchtigkeit ist auf den niedrigen Siedepunkt zurückzuführen (56°C).
  • Aceton kann in jedem Verhältnis mit Wasser gemischt werden. Weiterhin ist es mit den meisten organischen Lösungsmitteln ebenfalls mischbar.
  • Das Acetonmolekül zeigt Keto-Enol-Tautomerie
  • sein pKs-Wert beträgt 20.
  • In alkalischer Umgebung bildet zwei Acetonmoleküle Dimere (Diacetonalkohol).
Zusatzinformationen

 Aceton

Wiederholungsfragen

Nukleophile Substitution
  1. Nenne gute Nukleophile.
  2. Stelle SN1 und SN2 an selbst gewählten Beispielen gegenüber. nenne dann jeweils eine Beispielreaktion. Formuliere in Worten die Unterschiede.
  3. Vervollständige für SN2: Die Bindung zur ________________ wird in dem Maße gelöst wie sich die Bindung zum ___________________ bildet.
  4. Wann spricht man bei der nukleophilen Substitution von einer bimolekularen Reaktion?
  5. Erstelle den Mechanismus: (CH3)3COH + H-Cl → (CH3)3C-Cl + H-OH
  6. Erstelle zu SN1 und SN2 jeweils ein vollständiges Energiediagramm.
Carbonylverbindungen
  1. Was sind Carbonylverbindungen? Welche Gruppen kennst Du? Nenne Eigenschaften.
  2. Nenne Verwendungszwecke für Ketone und Aldehyde.
  3. Welches sind typische Reaktionen von Aldehyden/ Ketonen?
  4. Wiederhole die Regeln der Nomenklatur. Welche Besonderheiten gibt es bei Alkoholen, Aldehyden und Ketonen zu beachten?
  5. Kennst Du Trivialnamen? Schreibe die Konstitutionsformeln von Formaldehyd, Acetaldehyd und Aceton auf.
  6. Benenne die folgenden Verbindungen:
  7. Welche drei prinzipiellen reaktiven Positionen gibt es prinzipiell in Aldehyden und Ketonen?
  8. Vervollständige die Tabelle.
  9. Stelle die vollständige Oxidation eines beliebigen primären Alkohols mit der eines sekundären (in allen Schritten, also mit allen Produkten, wie z.B. Aldehyd, Keton, Carbonsäure, CO2) gegenüber
  10. Wiederhole die Dir aus dem Unterricht bekannten Redoxreaktionen.
  11. Beschreibe die Reaktion von Kupferoxid mit Ethanol.
  12. Wie oxidieren tertiäre Alkohole? Nenne alle Produkte!
  13. Nenne Möglichkeiten primäre Alkohole von sekundären im Labor zu unterschieden. Begründe. mit den passenden Reaktionsgleichungen.
  14. Alkoholstoffwechsel der Leber:
Name funktionelle Gruppe Endung Bezeichnung als zus. Substituent
-COOH
Aldehyd
-on
Hydroxy
Amin Amino
  • Wiederhole die Regeln zur Bestimmung von Oxidationszahlen, vor allem an organischen Verbindungen. Erstelle dann eine Tabelle mit den Oxidationszahlen der folgenden Verbindungen.
Methan Propan Butan Propen
Methanol Propanol Butanol tert.-Butanol
Methanal Propanal Butanal Aceton
Propanon Butanon Dimethylketon
Methansäure Propansäure Butansäure Essigsäure

Im menschlichen Körper wird in der Leber Ethanol durch das Enzym Alkoholdehydrogenase im Zusammenspiel mit dem Coenzym Nicotinamidadenindinucleotid (NAD) oxidiert.

a) Bestimme das fehlende Produkt. Tipp: Es ist leicht giftig und verursacht Kopfschmerzen.

CH3–CH2–OH + NAD -ADH→ ? + NADH

b) Das Produkt aus a) wird in einem weiteren Schritt weiter oxidiert und dann letztlich ausgeatmet. Erstelle auch diese Reaktionsgleichung.

Fructose
  1. Zucker können sowohl in der kettenförmigen Form, als auch in Ringform auftreten. Wie wirkt sich dies auf Nachweise aus? Glucose zeigt eine positive Fehlingprobe. Was erwartest Du für Fructose? Erkläre anhand der Formel.
  2. Was sind Ether? Nenne Eigenschaften und Verwendung.
  3. Wiederhole die anderen Reaktionsmechanismen.
  4. Erkläre, wie sich Siedepunkte von Alkanen, Alkanolen und Alkanalen gleicher Kohlenstoffkettenlänge verhalten?
  5. Vergleiche entsprechend die Löslichkeit von Alkanen, Alkanolen und Alkanalen in Wasser. Erkläre dabei auch, welche Vorgänge beim Lösungsvorgang eine Rolle spielen - und inwiefern die Verbindungen diese Vorgänge ermöglichen.



  1. Siehe auch Keto-Enol-Tautomerie
  2. also im Grunde entsprechend den Alkoholen
  3. Die allgemeine Summenformel ist CnH2n+1CHO
  4. Zusatzinformationen Silberspiegelprobe: Beim Zutropfen des Ammoniaks ist der entstehende braune Niederschlag Silberhydroxid (AgOH). Er verschwindet unter Bildung des Silberdiamminkomplexes ([Ag(NH3)2]+).
  5. Hier ist die vereinfachte Form dargestellt. In Wirklichkeit liegt als Edukt der Silnberaminkomplex vor [Ag(NH3)2]+
  6. Tartrate sind die Salze der Weinsäure. Siehe auch Kapitel Carbonsäuren.
  7. Bemerkung: Die Gelbfärbung zu Beginn der Reaktion kommt vom bereits gebildeten Cu(I)-Oxid


Kohlenhydrate

Was sind Zucker (Saccharide)?

Wikipedia hat einen Artikel zum Thema:

Einführungsversuch zum Beweis der chemischen Zusammensetzung von Zuckern

V: a) In ein Reagenzglas werden ca. 1-2 cm Haushaltszucker ( Saccharose) gefüllt, dieser leicht befeuchtet und dann konzentrierte Schwefelsäure zugefügt.

b) H2SO4 + CuSO4 werden Haushaltszucker zugefügt.

B: a) schwarze kohleartige Masse und ein unangenehmer Geruch.

S: Konzentrierte H2SO4 hat eine Wasser entziehende (=hygroskopische) Wirkung → Name „Kohlenhydrate“: „Hydrate des Kohlenstoffs“ (allerdings alte Vorstellung!)

C12H22O11 + 11H2SO4 → 12C + 11H3O+ + 11HSO4-

Geruch: Es bildet sich zusätzlich in geringen Mengen ein Umlagerungsprodukt: Maltol - welches auch in Ananasaroma zu finden ist.

Kohlenhydrate haben die allg. Formel: Cm(H2O)n [oft vereinfacht: Cn(H 2O)n]

die bekanntesten Kohlenhydrate sind die Zucker.

Bedeutung der Kohlenhydrate

  • zentrale Rolle für das ganze biologische Leben.
  • werden von allen Lebewesen als Energieträger verwendet.
  • einfache Kohlenhydrate werden in Tieren und im Menschen zur Speicherung in Glycogen umgewandelt.
  • einfache Kohlenhydrate werden in Pflanzen zur Speicherung in Stärke und zum Pflanzenaufbau in Zellulose umgewandelt.
  • durch Oxidation von Kohlenhydraten wird deren innere Energie freigesetzt. Sie dient zum Erhalt der Lebensvorgänge.
  • der natürliche Aufbau geschieht in Pflanzen. Ausgang dafür ist die Photosynthese.
  • Verwendung als pflanzlicher Baustoff: Cellulose

Einteilung der Kohlenhydrate

Nach Anzahl der „Bausteine“:

  • Einfachzucker (Monosaccharide) Saccarum (lat.) = Zucker
  • Mehrfachzucker (Oligosaccharide)
  • Vielfachzucker (Polysaccharide)

Nomenklatur der Kohlenhydrate

Endung: -ose

(Diese Endung taucht auch bei den häufig verwendeten Trivialnamen der Zucker auf: Cellulose, Glucose, Maltose, Saccharose etc.)

Die süße Wirkung von Kohlenhydraten

Zucker ist süß → auch Glycerin, Glykol (Weinskandal) sind süß.

→ Die OH-Gruppen in Zuckern sind für den süßen Geschmack verantwortlich.

Demzufolge ist 1,2,3,4,5,6-Hexahydroxy-Hexan eine Verbindung mit süßem Geschmack. Sie wird auch Sorbit genannt und dient als Zuckerersatzstoff.

Sorbit

Funktion der Kohlenhydrate im Körper

  • Als Energieträger: Muskelzellen, Gehirnzellen sowie rote Blutkörperchen benötigen Zucker zur Funktion (auch Blutzucker genannt) (1g Glucose entspricht dabei ca. 17 kJ)
  • Aufbausubstanz: Aus Glucose und anderen Kohlenhydraten werden komplexere Kohlenhydrate gebildet. Diese sind Bestandteile von Blut, Knochen, Sehnen, Haut, Bindegewebe und DNA.
  • Energiespeicher: überschüssiger Blutzucker wird z.B. durch Insulin als Glykogen in Leber und Muskeln gespeichert.
  • Polysaccharide (z.B.: Stärke, Cellulose usw.)
  • Lignin und Chitin sind ebenfalls Polysaccharide, sie enthalten aber zusätzlich das Element Stickstoff.

Triosen

Glycerin

Zum tieferen Verständnis, was Zucker überhaupt sind, betrachten wir Glycerin als Ausgangssubstanz. Es hat drei Hydroxidgruppen, welche oxidiert werden können. Ob dabei die Oxidation am C1 oder C3 stattfindet, ist unerheblich, da dabei die gleiche Verbindung entsteht.

  • Oxidation zum Aldehyd: → Aldose
  • Oxidation zum Keton: → Ketose

Zucker sind Oxydationsprodukte von Polyalkoholen. Da es bei Alkoholen immer die Möglichkeit gibt, sie zu Aldehyden oder Ketonen zu oxidieren, sind Zucker also folglich Polyhydroxyaldehyde oder Polyhydroxyketone.

Kurz: Kohlenhydrate enthalten eine Aldehyd- oder eine Ketogruppe (→ Aldosen oder Ketosen genannt).

Anwendung des Gelernten - Welche Verbindungen sind Kohlenhydrate?

Welche der Verbindungen sind Kohlenhydrate? Welche werden eine süße Wirkung haben und welche kannst Du benennen?

1. D-Glucose, 2. D-Gluconsäure, 3. Sorbit (Zuckerersatzstoff), 4. D-Desoxyribose, 5. D-Weinsäure, 6. D-Fructose, 7. Alanin (Aminosäure), 8. D-Galactose

Typen von Kohlenhydraten

Monosaccharide (=Einfachzucker)
  • Glucose (=Traubenzucker, C6H12O6 - eine Hexose). Vorkommen in Honig, Obst, Süßigkeiten.
  • Fructose (=Fruchtzucker, C6H12O6 - eine Hexose). Vorkommen in Obst.
  • Galactose (=Schleimzucker, C6H12O6 - eine Hexose). Wichtig für das Immunsystem. Bestandteil von Muttermilch).
  • Mannose (C6H12O6 - eine Hexose).
  • Verschiedene Triosen (C3).
Weitere Monosaccharide
  • Ribose: C5H10O5
  • Desoxyribose: C5H10O4
  • Ribulose: C5H10O5
  • Glycerinaldehyd: C3H6O3
Disaccharide (=Zweifachzucker)[1]
  • Saccharose (=Rohzucker): Vorkommen in Rüben und Zuckerrohr, Süßigkeiten, (Haushaltszucker)
  • Lactose (=Milchzucker): Vorkommen in Milch und Milchprodukten, Süßigkeiten, Medikamenten, uvm.)
  • Maltose (=Malzzucker): Vorkommen in Bier, Brot
Polysaccharide (=Vielfachzucker)
  • Amylose (=Stärke) Vorkommen in fast jeder Pflanze, Getreide (Mehl), Kartoffeln, Gemüse
  • Glykogen: Zwischenenergiespeicher beim Menschen
  • Cellulose: Aufbaustoff für Pflanzen. Vor allem im Holz enthalten (Papierherstellung)
  • Pektin: Aufbaustoff für Pflanzen. Vorkommen in Getreide (nur Vollkornmehl!), Gemüse, Hülsenfrüchten und Obst

Verdauung von Kohlenhydraten

Fast alle Kohlenhydrate können vom Menschen verdaut werden. Einige Polysaccharide allerdings nicht. Damit sie durch die Mundschleimhaut, die Magenwand sowie die Darmwand in das Blut gelangen, müssen sie immer erst in Einfachzucker umgewandelt werden. Dazu gibt es Spaltungsenzyme in den jeweiligen Organen.

Bei Polysacchariden dauert dieser Vorgang etwas länger, da sie in mehreren Schritten zu Monosacchariden abgebaut werden. Ihre Sättigungswirkung dauert länger an.

Cellulose und Pektin sind nicht vom Menschen verdaubar. Die notwendigen Enzyme fehlen. Sie gelangen unverdaut in den Enddarm und werden dort von Bakterien verdaut. Dies ist gut für das menschliche Immunsystem (eine Art Trainingslager). Sie werden deshalb auch als Ballaststoffe bezeichnet.

Aufgaben

  1. Woran kann man erkennen, dass die Reaktion von H2SO4 mit Zucker nicht allein auf die Wasser entziehende Wirkung der Schwefelsäure zurückzuführen ist?
  2. Worauf ist die besonders schnelle Aufnahme von Traubenzucker in das Blut zurückzuführen?

Zusatzinformationen:  Zucker  Pektin

Traubenzucker - Glucose - C6H12O6 - eine Hexose

Glucose

Vorkommen in Früchten, Honig, Blut d. Wirbeltiere (beim Mensch: Blutzuckerspiegel 100 mg/l)

  • Glucose (=Traubenzucker) ist Dextrose

Eigenschaften

  • weißer, leicht wasserlöslicher, süß schmeckender Feststoff
  • vollständige Reduktion: n-Hexan → unverzweigte Kette aus 6 C-Atomen
  • positive Fehlingprobe → Aldehydgruppe → Aldohexose
  • Ermittlung von Summen und Strukturformel:
    • Elementaranalyse:CxH2xOx
    • Molekülmasse: 180u
→ Summenformel: C6H12O6
Löslichkeit in Wasser Löslichkeit in Methanol Löslichkeit in Chloroform (HCCl3) Löslichkeit in Hexan oder Benzin
gut gering keine keine

Verwendung

  • zum Süßen
  • zur Konservierung (Marmelade)
  • als Zuckercouleur z.B. in Cola (E150) (ist im Grunde verbrannter Zucker!)

Entstehung

  • in grünen Pflanzen durch Photosynthese

Bedeutung

  • Energieträger und -speicher: Stärke, Glycogen
  • dient zum Aufbau der Saccharose
  • Baustoff: Cellulose

Nomenklatur

Es wird nur der Trivialname Glucose verwendet. Die genauere Bezeichnung 2,3,4,5,6 Pentahydroxy-1-Aldehyd.

Reaktionen von Glucose

a) Nachweise

positive Fehlingprobe: 2Cu2+ + 4(OH) + R-CH=O → Cu2O + 2H2O + R-COOH

positive Silberspiegelprobe (= Tollensreaktion): 2Ag+ +2OH + R-CH=O → 2Ag + H2O + R-COOH

→ Glucose ist ein Aldehyd

Die Schiff’sche Probe fällt dennoch negativ aus, da sie im sauren Milieu abläuft und so eine Ringöffnung nicht möglich ist.

b) Reduktionseigenschaften

Glucose ist eine Polyhydroxyverbindung (tiefblauer Komplex mit Kupfer(II)Ionen), welche als Aldehyd seinen Reaktionspartner reduzieren kann (siehe z.B. bei der Fehlingprobe). Glucose selbst wird dabei oxidiert.

c) Glucose in der Fischer-Projektion
D-Glucose
  • Aldose → Glucose ist eine Aldohexose
  • Polyhydroxyalkohol
Merke: Anordnung der Hydroxidgruppen: „Tatütata“
  • OH-Gruppe rechts → D-Glucose
Fischer Projektion

Vorstellung für die Fischerprojektion: Die Kohlenstoffkette (hier am Beispiel von D-Glucose) wird um eine Rolle gewickelt, dabei zeigen die Substituenten nach vorn, von der Rolle weg.

D-Glucose

Zum Erstellen der Fischerprojektion (nach Emil Fischer, 1891) ordnet man die Kohlenstoffe senkrecht an und zwar so, dass der am höchsten oxidierte Kohlenstoff (also der mit der höchsten Oxidationszahl!) oben steht. Das muss nicht zwangsweise das C am Ende der Kette sein!

Die weiteren Substituenten werden an das Ende von waagerechten Linien gezeichnet. Die waagerechten Bindungen stehen horizontal und zeigen immer zum Betrachter hin (deshalb verwendet man auch manchmal die Keilform, wie oben).

Dabei entscheidet das unterste Stereozentrum (chirales Kohlenstoffatom), ob es sich um die D-Form (OH-Gruppe ist rechts am chiralen Kohlenstoff) oder L-Form (OH-Gruppe ist links am chiralen Kohlenstoff) handelt.

Die Kohlenstoffatome werden übrigens oft gar nicht gezeichnet (siehe rechts). Sie befinden sich logischerweise an den Schnittpunkten der vertikalen und horizontalen Linien.

Zusatzinformationen:

Wie unterscheiden sich D-Glucose und L-Glucose?

DL-Glucose.svg
d) Optische Eigenschaften von Glucose

V: Eine D-Glucoselösung wird in einen Polarimeter gehalten.

Halbschattenpolarimeter

B: Die Polarisation (Schwingungsebene) des Lichts wird gedreht.

S: Glucoselösung ist optisch aktiv. Liegt eine reine Lösung vor, so dreht sie die Ebene des Lichts.

→ Informiere Dich, was polarisiertes Licht ist (siehe auch die Links unten).
Vergleich mit dem einfachsten Zucker (Glycerinaldehyd)
  • Stäbchenmodell
    • Fischer Projektion
    • Spiegelbildisomer, Enantiomere liegen vor


Chiralität = Händigkeit

  • Oberstes Prinzip: Bei vier verschiedenen Substituenten liegt eine Asymmetrie bezüglich der Substituenten vor → diese Verbindung ist (zu 99%) optisch aktiv.
  • Licht einer Polaristationsebene (z.B. aus einem Polarimeter) wird durch eine D-Glucose-Lösung gedreht. Je nach Drehrichtung wird der Zucker dann D-(+)- oder D-(-)- Glucose genannt. Auch von der L-Glucose gibt es eine + und eine - Form.
  • Drehung des Lichts nach + oder - ist nicht gleich D oder L!!!
  • Ein Gemisch auch Mischung D,L Glucose (1:1 - wird Racemat genannt) ist nicht mehr optisch aktiv.

In der Medizin wird der so genannte GOD-Test (Glucose-Oxidase Test) eingesetzt. Durch ihn wird durch ein Enzym die D-Glucose nachgewiesen (Teststäbchen).

D-(+)-Glucose = Dexter - (+) – Glucose (natürliche Glucose)

Zusatzinformation:  Polarimeter


Wiederholung: Die Fehling'sche Lösung als Aldehydnachweis

Der Chemiker Hermann von Fehling bemerkte einen Erhitzen von Aldehyden einen orangerot gefärbten Niederschlag, wenn dies vorher mit seiner nach ihm benannten Fehling Lösung (alkalische Lösung eines Kupfer(II)-Tartrat-Komplexes) versetzt wurden.

V: Zu Glucose wird Fehling Lösung zugefügt und vorsichtig erhitzt. Fehlinglösung I = Kupfer(ll)-sulfatlösung; Fehlinglösung II = Kaliumnatriumtartratlösung

B: Orangeroter Niederschlag

S: Glucose ist eine Aldose (ein Aldehyd!). Sie reagiert mit der Fehlinglösung in einer Redoxreaktion und oxidiert dabei zur Gluconsäure. Gleichzeitig wird das Cu2+-Ionen zu Kupfer(I)-oxid (Cu2O) reduziert.

Oxidation
Eine Aldehydgruppe wird im basischen zur Carbonsäure oxidiert.
Da die Reaktion in alkalischer Umgebung stattfindet, wird die entstehende Carboxygruppe durch Hydroxidionen zur Carboxylatgruppe im Sinne einer Säure-Base-Reaktion deprotoniert
Reduktion
Kupfer(II)-ionen und Hydroxidionen reagieren zu Kupfer(I)-hydroxid, das weiter zu Kupfer(I)-oxid dehydratisiert.
Redoxreaktion
Kupfer(II)-ionen und Aldehydgruppen reagieren im basischen Milieu zu Kupfer(I)-oxid, Carboxylaten und Wasser
Merke
  • Oxidation des Aldehyds zur Carbonsäure
  • Reduktion von blauen Kupfer(II)-ionen zu rotem Kupfer(I)-oxid

Reduzierende Eigenschaften von Glucose

Glucose zeigt reduzierende Eigenschaften (Nachweis durch positive Silberspiegelprobe oder Fehlingprobe). Die Schiff’sche Probe hingegen verläuft negativ, da in wässrigen Lösungen die Glucose überwiegend in Ringform vorliegt und somit die Kettenform blockiert ist → es ist kaum Aldehyd vorhanden. Da die Fehlingprobe chemisch sensibler ist, kann sie die geringen Mengen dennoch nachweisen. Die Schiff‘sche Probe hingegen ist vergleichsweise „unsensibel“. Vorliegende geringe Aldehydmengen reichen also nicht für einen positive Schiff‘sche Probe aus.

Glucose ist für viele Tiere der Hauptenergieträger schlechthin. Er wird von Pflanzen bei der Photosynthese produziert und dient in der Natur als Ausgangsstoff für viele weitere Produkte, wie z.B. Stärke oder Zellulose. Viele dieser Produkte werden im Laufe der Verdauung beim Menschen zuerst wieder in Glucose umgewandelt, dann ins Blut aufgenommen und letztlich von den Zellen in der Zellatmung wieder zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert.

Zusatzinformationen: Eindeutige (also spezifische) Nachweise für Glucise (bzw. Fructose liefert für Glucose der Glucoseoxidaseteststreifen, für Fructose die Seliwanoff-Probe.

Aufgaben

  1. Erstelle die Reaktionsgleichung für eine positive Fehlingreaktion mit Ethanal, Propanal, Aceton.

Versuche zu den reduktiven Eigenschaften

a) Blaues Wunder (Methylblau und Glucose)

In einem Erlenmeyerkolben oder einem Rundkolben werden 20 g Glucose in 100 ml Wasser aufgelöst. Dann wird solange Methylenblau hinzugefügt, bis die Lösung tintenblau ist.

Dann wird etwas Natronlauge hinzugefügt (10-20 mL einer ca. 1 molaren NaOH oder einfach 3 Pastillen festes Natriumhydroxid). Das Gefäß wird mit einem Stopfen leicht (!) verschlossen - Achtung den Stopfen nicht fest reindrücken!

Nun wird alles auf ca. 40°C mit dem Brenner vorsichtig erhitzt.

B: Die Blaufärbung verschwindet beim Erwärmen - kehrt aber beim kräftigen Schütteln oder Rühren der Lösung zurück.

S: Der Farbstoff Methylenblau ist in seiner oxidierten Form blau. Wird er von Glucose (zu einer farblosen Leukoform) reduziert, verliert er die blaue Farbe (aus Glucose entsteht dabei Gluconsäure). Diese Redoxreaktion läuft im alkalischen Milieu ab.

Wird die farblose reduzierte Form gerührt, kommt er erneut zur Oxidation durch den eintretenden Luftsauerstoff, so dass wieder Methylenblau entsteht.

Der Vorgang ist so lange wiederholbar, bis keine reduzierende Glucose in der Lösung mehr vorliegt.

b) Reduktion von KMnO4 durch Glucose

Eine Spatelspitze Glucose wird mit 2 mL Wasser und mit einigen Tropfen KMnO4-Lösung versetzt und geschüttelt.

B: Die violette Lösung verfärbt sich braun.

S: Glucose reduziert das violette KMnO4 zu braunem MnO2. Aus Glucose bildet sich Gluconat.

c) Farben beim Kippen

V: In einem Becherglas werden genau 6,0 g NaOH werden in 200 mL Wasser aufgelöst.

In einem zweiten Becherglas werden 700 mL 36°C warmes Wasser gefüllt und dann 14,0 g Glucose aufgelöst. Beide Lösungen werden zusammen geschüttet und abschließend werden 0,06 g Indigokarmin hinzu gegeben. Nun kann man das Gemisch in ein andere Gefäß (z.B. einen Eimer) schütten.

B: Die Farbe verändert sich bei Sauerstoffkontakt. Nach einiger Zeit stellt sich die ursprüngliche Farbe wieder ein (grün → rot)

S: Glucose reduziert das rote Indigokarmin, welches sich dadurch grün färbt. Erneuter Sauerstoffkontakt führt zu erneuter Oxidation (→ Rotfärbung).

Eine Besonderheit der Zucker in Wasser - Ringschluss durch Halbacetalbildung

V: Zu Glucoselösung wird Fuchsinschweflige Säure zugefügt (Fuchsinschweflige Säure ist ein nicht ganz so empfindlicher Aldehydnachweis. In Gegenwart eines Aldehyds färbt sie sich violett).

B: Kein Farbumschlag!

S: Da Glucose eine Aldose ist, wie mit der positiven Fehlingreaktion ja auch beweisen wurde, müsste der Nachweis mit fuchsinschwefliger Säure auch positiv verlaufen. Tut er aber nicht! → Die Aldehydgruppe wurde verändert!

Die offenkettige (und dir bisher bekannte) Form der Glucose kommt in Wasser nur mit ca. 0,003% tatsächlich vor! 99.997% der Glucosemoleküle kommen in einer Ringform vor. Sie entsteht durch die innermolekulare (=intramolekulare) Reaktion von Alkoholgruppe und Aldehydgruppe (=Halbacetalbildung). Es findet ein Ring­schluss über eine Sauerstoffbrücke statt. Da bei diesem Ringschluss die Aldehydgruppe angegriffen wird (und das Aldehyd C oxidiert wird), liegt zu 99,997% kein Aldehyd vor. Die verbleibenden 0,003% reichen für einen Nachweis der (sensibleren) Fehlingreaktion aus, aber nicht für den Nachweis mit fuchsinschwefliger Säure.

Eine weitere Besonderheit kommt nun durch den Ringschluss zutage:

Da der Kohlenstoff der Aldehydgruppe frei drehbar ist, kann der Ringschluss stattfinden, während das O links oder rechts ist. Demzufolge zeigt es im Ring nach oben oder unten! Man unterscheidet deshalb zwischen einer α- und eine β- Form (bei der α-Form zeigt das OH am ersten C nach unten, bei der β-Form zeigt es nach oben). Der Sechsring wird auch Pyranring genannt (→ bei Glucose: Glucopyranose).

Fischer → Tollensprojektion

Bitte nicht verwechseln: α- und β-Form sind nicht zu verwechseln mit der D und L Form! Es gibt eine α- und eine β-D-Glucose sowie eine α- und eine β-L-Glucose.

Das Vorliegen in der Ringform in wässrigen Lösungen erklärt auch das Versagen der Schiff’schen Probe. Es liegt zu über 99,9% keine Aldehyd vor!

Die Schiff‘sche Probe ist für derart geringe Mengen (0,003% Aldehyd) nicht empfindlich genug.

Tipp zum Merken der Begriffe Furanose und Pyranose:

Der Mechanismus der Ringbildung

Glucose equilibrium.png

Das anomere C-Atom

Durch den Ringschluss kommt es zu einer weiteren Besonderheit: Ein zusätzliches chirales C-Atom entsteht. Dieses wird als anomeres C-Atom bezeichnet - die an ihm befindeliche alkoholische Gruppe wird als anomere Hydroxidgruppe bezeichnet.

→ Es gibt durch den Ringschluss immer zwei Formen, welche mit α und β bezeichnet werden.

Eine weitere Möglichkeit: Perspektivische Darstellung von Zuckerringen

Das Phänomen der Mutarotation

Wenn man je reine wässrigen Lösungen von α-D-Glucose und β-D Glucoese im Polarimeter untersucht misst man für α-D-Glucose: + 112° Drehwinkel, für β-D-Glucose: + 19° Drehwinkel. Wartet man nun einige Zeit nach dem Lösen in Wasser von α- bzw. β-Glucose, verändert sich der Drehwinkel bis zu einem konstanten Wert von 53° verändert. Es liegt also kein 1:1-Gemisch beider Formen vor.

→ Es liegt eine Umwandlung der α-in die β-Form vor. Dieses Phänomen nennt man Mutarotation.

α- bzw. β-Glucose wandeln sich von der Kettenform in die Ringform um, bis sich ein Gleichgewicht einstellt.

Ablauf der Mutarotation

  • Durch den Ringschluss entsteht ein neues, (5.) Asymmetriezentrum. Es entstehen 2 Isomere mit unterschiedlicher Stellung der Hydroxylgruppe am C1-Atom.
  • keine Spiegelbildisomere, also Diastereomere (nicht Enantiomere).
  • Diastereomere, die sich nur durch die Konfiguration am C1 unterscheiden → Anomere.
  • cyclische Zucker-6-Ringe bezeichnet man als Pyranosen.
In wässriger Lösung und in Verbindungen kommt Glucose in Ringform vor. Da das C1-Atom asymmetrisch ist, gibt es zwei unterschiedliche Formen, man bezeichnet sie aber nicht als Stereoisomere, sondern als Anomere. (Liegt die OH Gruppe des C1 wie die des C2, so ist es α-Glucose, liegt sie entgegengesetzt, ist es β-Glucose)

Ab K13 verständlich: Die offene Kettenform und die beiden Ringformen stehen miteinander im chemischen Gleichgewicht. Die Umwandlung der Formen in einander bezeichnet man als Mutarotation.

Wie kommt die Ringbildung genau zustande?

Halbacetal

Die Aldehydgruppe am C1 reagiert mit der Hydroxyidgruppe am C5 unter Ausbildung eines innermolekularen Halbacetals[2] → Ringschluss. Es liegt keine Aldehydgruppe mehr vor!

Sessel oder Wanne?

Cyclische Sechsringe unterscheiden sich in ihrer Form. Man kennt die Sesselform und die Wannen­form. Das Glucosemolekül liegt v.a. in der Sesselform vor.

Aufgabe:

  1. Warum zeigt die Schiff’sche Probe keinen positiven Nachweis? (Warum funktionieren aber die anderen Nachweise?

Der Nachweis bei der Schiff’sche Probe erfolgt nur über offene Aldehydform! Die Halbacetalgruppe am C1 ist aber sehr reaktiv und kann deshalb zumindest von Ag+ und Cu2+ Ionen oxidiert werden. → Silberspiegelprobe positiv

Die Haworth-Projektion zur Darstellung von Zuckern

Ringförmige komplexe organische Moleküle können sehr übersichtlich nach der Haworth-Formel dargestellt werden (benannt nach dem Chemiker Walter Norman Haworth)

Regeln für die Umwandlung der Fischer in die Haworthprojektion:

D-glucose-chain-2D-Fischer.png
Regeln zur Erstellung
  • Das Molekül wird als ebenes Sechseck (bzw. Fünfeck) gezeichnet
  • ein im Ring enthaltenes Sauerstoffatom wird so eingezeichnet, dass es bei Fünfringen vom Betrachter weg zeigt, bei Sechsringen kommt es in die hintere rechte Ecke
  • Die Kohlenstoffatome werden im Uhrzeigersinn nummeriert
  • Substituenten werden mit einer Senkrechten Linie ober- bzw. unterhalb des Rings gezeichnet
  • Substituenten, die in der Fischer-Projektion nach rechts zeigen, werden in der Haworth-Projektion nach unten eingezeichnet, Substituenten, welche nach Links zeigen entsprechend nach oben.

Anmerkung: In der Haworth-Projektion kommt der gewinkelte Bau des 6-Ringes nicht zum Ausdruck. Monosaccharide, wie Glucose liegen nicht eben (planar) vor, sondern meist in Sesselkonformation.

Eine schematische Darstellung der Glucose

Zusatzinformationen:

Halbacetalbildung bei Glucose im Detail

Glucose equilibrium.svg

Fruchtzucker - Fructose - C6H12O6 - eine Hexose

D-Fructose.svg

Fructose ist eine 2-Ketohexose.

V: Aus der Literatur kann man entnehmen, dass Fructose einen positiven Ketosen Nachweis zeigt (Seliwanow-Reaktion positiv). Wie reagiert sie auf typische Aldehydnachweise?

B: Fehlingprobe positv, Silberspiegelprobe positiv

S: Es müssen Aldehyde vorliegen. Diese sind durch Keto-Enol-Tautomerie entstanden.

Vorkommen von Fructose

  • vor allem in süßen Früchten und Honig
  • Lebensmittel, welche Fructose, gewonnen aus Maisstärke enthalten
  • Pollen mancher Pflanzen

Eigenschaften

  • Fructose ist schlecht auskristallisierbar, sie bildet statt Kristallen eher sirupartige Flüssigkeiten
  • D-Fructose dreht die Schwingungsebene des linear polarisierten Lichts nach links → D-(–)-Fructose.
  • am C2-Atom ist eine Ketogruppe → Fructose ist eine Ketose → Aldehydnachweise sollten eigentlich unwirksam sein.
  • Fruchtzucker besitzt eine höhere Süßkraft als Glucose
  • Aufnahme im Darm ist langsamer als bei Glucose. → Fructose wird nie vollständig aus der Nahrung aufgenommen (meist gut für Diabetiker) → beeinflusst den Blutzuckerspiegel kaum.
  • wird vom menschlichen Organismus insgesamt schneller abgebaut als Glucose
  • Abbau durch das Leberenzym Fructokinase erst in Fructose-1-phosphat und dann zu Glycerinaldehyd und Dihydroxyacetonphosphat (es folgt eine Phosphorylierung und anschließend steht sie der Glykolyse zur Verfügung (siehe Bio) → Es wird zur Aufnahme kein Insulin benötigt! → zum Süßen für Diabetiker geeigneter als Glucose.
  • Fructose in großen Mengen steigert u.U. den Cholesterinspiegel im Blut.
  • Es sind 2 verschiede Ringschlüsse möglich: In wässrigen Lösungen liegt Fructose als Sechsring vor (Fructopyranose)[3]
  • In Verbindungen liegt es hingegen als Fünfring[4] vor (Fructofuranose).

Fructose Ringbildung.png

Zusatzinformation:

  • Mit verdünnter Natronlauge werden Mannose, Glucose und Fructose ineinander umgewandelt (durch Keto-Endiol-Tautomerie). Die führt zu einem Gleichgewicht dieser Isomeren. Dies reicht aus, um eine positive Fehlingprobe zu erreichen. Im Grunde wird aber nur Glucose nachgewiesen.
  • Nachweis über die Seliwanow-Probe durch Kochen in HCl und Resorcin Zugabe. Dieser Nachweis für Ketohexosen in der Furanose-Ringform findet im leicht sauren Milieu statt, so dass es nicht zu einer Keto-Endiol-Tautomerie kommt. Folglich kann keine Glucose nachgewiesen werden.
  • Der Nachweis mit Fehling sollte nicht funktionieren, aber durch Keto-Endiol-Tautomerie erfolgt in geringem Maße eine innermolekulare Umlagerung (über eine nicht isolierbare Endiol-Form) zur Aldehydform (es entsteht also Glucose!). → die Fehlingprobe ist positiv.

Mannose

Mannose

In Lebewesen kommen immer nur die Enantiomere der D-Reihe vor. Ein weniger bekannter Einfachzucker ist die Mannose. Sie ist ein Hauptbestandteil von biologischen Membranen. Außerdem kommt sie als Baustein in vielen biologischen Polysacchariden vor.

Zusatzinformation:

Vergleich der beiden Fructoseformen (Fructopyranose - Fructofuranose) in ihrer α und β -Form

D-Fructose Haworth.svg

Aufgaben

  1. Mit welchem Dir bekanntem Nachweis, kann man Glucose und Fructose voneinander unterscheiden?

Zusatzinformationen:

Galactose (Schleimzucker) (C6H12O6)

Fischer-Projektion

Galaktose kommt v.a. in den Schleimhäuten vor. Sie ist entzündungshemmend und hat somit eine heilende (sowie beruhigende) Wirkung.

D-Galactose Haworth.svg

Wissenswertes

  • Galactose gehört zur den Aldohexosen.
  • Es existieren wieder vier Formen (vergleichbar der Fructose), jeweils α- und β-Pyranosen und α- und β-Furanosen (also je zwei Sechs- und zwei Fünfringe).
  • Es gibt spezifische Drehwerte  α-D-Galactopyranose und β-D-Galactopyranose.
  • Galactose ist als Baustein in Lactose und anderen biochemischen Stoffen zu finden.
  • Galactose ist als Bestandteil in der Muttermilch enthalten.
  • Im Dünndarm aufgenommen, wird sie durch das Leberenzym Galaktosinase abgebaut.
  • Eine Erbkrankheit existiert, bei der die Betroffenen Galactose aufgrund eines Enzymmangels nicht verdauen können. Dies kommt sofort nach der Geburt zum Tragen.

Zusatzinformationen:

Stammbaum der D-Aldosen

Family tree aldoses.svg Hexosen verfügen über vier chiralen C-Atome → es gibt 16 verschiedene Aldohexosen!

Zur D-Glucose existieren also 15 Stereoisomere (ein Enantiomer und 14 Diastereomere). In der folgenden Grafik sind alle acht D-Aldohexosen aufgeführt.

Viele natürliche Zucker sind keine Monosaccharide. Sie bestehen aus zwei miteinander verbundenen Monosacchariden, den Disacchariden.

Durch die Reaktion einer anomeren OH-Gruppe (also der α, β- OH-Gruppe) mit anderen Alkoholen entstehen unter Wasserabspaltung eine Verbindung zwischen zwei Monosacchariden. Rein chemisch gesehen sind dies Acetale. Sie werden auch Glycoside genannt.

Zweifachzucker (Disaccharide) bestehen aus zwei miteinander verbundenen Monosaccharideinheiten. Die Verbindung zwischen den beteiligten Einfachzuckern kann an verschiedenen Stellen sein, dabei sind zwei Monosaccharide durch eine glycosidische Bindung miteinander verknüpft.

Glycosidische Bindung

Beispiel für ein Disaccharid: Lactulose - aufgebaut aus β-D- Galactose und β-D- Fructose

Beachte:

  • Je nachdem, ob die α- oder β-Form eines Zuckers reagiert, entstehen auch zwei verschiedene Glycoside - einmal mit der glycosidische Bindung nach oben und einmal nach unten gezeichnet.
  • Da die anomere OH-Gruppe des Zuckers nun fest gebunden ist, können die α- und die β-Form nicht mehr durch Mutarotation ineinander umgewandelt werden.

Man unterscheidet vor allem folgende Typen von Disacchariden:

a) Zweifachzucker aus Glucosemoelkülen:

  • Cellobiose,
  • Laminaribiose,
  • Trehalose,
  • Maltose (Malzzucker)
  • Gentiobiose

b) Zweifachzucker aus je einem Glucose- und Fructosemolekül:

  • Saccharose (Rohzucker)

c) Zweifachzucker aus je einem Glucose- und Galactosemolekül:

  • Lactose (Milchzucker)

d) Zweifachzucker aus je einem Fructose- und Galactosemolekül:

  • Lactulose (synthetischer Stoff, aus Lactose gewonnen)
Disaccharide sind vor allem in Pflanzen zu finden.

Zuckergewinnung für den Haushalt

Zuckerrüben
  • Zerkleinern
  • Waschen
Rübenschnitzel → Reste
Viehfutter
  • Wasserzugabe
Rohsaft
  • Zugabe von Kalkmilch und CO2
Dünnsaft
  • Konzentrieren durch Eindampfen
Dicksaft → Zuckerrübensirup → Alkoholgewinnung
  • Reinigen durch Auskristalisieren
Rohzucker
  • Raffination durch Umkristalisieren
Kristallzucker

Zuckerverwendung in Deutschland

Verwendung Zucker in D.svg

Maltose (=Malzzucker): Doppelzucker aus 2 α-D-Glucosemolekülen (C12H22O11)

Maltose

Maltose entsteht z.B. bei der enzymatischen Spaltung von Stärke auf der Zunge bei der sofortigen Verdauung von Stärke bzw. beim Keimungsvorgang vieler stärkehaltiger Getreidekörner sowie Kartoffeln (durch das Enzym α-Amylase). Maltose ist also ein Abbauprodukt von Stärke.

Der erste Schritt der Bierherstellung ist ein Keimen von Gerstenkörnern, welche dann kurz geröstet werden um den Keimungsvorgang zu beenden. Das Produkt wird Malz genannt. Bei der Keimung ist Malzzucker entstanden.

Wie man sieht ist Maltose ein Zweifachzucker aus zwei α-D-Glucosemolekülen. Die Verknüpfung findet über eine glykosidische Bindung zweier Glucosemoleküle (α-1,4-glycosidische Bindung ) mithilfe einer alkoholische OH-Gruppe statt. Dabei wird ein Wassermolekül abgespalten (=1,4-α-glykosidische Bindung).

Maltose hat aufgrund der freien OH-Gruppe am C1-Atom eine reduzierende Wirkung → Fehling-Probe ist positiv

Zusatzinformationen:

Saccharose (=Rübenzucker)

Saccharose ist vor allem als Haushalts- bzw. Kristallzucker bekannt. Sie wird aus Zuckerrüben oder aus Zuckerrohr hergestellt.

Gewinnung

6000 t Zuckerrüben → 800 t Zucker

  1. Reinigung, Zerkleinerung
  2. Auslaugtürmeauslaugen des Zuckers durch heißes Wasser: Rohsaft: 12-15%
  3. Reinigung mittels Kalkmilch (Oxalsäure, Citronensäure, Phosphate, Eiweiß, Farbstoffe)
  • Eindicken: 55-65% Zucker → Rohzucker (braun) → Entfärbungsfilter notwendig

Eigenschaften

  • Aufgebaut aus je einem Molekül α-D-Glucose und β-D-Fructose.
  • → Verknüpfung über eine α,β-1,2-glycosidische Bindung (bzw. α,1-β,2-glycosidische Bindung). Dabei wird Wasser frei.
  • Saccharose ist ein nicht reduzierendes Disaccharid → Fehling-Probe negativ (da die Ringe über zwei anomere Kohlenstoffatome eng miteinander verknüpft sind, so dass keine Aldehydgruppe (unter Ringöffnung) gebildet werden kann. Siehe auch „Regel zu den reduzierenden Zuckern“.)
  • erst durch Säurezugabe wird die Bindung der beide Zuckermoleküle gelöst
  • Smp. 185°C → die Schmelze ist braun und wird auch Karamell genannt. Wird sie weiter erhitzt, verbrennt sie zu „Zuckerkohle“ (auch Zuckercouleur genannt). In dieser Form färbt sie Cola schwarz)
  • Saccharose ist gut in Wasser löslich
  • Bildung in einigen Pflanzen als Sekundärprodukt der Photosynthese
  • 80 Mio t Weltzuckerproduktion
  • bis zum 19. Jahrhundert wird Saccharose ausschließlich aus Zuckerrohr gewonnen. Heute verwendet man in Deutschland aber die leichter anbaubare Zuckerrübe. Sie hatte ursprünglich nur einen Saccharose Gehalt von 5% (=Runkelrübe). Durch Züchtungen konnte dieser auf 20% gesteigert werden.
  • Saccharose ist die Transportform für Zucker in der Pflanze! Dazu wird die beider Photosynthese entstehende Glucose an ein Fructosemolekül gebunden. Am Ende des Transportes, wird die Fructose wieder abgelöst und steht für weitere Transportvorgänge zur Verfügung.

Inversion der Saccharose

Saccharose dreht im Polarimeter polarisiertes Licht nach rechts, das aus Saccharose nach hydrolytischer Spaltung in saurer Lösung entstandene Produkt links:

C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6
(+)-Saccharose (α= +66°) und Wasser reagiert zu D-(+)-Glucose (α = +52°) und D-(-)-Fructose (α = -92° = „Invertzucker“ (α = -20°)

Das äquimolare Gemisch aus Aldohexose und Ketohexose nennt man „Invertzucker“. Der Drehwinkel beträgt -20°.

Bedeutung der Inversion

  • Bei Bienen produziert das Enzym „Invertase“ im Bienenmagen so Honig
  • Industriell: Kunsthonigherstellung (Spaltung mit Wein- oder Citronensäure)

Reaktionsverhalten der Saccharose

Saccharose ist nicht reduzierend → Fehlingsche Probe verläuft negativ.

  • Erklärung: Beide anomeren C-Atome (C1 der Glucose, C2 der Fructose) sind durch die Glycosidbindung blockiert → keiner der beiden Bausteine kann reduzierend wirken.
Regel zu den reduzierenden Zuckern: Disaccharide, wie Saccharose, bei denen die glycosidische Bindung zwischen beiden anomeren C-Atomen liegt sind nichtreduzierende Disaccharide (Fehling Probe negativ.). Sie zeigen auch keine Mutarotation. Disaccharide, wie z.B. Maltose, Galactose oder Cellobiose, bei denen die Glycosidbindung zwischen einem anomeren und einem nicht-anomeren C-Atom ausgebildet wird, sind reduzierende Disaccharide. Sie zeigen eine positive Fehlingprobe. Logischerweise zeigen sie auch Mutarotation.

Zusatzinformationen:

Lactose (Milchzucker) (C12H22O11)

Lactose Haworth.svg
  • zu 5% in Milch enthalten
  • wird von Milchsäurebakterien in Milchsäure oxidiert

Eigenschaften

  • reduzierend
  • β-1,4-glycoisidische Bindung
  • optisch aktiv
  • kristallin
  • weniger wasserlöslich als andere Zucker
  • farblos
  • unterstützt die Calciumionenaufnahme ins Blut
  • hemmt Fäulnisbakterien im Darm des Menschen
  • wirkt abführend

Lactose ist ein Bestandteil der Muttermilch und somit für Säuglinge sehr wichtig.

Das Enzym Lactase spaltet Milchzucker bei der Verdauung in die beiden Einfachzucker Galactose und Glukose. Dies funktioniert nicht bei allen Menschen gleich gut. Die Enzymbildung ist auch Altersabhängig - nur in Europa und bei einigen afrikanischen Völkern hat sich eine Mutation durchgesetzt, durch die auch erwachsene Menschen Lactose aufspalten können.

Der Enzymmangel wird als Lactoseintoleranz bezeichnet.

Cellobiose (C12H22O11)

Cellobiose skeletal.png

Die Cellobiose ist die Baueinheit der Cellulose. 2 β-Glucosemoleküle sind über eine β 1-4 -glycosidische Bindung verknüpft.

Sie entsteht beim Abbau von Cellulose

  • reduzierend (→ Fehling Probe positiv.)
  • Mutarotation
  • Grund: das anomere C-Atom am „zweiten“ Glucose-Molekül ist noch frei, → Umlagerung in Kettenform möglich → Fehling Probe positiv)→ kann α- und β-Form annehmen (→ Mutarotation)


Unterscheidung
  • reduzierende Doppelzucker: Maltose, Cellobiose
  • nichtreduzierende Doppelzucker: Trehalose (1→1-α), Saccharose

Bei nichtreduzierenden Zuckern ist die OH-Gruppe an C1 blockiert → keine freie Aldehydform mehr möglich

Übersicht Zucker und ihre reduzierende Wirkung

Einige Zucker können selbst leicht oxidiert werden. Dies sind vor allem die Aldose. Dabei wird deren Aldehydgruppe zur Carbonsäure oxidiert. Der Reaktionspartner wird entsprechend reduziert. Man spricht dadurch von den reduzierenden Eigenschaften der Zucker.

Manchmal ist die Aldehydgruppe nicht sichtbar und der Zucker hat dennoch eine reduzierende Wirkung. Dann sind innermolekulare Umlagerungen (Keto-Enol-Tautomerie oder Muttarotaion dafür verantwortlich).

Ketosen können im Allgemeinen nicht reduzieren!

Bei Disacchariden liegt nur dann eine reduzierende Wirkung vor, wenn eine Aldose vorliegt, die noch Mutarotation betreiben kann.

Zucker Fehling/Tollens reduzierende Wirkung Grund
Glucose + + Aldose → reduzierend
Fructose + + Macht in Lösung zu einem geringen Anteil eine Umwandlung in Glucose durch. → reduzierend, obwohl eigentlich keine Aldose vorliegt
Galactose + + Aldose → reduzierend
Lactose + + * Lactose besteht zwar aus zwei Aldosen, aber nur die β-Glucoseeinheit kann Mutarotation betreiben, da deren C1 nicht glycoisidisch gebunden ist und sich so in die offene Kettenform umwandeln kann.
  • In der offenen Kette der α-Glucose liegt ebenfalls eine reduzierende Aldehydgruppe vor.
Lactulose + + * Galactose ist über die funktionelle Aldehydgruppe verbunden. Es kann keine offene Kette entstehen.
  • Fructose ist eigentlich eine Ketose, aber durch Keto-Enol-Tautomerie ist eine Umlagerung möglich  reduzierend.
Maltose + + * reduzierend!
Cellobiose + + * reduzierend
→ Saccharose ist kein reduzierender Zucker

Zusatzinformation:  Reduzierender Zucker

Wie erkennt man reduzierende Disaccharide?

a) reduzierende Dissaccharide

Am Beispiel des reduzierenden Disaccharides Maltose erkennt man dass bei dessen Bildung eine 1,4-glykosidische Bindung entsteht. Die Konsequenz ist, dass am rechten Zucker noch ein freies Halbacetal vorliegt. Immer, wenn das der Fall ist, dann ist ein Zucker reduzierend.

Dies kann man immer dann voraussetzten, wenn eine 1,4 glykosidische Bindung vorliegt.

→ reduzierende Zucker haben das Halbacetal behalten.

Bei Maltose sind zwei α-D-Glucose-Moleküle über eine halbacetal- und OH-Gruppe unter Wasserabspaltung acetalartig miteinander verknüpft (1,4-α-glycosidische Bindung).

→ Alle Disaccharide, welche die 1,4-Glycoisidische Bindung behalten sind reduzierend.

Bei reduzierenden Disacchariden ist übrigens mindestens ein anomeres Kohlenstoffatom nicht an der glycosidischen Bindung beteiligt.

Was genau ist der Grund für die reduzierende Wirkung bei der Fehling-Reaktion?

Acetale können nur durch Säure und nicht durch Laugen/Basen gespalten werden.

Die glycosidische Bindung wird also von der Fehling'schen Lösung nicht angegriffen.

Aber, das Halbacetal der freien OH-Gruppe kann gespalten werden. Daher reagieren reduzierende Zucker mit einem freien Halbacetal mit der Fehling'schen Lösung.

b) Nichtreduzierende Dissaccharide

Nichtreduzierendes Disaccharid.png

Bildet sich aber eine andere Verknüpfung, wie im folgenden Beispiel eine 1,5 glykosidische Bindung, oder wie im Falle der Saccharose eine 1,2 glykosidische Bindung, so liegt an keinem Ende des Dissahraides ein Halbacetal vor. Solche Disaccharide sind nicht reduzierend.

Nichtreduzierende Zucker sind Acetale und haben kein freies Halbacetal mehr.

Bei nichtreduzierenden Disacchariden sind die beiden anomeren Kohlenstoffatome direkt miteinander verbunden.

Polysaccharide - Vielfachzucker (C6H10O5)n

Vielfachzucker sind biologisch bedeutsame Moleküle. Sie tauchen in vielen Lebewesen als Speicherstoff oder Aufbau- und Gerüststoff auf. Aufgrund ihrer Größe und der Tatsache, dass sie auch oft mehr als 5000 Atomen bestehen, nennt man sie auch Makromoleküle.

Da sie aus Monomeren (Einzelzuckern) und Dimeren (Zweifachzuckern) aufgebaut sind, lassen sich Polysaccharide (also Polymere) gut klassifizieren.

Polysaccharide sind aus 100 bis zu mehr als 10 000 Monosaccharidmolekülen zusammengesetzt.

→ Typische Zuckereigenschaften wie Wasserlöslichkeit, Reduktionsvermögen und der süße Geschmack gehen verloren.

Stärke (C6H10O5)n

Wichtigster pflanzlicher Reservestoff (Speicherung in Pflanzenzellen in Leukoplasten) Stärke ist osmotisch unwirksam, d.h. unlöslich in H2O → die Pflanze wandelt die in der Photosynthese entstehenden Glucose in Stärke um, so dass bei einer Speicherung nichts durch Regen- oder Bodenwasser verloren geht. Aufgebaut ist Stärke aus α-D-Glucose-Einheiten.

Der Aufbau der Stärke aus ca. 20% Amylose und ca. 80% Amylopektin:

Amylose: (gr. amylum = Stärke) Amylopektin
löslich in heißem Wasser (bildet aber in hoher Konzentration den so genannten Stärkekleister - kolloidale Lösung) wasserunlöslich
aufgebaut aus α-1,4 glycosidisch verknüpften α- Glucose-Einheiten (wie Maltose) an Verzweigungsstelle zusätzlich 1,6-α-glycosidische Bindungen. (~ alle 25 Glucosemolekülen)
entspricht einer Amylosekette mit 20 zusätzlichen Verzweigungen aus bis zu 60 Glucose-Einheiten (hier ist die 1,6-Verknüpfung!)
aus 250-500 Glucosemonomeren aufgebaut aus mehr als 2000 α-Glucose-Einheiten aufgebaut → verzweigte Spiralen
spiralartig durch Verzweigungen sind keine „perfekten“ Spiralen vorhanden.

„Stärke“ - Nachweis mit I2/KI-Lösung

Schematische Darstellung eines in die Amylosehelix eingelagerten I3-Ions

Iodzugabe färbt Stärke blau. Der Grund ist, dass Iod (eigentlich (I5)--Ionen) eine blaue Einschlussverbindung bildet.

→ mit Amylose entsteht eine tiefblaue Farbe

Abbau von Stärke =

durch Säure: → Dextrine → Maltose → Glucose

Dextrine werden auch beim Erhitzen der Stärke (backen → Brotkruste) gebildet.

Durch das Enzym Amylase: → Maltosebildung in Mund, Magen und Darm

→ im Darm spaltet das Enzym „Maltase“ dann die Maltose in Glucosemoleküle

Zusatzinformationen:

Amylosekette

Eine Schlaufe besteht aus ca. 6 Glucose Einheiten

Verknüpfung des Amylopektins

Abbau von Stärke

Stärke + α-Aymlase → Maltose + Maltase → Glucose

Glycogen (die so genannte „Tierische Stärke“)

Blutzuckerregulation.svg

Glykogen.svg

Glykogen ist ein (ähnlich dem Amylopektin) verzweigtes Polysaccharid. Es besteht aus 25.000-90.000 Glucoseeinheiten. Es liegt wie beim Amylopektin eine α-1,4-glykosidischen Bindung mit weiteren α-1,6-glykosidische Verknüpfung vor.

Es gibt aber einige Unterschiede:

  • Die Seitenketten sind stärker verzweigt.
  • Die Ketten bestehen aus 12-18 Glucoseeinheiten.
  • Im Zentrum ist ein Protein (nicht eingezeichnet!) (Glykogenin), von dem Seiten Ketten abgehen, die wiederum verzweigen, wodurch das Molekül baumartig verzweigt.
  • Diese kugelförmige Gestalt kann also bei Glucosebedarf im Körper schnell an vielen Stellen abgebaut werden.

Es dient bei Mensch und Tier der Speicherung von Kohlenhydraten. Glykogen ist die Speicherform der Kohlenhydrate in Mensch und Tier und dient der kurz- bis mittelfristigen Speicherung und Bereitstellung des Energieträgers Glucose. In der Leber und in der Muskulatur wird bei einem Überangebot von Kohlenhydraten (hoher Blutzucker-Spiegel) Glykogen aufgebaut.

Bei Hunger, also niedrigem Blutzucker-Spiegel, wird gespeichertes Glycogen abgebaut und in Zucker umgewandelt. Diese Aufspaltung des Glycogens bei vermehrtem Energiebedarf findet in der Leber statt. Der Auf- und der Abbau geschieht durch Hormone. Adrenalin und Glucagon bauen Glykogen ab, Insulin steuert den Glykogenaufbau, also die Umwandlung von Glucose in Glykogen.

Muskelzellen bauen Glykogen ausschließlich zur Deckung ihres eigenen Energiebedarfs ab. Dieser Vorgang wird mit Glykogenolyse bezeichnet.

Eine Säurehydrolyse von Glycogen führt zu D-Glucose.

Zusatzinformationen:

Cellulose (C6H10O5)n

  • Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden (Massenanteil 50%)
  • und damit die häufigste organische Verbindung und das häufigstes Kohlenhydrat der Erde.
  • Gerüststoff der Pflanzen
  • stets faserige Struktur (Baumwolle, Jute, Flachs, Hanf)
  • Aufbau aus 100-10.000 β-Glucose-Molekülen (β-1,4-glykosidische Bindung)
  • wasserunlöslich
  • kann durch konzentrierte Säuren gespalten werden. Dabei entsteht Glucose
  • lineares Makromolekül
  • nur von Mikroorganismen abbaubar (Bakterien, Pilze, Ciliaten), welche β-Glucosidasen als Enzym besitzen.
  • Abbau: Cellulose → Cellubiose → β-Glucose

Abbau und Verdauung:

Der wesentliche Unterschied von Stärke und Cellulose ist die Verknüpfungsart der Monomere:

  • Stärke: α-1,4 glykosidische Bindung
  • Cellulose: β-1,4 glykosidische Bindung

Dieser für uns so unbedeutende Unterschied macht es aber aus, dass wir Cellulose nicht verdauen können, da wir kein Enzym haben, welches die Cellulose aufspaltet. Paarhufer (Rinder und Co sowie Unpaarhufer wie Pferde können Cellulose durch besondere Bakterien verdauen).

Die meisten Säugetiere hingegen besitzen keine Verdauungsenzyme für den Celluloseabbau. Sie wird mit der Nahrung, z.B. als Hülse von Hülsenfrüchten und Getreide sowie beim Essen von Salatblättern zwar aufgenommen, aber sie gelangt unverdaut in den Enddarm. Solche Ballaststoffe (dazu gehören auch Pektin und Lignin aus Pflanzen) werden von Darmbakterien anaerob (ohne Sauerstoff) für ihren eigenen Stoffwechsel verwendet. An diesen Bakterien „trainiert“ unser Immunsystem. Einige von Ihnen scheiden als Stoffwechselendprodukt das für Menschen wertvolle Vitamin D aus.

Wiederkäuer, Pferde und Wassergeflügel hingegen nutzen die in ihrem Pansen lebenden Bakterien zur echten Verdauung von Cellulose. Die Bakterien spalten die Bindungen. Der Wiederkauer verdaut dann die aufgeschlossenen Cellulose zusammen mit einigen Bakterien.

Spezielle Anpassungen zum Abbau im Tierreich
  • Wiederkäuermagen
  • langer Blinddarm (Pferd) Abbau durch Mikroorganismenals Gärraum

Vorkommen und Verwendung

  • in Holz sind bis zu 40 - 50% Cellulose, in Stroh ca. 30% Cellulose enthalten.
  • Verwendung als Zellstoff für die zur Papierherstellung
  • in der Textilindustrie als Regeneratzellulosefasern (Viskose), Baumwollfasern und Leinen
  • in der Baustoffindustrie, als Methylzellulose sowie als Cellophan ((Verpackungs-)Kunststoff aus Cellulose) - z.B. als durchsichtiges Zigarettenpapier.

Aufbau der Cellulose

Cellulose Sessel.svg

Lange unverzweigte Ketten aus β-glycosidisch verbundenen Glucosemolekülen Nachweis: Chlor-Zink-Iodlösung → Violettfärbung

Herstellung von Stärkekleister

V: 5g Stärke (Es kann auch Speisestärke oder Maisstärke verwendet werden) werden mit der ca. 4 fachen Menge Wasser vermischt und verrührt. Dieser Brei wird dann in ca. 100mL kochendes Wasser geschüttet. Dabei muss ständig gerührt werden.

Tipp: Zum Erstellen des Stärkekleisters ist es hilfreich lösliche Stärke zu verwenden, da diese im Gegensatz zur normalen Stärke nur aus Amylosemolekülen (weniger Glucose-Enden) besteht.

B: Es entsteht eine durchscheinende, sehr dickflüssige klebrige Lösung. (mindestens Zahnpastakonsistenz).

S: Stärke ist in kaltem Wasser kaum löslich, bei ca. 50°C setzt aber eine Quellung der Stärkekörner ein, welche einen viskosen Stärkekleister bildet, der eine kolloidale Lösung der Stärke ist.

Die Klebwirkung kommt zustande, indem sich die Stärkemoleküle durch das Wasser sehr gut in die in jeder Oberfläche vorhandenen Oberflächenfugen legen. Verdunstet dieses Wasser, hält der Kleister die Oberflächen gut zusammen. Dies klappt besonders gut bei Papier. Weizenstärkekleister war nicht ohne Grund über Jahrhunderte der bevorzugte Leim, um Buchrücken, beim Buchbinden zu leimen.

Stärkekleister und Jod

V: 10ml des weiter verdünnten Stärkekleisters werden im Reagenzglas mit etwas I2/KI-Lösung versetzt und dabei leicht erwärmt. Beim Eintritt der Farbreaktion lässt man alles sofort abkühlen.

B: Beim Erwärmen verblasst die Blaufärbung, bei Abkühlen tritt sie wieder auf (es sei denn, es wurde zu stark erwärmt).

S: Ursache ist, dass die Blaufärbung des Stärkekleisters-Iodkomplexes nur bei Raumtemperatur beständig ist. Bei höheren Temperaturen liegt z.T. aufgrund der stärkeren Molekülbewegung keine Einschlussverbindung mehr vor, dass keine Farbreaktion mehr möglich ist.

Chitin

Chitin.svg

Chitin ist ein Kohlenhydrat und als Baustoff des Insekten Exoskeletts der Cellulose sehr ähnlich. In Pilzen ist Chitin Bestandteil der Zellwand. Seine Funktion entspricht der Zellulose bei Pflanzenzellen.

Chitin besteht als Polysaccharid aus so genannten Acetylglucosamin-Einheiten. Diese sind durch β-1,4-glycosidische Bindungen untereinander verknüpft.

Durch die der Cellulose ähnlich Verknüpfung, kann Chitin also Derivat (Abart) der Cellulose aufgefasst werden, bei der lediglich die OH-Gruppe am C2 durch Acetamido-Gruppen ersetzt wurden.

Diese Substitution einer OH-Gruppe durch eine Acetamido-Gruppe erhöht die Stärke der Wasserstoffbrückenbindung der Polysaccharid untereinander. Deshalb ist Chitin auch wesentlich fester, härter und stabiler als Cellulose.

Natürliches Chitin liegt im Insektenpanzer aber nicht als Reinstoff vor. Es ist ein Gemisch.

Zusatzinformationen:

Weitere Versuche mit Kohlenhydraten

Lugolsche Probe (=Stärkenachweis mit Iod)

Je ein Reagenzglas wird jeweils mit ca. 2-3ml Wasser und einer Spatelspitze Stärke bzw. Glucose-Lösung gefüllt. Dann wird Iod/ Kaliumiodidlösung hinzugefügt.

Enzymatische Spaltung von Saccharose

Eine Spatelspitze Saccharose wird mit etwas Wasser und Hefe versetzt. Die Lösung wird sofort auf zwei Reagenzgläser verteilt. Im ersten RG wird sofort eine Fehling-Probe durchgeführt im zweiten nach ca. 10-15min. Was kann man beobachten? Warum?

Wiederholungsfragen

  1. Wie kamen die Kohlenhydrate zu ihrem Namen? Wie sind sie heutzutage definiert? Welche funktionellen Gruppen kann man antreffen? Nenne auch die allgemeine Formel (soweit möglich)
  2. Wie kann man Kohlenhydrate unterteilen? Nenne je Typ mindestens drei Beispiele. Erkläre dann die dazu passenden Regeln der Nomenklatur
  3. Worauf beruht die süße Wirkung? Sind alle Kohlenhydrate süß?
  4. Nenne stichwortartig die Zusammenhänge zwischen den Kohlenhydraten der Pflanze und dem menschlichen Körper
  5. Was ist die Fischerprojektion? Welche Regeln gelten zur Erstellung? Warum ist sie notwendig? Was ist die Haworth-Projektion?
  6. In welchen zwei Formen kann Glucose auftreten? Unterscheide dabei auch zwischen α- bzw. β-Glucose. Zeichne alle Formen auswendig!
  7. Wie kann man Glucose nachweisen? Nenne mindestens einen Nachweis mit passender Formelgleichung
  8. Warum ist die Schiff'sche Probe bei Glucose negativ?
  9. Was versteht man unter Sessel- und Wannenkonformation?
  10. Was ist der Unterschied zwischen Ribose und Desoxyribose (Vergleich von RNA/ DNA)
  11. Die Sättigungswirkung von Polysacchariden ist höher als die von Monosacchariden. Letztere gelangen allerdings schneller bei Nahrungsaufnahme ins Blut. Erkläre die Zusammenhänge.
  12. Wie unterscheidet sich Fructose von Glucose? Wo sind Gemeinsamkeiten?
  13. Welche Formen von Fructose gibt es?
  14. Diabetiker können eher Fructose als Glucose essen, Nenne Gründe
  15. Bein längeren kauen von Mehrkornbrot entsteht im Mund ein süßlicher Geschmack. Wie heißt der gebildete Zucker und wie heißen die beteiligten Enzyme? Wo geschieht dieser Vorgang sonst?
  16. Was versteht man unter glykosidischer Bindung?
  17. Einige Kohlenhydrate sind reduzierend. Die ist ein wichtiges Unterscheidungs­merkmal. Was bedeutet dies und welche Zucker sind reduzierend? Nenne Beispiele
  18. Stärke ist ein Gemisch. Nenne die Bestandteile und die Unterschiede der beteiligten Stoffe
  19. Wie funktioniert der Stärkenachweis?
  20. Was ist die Besonderheit beim Aufbau des Glucogens? Warum ist dieser im Vergleich zur Stärke andere Aufbau sinnvoll?
  21. Zellulose kann nur von wenigen Lebewesen aufgespalten werden. Nenne Gründe
  22. Erstelle eine Tabelle in der Du Vorkommen, Aufbau, Spaltungsprodukte, reduzierende Eigenschaften, Nachweise und Verwendungszwecke von Glucose, Fructose, Saccharose, Amylose und Cellulose gegenüberstellst.
  23. Beschreibe und erkläre den Versuch „blaues Wunder“
  24. Kann KMnO4 durch Glucose reduziert werden? Wenn ja, erstelle die Reaktionsgleichung
  25. Was versteht man unter Stärkekleister? Wie stellt man ihn her und wozu wird er verwendet?



  1. Oft auch Oligosaccharide (=Mehrfachzucker) aus 2-8 Monomeren genannt. V.a. kennt man aber die Disaccharide wie Maltose und Saccharose
  2. Halbacetale bilden sich beider Reaktion von Aldehyden mit Alkoholen.
  3. Sechsring = Pyranose; Fünfring = Furanose
  4. Fünfringe werden auch als Furan bezeichnet


Fette

Bauprinzip und Funktion von Fetten (Lipiden)

Wikipedia hat einen Artikel zum Thema:


Lipide: Die Dreifachester von Glycerin und drei meist verschiedenen unverzweigten Monocarbonsäuren (Fettsäuren) werden als Fette bezeichnet. So kommt auch der Name der Verbindungsklasse „Triacylglycerine“ (bzw. Triglyceride) zustande.

  • Reine Fette, welche nur aus Glycerin und Fettsäuren entstanden sind, werden gelegentlich auch als Neutralfette bezeichnet (Glyceride). Fettähnliche Verbindungen als Lipoide.
  • In der Natur dienen Fette als Polsterstoff für Organe und Muskeln, Wärmeisolierungsstoff und vor allem als Energiespeicher- und Reservestoff (39 kJ/g).Sie haben einen hohen physiologischen Brennwert
  • Natürliche Fette sind Mischungen verschiedener Glyceride. Die einzelnen Fettsäuren sind in den Glyceriden regellos verteilt.
  • Eigenschaften sind durch den Fettsäureanteil bestimmt.
  • Vorkommen in vielen natürlichen Lebensmitteln, z.B. Milchprodukte, Pflanzensamen, Nüsse, Raps, Fleisch- und Wurstwaren usw.

Chemischer Aufbau der Neutralfette aus Glycerin und Fettsäuren

Fette sind Ester des dreiwertigen Alkohols Glycerin mit langkettigen Monocarbonsäuren (=Fettsäuren). Erinnere Dich an das Kapitel Veresterung und das Entstehen von Estern:

Allgemein Veresterung: R1-Hydroxylgruppe + Carboxylgruppe-R2 → R1-R2-Ester + H2O

Bei der Bildung von Fetten liegt nun mit Glycerin ein Dreifachalkohol vor: Lipide-Reaktion.svg bei R1 = R2 = R3: reine Triglyceride (Ausnahmen in der Natur)

Symbolische Schreibweise für Fette

Fettsäuren sind Bestandteile von Fetten

Fettsäure (FS): unverzweigte Monocarbonsäuren, die Anzahl der C-Atome ist in der Regel geradzahlig, es gibt gesättigte und ungesättigte Fettsäuren (also ohne und mit Mehrfachbindungen)!

Beispiele für gesättigte Fettsäuren

  • Buttersäure: C3H7COOH Buttersäure Skelett.svg
  • Palmitinsäure: C15H31COOH Palmitinsäure Skelett.svg
  • Stearinsäure: C17H35COOH Stearinsäure Skelett.svg

Beispiele für ungesättigte Fettsäuren

Ungesättigte Fettsäuren sind oft pflanzlicher Herkunft. Sie sind für die Ernährung wertvoller und werden nicht so leicht in Körperfett umgewandelt. Einige ungesättigte Fettsäuren sind essentielle Nahrungsbestandteile, sie werden auch als Vitamin F zusammengefasst.

  • Ölsäure: CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH C17H33COOH Oleic-acid-skeletal.svg
  • Linolsäure (=9,12-Octadecandiensäure): CH3(CH2)4CH=CH-CH2-CH=CH(CH2)7COOH C17H31COOH LAnumbering.png
  • Linolensäure (=Octadecatriensäure): CH3CH2CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH(CH2)7COOH C17H29COOH ALAnumbering.svg

Bei natürlich vorkommenden ungesättigten Fettsäuren liegt an Doppelbindungen immer die cis-Konfiguration vor

z.B. Ölsäure: starrer Knick an der Doppelbindung

cis und trans

Vergleich der Schmelz- und Siedebereiche von Fetten und Ölen

Fett enthält ungesättigte cis-Fettsäuren  es werden die Fette und die Fettsäuren sich nicht dicht aneinander (paralell) anlagern können  die VdW-Kräfte sind nur gering  nur geringe Energie ist notwendig die VdW-Kräfte zu überwinden, um die Fette voneinander zu trennen und den Aggregatzustand zu ändern

→ Smp. und Sdp. sind gering.

→ Deshalb haben cis-Fette auch tiefere Schmelzbereiche als die entsprechende trans-Verbindungen

Nachweis der ungesättigten Fettsäuren

→ Baeyersche Probe (Zugabe von leicht alkalischer Permanganatlösung → Entfärbung) → Entfärbung von Bromwasser (Additionsreaktion von Brom an die Doppelbindung)

Iodzahl

Die Menge (Masse) an Iod in g, die von 100 g Fett gebunden wird ist ein typisches Merkmal zur Unterscheidung von Fetten. Ihre Maßeinheit ist [g Iod / pro 100g Fett].

Vergleiche: Iodzahl Butter: 30 - 40: tierisches Fett → geringer Anteil ungesättigter FettsäurenIodzahl Sonnenblumenöl 125 - 136: pflanzliches Fett → hoher Gehalt an ungesättigten Fettsäuren → Anlagerung mehrerer Jodmoleküle

Eigenschaften der Neutralfette

  • unlöslich in H2O, löslich in unpolaren Lösungsmitteln → hydrophob = lipophil
  • Schmelzbereich statt eines Schmelzpunktes, weil sie in der Regel Gemische sind
  • die Konsistenz und die Viskosität von Fetten ist abhängig von a) der Kettenlänge der Fettsäuren und b) dem Gehalt an ungesättigten Fettsäuren (beide Faktoren bestimmen somit über den Aggregatzustand eines Fettes bei Raumtemperatur)
  • enthalten Triglyceride bloß gesättigte Fettsäuren mit Kettenlängen > C10, so sind sie bei Raumtemperatur Feststoffe
  • Öle sind Triglyceride die mehr als 2/3 ein- oder mehrfach ungesättigte Fettsäuren besitzen
  • Öle neigen an Luft zur Autooxidation ( → polymerisieren zu festem Harz)

Chemischer Fettabbau

Durch Verseifung können Fette wieder in Glycerin und die enthaltenen Fettsäuren gespalten werden. (Erinnere Dich, die Verseifung ist die Umkehrreaktion der Veresterung). Dazu kann man einfach Fette mit Alkalilauge erhitzen. Es setzt eine hydrolytische Spaltung der Esterbindungen ein. Es entstehen Glycerin und Alkalisalze der Fettsäuren[1] (= Seifen)

Beispiel: Tripalmitinglycerinester + 3 Kalilauge → 3 Kaliumpalmitat + Glycerin → 3 C15H31COO-/K+

Verseifungszahl

Die Menge (Masse) an KOH in mg, die zur Verseifung von 1000 mg Fett notwendig ist, ist ein Maß für die durchschnittliche Kettenlänge der im Fett enthaltenen Fettsäuren.

Biologischer Fettabbau (durch das Enzym Lipase)

  • Fett + Lipase → Glycerin + 3 Fettsäure
    • Glycerin → wird für Biosynthesen + weiterverwendet
    • Fettsäure → Abbau zu C2-Einheiten → wird für Biosynthesen + weiterverwendet

Bei Energiemangel: oxidativer Abbau (zu CO2 und H2O) zur Energiegewinnung (Umgangssprachlich auch „Fettverbrennung“ genannt)

Versuche mit Fetten

1. Lösungsmittelversuche:

V: Versuche im Reagenzglas verschiedene Fette und Öle in Wasser, Spiritus und Benzin zu lösen. a) Beobachte (wenn vorhanden) auch die Phasengrenze.

b) Was passiert, wenn Du das Reagenzglas leicht bzw. stark schüttelst?

c) Was ist eine Emulsion?

2. Bayersche Probe:

V: Gib zu pflanzlichen Ölen eine leicht alkalische, schwach gefärbte Kaliumpermanganatlösung. Beobachte.

a) Warum kommt es zur Entfärbung

b) Welches Ergebnis erwartest Du bei dem gleichen Versuch, wenn statt Kaliumpermanganat Brom (bzw. Bromwasser) zugegeben wird?

3. Nachweise für Fette I: Die Fettfleckprobe

V: In der Lebensmittelchemie gibt es einen einfachen Test, welcher eine ungefähre Aussage zum Fettgehalt von Lebensmitteln macht. Dazu markiert man einen 2cm, großen Bleistiftkreis auf Papier oder Filterpapier und zerreibt dann Lebensmittel darauf, lässt dies trocknen und hält es dann gegen eine Lichtquelle (z.B. Fenster).

4. Nachweise für Fette II: Die Sudan III Probe

V: Zu Fetten oder Ölen wird etwas Spiritus und Sudan (III) Lösung zugefügt.

5. Nachweise für Fette III: Doppelbindungsnachweis durch Iod (im Abzug durchführen)

a) RG1: In ein Reagenzglas wird etwas festes Iod und eine geringe Menge Essigsäure (ca. 5ml) gegeben. Man wartet, bis sich die Kristalle aufgelöst haben.

b) RG2: In einem zweiten Reagenzglas wird 1ml Olivenöl mit ca. 4ml Essigsäure versetzt. Das zweite Reagenzglas wird nun kurzzeitig vorsichtig erhitzt (Vorsicht - Entzündungsgefahr).

c) Aus dem ersten Reagenzglas werden vorsichtig einige Tropfen der Iod-Essigsäurelösung zur zweiten Lösung gegeben. Nach jedem Tropfen wird geschüttelt. Beobachte genau

6. Oxidative Fettumwandlung (Ranzigwerden)

Vorversuch: Stelle „altes Fritteusenfett“ her, indem Du Pflanzenöl im Verbrennungsschälchen (kein Glaskolben!) ca. 5 min im Abzug erwärmst - Vorsicht, auf Selbstentzündung achten. Vorher also dringend eine Abdeckung, z.B. ein noch intaktes Drahtnetz bereitlegen.

V: Gib zu altem jeweils 5g Fritteusenöl, neuem Sonnenblumenöl und bei Bedarf auch anderen Fettsorten je 20ml Benzin und einige Tropfen Phenolphtalein.

In so zubereiteten Lösungen tropfst Du nun aus einer Maßpipette (oder wenn vorhanden einer Bürette) solange Natronlauge zu, bis sich der Indikator rosa färbt. Das zugegebene Volumen an Lauge wird notiert.

a) Warum ist der „Laugenverbrauch“ bei dem benutzten Fritteusenöl so hoch? Stelle Vermutungen über die Gründe an.

b) Welche Aussagen bezüglich der gesundheitlichen Wirkung solcher Öle kann man treffen?

Vergleich der Entfärbungsreaktionen

V: a) Elektrophile Addition von Br2 an eine Doppelbindung

b) Bayer-Probe (oxidative Spaltung von Doppelbindungen) → Aldehyde – Dicarbonsäuren kürzerer Kettenlänge

Entf. v. Bromwasser Bayer-Probe
Leinöl
Olivenöl
Palmin
Schweineschmalz
...

Fetthärtung und Margarineherstellung

Margarine besteht aus gehärteten und ungehärteten Pflanzenölen und Wasser. Normalerweise ist sie als Emulsion weiß, industrieller Margarine werden aber Karotine zugefügt, damit sie eine „gesündere“ gelbliche Farbe hat.

Margarine enthält vor allem gehärtete Fette, also Fettsäuren, an deren Mehrfachbindungen Wasserstoffe addiert wurden. Dabei entstehen auch so genannte Transfettsäuren, welche unter Umständen das Infarktrisiko erhöhen. Bei Palm- oder Kokosfett- bzw. Reformmargarinen wird auf gehärtete Fette verzichtet, somit können auch nicht die gesundheitlich bedenkliche Transfettsäuren enthalten sein.

Der Energiegehalt von Margarine ist mit ca. 750 Kilokalorien pro 100 Gramm genauso hoch wie der von Butter.

„Margarine für die menschliche Ernährung“

In Dürre- und Kriegszeiten hatten die Menschen Europas besonderen Bedarf an Fetten. Fette sind aber teuer gewesen und als Öle auch schwer zu transportieren (die meisten natürlichen Fette sind bei Raumtemperatur flüssig). Es gab also das Problem, flüssige Öle in feste Fette zu überführen.

Napoleon III rief 1864 zu einem Wettbewerb auf, der zum Ziel hatte, einen Ersatz für die teure Butter zu finden. Der Franzose Mège-Mourès fand 1869 die Butter-Alternative: Margarine aus Wasser, Milch und Rindertalg (und etwas Lab). Er nannte sein Produkt Oleomargarin (von lat. oleum = Öl und griech. margaros = Perlmuschel aufgrund der Farbe des Produkts)

Schon 1871 kam es durch die holländischen Familien Juergens und van den Bergh zu ersten Fabriken in Kleve und Goch am Niederrhein. Anstelle von Milch wurde nun auch Schweineschmalz, Walöl, Palmöl, Erdnuss- und Kokosnussfett verwendet.

Fetthärtung durch Hydrierung nach W. Normann, 1902

Eine Hydrierung ist die Addition von Wasserstoff an Mehrfachbindungen. Dazu muss das Wasserstoffmolekül (H2) erst in zwei einzelne Atome gespalten werden, was sehr viel Energie[2] voraussetzt, so dass Hydrierungen in der Regel nicht ohne Katalysator stattfinden.

Aufgrund der hohen Stabilität des Wasserstoffmoleküls benötigt man für die Durchführung der Hydrierung in der Regel einen Katalysator.

Wilhelm Normann hydrierte 1901 erstmals ungesättigte Fettsäuren und lieferte so einen wesentlichen Beitrag zur preiswerten Margarineherstellung. Durch dieses Verfahren werden an die Doppelbindungen der flüssigen Öle Wasserstoffe angelagert. Man spricht auch vom „sättigen“ der Doppelbindungen. Die Moleküle werden dadurch gradliniger und es bilden sich stärkere Van der Waals-Kräfte aus. Die Folge ist eine höhere Anziehungskraft unter den Molekülen, was ihre Eigenbewegung einschränkt, so dass es somit zu einem Anheben des Schmelz- und Siedepunktes kommt. Man erhält mithin bei Raumtemperatur in der Regel ein festes Fett.

Zum Ablauf der Reaktion ist eine Nickelkatalysator notwendig und eine Temperatur von 120-180°C. Wasserstoffgas muss im Überschuss mit einem Druck von mindestens 5bar zugefügt werden.

Fetthärtung findet durch katalytische Hydrierung der Doppelbindungen mit einen Ni-Katalysator bei ca. 180°C, 5bar Druck statt

Zusatzinformationen:

LK: Bau und Bedeutung von Lipoiden

Phospholipide (Phosphatide) → abgewandelte Triglyceride, z.B. Lecithine (am Aufbau des Nervengewebes beteiligt)

Phospholipid.svg

Wichtige Kennzahlen der Fette

  • Jodzahl: Menge Jod in g, die von 100 g Fett addiert werden. Maß für den Gehalt an Doppelbindungen.
    • Die Jodzahl gibt an, wie viel g Iod von 100 g des untersuchten Fettes gebunden werden.
  • Säurezahl: Verbrauch an mg KOH für die Neutralisation der Fettsäuren in 1g Fett. Maß für den Gehalt an freien Fettsäuren.
    • Maß für die Konzentration freier Fettsäuren, das angibt, wie viel mg KOH zur Neutralisation von einem g Fett benötigt werden.
  • Verseifungszahl: Verbrauch an mg KOH für die quantitative Hydrolyse von 1g Fett.
    • Maß für die durchschnittliche Kettenlänge der Carbonsäuren im Ester.

1) Bsp.: Die Jodzahl eines Fettes beträgt 33. Welche Stoffmenge an Glycerintrioleat würde dies entsprechen?

Glycerintrioleat: M(C57H104O6) = 885,445 g/mol

Jod: M(I2) = 253,8 g/mol

Jodzahl 33 → Verbrauch an Jod: m(I2) = 33 g / pro 100 g Fett

n(Trioleat) = 1/3 n(I2) = 0,043 mol

m(Trioleat) = n(Trioleat) * M(Trioleat) = 0,043 mol * 885,445 g/mol

m(Trioleat) = 38,37 g

1b) Welcher Stoffmenge (mol) an Triglycerid der Ölsäure entsprechen diese Jodzahlen?

Jodzahl
Butter 33-43
Rapsöl 97-108
Sonnenblumenöl 125-136

Lösung:

M (C57H104O6) = 885,445 g/mol

M (I2) = 253,8 g/mol


Jodzahl 33 → 0,13 mol I2

→ 0,13/3 mol Trioleat = 0,043 mol

→ 38,37 g Trioleat

Jodzahl Trioleat [mmol] Trioleat [g]
Butter 33-43 43-56 38-50
Rapsöl 97-108 127-142 113-165
Sonnenblumenöl 125-136 164-179 145-158

Die Zellmembran als Beispiel für eine Lipiddoppelschicht

Lipid-Doppelschicht
  • enthält als Bauelemente (Phospho-)Lipide und Proteine und häufig geringe Mengen von Kohlenhydraten. Als Phospholipid kommt oft Lecithin zum Einsatz
  • Begrenzt das Zellplasma, die Vakuole und auch Zellorganellen
  • Bilden Doppellipidschicht aus, deren polare, hydrophile Enden dem wässrigen Umgebungsmilieu entgegenragen, während die apolaren, lipophilen Schwänze einander zugekehrt sind,
  • 6 bis 9nm dick
  • Membranen lassen Stoffe (z.B. Wasser und Salze) hindurch. Kleinere Moleküle oft passiv, größere aktiv ( selektiv permeabel)
  • Die Außenseite der Zellmembran ist mit verschiedenen Rezeptoren sowie Oberflächenproteinen besetzt.
  • Alle Lipide sind gut in Fett und organischen Lösungsmitteln löslich, aber unlöslich in Wasser

Lecithin - Ein Membranlipid

Phosphatidylcholin mit Palmitinsäure und der ungesättigten Ölsäure (POPC = Palmityloleylphosphatidylcholin)

Symbol für Lipide

/D.1ester-lipide-palmitinsäure

Membranen bestehen aus einer Lipiddoppelschicht und enthalten Proteine

Dabei unterschiedet man zwei Arten von Proteinen (= Eiweißen): a) Periphere Proteine (=Oberflächenproteine) haften elektrostatisch von außen an der Membran b) Integrale Proteinen sind in die Lipiddoppelschicht eingebunden und zum Teil auch von außen sichtbar. Sie können als Transportproteine (auch Tunnelproteine genannt) einen feinen Kanal bilden, der Ein- bzw. Austritt kleiner Moleküle und von Wasser ermöglicht

Die Umwandlungs- und Bewegungsvorgänge der Membran werden als Membranfluss bezeichnet, da alle Bestandteile zum selben System gehören und frei beweglich sind. Membranen sind nicht statisch und haben keine feste Struktur, sie können sich gegeneinander verschieben.

Wiederholungsfragen

  1. Wie sind Fette aufgebaut? In welche Gruppen kann man sie unterteilen?
  2. Welche Bedeutung kommt dabei dem Glycerin zu?
  3. Was ist der unterschied zwischen Fetten und Fettsäuren?
  4. Nenne drei ungesättigte und drei gesättigte Fettsäuren. Jeweils eine davon mit der Summenformel!
  5. Wie unterscheiden sich gesättigte und ungesättigte Fettsäuren? Wie können sie im Labor unterschieden werden? Nenne zwei Nachweise mit entsprechendem Mechanismus.
  6. Warum spricht man bei Fetten in der Regel nicht vom Schmelzpunkt, sondern vom Schmelzbereich?
  7. Wovon sind Konsistenz und Viskosität der Fette abhängig? Wie nennt man flüssige Fette?
  8. Wie funktioniert der sagenumwobene Fettflecktest?
  9. Kann man mit Iodlösung eine Reaktion bei Fetten hervorrufen? Nach welchem