Chemiepraktikum für Mediziner Teil 6

6. Praktikumstag

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Kohlenwasserstoffe, Heterocyclen, Amine

Gegenstandskatalog (4. Aufl. 2001): 2.3 (Acyclische Kohlenstoffverbindungen, einfache funktionelle Gruppen), 2.4 (Carbo- und Heterocyclen), 2.5.1, 2.5.2, 2.5.5 (Stereochemie: Raumformeln, cis/trans-Isomerie, Konformation)
Lehrbuch: Kapitel 11 bis 15

Aufgaben: 6-1 bis 6-13

Fragenkatalog 6 (6. Praktikumstag)

1. Erläutern Sie den Begriff "Konformation" an den Beispielen Ethan und Cyclohexan.

2. Erläutern Sie den Begriff "cis-trans-Isomerie" an den Beispielen 1,2-Dichlorethen und 1,2-Dichlorcyclohexan.

3. Erläutern Sie den Unterschied zwischen Alkanen und Alkenen (Bindungsart, Bindungswinkel, Reaktivität z. B. mit Br₂).

4. Welches Löslichkeitsverhalten erwarten Sie von Anilin in H₂O, Benzol bzw. verd. HCl?

5. Warum sind Imidazol und Thiazol aromatisch?

6. Vergleichen Sie die Basizität von Pyrrol und Imidazol.

Colloquiumsfragen

1. Nennen Sie Beispiele für abgeschlossene, geschlossene und offene Systeme.

2. Erläutern Sie folgende Aussagen:
Eine Reaktion ist
a) exotherm
b) endotherm
c) exergon
d) endergon

3. Geben Sie von jedem Paar der folgenden Substanzen an, welche die größere absolute Entropie besitzt:

Br₂ (flüssig), Br₂ (gasförmig)
Br₂ (gasförmig), 2 Br (gasförmig)
NH₃ + HCl, NH₄Cl

4. Welche Größen werden durch den Katalysator beeinflußt? (Begründung)
a) Reaktionsgeschwindigkeit
b) Gleichgewichtslage (K)
c) Reaktionswärme (H)
d) Freie Enthalpie (G)
e) max. Ausbeute

5. a) Was heißt "Reaktionsordnung" und wie wird sie bestimmt?
b) Erläutern Sie den Begriff der Halbwertszeit.

6. Von welchen Faktoren ist die Reaktionsgeschwindigkeit abhängig?

7. Ihnen sind die Normalpotentiale folgender Redoxpaare gegeben:

2I^-/I₂ : E⁰ = +0,58 V

2Cl^-/Cl₂ : E⁰ = +1,36 V

Welche der folgenden Aussagen über die Reaktion

Cl₂ + 2 I- 2 Cl^- + I₂

trifft (treffen) zu?

1) Die Massenwirkungskonstante K ist größer als 1
2) Die Massenwirkungskonstante K liegt zwischen 0 und 1
3) Die Massenwirkungskonstante K ist kleiner als 0
4) G⁰ ist negativ

Erläutern Sie in diesem Zusammenhang die Gleichungen G = -nFE und G⁰ = -RT ln K

Aufgaben (6. Praktikumstag)

Der Modellbaukasten

Der Modellbaukasten gestattet den Aufbau von Molekülmodellen, mit denen Fragen zur Struktur- und Stereochemie geklärt werden können. Die Atome bestehen aus Plastikzentren in verschiedenen Farben.

Die Farben der Zentren zeigen die verschiedenen Elemente an:

Wasserstoff:	weiß
Kohlenstoff:	schwarz
Stickstoff:	blau
Sauerstoff:	rot
Halogene:	grün

Je nach Hybridisierungsgrad besitzen die Atome mehrere "Arme" mit den korrekten Bindungswinkeln. Bindungen zwischen den Atomen werden durch Plastikröhrchen hergestellt, die - gemäß Bindungsart - auf verschiedene Längen zugeschnitten sind.

Kurze Plastikröhrchen: jede H-X -Bindung,
mittlere Plastikröhrchen: jede Doppel- bzw. Dreifachbindung,
lange Plastikröhrchen: jede andere Bindung,
-Bindungen werden mit biegsamen Kunststoffschläuchen aufgebaut.

Bauelement	Hybridisierung	Winkel zwischen -Bindungen	Verwendung im Molekülmodell
			H-Atome Halogen-Atome u. ä.
	sp3	tetraedrisch Bindungswinkel: 109°	gesättigte C-Atome in Alkanen, N-Atome in Ammoniak oder Aminen (ein "Arm" ist das freie Elektronenpaar), O-Atome in Wasser, Alkoholen oder Ethern (2 "Arme" sind die freien Elektronenpaare)
	sp2	eben Bindungswinkel: 120°	C-Atome in Alkenen, C - und O-Atome in Carbonylgruppen, N-Atome in Iminen (die beiden senkrechten "Arme" sind das pz-Orbital)
	sp	linear Bindungswinkel: 180°	C-Atome in Alkinen (jeweils 2 gegenüberliegende "Arme", die jeweils senkrecht zur Bindungsrichtung stehen, sind ein p-Orbital)

Aufgabe 6-1 Kohlenwasserstoffe

Begriffe/Sachverhalte: C-Atome unterschiedlicher Hybridisierung, -Bindungen, -Bindungen

Bauen Sie die unter a-c angegebenen Kohlenwasserstoffe, beachten Sie dazu die Hinweise zum Modellbaukasten auf Seite 3, Teil 6.
Zeichnen Sie das Modell jeweils neben die entsprechende Formel und kennzeichnen Sie - und -Bindungen und geben Sie die Bindungswinkel an.

Teil a
Ethan
2 Kohlenstofftetraeder (C-Atome, sp³-hybridisiert) werden durch eine C-C-Einfachbindung miteinander verknüpft.

Die beiden Methylgruppen können um die C-C-Achse gegeneinander gedreht werden (freie Drehbarkeit).

Teil b
Ethen (Ethylen)
2 C-Atome (sp²-hybridisiert) werden durch eine - und eine -Bindung miteinander verknüpft.

Es gibt keine freie Drehbarkeit um die C-C-Achse mehr, alle Atome liegen in einer Ebene.

Teil c
Ethin (Acetylen)

2 C-Atome (sp-hybridisiert) werden durch eine - und zwei -Bindungen miteinander verknüpft.

Es entsteht ein lineares Molekül.

Aufgabe 6-2 n-Butan

Begriffe/Sachverhalte: Konstitutions-Isomerie, Nomenklatur von organischen Verbindungen, Projektionsformeln

Name	Konstitutionsformel	Newman-Projektion
n-Butan

Man erhält durch Drehung um verschiedene C-C-Bindungen als Achsen eine Vielzahl räumlich verschiedener Strukturen.

Welches ist das energieärmste Konformer des Butans?


Aus dem n-Butan wird durch Ersetzen eines H-Atoms durch eine CH₃-Gruppe das Methylbutan. Zeigen Sie, daß das 2-Methylbutan identisch ist mit dem "3-Methylbutan".

Aufgabe 6-3 Pentan-Isomere

Begriffe/Sachverhalte: Konstitutions-Isomerie, Ketten ohne und mit Verzweigungen

Bauen Sie die folgenden Molekülmodelle:

Name	Konstitutionsformel	räumliche Lage der Atome (zick-zack-Konformation)
n-Pentan
Methylbutan
2,2-Dimethylpropan

Aufgabe 6-4 Cycloalkane

Begriffe/Sachverhalte: cyclische Kohlenwasserstoffe, Sessel- u. Wannenkonformation)

Bauen Sie die folgenden Molekülmodelle:

Name	Konstitutionsformel	Stereoformel
Cyclobutan		nicht erforderlich
Cyclopentan		nicht erforderlich
Cyclohexan		Sessel      Wanne

Aufgabe 6-5 Cis- bzw. trans-Verknüpfung zweier Cyclohexanringe

Begriffe/Sachverhalte: Konfigurations-Isomerie (cis, trans) an cyclischen Verbindungen, äquatorial, axial

Bauen Sie die Modelle der beiden möglichen Moleküle und zeichnen Sie deren Stereoformeln.

Welches ist die cis- und welches die trans-Form?

Aufgabe 6-6 Steran (Gonan)

Begriffe/Sachverhalte: Konstitution, Ringverknüpfung beim Sterangerüst, cis und trans-Isomer

Welche Konstitutionsformel hat das Steran (Gonan) (mit Bezeichnung der Ringe A, B, C, D)?










Bauen Sie zwei Modelle des Sterans.

1.	2.
A/B : trans	A/B : cis
B/C : trans	B/C : trans
C/D : trans	C/D : trans

Wie sehen die Stereoformeln beider Moleküle aus?

Aufgabe 6-7 1,3-Pentadien und 1,4-Pentadien

Begriffe/Sachverhalte: sp²-hybridisierte C-Atome, Verbindungen mit mehreren Doppelbindungen, isolierte und konjugierte Doppelbindungen

Bauen Sie die folgenden beiden Pentadiene und zeichnen Sie ihre Strukturformeln.

Name	Formel
1,3-Pentadien (trans-Form)
1,4-Pentadien

Welche Verbindung enthält konjugierte Doppelbindungen?

Aufgabe 6-8 Benzol

Begriffe/Sachverhalte: sp²-hybridisiertes C-Atom, -Bindung, aromatische Verbindungen, Mesomerie

Bauen Sie aus 6 sp²-hybridisierten C-Atomen den Benzolring.
Formulieren Sie die Mesomerie des Benzols (zwei Grenzformeln). Durch welchen Pfeil drückt man aus, daß es sich um Mesomerie handelt?

Aufgabe 6-9 Löslichkeit von Kohlenwasserstoffen

Begriffe/Sachverhalte: Löslichkeit, unpolar, polar, hydrophob, hydrophil, lipophil, lipophob

Schütteln Sie jeweils intensiv Mischungen aus je ca. 2 ml

a) Isooctan/Wasser

b) Cyclohexan/Wasser

c) Isooctan/Cyclohexan

und stellt die Reagenzgläser dann ab.

Beobachtung:














Erklärung:

Demonstrationsversuch des Assistenten

Aufgabe 6-10 Reaktivität von Kohlenwasserstoffen

Begriffe/Sachverhalte: Reaktivität, Additionsreaktionen, mesomeriestabilisierte Systeme

Der Assistent versetzt 1 - 2 ml der folgenden Proben mit 2 ml Bromwasser und schüttelt vorsichtig.

Name	Formel	Beobachtung
Cyclohexan (oder Hexan)
Cyclohexen
1,3-Dimethylbenzol (= m-Xylol)

Reaktionsgleichungen:

Aufgabe 6-11 Formeln von N-Heteroaromaten

Begriffe/Sachverhalte: Heteroaromaten

Tragen Sie die Formeln ein.

	5 Ring	6 Ring
einfacher Ring	Pyrrol	Pyridin
mit einem Benzolring kondensiert	Indol	Chinolin
2 N-Atome in 1,3-Stellung	Imidazol	Pyrimidin
Imidazol mit Pyrimidin kondensiert	Purin

Aufgabe 6-12 Imidazol: pK_S-Wert und Pufferwirkung

Begriffe/Sachverhalte: Halbneutralisation, Puffer, Basizität von stickstoffhaltigen Heterocyclen

Der Imidazolylrest ist als Bestandteil der Aminosäure Histidin eine der wichtigsten Puffersubstanzen des Blutes. Der pK_S-Wert des Imidazols wird für den Praktikumstag Aminosäuren/Eiweiß benötigt. Deshalb soll dieser pK_S-Wert hier bestimmt werden.

Teil a
In einem Reagenzglas werden 10 ml einer Lösung von Imidazol in Wasser (c = 0,1 mol/l) mit 5 ml einer HCl-Lösung (c = 0,1 mol/l) versetzt (Halbneutralisation!).

Reaktionsgleichung:

Bestimmen Sie den pH-Wert (pH-Meter).	pH =
Wie groß ist der zugehörige pKS-Wert?	pKS =
Wie groß ist der pKB-Wert?	pKB =

NH₄⁺/NH₃ hat einen pK_S-Wert von 9,25; Pyridinium/Pyridin von 5,23. Ordnen Sie die drei Säure-Base-Paare nach steigender Acidität der Kationen.



Teil b
Die entstandene Lösung wird auf 2 Reagenzgläser A und B verteilt. Geben Sie in das Reagenzglas A und in ein mit der gleichen Menge Wasser gefülltes Reagenzglas A' je einen Tropfen Methylrotlösung. Bei A' (Wasser + Methylrotlösung) entsteht gelegentlich eine rote Lösung. Nach Zugabe von 1 - 2 Tr. aus A entsteht eine gelbe Lösung. Geben Sie zu A und A' nun je 5 Tropfen HCl-Lsg. (c = 0,1 mol/l). Messen Sie jeweils den pH-Wert.

Beobachtung:


pH-Wert in A:          in A':


Erklärung:


Verfahren Sie bei Reagenzglas B entsprechend mit Phenolphthalein und NaOH-Lsg. (c = 0,1 mol/l).

Beobachtung:


pH-Wert in B:          in B':


Erklären Sie die Befunde.

In welchem pH-Bereich besitzt das Imidazol maximale Pufferwirkung?

Aufgabe 6-13 Nomenklatur von Aminen

Begriffe/Sachverhalte: Klassifikation von Aminen (primär, sekundär, tertiär), Amine als Protonenakzeptoren

Teil a
Welche Strukturformel besitzen die folgenden Verbindungen?
Geben Sie an, ob ein primäres, sekundäres, oder tertiäres Amin vorliegt.

Methylamin	tert. Butylamin	1,4-Diaminohexan
N,N-Dimethylanilin	2,4-Dimethylanilin	N,N'-Dimethyl-1,4- diaminobenzol

Teil b

Formulieren Sie das Protolysegleichgewicht des Methylammonium-Ions.

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