Chemiepraktikum für Mediziner Teil 8 Chemiepraktikum für Mediziner Teil 8
Funktionelle Carbonsäurederivate, Carbonylverbindungen
Gegenstandskatalog (4. Aufl. 2001):
3.7 (Additions/Eliminierungs-Reaktionen),
3.8 (Substitutionsreaktionen), 6.2.1 (Acylglycerine)
Lehrbuch: Kapitel 19, 21
Aufgaben: 8-1 bis 8-14
1. Welche Eigenschaften besitzt eine Carbonylgruppe (
)?
2. a) Was verstehen Sie unter einem Nucleophil (= nucleophilen Reagenz)? Welche
Nucleophile kennen Sie?
b) Ist OH- oder H2O nucleophiler?
3. Warum können Nucleophile mit Carbonylgruppen reagieren?
4. a) Was sind Aldehyde und Ketone? Nennen Sie jeweils ein Beispiel.
b) Wie reagieren Aldehyde und Ketone mit Wasser oder Alkoholen? Geben Sie den
Reaktionsablauf mit allen Teilschritten wieder. Handelt es sich bei den einzelnen
Reaktionsschritten jeweils um eine Addition, Elimination, Umlagerung oder eine
Kondensation?
c) Was passiert bei Zugabe einer Säure?
5. a) Welche funktionellen Carbonsäurederivate kennen Sie? Ordnen Sie
diese nach Ihrer Reaktivität gegenüber Nucleophilen.
b) Wovon hängt die Reaktivität gegenüber Nucleophilen ab?
6. a) Formulieren Sie den Mechanismus von Esterbildung und Esterhydrolyse unter
Zugabe von H+-Ionen. Welche Rolle spielt die Säure bei diesen
Reaktionen? Laufen diese Reaktionen vollständig ab?
b) Formulieren Sie den Mechanismus der alkalischen Esterhydrolyse. Warum hat
diese Reaktion einen anderen Verlauf?
7. Erläutern Sie den Reaktionsablauf bei der Aldoladdition. Welche Rolle spielt die Natronlauge?
1. Von welchen Faktoren ist die Acidität von Carbonsäuren
abhängig? (Beispiele)
2. a) Welche Art von Isomerie tritt bei dem Paar
Maleinsäure/Fumarsäure auf?
b) Von welcher der beiden Verbindungen
läßt sich ein inneres Anhydrid bilden?
3. a) Was ist ein asymmetrisches C-Atom?
b) Erläutern Sie den Begriff Spiegelbildisomerie.
c) Was bedeuten die Buchstaben D und L (z. B. bei
Milchsäure) sowie die Zeichen + und - bei optisch aktiven Verbindungen?
4. a) Wie läßt sich die Löslichkeit von Verbindungen in polaren
bzw. unpolaren Lösungsmitteln erklären?
b) Diskutieren Sie die Veränderung der Wasser- bzw. Fettlöslichkeit
innerhalb folgender Reihen:
Bernsteinsäure, Äpfelsäure, Weinsäure
Benzol, Benzoesäure, Natriumbenzoat
Essigsäure, Buttersäure, Stearinsäure
5. Im Citronensäurecyclus tritt die Reaktionsfolge
Bernsteinsäure 
Fumarsäure
L-Äpfelsäure
Oxalessigsäure (HOOC-CO-CH2-COOH) auf.
Entwickeln Sie das Formelschema. Welche Reaktionstypen liegen vor
(z. B. Hydrierung/Dehydrierung, Hydratisierung/Dehydratisierung,
Addition/Eliminierung)?
6. Nennen Sie je ein korrespondierendes Redoxpaar aus dem anorganisch- und
organisch-chemischen Bereich, bei dem das Redoxpotential pH-abhängig ist
(vollständige Gleichung).
a) Nach welcher Gesetzmäßigkeit
läßt sich das Redoxpotential berechnen?
b) Würde bei diesen Beispielen das Redoxpotential bei pH-Erniedrigung
größer oder kleiner werden?
7. a) Schreiben Sie die Strukturformel für je eine Carbonsäure und
Sulfonsäure, ein Phenol, einen Alkohol und ein Mercaptan und benennen Sie
diese Beispiele.
b) Wie heißen die betreffenden funktionellen Gruppen?
c) Ordnen Sie die o. g. Verbindungen nach steigender Acidität.
d) Erklären Sie den Zusammenhang zwischen
Mesomeriestabilisierung und Acidität.
e) Gibt es einen Unterschied zwischen Thioalkoholen, Thiolen, Mercaptanen und
Verbindungen, die eine Sulfhydrylgruppe enthalten?
8. a) In den biochemisch wichtigen Proteinen (Eiweißen) kommen
häufig Disulfidbrücken vor. Formulieren Sie ihre reversible Bildung
aus Mercaptogruppen. Welcher Reaktionstyp liegt vor?
b) Welche Reaktionen von Mercaptanen kennen Sie außerdem? (Gleichungen)
Demonstrationsversuch des Assistenten
Aufgabe 8-1 Derivate der Essigsäure
Begriffe/Sachverhalte: funktionelle
Carbonsäurederivate und deren Hydrolyse
Teil a
Der Assistent gibt in ein zur Hälfte mit Wasser
gefülltes 100 ml Becherglas 1-2 ml Acetylchlorid (Vorsicht!
Abzug!). Energieabgabe in Form von Wärme:
H < 0
pH-Wert der Lösung:
Erklärung:
Hydrolysegleichung:
Teil b
Der Assistent wiederholt den Versuch mit 1-2 ml
Essigsäureanhydrid. Die Reaktion verläuft weniger heftig. Nach 1-2
min bestimmt der Assistent den pH-Wert der Lösung.
pH-Wert der Lösung:
Warum wird ein anderer pH-Wert als im Teil a gemessen?
Hydrolysegleichung:
Teil c
Der Versuch wird mit 1-2 ml Essigsäureethylester wiederholt. Nach ca.
5 min wird der pH-Wert gemessen.
pH-Wert:
Versuchsergebnis:
Fassen Sie die Ergebnisse der Teile a-c zusammen.
Demonstrationsversuch des Assistenten
Aufgabe 8-2 Reaktion von Phosphorsäureanhydrid mit Wasser
Begriffe/Sachverhalte: Struktur von Phosphorsäureanhydrid,
Hydrolyse von Phosphorsäureanhydrid/Reaktionswärme.
Vorsicht! Abzug!
Der Assistent gibt in ein zur Hälfte
mit Wasser gefülltes Becherglas mehrere Spatelspitzen
Phosphorsäureanhydrid (P4O10). Unter starker
Wärmeentwicklung tritt eine heftige Reaktion ein.
Das Becherglas wird einige Zeit stehen gelassen
(evtl. rühren!), bis eine klare Lösung entstanden ist. Gegebenenfalls
muß kurz aufgekocht werden. Danach wird mit pH-Papier
geprüft.
Gleichung:
Erklärung:
Das wirksame Prinzip des wichtigsten Energieträgers im menschlichen/tierischen Körper (genannt ATP) ist die Spaltung einer Phosphorsäureanhydridbindung. Pro Tag setzt der Mensch rund 70 kg ATP um! Dieser Versuch soll Ihnen am Beispiel des reinen Phosphorsäureanhydrids eindrucksvoll demonstrieren, welch ungeheure Kräfte in Verbindungen wie ATP gebändigt sind.
Aufgabe 8-3 Hydrolyse von Acetamid
Begriffe/Sachverhalte:
funktionelle Carbonsäurederivate, säurekatalysierte und alkalische
Hydrolyse
Teil a
In einem 100 ml Becherglas wird eine Spatelspitze Acetamid
mit ca. 10 ml NaOH-Lösung (c = 2 mol/l) vorsichtig erwärmt.
Das Becherglas wird mit einem Uhrglas abgedeckt, an dessen Unterseite feuchtes
Universalindikatorpapier befestigt wurde.
Beobachtung:
Wahrnehmbarer Geruch:
Hydrolysegleichung:
Teil b
Eine Spatelspitze Acetamid wird mit ca. 10 ml H2SO4-Lösung
(c = 1 mol/l) in einem Becherglas vorsichtig erhitzt. Nach 1-2 min
wird der Geruch geprüft.
Wahrnehmbarer Geruch:
Hydrolysegleichung:
Aufgabe 8-4 Fette
Begriffe/Sachverhalte: dreiwertige Alkohole, Monocarbonsäuren,
Carbonsäureester, Fetthydrolyse
Geben Sie die Hydrolyse-Gleichung für Tristearylglycerin an.
Kennzeichnen Sie im Edukt die Estergruppierungen und benennen Sie die
Produkte.
Aufgabe 8-5 Amide der Kohlensäure
Begriffe/Sachverhalte: Derivate der Kohlensäure,
Protolyse-Gleichgewichte der Kohlensäure
Teil a
Es sind die Strukturformeln einzutragen.
| Kohlensäure | Carbamidsäure (Monoamid) |
Harnstoff (Diamid) |
Teil b
Eine Spatelspitze Ammoniumcarbamat wird in Wasser gelöst und
tropfenweise mit H2SO4-Lösung (c = 1 mol/l)
versetzt. In den Gasraum des Reagenzglases wird ein Glasstab gehalten, der
zuvor in Barytwasser getaucht wurde.
Beobachtung:
Gleichung 1
(Ionengleichung):
Gleichung 2
(Zerfall der Carbamidsäure):
Teil c
Eine Spatelspitze Harnstoff und 10 ml NaOH-Lösung
(c = 2 mol/l) werden in einem Becherglas vorsichtig erwärmt. Das
Becherglas wird mit einem Uhrglas abgedeckt, das unten mit feuchtem
Universalindikatorpapier beklebt worden ist.
Beobachtung:
Wahrnehmbarer Geruch:
Hydrolysegleichung
des Harnstoffs:
Demonstrationsversuch des Assistenten
Aufgabe 8-6 Verhalten von Aldehyden gegenüber Wasser bzw.
Ethanol
Begriffe/Sachverhalte: thermodynamische Effekte,
katalysierte Reaktionen
Teil a
Es ist säurefrei zu arbeiten: frischer Aldehyd (warum?)!
Reagenzglas + Thermometer müssen trocken und sauber sein!
Der Assistent füllt ein Reagenzglas mit genau 2 ml Ethanol.
Er prüft die Temperatur T1:
Er fügt genau 2 ml Acetaldehyd hinzu und mißt die Temperatur
T2 sofort nach Zugabe, sowie die
Temperatur nach 1, 2, 3 und 4 min:
| T2 (sofort nach Zugabe): | T5 (3 min): |
| T3 (1 min): | T6 (4 min): |
| T4 (2 min): |
Welche Aussagen lassen sich über die Lösungsenthalpie und die
Reaktionsenthalpie machen?
Teil b
Der Assistent gibt in ein Reagenzglas ca. 2 ml Ethanol und einen Tropfen
HCl-Lösung (c = 1 mol/l).
Er prüft die Temperatur T1:
Der Assistent fügt nun ca. 2 ml Acetaldehyd hinzu und
mißt die Temperatur T2 sofort nach Zugabe sowie die
Temperatur T3 nach 1 min.
T2 (sofort nach Zugabe):
T3 (nach 1 min):
Reaktionsgleichung mit Mechanismus:
Wodurch ist der gegenüber Teil a andersartige Temperaturverlauf bei Teil b
begründet?
Teil c
Der Assistent wiederholt Teil a mit 2 ml H2O statt Ethanol und
mißt die Temperaturen T1, T2,
T3 und T4.
T1 (vor Zugabe):
T2 (sofort nach Zugabe):
T3 (nach 1 min):
T4 (nach 2 min):
Reaktionsgleichung:
Aufgabe 8-7 Kondensation mit NH2-Gruppen
Begriffe/Sachverhalte: Bildung von Azomethinen
(Schiff'schen Basen)
Es ist die Reaktionsgleichung für die Kondensation von Benzaldehyd mit
Anilin zu entwickeln.
Benzaldehyd + Anilin Azomethin (Schiff'sche Base) +
Aufgabe 8-8 Aldoladdition und Aldolkondensation
Begriffe/Sachverhalte: Bildung von C-C-Bindungen,
C-H-acide Verbindungen, Carbanionen als Nucleophile,
mesomeriestabilisierte Systeme, Dehydratisierung von Aldolen
Teil a
Formulieren Sie den Reaktionsablauf (mit Mechanismus) der
Aldolkondensation ausgehend von Acetaldehyd. Diese Reaktion läuft unter
Zugabe von NaOH ab. Welche Rolle spielt die Natronlauge?
Acetaldehyd Acetaldol
Crotonaldehyd
Wieviele Isomere existieren vom Acetaldol und vom Crotonaldehyd?
Um welche Art von Isomerie handelt es sich jeweils?
Teil b
Die Reaktion bleibt nicht auf der Stufe des Crotonaldehyds stehen. Es
entstehen höhere, mehrfach ungesättigte Aldehyde.
Erläutern Sie, wie es zu ihrer Bildung kommt.
Teil c
Formulieren Sie die Aldolkondensation für 2 Moleküle Propionaldehyd.
Aufgabe 8-9
Milchsäure/Brenztraubensäure
Begriffe/Sachverhalte:
korrespondierende Redoxpaare
Die Umwandlung von Brenztraubensäure in Milchsäure ist eine
wichtige Voraussetzung für erhöhte Muskelarbeit. Ohne diesen
Umwandlungsprozeß könnte man zwar langsam gehen, sprinten wäre
jedoch unmöglich.
In welcher Form liegen Brenztraubensäure und
Milchsäure im menschlichen Körper (also im Neutralbereich) vor? Wie
heißen die Ionen? Formulieren Sie die Umwandlungsgleichung. Was für
ein Reaktionspartner wird für den Ablauf der Reaktion
benötigt?
Aufgabe 8-10 Keto-Enol-Tautomerie
Begriffe/Sachverhalte:
Tautomerie-Gleichgewichte, CH-acide Verbindungen
Fe3+-Ionen bilden mit Enol-Molekülen einen roten Komplex,
je höher die Enol-Konzentration ist, desto tiefer rot ist die Lösung
gefärbt.
Teil a
Zu 5 Tropfen Aceton werden 2 ml Ethanol
und 3 Tropfen 9 %ige Eisen(III)-chlorid-Lösung (FeCl3)
gegeben.
Beobachtung:
Der Versuch wird mit 5 Tropfen Acetessigester (=Acetessigsäureethylester)
wiederholt.
Beobachtung:
Erklärung:
Teil b
Unter dem Abzug arbeiten!
Sättigen Sie 10 ml Wasser durch
Schütteln mit etwa 0,5 ml Acetessigester und filtrieren Sie zur
Beseitigung ungelösten Acetessigesters durch einen trockenen Filter,
kühlen Sie das Filtrat mit Eiswasser und geben Sie 3 Tropfen
Eisen(III)-chloridlösung hinzu. Aus einer Bürette geben Sie nun
schnell so lange Bromwasser in die Lösung, bis die rote Farbe
verschwindet. Nach einiger Zeit tritt die rote Farbe wieder auf. Nach erneuter
Zugabe von Bromwasser wiederholt sich dieser Vorgang.
Wie ist das Verschwinden und Wiedererscheinen der Rotfärbung zu
erklären?
Aufgabe 8-11 Acidität von Acetessigester
Begriffe/Sachverhalte: C-H-acide Verbindungen,
Keto-Enol-Tautomerie
Versetzen Sie 2-3 ml Wasser mit 1 Tropfen Phenolphthalein und 1 Tropfen
NaOH-Lösung (c = 0,1 mol/l). Geben Sie dann 2-3 Tropfen
Acetessigester hinzu.
Beobachtung:
Erklärung:
Tautomerisierung:
Säure-Base-Reaktion:
Aufgabe 8-12 Tautomerie, Isomerie und Mesomerie
Begriffe/Sachverhalte: Konstitutionsisomerie,
Tautomerie, Stereoisomerie, Enantiomere, cis/trans-Isomerie, Mesomerie
Handelt es sich bei den folgenden Formelpaaren um identische Verbindungen, Tautomere, Konstitutionsisomere, cis- bzw. trans-Isomere, Enantiomere oder mesomere Grenzformen?
________
________
________
________
________
________
Für welche Formelpaare kann eines der 3 Zeichen
,
bzw.
} benutzt werden?
Aufgabe 8-13 Aldehyde und Ketone, Reaktion mit
Ag+
Begriffe/Sachverhalte: Reduktionsvermögen,
Oxidierbarkeit
Versetzen Sie in einem fettfreien Reagenzglas 2 ml einer 5 %igen
Silbernitratlösung tropfenweise so lange mit 5 %iger Ammoniaklösung,
bis der entstandene Niederschlag gerade wieder in Lösung geht (ein
Ammoniaküberschuß muß durch Zugabe von wenig
Silbernitratlösung wieder kompensiert werden!). Dann geben Sie
tropfenweise Natronlauge (c = 0,1 mol/l) hinzu und verteilen die
Lösung auf zwei (saubere) Reagenzgläser, die mit 3 Tropfen
Acetaldehyd bzw. Aceton versetzt und nach Kennzeichnung gegebenenfalls in ein
siedendes Wasserbad gesetzt werden.
a) Acetaldehyd Beobachtung:
b) Aceton Beobachtung:
Erklärung:
Oxidation:
Reduktion:
Redoxgleichung:
Aufgabe 8-14 Aldehyde und Ketone, Reaktion mit Cu2+
Begriffe/Sachverhalte: Reduktionsvermögen,
Oxidierbarkeit
Geben Sie in zwei (saubere) Reagenzgläser jeweils 2 ml Fehlingsche
Lsg. I und 2 ml Fehlingsche Lsg. II. Versetzen Sie mit 5 Tropfen Acetaldehyd
(a) bzw. Aceton (b) und erwärmen Sie die Reagenzgläser im siedenden
Wasserbad.
a) Acetaldehyd Beobachtung:
b) Aceton Beobachtung:
Erklärung:
Oxidation:
Reduktion:
Fällungsreaktion: 2 Cu+ + 2 OH-
Reaktionsgleichung:
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