Übungen zur VL Chemie für Biologen und Humanbiologen 21.01

Übungen zur VL Chemie für Biologen und Humanbiologen
21.01.2011
1. Benennen Sie die folgenden Verbindungen nach IUPAC-Nomenklatur:
a) 3-Methyl-4-propylhexan
Erklärung: Es liegt keine funktionelle Gruppe vor, weshalb die längste Kette zur Hauptkette
ernannt wird. Es gibt zwei Möglichkeiten für eine längste Kette. Die horizontale Kette ist zu
bevorzugen, da hier der erste Substituent schon an Position 3 (Kriterium: früheste
Substituenten Position) steht. Hier gibt es wiederum zwei Möglichkeiten die Kette
durchzunummerieren. Korrekt ist die Nummerierung von rechts nach links, da hier die
niedrigste Nummer zuerst im Namen auftaucht.
b) 2-Hexen (trivial) bzw. Hex-2-en (korrekt nach IUPAC)
Erklärung: Die Kette besitzt 6 Kohlenstoffatome und enthält eine Doppelbindung. Deshalb
muss die Endung –an geändert werden zur Endung –en. Die Position der Doppelbindung wird
durch eine Nummer (möglichst niedrig) direkt vor dem Suffix en angezeigt.
c) 4,5,5-Trimethyl-Non-1-en
Erklärung: Die Hauptkette muss die funktionelle Gruppe enthalten, hier die Doppelbindung.
Die Nummerierung der Hauptkette erfolgt so, dass die Doppelbindung an möglichst
niedrieger Position auftaucht, hier Nummer 1. Es gibt nur eine Art von Substituenten,
nämlich Methylgruppen. Diese werden zusammengezählt und mit dem entsprechenden Präfix
versehen, hier sind es drei ( Präfix = tri). Die Methylgruppen stehen einmal an Position 4
und zweimal an Position 5. Dies wird durch die entsprechenden Nummern angezeigt.
2. Zeichnen Sie die Valenzstrichformeln von folgenden Verbindungen:
a) cis-2-Hexen
Hex- verrät, dass die Kohlenstoffkette 6 Kohlenstoffatome lang ist. Die Endung –en bedeutet,
dass das Molekül eine C-C-Doppelbindung besitzt und zwar an zweiter Stelle (2-Hexen). Die
Rotation um eine Doppelbindung ist nicht möglich, deshalb gibt es zwei Diastereoisomere.
Cis- und trans- bei nur zwei Substituenten bzw. Z- und E- bei mehreren Substituenten zeigen
dies an.
b) 2,3-Dimethyl-1-buten
But- verrät, dass die Kohlenstoffkette 4 Kohlenstoffatome lang ist. Die Endung –en bedeutet,
dass das Molekül eine C-C-Doppelbindung besitzt und zwar an erster Stelle (1-buten). 2,3Dimethyl heißt, dass zwei Methyl-Substituenten enthalten sind. Sie befinden sich an
Kohlenstoff Nummer 2 und 3.
c) 2,4-Hexadiin (trivial) bzw. Hexa-2,4-diin (korrekt nach IUPAC)
Hex- verrät, dass die Kohlenstoffkette 6 Kohlenstoffatome lang ist. Diin bedeutet, dass das
Molekül zwei C-C-Dreifachbindungen besitzt. Die Zahlen zeigen die Position in der Kette an.
3. Ordnen Sie die folgenden Stoffe nach der Höhe Ihres Siedepunktes und begründen Sie
Ihre Entscheidung: Wasser, Ethan, Hexan
Höhe des Siedepunkts:
Ethan (-89 °C) < Hexan (69 °C) < Wasser (100 °C)
Der Siedepunkt hängt von zwei Parametern ab: Molekülmasse und Stärke der
Wechselwirkungen zwischen den Molekülen. Die Alkane Ethan und Hexan sind unpolare
Moleküle und haben deshalb nur geringe anziehende Wechselwirkungen untereinander.
Deshalb ist beim Vergleich der beiden die Molekülmasse entscheident. Hexan hat die fast
dreifache Masse und deshalb einen höheren Siedepunkt als Ethan. Wasser hat zwar eine
geringere Molekülmasse als Hexan, aber zwischen den Wassermolekülen herrschen starke
anziehende Wechselwirkungen. Zum einen ist Wasser ein Dipol ( Dipol-DipolWechselwirkungen) zum anderen kann Wasser zusätzlich Wasserstoffbrückenbindungen
ausbilden. Deshalb hat Wasser trotz der geringen Molekülmasse einen sehr hohen Siedepunkt.
4. Zeichnen Sie die Valenzstrichformel von 2,2,5,5-Tetramethylhexan. Prinzipiell ist die
Rotation um eine Einfachbindung möglich. Zeichnen Sie die Newman-Projektionen
entlang der C-C-Bindung zwischen C3 und C4 des Moleküls und beschreiben Sie die
potentielle Energie in Abhängigkeit der Konformation. Welches Konfomer ist am
stabilsten? Weshalb?
Valenzstrichformel:
Newman-Projektion:
tBu = tert-Butylgruppe
Ordnung der Konformationen nach Stabilität:
>
=
>
=
>
Die gestaffelte anti-Konformation ist am stabilsten, da die tert-Butylreste sich sterisch am
wenigsten behindern. Dann kommen die gestaffelten gauche-Konformationen. Die drei
ekliptischen Konformationen (Reste stehen exakt auf einer Linie; das kann man nicht exakt so
zeichnen und ist deshalb nur angedeutet durch den kleineren Winkel) sind ungünstiger. Die
ekliptische Konformation, in der beide tert-Butylreste exakt übereinander liegen, ist am
ungünstigsten.
5. Zeichnen Sie die Valenzstrichformeln von Cyclopropan, Cyclobutan und Cyclohexan.
In allen Fällen wird die Oktettregel erfüllt. Trotzdem sind die Verbindungen
unterschiedlich stabil. Ordnen Sie die Verbindungen nach Stabilität und begründen Sie.
Cyclopropan:
Cyclobutan:
Cyclohexan:
Stabilität:
Cyclopropan < Cyclobutan < Cyclohexan
Die Kohlenstoffatome in diesen Verbindungen sind alle sp3-hybridisiert. Die vier
Hybridorbitale sollten im Idealfall einen Tetraeder um das Kohlenstoffatom bilden, so dass
zwischen jedem Hybridorbital ein Winkel von 109,5° eingeschlossen ist. Bei den Ringen
Cyclopropan und Cyclobutan kann dieser Winkel jedoch nicht eingehalten werden. Es treten
große Ringspannungen auf, weshalb diese Verbindungen nicht sehr stabil sind.
6. Zeichnen Sie die zwei Diastereoisomere von 1,2-Dimethylcyclohexan.
a) Benutzen Sie die Keilschreibweise (ausgefüllter Keil aus der Papierebene hinaus,
gestrichelter Keil in die Papierebene hinein).
b) Zeichnen Sie beide Isomere sowohl in Wannen- als auch Sesselkonformation.
a)
trans
cis
b)
trans
Sessel (zwei Konfomere)
axiale Stellung der Methylgruppen
equatoriale Stellung
Wanne (zwei Konfomere)
cis
Hier gibt es jeweils nur ein Konformer, denn wenn es zu einem Umklappen des Sessels oder
der Wanne kommt wird die axiale Methylgruppe equatorial und umgekehrt. Das jeweils
entstehende Konformer wäre identisch.
Sessel
Wanne
7. Ordnen Sie folgende Radikale nach Ihrer Stabilität:
Lösung:
>
>
Erklärung: Radikale werden durch Alkylsubstituenten stabilisiert (Fachwort:
Hyperkonjugation). Deshalb ist das Radikal am tertiären Kohlenstoffatom am stabilsten, dann
am sekundären und zuletzt am primären.
8. Die Verbrennungsprodukte Ihres Turnschuhs sind energieärmer als Ihr Turnschuh.
Wieso gehen Ihre Turnschuhe nicht spontan in Flammen auf?
Bei allen Reaktionen muss zunächst eine Aktivierungsenergie überwunden werden, bevor Sie
ablaufen. Glücklicherweise ist diese bei Verbrennungen mit Sauerstoff meist relativ hoch
(sonst würde so einiges spontan verbrennen).
Energiediagramm
Gibbs Energie G
Übergangszustand
Aktivierungsenergie ∆E
Turnschuhe
Verbrennungsprodukte
der Turnschuhe
(Reaktionsverlauf)
Bildliche Vorstellung: Eine Kugel würde nicht von selbst über den Berg im in der Mitte des
Diagramms rollen. Man müsste Sie zunächst mit viel Energieaufwand über die Spitze des
Berges (Aktivierungsenergie) rollen.
9. Wie ist die Gibbs-Energie definiert? (Formel) Was sagt die Enthalpie aus? Was sagt
die Entropie aus?
G=H–T· S
mit T = Temperatur
Die Enthalpie H beschreibt den Energiegehalt von Materie bezüglich chemischer Bindungen
und zwischenmolekularen Wechselwirkungen. Die Entropie S beschreibt die Unordnung des
eines Systems (wie viele Zustände kann ein System einnehmen).
10. Die Synthese von Proteinen aus einzelnen Aminosäuren ist endergon. Was bedeutet
endergon und weshalb können endergone Prozesse ablaufen?
Endergon bedeutet, dass die Änderung der Gibbs-Energie eines Prozesses positiv ist.
∆G = ∆H – T · ∆S > 0
Streng genommen laufen im Universum nur exergone Prozesse ab. Ein endergoner Prozess
kann deshalb nur gekoppelt mit einem exergonen Prozess ablaufen, sodass der Prozess in
Summe betrachtet wieder exergon ist. Beispiel Proteinsynthese: Für den endergonen Prozess
der
Proteinsynthese
muss
Energie
aus
dem
exergonen
Prozess
der
Adenosintriphosphatspaltung (ATP) geliefert werden.
11. Zeichnen Sie die Valenzstrichformeln der Produkt(e) folgender Reaktionen
a) Propen wird mit Wasserstoff reduziert
b) Propen reagiert mit Bromwasserstoff
a)
b)
Beide Reaktionen sind Additionen an eine Doppelbindung. Im Fall b gibt es zwei
Möglichkeiten, wie Bromwasserstoff an die Doppelbindung addieren kann, so dass eine
Mischung aus zwei Produkten entsteht.
12. Was passiert wenn Wein zu Essig wird? Beschreiben Sie die Umwandlung des
entscheidenden Inhaltsstoffs durch Zeichnen der Valenzstrichformeln von
Ausgansverbindung, Zwischenstufe und Produkt. (keine Reaktionsmechanismen
gefordert)