Fragenausarbeitung - Welli-Net
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Fragenausarbeitung des Chemischen Praktikums Abschnitt 1 Kurstag 1 • 1. a.) Wovon ist die Lage eines chemischen Gleichgewichts abhängig? - Konzentration - Temperatur - Druck b.) Wie beeinflussen die einzelnen Faktoren aus a.) die Reaktionsgeschwindigkeit? - Konzentration: verschnellert oder verlangsamt Reaktion - Temperatur: verschnellert oder verlangsamt Reaktion bzw. macht eine Reaktion manchmal überhaupt erst möglich - Druck: verschiebt das Gleichgewicht • 2. Was versteht man unter dem Ionenprodukt des Wassers? Wasser enthält durch Autoprotolyse Oxonium- (H3O+) und Hydroxidionen (OH-). Durch das Ionenprodukt wird der neutrale Wert des pH-Wertes bestimmt, der dem negativen dekadischen Logarithmus der Oxoniumionenkonzentration entspricht. • 3. Welche chemischen Vorgänge laufen beim Lösen eines Salzes ab? Dissoziation und Hydratation • 4. Erklären Sie den Begriff der Dissoziation Die Dissoziation beschreibt einen Vorgang, in dem der Stoff in seine Einzelteile zerfällt. Beispiel: NaCl → Na+ + Cl• 5. a.) Was versteht man unter Hydratation? Darunter versteht man die Anlagerung von Wassermolekülen an Ionen oder andere Moleküle, entweder über Wasserstoffbrückenbindungen oder über die freien Elektronenpaare am Sauerstoffatom des Wassers. Es bildet sich dabei eine Hydrathülle. b.) Was versteht man unter Hydrolyse? Die Hydrolyse ist die Spaltung eines Moleküls durch eine Reaktion mit Wasser. • 6. Erstellen Sie die Reaktionsgleichung für die Umsetzung von Eisen(III)chlorid mit Kaliumrhodanid. FeCl3 + 3KSCN → Fe3+ + 3Cl- +3K+ + 3SCN- → Fe(SCN)3 +3KCl Kurstag 2 • 3. Wie lässt sich der Umschlagsbereich eines Farbindikators beschreiben? Im Umschlagsbereich eines Indikators, der selber eine Säure (oder Base) ist, liegen die protonierte (HInd) und deprotonierte (Ind-) Form im Verhältnis 1:1 vor. Ein Farbumschlag ist mit dem menschlichen Auge erst ab einem Verhältnis von 10:1 bzw. 1:10 wahrnehmbar. • 5. Was versteht man unter Hydratation und Hydrolyse? Siehe Kurstag 1, Aufgabe 5 • 12. Geben Sie je ein Beispiel einer einbasigen, zweibasigen, dreibasigen Säure unter der Angabe der entsprechenden konjugierten Basen. - einbasige Säure: Phosphorsäure H3PO4 H2PO4- | HPO42- | PO43- zweibasige Säure: Schwefelsäure H2SO4 HSO4- | SO42- dreibasige Säure: Salzsäure HCl ClSalpetersäure HNO3 NO3- Von Nadine Hohensee | 1 • 13. Was versteht man unter einem Puffer? Geben Sie Beispiele. Puffer sind Lösungen, die aus einer Säure und ihrer korrespondierenden Base bestehen. Puffer können H3O+- oder OH--Ionen aufnehmen, ohne dass sich der pH-Wert wesentlich ändert. Beispiele sind der Kohlensäure-Silicat-Puffer, der Essigsäure-Acetatpuffer, der Phosphatpuffer sowie der Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer in unserem Blut. Kurstag 3 • 3. Was versteht man unter einem Normalpotential? Das Elektrodenpotential gibt an, welche elektrische Spannung eine Elektrode in einem Elektrolyt liefern kann oder welche Spannung benötigt wird, um – beispielsweise bei einer Elektrolyse – einen bestimmten Zustand stabil zu erhalten. Wird das Elektrodenpotential einer Standardelektrode mit der Normal-Wasserstoffelektrode als Referenz bestimmt, spricht man vom Normalpotential. Die Normal-Wasserstoffelektrode selbst besitzt folglich ein Normalpotential von E0 = 0 Volt. Kurstag 4 • 1. Warum entwickelt sich CO2, wenn Sie eine Mineralsäure (z.B. HCl, H2SO4) auf ein Carbonat einwirken lassen? Na2CO3 + 2H3O+ +2Cl- → 2Na+ + 2Cl- + CO2 + 3H2O Abschnitt 2 Kurstag 5 • 1. Warum ist es vielfach notwendig, zur Identifizierung von organischen Säuren ihre Derivate heranzuziehen? Weil feste Derivate durch Umkristallisation einfach gereinigt werden können, bis ein Schmelzpunktintervall von nicht mehr als 1 bis 3°C beobachtet wird. • 2. Erstellen Sie die Reaktionsgleichung für die Umsetzung von Cyclohexanol mit Phenylisocyanat. Warum muss diese Reaktion unter Wasserausschluss durchgeführt werden? Die Reaktion muss unter Wasserausschluss durchgeführt werden, weil Isocyanate sehr hygroskopisch sind und mit Wasser zu den entsprechenden Harnstoffen reagieren. • 3. Methylisocyanat wird mit 95% wässrigem Ethanol umgesetzt. Welche Produkte entstehen? • 4. Bei der Herstellung von Derivaten zur Charakterisierung organischer Verbindungen müssen welche Punkte beachtet werden? - Die Reaktion muss schnell und einfach durchführbar sein - möglichst keine Nebenprodukte - hohe Ausbeuten - Derivat muss leicht isolierbar sein - und sollte leicht zu reinigen sein - der Schmelzpunkt des Derivats soll exakt bestimmbar sein Von Nadine Hohensee | 2 • 5. Welche Produkte entstehen (mit und ohne Wasserausschluss) bei der Umsetzung von a.) Phenylisocyanat mit Methanol b.) Methylisocyanat mit Phenol • 6. Welche Trocknungsmittel werden zu Trocknung von wasserfeuchten Kristallen verwendet? - CaCl2 - P2O5 - konz. H2SO4 • 7. Welchen Alkohol müssen Sie mit welchem Reagenz umsetzen, damit Sie als Produkt N-Phenyl-O- Ethylurethan erhalten? Erstellen Sie die Reaktionsgleichung und benennen Sie die Verbindungen. Kurstag 6 • 1. Warum ist es vielfach notwendig, zur Identifizierung von organischen Substanzen ihre Derivate heranzuziehen? Siehe Kurstag 5, Aufgabe 1 • 2. a.) Der Brechungsindex eines Alkohols ist nD26= 1,3898. Um Welchen Alkohol handelt es sich? Zur Auswahl stehen 2-Propanol nD24=1,3755, 2-Methyl-1-propanol nD15=1,3970 und Cyclohexanol nD20=1,4641 Extrapolierung des Brechungsindex des unbekannten Alkohols: nD24 = 1,3898 + 2*0,0004 = 1,3906 nD15 = 1,3898 + 11*0,0004 = 1,3942 nD20 = 1,3898 + 6*0,0004 = 1,3922 Es handelt sich am ehesten um 2-Methyl-1-propanol. b.) Erstellen Sie die Reaktionsgleichung für die Umsetzung dieses Alkohols mit Phenylisocyanat. Von Nadine Hohensee | 3 • 3. Wovon ist der Brechungsindex abhängig? Wie wird er in der Praxis angegeben? Der Brechungsindex ist von folgenden Parametern abhängig: - Wellenlänge des verwendeten Lichts - Temperatur Er wird folgendermaßen angegeben: nD25 D → Natrium-D-Linie (Licht) 25 → Temperatur • 4. Warum ist der Siedepunkt als Reinheitskriterium für eine organische Flüssigkeit ungeeignet? Aus den Gesetzen von Dalton und Raoult wird deutlich, dass Verunreinigungen den Siedepunkt bzw. den Dampfdruck kaum beeinflussen. • 5. Warum ist der Schmelzpunkt von organischen Feststoffen als Reinheitskriterium geeignet, in welchen Fällen allerdings nicht? Verunreinigungen führen zu einer deutlichen Erniedrigung des Schmelzpunktes, außerdem wird das Schmelzintervall deutlich größer. Verunreinigungen lassen sich bei der Schmelzpunktbestimmung also gut erkennen. Die Schmelzpunktbestimmung als Reinheitskriterium versagt allerdings bei Eutektischen Mischungen, bei denen ein scharfer Schmelzpunkt beobachtet erden kann und wo sich die Schmelze sowie Feststoff A und Feststoff B im Gleichgewicht befinden. • 6. Wie ist der Siedepunkt definiert und wovon ist er abhängig? Der Siedepunkt einer Flüssigkeit ist jene Temperaur, bei der ihr Dampfdruck p dem Druck der umgebenden Gasatmosphäre erreicht. Er ist von folgenden Parametern abhängig: - Druck: Verminderung des Drucks um die Hälfte reduziert die Siedetemperatur um 15°C • 7. Nach welchem Prinzip haben Sie den Brechungsindex bestimmt? Wovon hängt der Brechungsindex wie ab? Organische Flüssigkeiten haben einen Brechungsindex in welchem Zahlenbereich? Das Prinzip der Brechungsindexbestimmung ist, dass das ausgesendete Licht durch ein optisch dünneres und durch ein optisch dichteres Medium geleitet wird, wobei es gebrochen wird. Der Brechungsindex hängt von folgenden Parametern ab: - Wellenlänge: Langwelliges (rotes) Licht wird weniger stark gebrochen als kurzwelliges (blaues) Licht. - Temperatur: Änderung der Temperatur um +1°C bedeutet eine Abnahme des nD um 0,0004. Organische Flüssigkeiten haben einen Brechungsindex von 1,3 bis 1,71. Der mögliche Zahlenbereich reicht von 1 (Vakuum) bis 2,4 (Diamant). Kurstag 7 • 1. Wie wird die Beilsteinprobe durchgeführt? Welche Aussagen können je nach Ergebnis gemacht werden? Ein Kupferdraht wird in der Brennerflamme ausgeglüht und dann mit etwas Probensubstanz in die Brennerflamme gehalten. Färbt sich der Flammensaum Grün bis Blaugrün, ist in der Substanz ein Halogen enthalten. • 2. Wozu dient der Natriumaufschluss? Der Natriumaufschluss dient dazu, die in der Substanz vorhandenen Elemente in anorganische Anionen umzuwandeln, um sie so einzeln nachweisen zu können. Grundlage ist, dass Natrium als Alkalimetall sein Valenzelektron gerne abgibgt. • 3. Wie lassen sich Heteroelemente in einer organischen Verbindung nachweisen? (Reaktionsformeln angeben) a.) Nachweisreaktion für Schwefel Von Nadine Hohensee | 4 Na2[Fe(CN)5NO] + Na2S → Na4[Fe(CN)5NOS] Bei Anwesenheit von Sulfid Farbumschlag zu Violettrot. Na2S + Pb(OAc)2 → PbS + 2NaOAc Es fällt schwarzes Bleisulfid aus. b.) Nachweisreaktion für Stickstoff FeSO4 + 6NaCN → Na4[Fe(CN)6] + Na2SO4 3Na4[Fe(CN)6] + 2Fe2(SO4)3 → Fe4[Fe(CN)6]3 + 6Na2SO4 Zunächst Farbumschlag zu Blau, dann fällt blauer Bodensatz aus („Berliner Blau“). c.) Nachweisreaktion für Halogene 2I- + Cl2 → I2 + 2ClBei Umsetzung mit CHCl3 Farbumschlag zu Violett. 2Br- + Cl2 → Br2 + 2ClBei Umsetzung mit CHCl3 Farbumschlag zu Braun. • 4. Weshalb müssen vor dem Halogennachweis mit Silberionen Cyanid- und/oder Sulfidionen abgetrennt werden? Wie geschieht das? Cyanid- und Sulfidionen stören den Silbernitratnachweis, da Cyanid als Pseudohalogenid einen weißen AgCN-Niederschlag und Sulfid ein schwarzes, schwer lösliches Ag2S bildet. Die Abtrennung erfolgt durch Ansäuern mit HNO3 und anschließendem Aufkochen, wobei das gebildete HCN und H2S als flüchtige Gase ausgetrieben werden. • 5. Nennen Sie Substanzklassen, die einen zypischen Geruch aufweisen - Ester: fruchtig - Terpene - niedere Alkohole - niedere Fettsäuren: Ameisen-/Essigsäure scharf, Propansäure ranzig - Aldehyde: süßlich oder scharf - aromatische Nitroverbindungen und Benzaldehyd: Bittermandelgeruch - Halogenkohlenwasserstoffe: ätherisch, süßlich, betäubend - Amine: fischartig - Thiole und organische Sulfide: faule Eier • 6. Wovon hängt die Löslichkeit einer Subtanz ab? Welche Rückschlüsse lassen sich aus der Löslichkeit ziehen? Die Löslichkeit hängt von folgenden Parametern ab: - Aggregationszustand im Kristallverband (bei Feststoffen) → je unähnlicher der Schmelzpunkt, desto schwerer wasserlöslich (Ausnahme: Salze) - Verzweigunsgrad der Kohlenwasserstoffe (bei Flüssigkeiten) → höherer Verzweigungsgrad, bessere Wasserlöslichkeit - Molekulargewicht (bei Feststoffen) → hohes Molekulargewicht, schlechte Wasserlöslichkeit - Polarität → Polares löst nur Polares, Unpolares löst nur Unpolares. • 7. Welche Strukturelemente begünstigen die Löslichkeit in Wasser und welche in Ether? a.) in Ether - keine Polarität - geringe Assoziation - niedrige Dielektrizitätskonstante b.) in Wasser - Polarität - nicht mehr als 4 Kohlenstoffatome - hohe Dielektrizitätskonstante - Wasserstoffbrückenbindungsfähigkeit • 8. Nennen Sie eine Verbindungsklasse, die Löslichkeit in 5% NaOH, nicht aber in 5% NaHCO 3Lösung zeigt. - Thiole - Phenole Von Nadine Hohensee | 5 - Thiophenole • 9. Nennen Sie eine wichtige Verbindungsklasse, bei der die Löslichkeit beim Übergang von Wasser zu 5% HCl und auch zu 5% NaOH zunimmt. Begründen Sie dieses Verhalten. Bei Aminosäuren nimmt die Löslichkeit im Vergleich zu Wasser sowohl in HCl, als auch in NaOH zu. Dies liegt am zwitterionischen Charakter der Aminosäuren. • 10. Erklären Sie, wieso die Löslichkeit bestimmter organischer Verbindungen durch den pH-Wert beeinflusst werden kann. Sobald eine Verbindung geladen ist, ist sie gut wasserlöslich. Bei niedrigem pH sind Lösungen protoniert (also positiv geladen) und bei hohem pH deprotoniert (also negativ geladen). • 11. Welche Indizien deuten auf eine C-C-Mehrfachbindung hin? a.) Alken + Halogen → Dihalogenalkan b.) Alken + MnO4- → vicinales Diol + MnO3violett farblos • 12. Geben Sie an, wie Sie zwischen einer Carbonsäure, einem Aldehyd und einem primären Alkohol unterscheiden würden. Carbonsäure: - Bei Wasserlöslichkeit merkbar saurer pH - setzt in 5% NaHCO3 CO2 frei Aldehyd: - Mit Tollens-Lösung entsteht Silberspiegel - Mit Fehling-Lösung entsteht ein roter Niederschlag primärer Alkohol: - Chromsäuretest → grüner bis blaugrüner Niederschlag - Lucas-Test → Lösung bleibt klar • 13. Welche Alkohole sind in Wasser vollständig oder sehr gut löslich? Begründen Sie diesen Sachverhalt. Kurzkettige, verzweigte, mehrwertige Alkohole sind am besten in Wasser löslich. Mehrwertigkeit erhöht die Polarität und die Wasserstoffbrückenbindungsfähigkeit und somit die Löslichkeit. Zu viele C-Atome würden die Polarität wieder aufheben, deshalb sind nur kurzkettige bis 4 C-Atome gut wasserlöslich. Und die Verzweigung erhöht weiterhin die Wasserlöslichkeit. • 14. Wie kann man zwischen primären, sekundären und tertiären Alkoholen unterscheiden? Mit dem Lucas-Test. Tertiäre Alkohole reagieren sehr schnell, sekundäre hingegen deutlich langsamer. Primäre Alkohole reagieren gar nicht. • 15. Wie können Sie mittels einer chemischen Testreaktion zwischen einem Alkohol und einem Phenol unterscheiden? Mit dem Test auf aromatische Verbindungen. • 16. Nennen Sie zwei Möglichkeiten für den Nachweis eines Esters mittels Farbreaktion - Hydroxamsäuretest - Rojahn-Probe • 17. Eine Verbindung gibt mit 2,4-Dinitrophenylhydrazin einen Niederschlag, liefert aber mit TollensReagenz keinen Silberspiegel. Um einen Vertreter welcher Verbindungsklasse handelt es sich wahrscheinlich? Es handelt sich um ein Keton. Erklärung: Der Test mit 2,4-Dinitrophenylhydrazin ist positiv, das heißt, dass eine Carbonylverbindung vorliegt. Da der Tollens-Test negativ ist, kann es sich nur um ein Keton handeln (Tollens-Test ist bei einem Aldehyd positiv). Keton + 2,4-Dinitrophenylhydrazin → (-H2O) → 2,4-Dinitrophenylhydrazon • 18. Durch welche Reaktion können Sie zwischen n-Propanol und 1,2-Ethandiol unterscheiden? Mit dem Test für vicinale Diole: Von Nadine Hohensee | 6 Na2B4O7 + 7H2O → 4H3BO3 + 2OH- + 2Na+ Natriumtetraborat Borsäure 2 vicinales Diol + Borsäure → (-3H2O) → komplexe Säure • 19. Warum ist es vielfach notwendig, zur Identifizierung von organischen Substanzen ihre Derivate heranzuziehen? Siehe Kurstag 5, Aufgabe 1 • 20. Auf welchem Prinzip beruht die Trennung bzw. Bestimmung von primären, sekundären und tertiären Aminen nach Hinsberg? Die Trennung nach Hinsberg beruht darauf, dass je nach Amin unterschiedliche Produkte entstehen. So entsteht bei einem primären Amin zunächst ein wasserlösliches Salz und dann ein wasserunlösliches Sulfonamid. Bei einem sekundären Amin entsteht sofort ein alkaliunlösliches Sulfonamid. Tertiäre Amine hingegen gehen diese Reaktion nicht ein. • 21. Wie wird der Carbylamin-/Isonitril-Test durchgeführt? Was sagt er aus? Chloroform reagiert in stark alkalischer Lösung unter Verlust von HCl zu Dichlorcarben, das mit primären Aminen zu Isonitril umgesetzt wird. Der Test sagt also aus, ob ein primäres Amin vorliegt. • 22. Welche physikalischen Daten dienen zur Identifizierung von a.) festen und welche von b.) flüssigen Verbindungen? a.) - Schmelzpunkt - Dichte b.) - Siedepunkt - Dichte - Brechungsindex • 23. Welche Verbindungsklassen geben Farbreaktionen mit verdünnter Eisen(III)chlorid-Lösung? - Phenole - aliphatische Ketone - Carbonsäuren - Aminosäuren - Amine - Hydroxamsäuren • 24. Welche Nachweisreaktionen basieren auf der unterschiedlichen Oxidierbarkeit funktioneller Gruppen? - Chromsäuretest - Oxidationsversuch mit Tollens-Lösung - Oxidationsversuch mit Fehling-Lösung • 25. Sie haben ein Gemisch, das aus einer Carbonsäure, einem Amin und einer Carbonylverbindung (jeweils mit aromatischem Rest) besteht. Wie isolieren Sie die Reinsubstanzen? • 26. Isolieren Sie die Reinsubstanzen aus einer Mischung aus einer Carbonsäure, einem Alkohol und einem Phenol. • 27. Beschreiben Sie die Prozesse, die der Infrarotspektroskopie zugrunde liegen. Der Infrarotspektroskopie liegen Schwingungen zugrunde – die Valenzschwingung Von Nadine Hohensee | 7 (Streckschwingung) und die Deformationsschwingung (Beugeschwingung). • 28. Wodurch wird die Lage der Absorptionsfrequenzen beeinflusst? Welche Bereiche werden in einem IR-Spektrum unterschieden? - C-O - C=O und C=C - Dreifachbindungen zwischen C und N und zwischen C und C - C-H - R-OH und R-NH und C=C-H und C(Dreifachbindung)C-H Die Lage der Absorptionsfrequenzen wird beeinflusst durch die jeweilige funktionelle Gruppe. • 29. a.) Welche Verbindungen reagieren sauer? b.) Welche Verbindungen zeigen im Infrarotspektrum eine sehr intensive Bande im Bereich von ca. 1719 bis 1690 cm-1? c.) Auf welche Verbindungen trifft sowohl a.) als auch b.) zu, und geben zusätzlich eine blauviolette Farbreaktion mit FeCl3? d.) Auf welche Verbindungen treffen weder a.) noch b.) noch c.) zu? • 30. Welche Unterschiede erwarten Sie bei den Löslichkeitstest für Benzoesäure gegenüber Phenol? Mit welcher chemischen Testreaktion können Sie eine zusätzliche Unterscheidung treffen? Erklären Sie formelunterstützt. Benzoesäure bildet farblose, glänzende Kristalle, die in Wasser nur schlecht löslich sind. Es sind nur 2,7g Benzoesäure in 1L Wasser löslich. Phenol ist in Wasser mäßig löslich (84g in 1L Wasser). Eine Unterscheidung lässt sich beispielsweise durch Tests auf Alkohole treffen. • 31. Eine aromatische Verbindung zeigt im Infrarotspektrum eine sehr intensive Schwingungsbande bei ca. 1700 cm-1 und gibt eine positive Nachweisreaktion mit 2,4-Dinitrophenylhydrazin. Um welche Verbindungsklassen könnte es sich handeln? Formulieren Sie anhand einer konkreten Verbindung die Reaktionsgleichung der obigen Nachweisreaktion. - alpha,beta-ungesättigte Aldehyde und Ketone - Aromat Kurstag 8 • 1. Was müssen Sie bei der Wahl eines Trocknungsmittels für Lösungen berücksichtigen? • 2. Erklären Sie, weshalb bei der Darstellung von Cyclohexen aus Cyclohexanol die Zugabe von Säure notwendig ist. Die Hydroxygruppe an Cyclohexanol ist eine schlechte Abgangsgruppe, da sich ungleichnamige Von Nadine Hohensee | 8 Ladungen anziehen (positives Carbenium-Ion und negative Hydroxygruppe). Bei Säurezugabe wird die Hydroxygruppe protoniert, wobei das Sauerstoffatom eine positive Partialladung erhält. Das entstandene H2O ist eine gute Abgangsgruppe. • 3. Was versteht man unter dem geschwindigkeitsbestimmenden Schritt einer Reaktion, was unter der Molekularität? Welche Molekularität liegt bei der Cyclohexensynthese vor? Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist in einer mit mehreren Schritten ablaufenden Reaktion immer der langsamste. Die Molekularität beschreibt die Anzahl der Moleküle, die am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt beteiligt sind. Bei der Cyclohexensynthese erfolgt die Reaktion monomulekular. • 4. Welche Alkohole benötigen zur Dehydratisierung besonders hohe Temperaturen, welche reagieren schon unter 100°C? Begründen Sie. Tertiäre Alkohole bilden stabile tertiäre Carbeniumionen, die Reaktionsgeschwindigkeit ist daher entsprechend höher und Temperaturen unter 100°C reichen aus. Primäre Alkohole hingegen bilden instabile primäre Carbeniumionen, außerdem läuft die Reaktion bimolekular (nach E2) ab. Hier sind Temperaturen von über 170°C nötig. Sekundäre Alkohole liegen zwischen primären und tertiären Alkoholen. • 5. Geben Sie eine wichtige Nebenreaktion bei der Synthese von Cyclohexen aus Cyclohexanol an. Wie kann die Bedeutung dieser Nebenreaktion verringert werden? Erklären Sie. Etherbildung: Die Bedeutung dieser Nebenreaktion kann zurückgedrängt werden durch - Erhöhung der Temperatur auf 140°C - Entfernung von Cyclohexen aus dem Gleichgewicht (äußerer Zwang) • 6. Schreiben Sie die Formeln aller Produkte an, die bei der Abspaltung von Wasser aus 3,4Dimethylhexan-3-ol entstehen können. Welche davon sind E-Z-Isomere? Welche sind chiral? Erklären Sie. Von Nadine Hohensee | 9 • 7. Welche Verbindungen können bei der Abspaltung von HCl aus 1-Chlor-1,2-diethylcyclohexan entstehen? Welche sind E-Z-Isomere? Welche sind chiral? Erklären Sie. • 8. Welche zusätzlichen Informationen sind bei Angabe eines Brechungsindex erforderlich? Bei der Angabe des Brechungsindex müssen sowohl die Temperatur, als auch das verwendete Licht angegeben werden. Beispiel: nD25 • 9. Was sind die wichtigsten Trennprinzipien der Chromatographie? Welches Prinzip hat für die Gaschromatographie größte Bedeutung? Wichtigste Trennprinzipien: - Adsorptionsverhalten - Verteilungschromatographie - Ionenaustausch (elektrostatische Wechselwirkungen) - Hohlraumdiffusion - Affinitätschromatographie Das Prinzip der Verteilungschromatographie hat die größte Bedeutung für die Gaschromatographie. • 10. Welche Detektoren werden in der GC hauptsächlich verwendet? Beschreiben Sie die Funktionsweisen. Folgende Detektoren werden verwendet: - Massenspektrometer - Anzahl der Komponenten - Mengenverhältnis der Komponenten - Massenspektren der Komponenten - Flammenionisationsdetektor (FID) - Substanzen werde thermisch ionisiert und erzeugen im Spannungsfeld einen messbaren Ionenstrom (Peak). - Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) - kontinuierliche Messung der Wärmeleitfähigkeit, die durch Substanzen verändert wird. • 11. Organische Verbindungen können auch gaschromatographisch getrennt werden, wenn ihr Siedepunkt 50-100°C höher liegt als die Säulentemperatur. Wie ist diese Beobachtung erklärbar? Von Nadine Hohensee | 10 • 12. Was besagt das Raoultsche Gesetz? Das Raoultsche Gesetz besagt, dass sich der Partialdampfdruck einer Komponente in einer Mischung aus dem Molenbruch der Komponente sowie dem Dampfdruck der Komponente in Reinform zusammensetzt. pA = p0A*xA • 13. Bei welchem Zweikomponentensystem hat das Raoultsche Gesetz keine Gültigkeit? Das Raoultsche Gesetz gilt nicht für azeotrope Mischungen, die sich wie Reinsubstanzen verhalten. Beispiele: Ethanol mit 4% Wasser; Wasser mit 20% HCl. • 14. Welche Vorgänge laufen in einer Fraktionierkolonne ab? In einer Fraktionierkolonne finden viele Kondensations- und Wiederverdampfungsschritte statt. Das Destillat wird umso reiner, je mehr dieser Schritte durchlaufen werden. Eine Fraktionierkolonne ersetzt das mehrmalige Destillieren. • 15. Was versteht man unter azeotropen Mischungen? Azeotrope Mischungen verhalten sich wie Reinsubstanzen. Dabei liegen mehrere Komponenten in ganz bestimmten Verhältnissen vor. Ihre Siedepunkte sind dann gleich. Beispiele: Ethanol mit 4 % Wasser; Wasser mit 20% HCl. • 16. Die Mischung zweier Substanzen A und B hat ein Azeotrop mit Siedepunktsminimum bei xA=0,5. Welche Produkte erhält man in welcher Reihenfolge bei der Rektifikation einer Mischung xA=0,8? Erklären Sie anhand eines Zustandsdiagramms (T/x). • 17. Eine Mischung aus 23g Wasser (Siedepunkt 100°C) und 77g Ameisensäure (Siedepunkt 101°C) siedet azeotrop bei 107°C. Welche Produkte erhält man in welcher Reihenfolge bei Destillation einer Mischung xHCOOH=0,7 über eine wirksame Fraktionierkolonne? Erklären Sie anhand eines Zustandsdiagramms (T/x). • 18. Was ist der Zusammenhang zwischen dem Druck und der Siedetemperatur einer Substanz? Die Siedetemperatur einer Substanz ist jene Temperatur, bei der der Dampfdruck dem äußeren Atmosphärendruck entspricht. • 19. Eine sehr temperaturempfindliche Substanz soll durch Destillation gereinigt werden. Wie kann man die Verbindung unzersetzt destillieren? Durch vorherige Derivatisierung. (?) Abschnitt 3 Kurstag 9 • 1. Was sind Kohlenhydrate? Kohlenhydrate sind Polyalkohole mit zusätzlichen Aldheyd- oder Ketofunktionen. Sie enthalten die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff häufig im Verhältnis 1:2:1. • 2. Erklären Sie die Begriffe „Hexose“, „Ketose“, „Aldose“ und „Pentose“. Von Nadine Hohensee | 11 - Hexose: Eine Hexose ist ein Zucker bestehend aus 6 Kohlenstoffatomen. Ketose: Eine Ketose ist ein Zucker mit einer Ketofunktion. Aldose: Eine Aldose ist ein Zucker mit einer Aldehydfunktion. Pentose: Eine Pentose ist ein Zucker bestehend aus 5 Kohlenstoffatomen. • 3. Was bedeuten die Symbole L, D, R und S in der Nomenklatur der Kohlenhydrate? L und D geben die relative Konfiguration des Zuckers an und beziehen sich auf die OH-Gruppe, die sich am letzten chiralen C-Atom (also am weitesten weg von der Aldehyd-/Ketofunktion) befindet. Steht diese OH-Gruppe links, ist der Zucker L-konfiguriert. Steht sie rechts, ist er D-konfiguriert. R und S geben die Absolutkonfiguration eines jeden asymmetrischen C-Atoms an. Wichtig hierbei ist die Zuordnung von Prioritäten an die vier Substituenten des betrachteten asymmetrischen CAtoms. Die Prioritätenzuordnung erfolgt nach Cahn-Ingold-Prelog. • 4. Wie liegt Glucose in wässriger Lösung vor? In wässriger Lösung liegt Glucose zu 36% als a-Anomer und zu 64% als b-Anomer vor. • 5. Erklären Sie die Begriffe „Halbacetal“ und „Vollacetal“. Halbacetale entstehen als Zwischenstufe bei der Acetalbildung, indem ein Alkohol säure- oder basenkatalysiert an eine Carbonylgruppe addiert wird. Durch eine weitere Addition eines Alkohols entsteht schließlich ein Acetal. Cyclische Halbacetale werden Lactole genannt. Vollacetale sind geminal angeordnete Diether. • 6. Definieren Sie „Glycosid“ und zeichnen Sie das Formelbild eines beliebigen Glycosids. Benennen Sie die gezeichnete Verbindung. Bestimmen Sie die Absolutkonfiguration der chiralen Kohlenstoffatome anhand von räumlichen Zeichnungen. Bei einem Glycosid handelt es sich um das Vollacetal eines Kohlenhydrats. Der Rest eines Glycosids wird als Aglykon bezeichnet. D-Glucose • 7. Welche Zucker haben reduzierende Eigenschaften und weshalb? Als reduzierende Zucker bezeichnet man Mono-, Di- oder Oligosaccharide, die in Lösung eine freie Aldehydgruppe besitzen. Dies sind konkret Aldosen, doch auch Ketosen können reduzierend wirken, wenn sie in a-Stellung eine Hydroxygruppe aufweisen. Beispiele für reduzierende Zucker sind: Von Nadine Hohensee | 12 - Glucose Fructose Galactose Maltose Lactose • 8. Geben Sie mehrere Reaktionen an, mit deren Hilfe Kohlenhydrate unterscheidbar sind. - Löslichkeitstest → Mono- und Disaccharide sind in Wasser sehr gut löslich. Polysaccharide sind schwer oder gar nicht löslich. - Fehling-Test → Dieser Test weist reduzierende Substanzen (also nicht nur Kohlenhydrate) nach. - Seliwanoff-Test → Nachweis von Ketosen - Umsetzung mit Harnstoff und Zinn(II)chlorid → Ketosen ergeben schnell eine Rotfärbung, Aldosen erst nach längerem Erhitzen - Iod-Test → spezifischer Nachweis von Stärke - Osazon • 9. Geben Sie (formelunterstützt) vier unterschiedliche Verknüpfungsmöglichkeiten zweier DGlucosemoleküle an. • 10. Geben Sie vier Formelbeispiele natürlicher Disaccharide. Welche sind reduzierend, welche nicht, und weshalb? Von Nadine Hohensee | 13 Sowohl Maltose, Lactose als auch Cellobiose sind reduzierende Zucker, weil sie eine freie OHGruppe am C1-Atom haben. Bei Saccharose hingegen kommt die Verknüpfung zwischen den beiden anomeren C-Atomen zustande, deshalb wirkt dieser Zucker nicht reduzierend. • 11. Wie wird Rübenzucker gewonnen? Was ist seine Formel? Saccharose kommt in Zuckerrohr („Rohrzucker“), in der Zuckerpalme und auch in der Zuckerrübe („Rübenzucker“) vor. Außerdem ist es auch in geringen Mengen im Saft des Zuckerahorns vorhanden. • 12. Wie sind Rohrzucker, Malzzucker und Milchzucker aufgebaut? (Formeln anschreiben) Von Nadine Hohensee | 14 Saccharose besteht aus a-D-Glucose und b-D-Fructose, Maltose aus zwei a-D-Glucose-Molekülen und Lactose aus D-Galactose und D-Glucose. • 13. Aus welchen Untereinheiten ist Stärke aufgebaut? Zeichnen Sie Teilstrukturen. Stärke besteht aus den Untereinheiten Amylose und Amylopektin, die wiederum aus Glucosemonomeren bestehen. Bei Amylose sind die Glucosemoleküle a-1,4-glycosidisch verbunden; bei Amylopektin ebenfalls, doch in regelmäßigen Abständen ist die Verknüpfung a-1,6glycosidisch. • 14. Was versteht man unter D-, was unter L-Glucose? Im Gegensatz zur Absolutkonfiguration geben L und D die relative Konfiguration des Zuckers an und beziehen sich auf die OH-Gruppe, die sich am letzten chiralen C-Atom (also am weitesten weg von der Aldehyd-/Ketofunktion) befindet. Steht diese OH-Gruppe links, ist der Zucker Lkonfiguriert. Steht sie rechts, ist er D-konfiguriert. • 15. Wie kann man Rohrzucker spalten und welche Zucker erhält man dabei? Mit Rohrzucker meint man Saccharose. Spaltet man es, erhält man die Monomere D-Glucose und D-Fructose. Man kann Saccharose spalten, indem man es 20Min. mit HCl (c=1mol/L) im siedenden Wasserbad erhitzt und dann mit NaOH (c=1mol/L) neutralisiert. • 16. Welche Untereinheiten sind in Cellulose wie verknüpft? Zeichnen Sie eine Teilstruktur aus zumindest drei Untereinheiten. Cellulose besteht aus b-D-Glucosemolekülen, die b-1,4-glycosidisch verknüpft sind. Von Nadine Hohensee | 15 • 17. Welche Polysaccharide kennen Sie und was ist ihre Bedeutung in der Natur? Beispiele für Polysaccharide: - Cellulose → wichtiges Strukturelement in Pflanzen und das am häufigsten vorkommende Polysaccharid - Stärke → eine der wichtigsten Reservestoffe in pflanzlichen Zellen - Pektin → Für den Menschen sind Pektine Ballaststoffe; einige Mikroorganismen sind dazu in der Lage, Pektine zu verstoffwechseln. - Chitin → neben Cellulose das am weitesten verbreitetste Polysaccharid; dient der Strukturbildung - Glycogen → dient der kurzfristigen Speicherung und Bereitstellung von Glucose im Menschen und in Tieren • 18. Cellulose ist in Wasser praktisch unlöslich. Weshalb? Erklären Sie die Löslichkeit in Schweizers Reagenz anhand einer schematischen Formel der ablaufenden Reaktion. Cellulose ist ein sehr langes Molekül, das aus sehr vielen Glucosemonomeren aufgebaut ist – deshalb ist es wasserunlöslich. Im Schweizer Reagenz hingegen ist Cellulose löslich: Tetramin-Kupfer(II)-hydroxid (Schweizer Reagenz) + Cellulose → Aminkupfer(II)-cellulosat (Cellulose-Kupfer-Komplex) Im Kupfertetraminkomplex werden zwei NH3-Moleküle durch zwei OH-Gruppen der Cellulose ersetzt. Somit werden die Wasserstoffbrücken zwischen den Celluloseketten aufgebrochen und die Cellulose wird wasserlöslich. • 19. Geben Sie Formeln von Ribose und 2-Desoxyribose an. Welche Bedeutung haben diese Verbindungen? Ribose ist ein wichtiger Baustein für RNA, 2-Desoxyribose für DNA. • 20. Welche Absolutkonfiguration haben die asymmetrischen Kohlenstoffatome in den Verbindungen D-Ribose, L-Galactose, β-D-Fructose, Lactose und Trehalose? Von Nadine Hohensee | 16 • 21. Was sind Osazone? Erklären Sie an einem Formelbild, warum unterschiedliche Zucker manchmal identische Osazone geben. Als Osazone bezeichnet man die Phenylhydrazone von Zuckern. Sie werden zur Abtrennung und Charakterisierung bzw. Identifizierung von Zuckern über den Schmelzpunkt angewandt. D-Glucose, D-Mannose und D-Fructose ergeben identische Osazone. Dies liegt daran, dass diese drei Zucker sehr ähnlich aufgebaut sind – sie unterscheiden sich nur am C1 und am C2, doch genau an diesen beiden C-Atomen setzt die Osazonbildung an. • 22. Welche Zucker geben das gleiche Osazon wie D-Ribose? (Formeln aufzeichnen) • 23. Welche Zucker geben das gleiche Osazon wie D-Galactose? (Formeln aufzeichnen) • 24. Welche der aufgeführten Zucker ergeben das gleiche Osazon wie D-Galactose? Erstellen Sie die Bruttoreaktionsgleichung für die Bildung des Osazons von D-Galactose. Wie viele Mol Reagenz müssen verwendet werden und warum? Ankreuzantwort: B+C Von Nadine Hohensee | 17 Es müssen drei Mol Reagenz eingesetzt werden. Erklärung: Ein Mol Phenylhydrazin reagiert mit der Carbonylgruppe des Zuckers unter Ausbildung eines Phenylhydrazons. Durch ein weiteres Mol Phenylhydrazin wird die benachbarte Alkoholfunktion (am C1 oder C2) zur Carbonylfunktion oxidiert, das Phenylhydrazin dabei selbst zum Anilin reduziert. Diese neue Carbonylgruppe gibt dann mit dem dritten Mol Phenylhydrazin wiederum ein Hydrazon und damit das Endprodukt. • 25. β-Cyclodextrin ist ein cyclisches Oligosaccharid, aufgebaut aus sieben gleichen Monosacchariden. Nennen Sie das Monosaccharid, zeichnen Sie dessen Fischerprojektion und bestimmen Sie die Absolutkonfiguration vom Kohlenstoffatom 3. Nennen Sie die Verknüpfung der Monosaccharide. Welches sehr häufig natürlich vorkommende, in diesem Fall offenkettige, Polysaccharid hat den gleichen Baustein auf die gleiche Art verknüpft? Handelt es sich bei βCyclodextrin um ein reduzierendes oder um ein nicht reduzierendes Kohlenhydrat? β-Cyclodextrin besteht aus Glucosemolekülen, die a-1,4-glycosidisch miteinander verknüpft sind. Es handelt sich bei β-Cyclodextrin um einen nicht-reduzierenden Zucker. Sehr häufig vorkommende Polysaccharide, die ebenfalls aus a-1,4-glycosidisch verknüpften Glucosemonomeren bestehen, sind Stärke und Glykogen. • 26. Die Umsetzung von D-Galactose mit Methanol unter sauren Bedingungen ergibt das αMethylglycosid. Erstellen Sie die Reaktionsgleichung mit erkennbarer Stereochemie. Für die Synthese von 10g α-Methylglycosid benötigen Sie wieviel g Galactose, wenn die Reaktion mit einer Ausbeute von 80% verläuft? Für die Synthese von 10g α-Methylglycosid benötigt man 11,7g D-Galactose. Rechnung: nα-Methylglycosid = 10g/194gmol-1 = 0,052mol → mGalactose =0,052mol*180gmol-1 = 9,36g 9,36g = 80% → 100% = 11,7g Von Nadine Hohensee | 18 • 27. In der Melasse, die bei einer Zuckergewinnung aus Rüben zurückbleibt, kommt in geringen Mengen das Oligosaccharid Raffinose vor. Nennen Sie die darin enthaltenen Monosaccharide und deren Verknüpfung. Handelt es sich um ein reduzierendes oder um ein nicht reduzierendes Trisaccharid? Zeichnen Sie die Strukturformeln aller möglichen Osazone, die aus den Bausteinen dieses Trisaccharids gebildet werden können. Kann die Raffinose selbst auch ein Osazon bilden? Raffinose ist ein Trisaccharid bestehend aus Galactose, Glucose und Fructose. Die Verknüpfung zwischen Galactose und Glucose ist a-1,6-glycosidisch, die zwischen Glucose und Fructose a-1,4glycosidisch. Raffinose ist ein nicht-reduzierender Zucker. Raffinose selber kann kein Osazon ausbilden, da es nicht oxidiert werden kann. Kurstag 10 • 1. Erklären Sie den Begriff „Aminosäure“ nach chemischen Gesichtspunkten. Aminosäuren besitzen zwei charakteristische funktionellen Gruppen: die Aminogruppe (-NH2) und die Carboxylgruppe (-COOH). Ein Großteil der natürlich vorkommenden Aminosäuren sind aAminosäuren, das heißt, die Aminogruppe befindet sich in Nachbarstellung zur Carboxylgruppe. Außerdem können die Aminosäuren nach ihrem Rest eingeteilt werden: - unpolarer Rest - polarer Rest - saure Aminosäuren - basische Aminosäuren Alle natürlich vorkommenden Aminosäuren sind S-konfiguriert mit Ausnahme des Cystein, das Rkonfiguriert ist. Zudem haben Aminosäuren in Lösung sowohl basische als auch saure Wirkungen – man bezeichnet sie als Zwitterionen, die je nach pH als Anion oder Kation vorliegen. Nur am isoelektrischen Punkt (der für jede Aminosäure spezifisch ist) liegt das Zwitterion vor. • 2. Beschreiben Sie eine Peptidbindung anhand der Formel eines Tripeptids aus drei beliebigen unterschiedlichen Aminosäuren in einer Schreibweise, die die korrekte L-Konfiguration der Aminosäuren erkennen lässt. • 3. Wie werden Peptide synthetisiert? Wie kann man Peptide spalten? Schlagen Sie für die Spaltung Reaktionsmechanismen vor. Peptide entstehen bei Kondensationsreaktionen zweier Aminosäuren. Die Reaktion findet zwischen der Aminogruppe der einen und der Carboxylgruppe der anderen Aminosäure unter Wasserabgabe statt. Die Spaltung von Peptiden findet in Umkehr zur Synthese statt und kann sauer oder basisch katalysiert sein. Im Organismus erfolgt die Spaltung der Peptidbindung durch Enzymkatalyse (Peptidasen). Von Nadine Hohensee | 19 • 4. Welcher Unterschied besteht zwischen Peptiden und Proteinen? Peptide und Proteine werden beide aus Aminosäuren aufgebaut, der Unterschied besteht nur in der Anzahl der Aminosäuren. So spricht man von 2 bis 99 Aminosäuren von einem Peptid und ab 100 Aminosäuren von einem Protein. Diese Grenze ist willkürlich. • 5. Erklären Sie den Begriff „Zwitterion“. Beschreiben Sie einen Zwitterionentyp großer biologischer Bedeutung anhand der Formel eines Vertreters. Als Zwitterion bezeichnet man ein Molekül, das mindestens zwei funktionelle Gruppe hat und – je nach pH – sowohl als Kation als auch als Anion vorliegen kann. Am isoelektrischen Punkt liegen Anion und Kation im Gleichgewicht vor. Ein wichtiger Zwitterionentyp sind Aminosäuren. • 6. Was versteht man unter dem „isoelektrischen Punkt“? Mit Hilfe welcher Beziehung kann er berechnet werden? Berechnen Sie den I.P. Für eine Aminosäure mit KS der Carboxylgruppe von 4,5*10-3 und KB der Aminogruppe von 6*10-5. Am isoelektrischen Punkt liegen Anion und Kation eines Zwitterions im Gleichgewicht vor. Der pH des isoelektrischen Punkts einer Aminosäure kann mit folgender Formel berechnet werden: pHI.P. = ½ * (pKS1 + pKS2) pKB= -log KB = 4,22 → pKS2 = 14-pKB = 9,78 pKS = -log KS = 2,35 = pKS1 pHI.P. = ½ * (2,35 + 9,78) = ½ * 12,13 = 6,1 • 7. Wie liegt die Aminosäure aus Beispiel 6 in wässriger Lösung vor, wenn der pH-Wert der Lösung a.) 2,05 2,05 < pKS1 → es liegt überwiegend die saure Form vor b.) 2,35 2,35 = pKS1 → es liegt überwiegend die saure Form vor c.) 6,1 Isoelektrischer Punkt → Anion und Kation liegen im Gleichgewicht vor d.) 9,8 9,8 > pKS2 → es liegt überwiegend die basische Form vor e.) 10,3 ist? 10,3 > pKS2 → es liegt überwiegend die basische Form vor • 8. Was versteht man unter einer sauren, was unter einer basischen Aminosäure? Geben Sie Beispiele an. Saure Aminosäuren enthalten eine zusätzliche -COOH-Funktion im Rest, basische Aminosäuren enthalten (eine) zusätzliche -NHR-Funktion im Rest. Saure Aminosäuren: Asparaginsäure, Glutaminsäure Basische Aminosäuren: Histidin, Lysin, Arginin • 9. Erklären Sie die geringe Löslichkeit von Aminosäuren am isoelektrischen Punkt. Am isoelektrischen Punkt erreicht die Löslichkeit in Wasser ein Minimum. Dies liegt an der verhältnismäßig schlechten Solvatation: In einer dipolaren zwitterionischen Verbindung, deren Ladungen genügend weit voneinander entfernt sind, können beide ionische Zentren normal solvatisiert sein. Sobald aber die Ladungen dicht beieinander sind, wird die Solvatation weniger wirksam. • 10. Was versteht man unter einer Polykondensationsreaktion? Geben Sie Beispiele für wichtige derartige Reaktionen in der Biochemie. Bei einer Kondensationsreaktion verbinden sich zwei Moleküle unter Abspaltung eines einfachen Moleküls, meist Wasser. Bei einer Polykondensationsreaktion verbinden sich entsprechend Von Nadine Hohensee | 20 mehrere Moleküle. Wichtige Kondensationsreaktionen sind: - Veresterung - Etherbildung - Peptidbildung - Nukleotidbildung - Aldolkondensation • 11. Was versteht man unter Primär-, Sekundär- und Tertiärstrukturen von Proteinen? Primär-, Sekundär- und Tertiärstrukturen beschreiben den räumlichen Aufbau von Proteinen. Dabei meint die Primärstruktur die unterste Ebene der Strukturinformation, also die Sequenz der Aminosäuren. Die Sekundärstruktur beschreibt die konformationelle Anordnung der Proteinsegmente. Formen der Sekundärstruktur sind u.a. a-Helix, b-Faltblatt und b-Schleife. Unter Tertiärstruktur versteht man wiederum die übergeordnete bzw. die gesamte räumliche Struktur von Proteinen. Sie ist aus mehreren Sekundärstrukturen zusammengesetzt. • 12. Welche Kräfte sind für die räumliche Anordnung von Proteinen verantwortlich? - Disulfidbindungen - Ionenbeziehungen - Wasserstoffbrückenbindungen - Hydrophobe Bindungen • 13. Mit Hilfe welcher Reaktion kann man Aminosäuren qualitativ nachweisen? Geben Sie die Formel von Reagenz und Endprodukt an. • 14. Was bedeuten die Symbole L, D, R und S in der Nomenklatur der Aminosäuren und Kohlenhydrate? Erklären Sie anhand von Formelbildern. L und D geben die relative Konfiguration an und beziehen sich bei Zuckern auf die OH-Gruppe, die sich am letzten chiralen C-Atom (also am weitesten weg von der Aldehyd-/Ketofunktion) befindet, und bei Aminosäuren auf die a-NH2-Gruppe. Steht die OH-Gruppe bzw. die NH2-Gruppe links, ist der Zucker bzw. die Aminosäure L-konfiguriert. Steht sie rechts, liegt eine D-Konfiguration vor. R und S geben die Absolutkonfiguration eines jeden asymmetrischen C-Atoms an. Wichtig hierbei ist die Zuordnung von Prioritäten an die vier Substituenten des betrachteten asymmetrischen CAtoms. Die Prioritätenzuordnung erfolgt nach Cahn-Ingold-Prelog. Von Nadine Hohensee | 21 • 15. Auf welcher Reaktion der Ascorbinsäure beruht ihre quantitative Erfassung mit 2,6Dichlorphenolindophenol? Formelunterstützte Erklärung! Die quantitative Erfassung der Ascorbinsäure beruht auf einem Farbumschlag von „kräftig gefärbt“ zu „blass Rosa“. • 16. Titration von 1ml eines Fruchtsafts mit einer Lösung von 2,6-Dichlorphenolindophenol (c=10-3mol/L) führt zu einem Verbrauch von 3,2ml. Wie viel mg Ascorbinsäure sind in 1L des Fruchtsafts enthalten? nAscorbinsäure = V * c = 3,2ml * 10-3mol/L = 3,2*10-3 = 0,0032mmol mAscorbinsäure = mmol * MGAscorbinsäure = 0,0032mmol * 176g/mol = 0,563mg → 1000*0,563mg = 563mg Ascorbinsäure sind in 1L enthalten. • 17. Die erste Säurekonstante von Ascorbinsäure ist ~10-4, die zweite Säurekonstante nur 10-11,4. Versuchen Sie, eine formelunterstützte Erklärung zu geben. Dass die Säurekonstanten abnehmen, liegt daran, dass es zunehmend schwieriger wird, ein Proton abzuspalten, da das Molekül mit jedem abgespaltenen Proton negativer wird, das Proton also immer stärker angezogen wird. • 18. Mit Hilfe von welchem Derivat lassen sich Aminosäuren mittels UV quantitativ bestimmen? Geben Sie die Reaktionsgleichung an. • 19. Nennen Sie jeweils ein Beispiel für eine natürlich vorkommende a-Aminosäure mit unpolarer, polarer bzw. basischer Seitenkette. Zeichnen Sie die Strukturformeln dieser Aminosäuren in einer Schreibweise, die die korrekte Absolutkonfiguration erkennen lässt. Von Nadine Hohensee | 22 • 20. Nennen Sie jeweils ein Beispiel für eine natürlich vorkommende a-Aminosäure mit einer rein aliphatischen, einer aromatischen bzw. mit einer Hydroxygruppe in der Seitenkette. Zeichnen Sie die Strukturformeln dieser Aminosäuren in einer Schreibweise, die die korrekte Absolutkonfiguration erkennen lässt. • 21. Zeichnen Sie alle möglichen Dipeptide der Aminosäuren L-Serin und L-Cystein so, dass die korrekte Stereochemie erkennbar ist. • 22. Eptifibatid, ein Thrombozytenaggregationshemmer, ist ein synthetisch hergestelltes cyclisches Peptid. a.) Zeichnen und benennen Sie 3 der im Peptid enthaltenen natürlichen Aminosäuren. b.) Bestimmen Sie die Absolutkonfiguration dieser 3 Aminosäuren. Von Nadine Hohensee | 23 c.) Wie viele Amidbindungen enthält das Molekül? Das Molekül enthält 6 Amidbindungen. • 23. 2,6-Dichlorphenolindophenol, das Reagenz zur quantitativen Bestimmung von Ascorbinsäure, ist gefärbt, das Reaktionsprodukt mit Ascorbinsäure ist farblos. Erklären Sie formelunterstützt mit den konkreten Verbindungen diese Beobachtung! • 24. Eine Standardmethode zur chromatographischen Bestimmung von Aminosäuren ist ihre Derivatisierung mit Phenylisothiocyanat bei pH 9 und die Auftrennung dieser Phenylthiocarbamoyl-Aminosäurederivate mittel RP-HPLC. a.) Welches Derivat erhält man bei der Umsetzung von L-Lysin ((S)-2,6-Diaminohexansäure)? Erstellen Sie die Reaktionsgleichung und zeichnen Sie die Struktur des Produktes so, dass die richtige Stereochemie erkennbar ist. b.) Warum führt man diese Derivatisierung durch? Man führt diese Derivatisierung durch, wenn man die Aminosäurezusammensetzung eines Proteins bestimmen möchte. Dazu müssen vorher die Peptidbindungen gespalten werden, was über eine saure Hydrolyse geschieht. Anschließend können mittels obiger Reaktion Phenylthiocarbamoylaminosäurederivate (PTC-Aminosäuren) erhalten werden, die aufgrund unterschiedlicher hydrophober Eigenschaften ihrer Seitenketten mittels HPLC voneinander getrennt und durch Vergleich ihrer Retentionszeiten identifiziert werden können. c.) Warum mussten für die quantitative Auswertung die Peakflächen im HPLC-Chromatogramm normiert werden? Die Peakflächen mussten normiert werden, da das Ansprechen im UV-Detektor nicht gleich für alle PTC-Aminosäuren ist. • 25. Welche wasserlöslichen bzw. welche fettlöslichen Vitamine kennen Sie? Wasserlösliche Vitamine: -C - B-Vitamine Von Nadine Hohensee | 24 Fettlösliche Vitamine: -A -D -E -K • 26. Die Säurekonstanten der Aminosäure L-Serin ((S)-2-Amino-3-hydroxypropansäure) sind KS1=6,16*10-3 und KS2=7,08*10-10. Welche Form (Strukturformel, richtige Stereochemie) liegt bei einem pH-Wert von 2, welche bei einem pH-Wert von 9,5 vor? Bei welchem pH-Wert liegt Serin als Zwitterion vor und wie heißt dieser pH-Wert? pKS1 = -log KS1 = 2,21 pKS2 = -log KS2 = 9,15 pHI.P. = ½ * (pKS1 + pKS2) pHI.P. = ½ * (2,21 + 9,15) = ½ * 11,36 = 5,7 („Isoelektrischer Punkt“) Kurstag 11 • 1. Beschreiben Sie anhand der Formeln die chromophoren Gruppen der Farbstoffe des Porphyrin-, Carotin-, Anthocyan- und Chinon-Typs. • 2. Worauf beruht die Färbigkeit des Herbstlaubes? Die Färbigkeit des Herbstlaubes beruht auf Lutein - ein gelbes Xanthophyll, das die Zerstörung des Chlorophylls überdauert – sowie auf Anthocyane, die eine rote Färbung bewirken. • 3. Weshalb wurden bei der Chromatographie der Farbstoffmischung aus Spinat keine Anthocyane beobachtet? Für die Säulenchromatographie wurden nur die lipoidlöslichen Anteile extrahiert. Anthocyane sind nicht lipoidlöslich bzw. Anthocyane sind polar. Von Nadine Hohensee | 25 • 4. Chlorophyll a hat ein Absorptionsmaximum bei 430nm und ein zweites bei 660nm. Welchen Farben entsprechen diese Maxima und welche Komplementärfarben nimmt man entsprechend wahr? 430nm → Violett-Blau 660nm → Rot Die Komplementärfarbe, die wahrgenommen wird, ist Grün. • 5. Für die Säulenchromatographie von Blattfarbstoffen wurden die lipoidlöslichen Anteile aus dem Blattmaterial extrahiert. a.) Welche Verbindungsklasse war bei der Chromatographie die unpolarste? Die Carotine b.) Sie hatte deshalb den größten oder den kleinsten Rf-Wert? Den größten Rf-Wert. c.) Nennen und zeichnen Sie den zugrunde liegenden Chromophor der Chlorophylle. Der zugrundeliegende Chromophor der Chlorophylle ist Porphin. d.) Welche wichtigen Naturstoffe haben ebenfalls diesen Grundkörper bzw. in leicht abgewandter Form? Nennen Sie zwei Beispiele. Ein wichtiger Naturstoff, der diesen Porphin-Körper enthält, ist Hämoglobin. Außerdem enthält das Vitamin B12 eine abgewandelte Form des Porphins. • 6. Sie haben verschiedene chromatographische Verfahren kennen gelernt bzw. durchgeführt. a.) Nennen Sie zwei dieser chromatographischen Verfahren und die jeweils dazugehörige stationäre Phase. - Gaschromatographie: mobile Phase → Gas; stationäre Phase → zähflüssige Polyorganosiloxane - Dünnschichtchromatographie: mobile Phase → Gemisch aus unpolaren bis mäßig polaren Flüssigkeiten; stationäre Phase → Kieselgel - HPLC: mobile Phase → Flüssigkeit; stationäre Phase → - Säulenchromatographie: mobile Phase → ; stationäre Phase → b.) Wie wird Chromatographie zur Identifizierung von Verbindungen verwendet? Aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Stoffklassen (die spezifisch für jede Stoffklasse sind!) können sie eindeutig identifiziert werden. • 7. Sie führen eine Dünnschichtchromatographie durch, wobei die zu trennenden Komponenten keine Eigenfarbe aufweisen. a.) Mit welchen Detektionsmethoden können Sie die Substanzen sichtbar machen? Einige Substanzen fluoreszieren unter speziellem UV-Licht, andere geben eine Färbung mit Ninhydrin. b.) Welche Strecke (in cm) ist eine Substanz mit einem Rf-Wert von 0,3 auf der DC_Folie gewandert, wenn der Abstand zwischen Startlinie und Lösungsmittelfront 7cm beträgt? Rf = Abstand Startlinie bis zur Mitte des Flecks / Abstand Startlinie bis zur Lösungsmittelfront 0,3 = a / 70 → a = 0,3*70 = 21mm = 2,1cm c.) Wie müssen Sie die Polarität des Laufmittels verändern, damit Sie den R f-Wert vergrößern? Um den Rf-Wert zu vergößern muss entweder der Abstand der Startlinie zur Lösungsmittelfront verkleinert werden und/oder das Laufmittel polarer gemacht werden. Da die Substanz in dem Von Nadine Hohensee | 26 unpolaren Laufmittel nur eine geringe Laufstrecke hatte, ist es selber eher polar und würde weiter wandern (und somit den Rf-Wert vergrößern) wenn das Lösungsmittels polarer wäre. • 8. Bei der Säulenchromatographie der Blattfarbstoffe hat welches der beiden Chlorophylle den größeren Rf-Wert und warum? Chlorophyll a hat einen größeren Rf-Wert als Chlorophyll b. • 9. Welche Folge hätte die Verwendung eines polaren Laufmittels bei der Chromatographie der Blattfarbstoffe? Die Verwendung eines polaren Laufmittels statt eines unpolaren hätte die Umkehr der Laufstrecken zufolge – die im unpolaren Laufmittel am weitesten gewanderte Substanz hätte also die kürzeste Laufstrecke und die am kürzesten gewanderte Substanz die längste Laufstrecke. • 10. Für die Säulenchromatographie von Blattfarbstoffen wurde der Blattspinat mit einem BenzinAceton-Gemisch extrahiert und das Filtrat anschließend mit einer wässrigen NaCl-Lösung gewaschen. a.) Welche Verbindungsklasse war bei der Chromatographie die apolarste? Die Carotine b.) Nennen und zeichnen Sie den zugrundeliegenden Chromophor der Chlorophylle. Siehe Aufgabe 5c. c.) Warum konnten Sie bei der Chromatographie keine Anthocyane auftrennen? Siehe Aufgabe 3. • 11. Das UV-Spektrum eines Blattfarbstoffgemisches ergibt eine Absorbance A bei der Wellenlänge 642nm von 0,200, bei 662nm von 0,518. Berechnen Sie das Molverhältnis von Chlorophyll a zu Chlorophyll b. Extinktionskoeffizienten: 642nm Chlorophyll a → 20,9 Chlorophyll b → 51,8 662nm Chlorophyll a → 84,0 Chlorophyll b → 10,0 A.| 0,200 = 20,9ca + 51,8cb B.| 0,518 = 84,0ca + 10,0cb 0,518 – 84ca = 10cb | :10 0,0518 – 8,4ca =cb A.| 0,2 = 20,9ca + 51,8(0,0518-8,4ca) 0,2 = 20,9ca + 2,68324 – 435,12ca -2,48324 = -414,12ca ca = 0,006 mol/L B.| cb = 0,0518 – 8,4 * 0,006 cb = 0,0014 mol/L Molverhältnis Chlorophyll a : Chlorophyll b → 0,006:0,0014 = 4,29 → 4,29:1 • 12. Die Blattfarbstoffe spielen eine wichtige Rolle bei der Photosynthese der Pflanzen. Sie absorbieren Licht, das dann in weiterer Folge in chemische Energie umgewandelt wird. Die Absorptionsspektren welcher Blattfarbstoffe sind deckungsgleich mit dem lichtabhängigen Wirkungsspektrum der Photosynthese? Chlorophyll a, Chlorophyll b und Carotinoide • 13. Die Carotinoide gehören zu welcher Klasse der Terpene und enthalten somit wie viele Isopreneinheiten? Carotinoide gehören zur Klasse der Tetraterpene und enthalten 8 Isopreneinheiten. • 14. Das Spektrum des Extrakts der Blattfarbstoffe haben Sie in welchem Wellenlängenbereich aufgenommen? Handelt es sich dabei um Anregung mit Licht im ultravioletten oder im sichtbaren Bereich? Das Spektrum der Blattfarbstoffe wurde von 400 bis 700nm aufgenommen. Es handelt sich um Anregung mit Licht des sichtbaren Bereichs. Von Nadine Hohensee | 27 • 15. Welche Verbindung der folgenden Paare zeigt die längerwellige Absorption im UV-VisSpektrum? Begründen Sie. a.) 1,5-Hexadien | 1,3-Hexadien b.) p-Nitrophenol | Phenol c.) α-Carotin | β-Carotin Kurstag 12 • 1. Zeichnen Sie die Strukturformeln für die folgenden Fettsäuren a.) Eicosapentaensäure b.) Ölsäure c.) Elaidinsäure (trans-Form der Ölsäure) d.) Erucasäure • 2. β-Eleostearinsäure im Öl des chinesischen Lackbaums hat die Doppelbindungen in trans-Stellung und konjugiert. Zeichnen Sie eine Strukturformel. • 3. Warum sind die natürlich vorkommenden Fettsäuren überwiegend geradkettig und unverzweigt? Geben Sie ein formelunterstützte Erklärung Fettsäuren werden verlängert, indem CH2-Einheiten zwischen der ersten Doppelbindung und der Carboxylgruppe (bei Tieren) bzw. zwischen der ersten Doppelbindung und dem terminalen CH 3 (bei Pflanzen) eingefügt werden. Daraus ergeben sich geradkettige und unverzweigte Fettsäuren. • 4. Olestra, ein unverdaulicher Fettersatzstoff, besteht zu mindestens 70% aus Octafettsäureester von Saccharose (die Verdauungsenzyme können dieses Molekül nicht abbauen). Fettsäuren in Olestra sind hauptsächlich Linolsäure, Ölsäure und Palmitinsäure. Zeichnen Sie die Strukturformeln eines typischen Olestramoleküls. Von Nadine Hohensee | 28 • 5. Die „Verseifungszahl“ eines Fettes gibt an, wie viel mg KOH nötig sind, um 1g Fett zu verseifen. Man kocht 2g Fett mit 25ml alkoholischer KOH (c=0,5mol/L) und titriert den Überschuss mit HCl (c=0,5mol/L) gegen Phenolphtalein zurück. Welchen Verbrauch an HCl mit obiger Konzentration erwarten Sie im Fall von Trimyristin (bei fehlerfreier Vorgangsweise)? Man braucht ca. 5,9ml (eigener Versuch im Praktikum!) • 6. Zeichnen Sie die konfigurativ korrekte Strukturformel und berechnen Sie die Verseifungszahl eines Triglycerids aus Stearinsäure, Ölsäure und Linolsäure. • 7. Berechnen Sie die Verseifungszahl für das Triglycerid von Laurinsäure. Erkennbare Überlegungen! • 8. Die Verseifungszahl eines Triglycerids ist 192; Tests erweisen den Fettsäureanteil als einheitlich und zweifach ungesättigt. Ermitteln Sie die Kohlenstoffanzahl der Fettsäure. Nennen Sie eine Ihnen bekannte zweifach ungesättigte Fettsäure mit der berechneten Kettenlänge. Zeichen Sie die Struktur des Triglycerids mit dieser Fettsäure. • 9. Eine der essentiellen Fettsäuren ist die α-Linolensäure oder 9Z,12Z,15Z-Octadecatriensäure. Zeichnen Sie die Strukturformel und geben Sie ihre Kurzbezeichnung an. Um welche OmegaFettsäure handelt es sich? • 10. Zeichnen Sie die Strukturformeln für die Fettsäuren a.) Eicosapentaensäure Siehe Aufgabe 1. b.) Arachidonsäure Von Nadine Hohensee | 29 c.) Um welche Omega-Fettsäure handelt es sich jeweils? • 11. Anandamid ist das Amid gebildet aus der Arachidonsäure und 2-Aminoethanol. Der Name leitet sich vom indischen Sanskrit-Wort „Ananda“ ab, das soviel wie Glückseligkeit bedeutet. Die psychoaktive Wirkung von Anandamid beruht auf der Bindung an den Cannabinoid-Rezeptor. Zeichnen Sie die Struktur von Anandamid, so dass die korrekte Stereochemie erkennbar ist. Nennen Sie die Kurzbezeichnung der Arachidonsäure. Nennen Sie die Omega-Kurzbezeichnung der Arachidonsäure. 2-Aminoethanol besitzt neben der Aminogruppe welche zweite funktionelle Gruppe? Welche Verbindungsklasse kann mit der Arachidonsäure und dieser zweiten funktionellen Gruppe von 2-Aminoethanol gebildet werden? Kurzbezeichnung der Arachidonsäure: 20:4(5Z,8Z,11Z,14Z) Omega-Kurzbezeichnung der Arachidonsäure: 20:4w6 Zweite funktionelle Gruppe von 2-Aminoethanol: OH-Gruppe Mögliche Verbindungsklasse zwischen Arachidonsäure und OH-Gruppe: Ester (unter Wasserabspaltung) Quelle: zum Teil Wikipedia Einige Bilder aus der Google-Suche Von Nadine Hohensee | 30
