3. PRAKTIKUMSTAG

WS06-07
Chemisches Praktikum für Mediziner
Vorlesungsnummer 13.861
PRAKTIKUMSUNTERLAGEN
3. PRAKTIKUMSTAG
Themen:
- Kohlenwasserstoffe
- Funktionelle Gruppen I und ihre Reaktionen
•
Halogenalkane
•
Alkohole
- Funktionelle Gruppen II und ihre Reaktionen
•
Aldehyde
•
Ketone
- Funktionelle Gruppen II und ihre Reaktionen
Hinweis:
•
Carbonsäuren
•
Carbonsäurederivate
•
Ausbeute
Informieren Sie sich über die angegebenen Themen bitte vor dem jeweiligen
Praktikumstag in den Ihnen zur Verfügung stehenden Lehrbüchern (s. Liste
Merkblatt). Im Praktikum können nicht alle Themen behandelt werden, die
für die Abschlussklausur in Chemie und für die ärztliche Vorprüfung relevant
sind.
Entsorgung:
Entsorgungsbehälter A
Entsorgungsbehälter B
Entsorgungsbehälter C
Entsorgungsbehälter D
Entsorgungsbehälter H
Entsorgungsbehälter K
Entsorgungsbehälter L
Andere Organische Lösemittel, halogenfrei (blau)
Halogenorganische Lösemittel (rot)
Anorg. Säuren, Nitrit-/Nitrathaltig
Metallsalzlösungen, pH-neutral
Andere Säuren, schwermetallsalzhaltig
Kontaminiertes Laborglas
Kontaminierte Betriebsmittel
3. PRAKTIKUMSTAG
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3.1. Kohlenwasserstoffe
Die einfachsten organischen Verbindungen bestehen nur aus den Elementen Kohlenstoff und
Wasserstoff, sie besitzen also keine sogenannten funktionellen Gruppen mit Heteroatomen wie -OH
oder –NH2. Diese „Kohlenwasserstoffe“ lassen sich nach ihren chemischen Eigenschaften in drei
Gruppen gliedern:
•
Gesättigte Kohlenwasserstoffe (Alkane, Cyloalkane – sp3-hybridisiert)
•
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe (Alkene mit Doppelbindungen – sp2-hybridisiert; Alkine
mit Dreifachbindungen – sp-hybridisiert)
•
Aromatische Kohlenwasserstoffe(planares Ringsystem mit konjugierten Doppelbindungen –
sp2-hybridisiert, folgen der Hückel-Regel: (4n+2)π-Elektronen mit n = 0,1,2,.....)
Außerdem werden Kohlenwasserstoffe nach ihrer Konstitution eingeteilt: Verbindungen mit
verzweigten oder unverzweigten kettenförmigen Gerüsten werden als aliphatisch, mit ringförmigen
Gerüsten als alicyclisch bezeichnet. Ringförmige Verbindungen gliedern sich in alicyclische und
aromatische Kohlenwasserstoffe.
Wegen der geringen Polarität der C-H-Bindung sind Kohlenwasserstoffe nahezu unpolar. Sie sind
daher nicht mischbar mit polaren Lösungsmitteln wie Wasser und Ethanol. Zwischen den
Molekülen wirken nur schwache zwischenmolekulare Kräfte. Diese VAN-DER-WAALSWechselwirkungen hängen nicht nur von der Molekülmasse sondern auch von der Gestalt des
Moleküls ab. Dies zeigt sich deutlich in den Schmelz- und Siedepunkten von Kohlenwasserstoffen.
Stark verzweigte Moleküle, die eine nahezu kugelförmige Raumerfüllung haben, sieden tiefer als
kettenförmige Moleküle gleicher Kohlenstoffzahl.
Kohlenwasserstoffe sind reaktionsträge, haben aber einen sehr hohen Energiegehalt, weshalb sie
u.a. als Brennstoffe eingesetzt werden. So gibt 1 kg Benzin bei der Verbrennung etwa 42 MJ (42 •
106 J, ca. 170000 kcal) ab. Benzin (Fahrzeugbenzin) ist eine Sammelbezeichnung für ein Gemisch
von ca. 150 verschiedenen Kohlenwasserstoffen wie Alkane, Alkene, Cycloalkane, -alkene, sowie
Aromaten (z.B. Benzen), die 5- 12 C-Atome enthalten. Alkangemische (Waschbenzin, Petrolether)
benutzt man aufgrund seiner fettlösenden Eigenschaften in der Chemischen Reinigung, als
Fleckentfernungsmittel, als Lösungsmittel bei der Extraktion von Fetten, Harzen, Pflanzenölen, bei
der Kautschuk-, Paraffin- und Vaselinefabrikation, als Terpentinölersatz und in zahlreichen
weiteren Anwendungen.
Trotz der Bezeichnung „organische“ Verbindungen kommen Kohlenwasserstoffe in diesem Sinne
nicht im menschlichen Körper vor, sind jedoch Bestandteil bzw. Grundgerüst zahlreicher
Biomoleküle.
3.2. Funktionelle Gruppen und ihre Reaktionen Teil I
Kohlenwasserstoffe (Alkane) mit kovalenten C-C- und C-H-Bindungen sind reaktionsträge, da
diese Bindungen aufgrund nahezu gleicher Elektronegativität nicht polarisiert sind. Die Mehrzahl
der organischen Verbindungen enthält neben Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen weitere Atome
(O, N, S, F, Cl, Br), so genannt Heteroatome. Diese Bindungen zwischen Kohlenstoff- und
Heteroatom sind aufgrund der höheren Elektronegativitätsunterschiede des Heteroatoms im
Vergleich zum Kohlenstoff polarisiert und damit reaktionsfreudiger. Atomgruppen, die für eine
Reihe von Verbindungen charakteristische Eigenschaften und Reaktionen zeigen, bezeichnet man
als funktionelle Gruppe.
3. PRAKTIKUMSTAG
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In der organischen Chemie unterscheidet man mehrere funktionellen Gruppen, wie z.B.
•
•
•
•
•
Alkohole
Thiole
Ether
Thioether
Amine
und Substituenten, wie z.B.
•
Halogenalkane
Außerdem sind Doppelbindungen der Alkene und die Dreifachbindung der Alkine funktionelle
Gruppen.
Reaktionsmechanismen
Typische Reaktionen der oben aufgeführten funktionellen Gruppen sind:
•
•
•
•
Substitution: Ein Atom oder eine Atomgruppe wird durch ein/e andere/s ersetzt.
Addition: An eine Doppelbindung wird ein Atom oder Atomgruppe addiert.
Eliminierung: (Umkehrung der Addition) Ein Atom oder Atomgruppe verlässt/verlassen das
Molekül unter Ausbildung einer Doppelbindung.
Redox-Reaktionen
Halogenierte Kohlenwasserstoffe
Eine sowohl in der Technik als auch im Laboratorium vielfach angewandte Methode zur
R X Darstellung der halogenierten Kohlenwasserstoffe (X = Cl, Br, F) ist die Umsetzung von
Alkoholen mit Halogenwasserstoffsäuren (nukleophile Substitution). Großtechnisch
werden halogenierte Kohlenwasserstoffe durch radikalische Photohalogenierung hergestellt.
Halogenierte Kohlenwasserstoffe kommen kaum in natürlichen Quellen vor, trotzdem sind sie
aufgrund ihrer zahlreichen Verwendung vielfach in der Natur nachweisbar, was auf der Tatsache
beruht, dass sie nur sehr langsam abgebaut werden. Verbindungen wie Perchlorethylen
(Cl2C=CCl2), kurz PER genannten, wurden in der chemischen Reinigung zur Entfernung von Fetten
und in der Industrie zur Entfettung von Metalloberflächen,.
Alkohole
R OH
Alkohole entstehen durch nukleophile Substitution an Halogenalkanen, durch elektrophile
Additionen an Doppelbindungen und durch Oxidation der entsprechenden Alkane.
Die funktionelle Gruppe der Alkohole ist die Hydroxylgruppe (-OH). Der bekannteste
Alkohol ist Ethanol, der bei der alkoholischen Gärung entsteht.
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Versuch 3.1: Darstellung von 2-Chlor-2-methylpropan
CH3
CH3
H3C
C
H3C
OH + HCl
C
Cl
+ H 2O
CH3
CH3
2-Methylpropan-2-ol
2-Chlor-2-methylpropan
Versuchsdurchführung:
Chemikalien
•
•
•
Geräte
•
•
•
2-Methyl-2-propanol
konz. Salzsäure (HCl)
n-Heptan, Natriumchlorid
Reagenzgläser,
Stopfen
Pipetten
a) Geben Sie 2 ml 2-Methyl-2-propanol in ein Reagenzglas. Fügen Sie vorsichtig 1 ml
konzentrierte Salzsäure (ätzend !) hinzu und verschließen Sie das Reagenzglas mit einem
Stopfen
b) Nach intensivem Schütteln (Überdruck!) und etwa halbstündigem (½ h)
Stehen lassen wird die obere Phase mit einer Pipette abgehoben und in ein
anderes Reagenzglas überführt.(Falls sich die Phasen nicht trennen. Heptan
zugeben und nochmals schütteln und gegebenenfalls mit Natriumchlorid
aussalzen!) Die organische Phase wird mit 3 ml Wasser ausgewaschen. Die
obere Phase wird mit der Pipette abgehoben und in das andere Reagenzglas überführt.
c) Das Produkt nicht sofort entsorgen! (Es wird noch für die Reaktionen 3.3 benötigt)
Verwendete Chemikalien:
2-Methylpropan-2-ol
2-Chlor-2-methylpropan
Salzsäure, konz.
Xn, F
F
C
R:
R:
R:
11-20
11
34-37
S:
S:
S:
9-16
9-16-29
26/36/37/39-45
Entsorgung:
Das Produkt nicht sofort entsorgen! (Es wird noch für die Reaktionen 3.3 benötigt.)
Wässrige Waschlösungen Entsorgungsbehälter D
Die Hydroxy-Funktion eines Alkohols (R-OH) kann durch ein Halogen-Atom ersetzt werden.
Man lässt dabei den Alkohol in Gegenwart einer Säure (die OH-Gruppe wird dabei protoniert
und als H2O abgespalten) mit dem Halogenid, z.B. Cl–, reagieren.
Es handelt sich hierbei um ein Beispiel für eine nukleophile Substitution (SN-Reaktion).
•
•
•
Primäre Alkylverbindungen reagieren hierbei meist nach dem SN2-Mechanismus
Tertiäre Alkylverbindungen reagieren hierbei meist nach dem SN1-Mechanismus
Für sekundäre Alkylverbindungen sind – je nach Reaktionsbedingungen – beide
Mechanismen möglich.
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SN1-Reaktion (Substitution, nukleophil, monomolekular):
Sie verläuft nach dem Geschwindigkeitsgesetz 1. Ordnung, d. h. die Reaktionsgeschwindigkeit ist
nur von der Konzentration eines Reaktionspartners abhängig, nämlich von der Konzentration des
Eduktes oder seiner protonierten Form. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Reaktionsschritt
der Bildung des Carbeniumions vergleichsweise langsam verläuft und damit
geschwindigkeitsbestimmend ist. Das dabei gebildete Carbeniumion reagiert dann schnell mit dem
Nukleophil, so dass seine Konzentration keine Rolle spielt.
Bei der SN1-Reaktion wird die Gesamtgleichung in die folgenden Reaktionsschritte unterteilt:
Reaktionsmechanismus
Schritt 1:
Protonierung (Bildung eines Oxoniumions; schnell)
CH3
CH3
H3C
OH + H
C
H3C
H
Wasserabspaltung (Bildung eines Carbeniumions; langsam)
CH3
H3C
C
CH3
H
O
CH3
Schritt 3:
H
O
CH3
CH3
Schritt 2:
C
H3C
H
C
H
+ O
H
CH3
Nukleophiler Angriff (Bildung des Produktes; schnell)
CH3
CH3
H3C
C
CH3
+ Cl
H3C
C
Cl
CH3
Energetischer Verlauf:
SN2-Reaktion (Substitution, nukleophil, bimolekular):
Die SN2 - Reaktion erfolgt nach dem Geschwindigkeitsgesetz 2. Ordnung, d.h. die Reaktionsgeschwindigkeit wird von den Konzentrationen beider Reaktionspartner, dem Substrat R-Br und
dem Nukleophil OH-, bestimmt. Hier sind also beide am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt
beteiligt. Es handelt sich um eine Einstufenreaktion, bei der die Lösung der C-Br -Bindung und die
Knüpfung der C-OH - Bindung konzertiert (gleichzeitig) erfolgen. Dabei greift das Nukleophil das
C-Atom von der Seite an, die der nukleofugen Gruppe (Abgangsgruppe) gegenüber liegt. In dem
Maße, in dem sich das Nukleophil dem C-Atom nähert und die nukleofuge Gruppe sich entfernt,
weiten sich die Bindungswinkel zwischen den Substituenten auf 120o auf (penta-koordiniertes CAtom).
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Mit fortschreitender Ablösung von Br bewegen sich die Substituenten weiter in derselben Richtung,
bis am Ende des Prozesses die Bindungswinkel wieder etwa 109.5o betragen. Die so erfolgte
Inversion ist bildlich mit dem Umklappen eines Regenschirmes vergleichbar.
Verlauf:
H
H
HO
+
C
Br
HO
H
C
H
CH2
H
HO
Br
C
H
CH2
CH2
CH3
CH3
+
Br
CH3
Energetischer Verlauf:
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe
Alkene
Alkene sind Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Doppelbindung (sp2-hybridisiert,
Bindungswinkel von 120 °) und können im allgemeinen durch die Formel CnH2n
beschrieben werden.
Die chemischen Reaktionen der Alkene werden vorwiegend durch die π-Bindung bestimmt. Sie
gehen leicht Additionsreaktionen ein, wobei gesättigte Verbindungen entstehen. Da die C=C- Doppelbindung nukleophil ist das angreifende Reagens elektrophil – elektrophile Addition(s. Seite 9).
Dabei unterscheidet man je nach Reaktionsverlauf und eingesetzten Reagenzien cis-1,2-Adukte von
trans-1,2-Adukte.
+
-(HO)2OsO2
Cyclohexen
Br
OH
OsO4
Br
+ Br2
OH
cis-1,2-Dihydroxycyclohexen
Cyclohexen
trans - 1,2 - Dibromcyclohexan
Alkene entstehen durch industriell durch Crackverfahren und im Labor durch partielle Hydrierung
von Alkinen oder Eliminierung entsprechender Verbindungen. Dabei treten E/Z-Isomere auf (E von
entgegen und Z von zusammen). Wobei das E-Isomer energetisch günstiger ist.
E-But-2-en
Z-But-2-en
Alkine
Alkene sind Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Dreifachbindung (sp-hybridisiert,
Bindungswinkel von 180 °) und können im allgemeinen durch die Formel CnH2n-2
beschrieben werden
3. PRAKTIKUMSTAG
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Alkine sind weniger reaktiv als Alkene. Das am sp-hybridisierten C-Atom gebundene H-Atom kann
leicht abgespalten werden (C-H-azid). Additionsreaktionen sind typisch für Alkine, wobei im ersten
Schritt Alkene entstehen, die dann zu Alkanen weiterreagieren können.
Alkine werden industriell durch partielle Oxidation des Methans(aus Erdgas) gewonnen im Labor
durch doppelte Eliminierung entsprechender Verbindungen.
Monomolekulare Eliminierung (E1):
OH
Cyclohexanol
[H ]
+ H 2O
Cyclohexen
Alkohole spalten in Gegenwart von starken Säuren, deren Anionen schwache Nukleophile sind,
leicht in der Hitze Wasser ab. Diese Eliminierungstendenz nimmt von primären zu tertiären
Alkoholen zu. Die Eliminierungsreaktion E1 verläuft nach erster Ordnung, sie ist eine
Konkurrenzreaktion der SN1-Reaktion.
Die Darstellung von Cyclohexen durch Dehydratisierung von Cyclohexanol in Gegenwart von
Phosphorsäure kann in die Schritte (1) bis (3) unterteilt werden:
Schritt 1:
Protonierung (Bildung des Oxoniumions; schnell):
H
H
O
OH
H
+ H
H
Abspaltung von Wasser (Bildung des Carbeniumions; langsam)
H H
O H
H
+ H2O
H
H
Schritt 3:
H
H
H
Schritt 2:
H
H
H
Bildung der Doppelbindung (Abspaltung des Protons; schnell)
H
H
+ H
H
H
Energetischer Verlauf:
H
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Versuch 3.2: Qualitativer Nachweis von Alkenen mit Brom
R
R
C
R
C
+
C
Br2
C
R
1,2
Alken
Br
Br
Dibromalkan
Versuchsdurchführung:
Brom ist ein starkes Ätz- und Atemgift! R- und S - Sätze beachten !
Chemikalien
•
•
•
•
n-Heptan
Styrol
Brom in konz. Essigsäure
2 M Natronlauge
Geräte
•
•
•
Pipette
Reagenzgläser
Bunsenbrenner
a) Ca. 1 ml Heptan und 5 Tropfen Styrol werden in einem Reagenzglas mit einer 3 %igen Lösung
von Brom in konz. Essigsäure (Vorsicht) tropfenweise unter Umschütteln versetzt. Beachten Sie
die Entfärbung der Brom-Lösung! Man beendet die Bromzugabe, sobald eine bleibende
Gelbfärbung zu beobachten ist.
b) Dann neutralisiert man die Reaktionsmischung durch tropfenweise Zugabe von 2 M Natronlauge
unter Kontrolle des pH-Wertes mit Indikatorpapier.
Es scheidet sich öliges 1,2-Dibrom-1-phenylethan ab. Die obere Phase wird mit der Pipette
abgehoben und in das andere Reagenzglas überführt.
c) Das Produkt nicht sofort entsorgen! (Es wird noch für die Reaktionen 3.3 benötigt)
Verwendete Chemikalien:
Styrol
3%ige Lösung von Brom in konz. Essigsäure
2 M Natronlauge
1,2-Dibrom-1-phenylethan
Entsorgung:
Wässrige Phase
F, Xn R: 10-20-36/38
C
R: 36/37/38
C
R: 35
A
R: ?
Entsorgungsbehälter
S:
S:
S:
S:
D
23.2
81/2)7/9-26/45
(1/2)-26-37/39-45
?
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Seite 9
Versuch 3.3: Qualitativer Nachweis von Halogenalkanen mit dem Beilstein
Test.
Versuchsdurchführung:
(Wird mit dem Assistenten durchgeführt.)
a) Unter dem Abzug wird ein Eurocent in die Flamme des Bunsenbrenners gehalten, bis diese
Flamme keine Färbung mehr aufweist.
b) Nach Abkühlen des Drahtes gibt man auf dessen Ende einen Tropfen 2-Chlor-2-methylpropan
(Aus Versuch 3.1) Wird nun dieses Drahtende in die Flamme gehalten, verfärbt sie sich grün.
c) Gleiche Prozedur mit 1,2-Dibrom-1-phenylethan.(Aus Versuch 3.2)
Verwendete Chemikalien:
2-Chlor-2-methylpropan
1,2-Dibrom-1-phenylethan
Entsorgung:
2-Chlor-2-methylpropan
1,2-Dibrom-1-phenylethan
F
R:
11
S:
9-16-29
A
R:
?
S:
?
Entsorgungsbehälter: B
Entsorgungsbehälter B
Elektrophile Addition - anti-Bromierung von Cyclohexen (Additionsreaktion)
Die Addition von Brom an eine Doppelbindung verläuft nach einem ionischen Mechanismus. Vor
der eigentlichen Addition erfolgt eine Polarisierung des Broms durch die π-Elektronen der
Doppelbindung und es kommt zur Ausbildung des cyclischen Bromoniumions. Darauf erfolgt aus
sterischen Gründen ein nukleopiler trans-Angriff des Bromid-Ions.
Br
Br
+ Br2
trans - 1,2 - Dibromcyclohexan
Cyclohexen
Die Gesamtreaktion lässt sich in folgende Reaktionsschritte unterteilen:
Schritt 1:
Bildung eines cyclischen Bromonium-Ions
Br
+
Schritt 2:
Br2
+
Br
-
Nukleophile Öffnung des cyclischen Bromonium-Ions durch trans-Angriff eines Br :
Br
Br
+
Br
Br
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Seite 10
3.3. Funktionelle Gruppen Teil II: Carbonyle (Aldehyde und
Ketone)
Aldehyde
Aldehyde entstehen durch Oxidation eines primären Alkohols. In der Natur kommen
Aldehyde in gebundener Form in Kohlenhydraten vor, in freier Form nur in geringen
C
Konzentrationen in etherischen Ölen von Duft- und Aromastoffen. In der Industrie
R
H
werden Aldehyde zu Aromen, Pharmazeutika, Pflanzenschutzmitteln und Farbstoffen
verarbeitet.
O
Ketone
Ketone entstehen durch Oxidation sekundärer Alkohole. Propan-2-on (Aceton) ist dar
erste und wichtigste Vertreter in der Reihe der Ketone. Da es sich sowohl in Wasser als
C
R
R auch in hydrophoben Flüssigkeiten löst, ist es in der Industrie und Technik ein vielfach
eingesetztes Lösungsmittel. Früher war Aceton in Nagellackentfernern enthalten Da der
Verdacht besteht, dass es krebserregend ist, wurde es durch andere Lösungsmittel ersetzt.
O
Redox-Reaktionen
Oxidation bedeutet eine Abgabe von Elektronen, was sich formal in der Erhöhung der
Oxidationszahl ausdrücken lässt. Dies gilt für die Reduktion in umgekehrter Weise.
Oxidationstufen
Verbindungen
- IV
CH4
- III
CH3-CH3
- II
CH2=CH2
CH3OH
-I
CH≡CH
CH3CH2OH
0
CH2=O
CH2Cl2
(CH3)2CHOH
+I
CH3CHO
CH3CHCl2
(CH3)3COH
+ II
HCO2H
CHCl3
HCN
+ III
CH3CO2H
CH3COCl
CH3CN
+ IV
CO2
COCl2
CCl4
CH3Cl
(CH3)2CO
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Seite 11
Versuch 3.4: Nachweis von Aldehyden mit Tollens-Reagenz
O
O
R
C
R
+ 2 Ag + 2 OH
C
+ H2O + 2 Ag
OH
H
Carbonsäure
Aldehyd
Versuchsdurchführung:
Chemikalien
Geräte
• 10 % Silbernitratlösung
• Reagenzglas
• 2 M Natronlauge
• Wasserbad
• konz. Ammoniaklösung
• Aceton (Propan-2-on)
• Ethanal
a) 0,5 ml einer 10 %igen Silbernitratlösung werden mit 0,6 ml 2 M Natronlauge vermischt. Das
ausgefallene Silberoxid wird durch tropfenweise Zugabe von konz. Ammoniaklösung gelöst und
die Lösung auf zwei Reagenzgläser aufgeteilt.
b) Zu dem frisch bereiteten Tollens-Reagenz gibt man jeweils einige Tropfen Aceton bzw. Ethanal.
Falls sich in der Kälte kein Silberspiegel bildet, wird kurz auf 60 - 70 °C erwärmt (Wasserbad).
Verwendete Chemikalien:
Silbernitrat
C,N
R:
34-50/53
S:
(1/2)26-45-60-61
2 M Natronlauge
C
R:
35
S:
(1/2)-26-37/39-45
Silberoxid
O, Xn
R:
8-41-44
S:
26-39
konz. Ammoniaklösung
C,N
R:
34-50
S:
(1/2)-26-36/37/39-45-61
Aceton (Propan-2-on)
Ethanal
Silber
F,Xi
F,Xn
R:
R:
R:
11-36-66-67 S:
12-36/37-40 S:
S:
Entsorgung:
gesamte Reaktionslösung Entsorgungsbehälter
ansäuern
C
(2-)9-16-26
(2-)16-33-36/37
(Anorg. SäurenNitrat- / Nitrithaltig)
Im Gegensatz zu Ketonen können Aldehyde von Oxidationsmitteln zu Carbonsäuren oxidiert
werden. Auf diesem Prinzip beruhen die Nachweisreaktionen mit Tollens’ Reagenz.
Stark reduzierende Substanzen wie Aldehyde scheiden aus ammoniakalischer
Silberoxidlösung (Tollens-Reagenz) metallisches Silber aus (Silber wird von der
Oxidationsstufe +1 zur Oxidationszahl 0 reduziert), welches sich als Silberspiegel an der
Reagenzglaswand niederschlägt.
3. PRAKTIKUMSTAG
Seite 12
3.4. Funktionelle Gruppen und ihre Reaktionen Teil III
Carbonsäuren
Durch Oxidation primärer Alkohole kommt man zu den entsprechenden Monocarbonsäuren. Bezeichnend für diese Stoffklasse ist die Carboxylgruppe (CarboxyR C
Gruppe). Da einige höhere Carbonsäuren als Bestandteil der Fette auftreten, bezeichnet
OH man diese als Fettsäuren.
O
Im Organismus kommen zahlreiche Carbonsäuren vor. Als schwache Säuren liegen sie beim
physiologischen pH von etwa 7 deprotoniert, also als Anion vor. Das wird auch in der Benennung
deutlich, man spricht also nicht von Essigsäure (Ethansäure), sondern von Acetat.
Sie spielen eine zentrale Rolle im Stoffwechsel. Dies wird schon bei der Benennung der wichtigen
Stoffwechselzyklen deutlich, dem Citronensäure- oder Citratzyklus.
Carbonsäure-Derivate
Man kennt in der Chemie eine große Anzahl von Carbonsäure-Derivaten. Von diesen sind unter
anderen für Sie besonders wichtig:
•
•
(Carbonsäure-)Ester
(Carbonsäure-)Amide
Ester
Carbonsäuren reagieren mit Alkoholen in Gegenwart katalytischer Mengen einer
Mineral- (HCl) oder Lewis-Säure (BF3) zu Carbonsäureestern und Wasser. Die
Reaktion ist ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Veresterung (Hinreaktion) und
Hydrolyse (Rückreaktion).
O
1
R C
2
OR
O
1
R C
+
HO
Veresterung
2
R
OH
Hydrolyse
O
1
R C
+
2
H2O
OR
Viele natürliche Fruchtaromen enthalten Carbonsäureester. Der Hauptbestandteil dieser Aromen
wird häufig in Lebensmittel oder Süßigkeiten eingesetzt, z.B. Methansäureethylester im Rum- oder
Ethansäure-3-methylbutylester im Bananenaroma. Die Triester des Glycerins (Propan-1,2,3-triol)
spielen als Fette eine besondere Rolle und werden weiter unten behandelt.
Amide
O
1
R
C
Carbonsäureamide erhält man durch Umsetzung der entsprechenden Säurehalogenide, anhydride und –ester mit Ammoniak.
NH2
O
1
R C
X
+
NH3
-
HX
O
O
1
X = Cl, Br, R
R C
NH2
Die biochemisch wichtigsten Amide sind Peptide und Proteine (Ksp. 4.4.)
C
, OR
O
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Seite 13
Versuch 3.5: Darstellung von Acetylsalicylsäure (Aspirin)
O
OH
O
O
H3C
C
C
OH
+
C
O
O
CH3
C
O
C
O
OH
CH3
+
HO
C
CH3
O
Salicylsäure
Ethansäureanhydrid
(Essigsäureanhydrid)
Ethanoylsalicylsäure
(Acetylsalicylsäure)
Ethansäure
(Essigsäure)
Versuchsdurchführung:
Chemikalien
•
•
•
Geräte
•
•
Salicylsäure
Essigsäureanhydrid
konz. Schwefelsäure
Erlenmeyerkolben
Saugflasche/Gummikonus/
Wasserstrahlpumpe
Büchnertrichter/Filterpapier
•
Essigsäureanhydrid ist ätzend. R/S-Sätze beachten!
a) In einem trockenen Erlenmeyerkolben werden 2 g Salicylsäure und 4 ml Essigsäureanhydrid unter dem Abzug - vermischt.
b) Man gibt 6 Tropfen konzentrierte Schwefelsäure zu und erwärmt etwa 10 Minuten im Wasserbad
(50 - 60 °C). Ab und zu schütteln.
a) Nach dem Abkühlen werden 30 ml Wasser dazugeben. Der gebildete Niederschlag wird
abfiltriert und mit wenig kaltem Wasser gewaschen.
d) Das erhaltene Produkt wird gewogen und die Ausbeute bestimmt.
Verwendete Chemikalien:
Salicylsäure
Xn
R:
22-37/38-41 S:
-
Essigsäureanhydrid
C
R:
10-20/22-34 S:
(1/2-)26-36/37/39-45
konz. Schwefelsäure
C
R:
35
26-30-45
Entsorgung:
Reaktionslösung
Entsorgungsbehälter
D
Waschwasser
Entsorgungsbehälter
D
Salicylsäure
Entsorgungsbehälter
A (blaue Lösungsmitteltonne)
S:
Salicylsäure kann als Phenol mit Carbonsäurederivaten zu Estern reagieren
(irreversible Esterdarstellung). Wir führen die Reaktion mit Essigsäureanhydrid durch.
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Seite 14
Mechanismus:
OH
O
C
+
OH
O
CH3
CH3
C
C
O
O
CH3
CH3
C
C
O
O
OH
O
O
C
H3C
CH3
O
C
O
C
OH
+
O
OH
O
O
O
C
C
OH
H3C
+
O
H3C
C
O
O
C
H
OH
Ausbeuteberechnung:
Bei der Veresterung von 69 g von der Salicylsäure mit Ethansäureanhydrid erhält man
Acetylsalicylsäure in einer Ausbeute von 70 %. Wie viel Gramm der Verbindung werden erhalten.
(mit C = 12 g/mol, H = 1g/mol, O = 16 g/mol)
O
OH
O
C
O
H3C
C
OH
C
O
CH3
C
O
+
C
O
CH3
O
OH
+
HO
C
CH3
O
138 g/mol
102 g/kol
180 g/mol
C7H6O3
C4H6O3
C9H8O4
1. Berechnung der Stoffmenge des Edukts:
mE = nE * ME
nE = mE / ME = 0.5 g/mol
mE = Masse des Edukt
nE = Stoffmenge des Edukts
ME = Molekulargewicht des Edukts
2. Berechnung der Stoffmenge des Produkts
A = nP / nE * 100 %
nP = A * nE / 100 % =0.35 mol
A = Ausbeute
nP = Stoffmenge des Produkts
nE = Stoffmenge des Edukts
3. Berechnung der Masse des Produkts
mP = nP * MP = 63 g
mP = Masse des Produkts
nP = Stoffmenge des Produkts
MP = Molekulargewicht des Produkts
3. PRAKTIKUMSTAG
Seite 15
Versuch 3.6: Veresterung von Salicylsäure: Herstellung von „Wintergrünöl“
OH
OH
O
C
OH
O
C
HO CH3
+
Salicylsäure
OCH3
+
Salicylsäuremethylester
2-Hydroxybenzoesäuremethylester
Methanol
H2O
Wasser
Versuchsdurchführung:
Chemikalien
Geräte
• Reagenzgläser/Reagenzglashalter
• Uhrenglas
• Messzylinder
• Bunsenbrenner
a) Lösen Sie in einem Reagenzglas 1 Spatelspitze Salicylsäure in ca. 2-3- ml Methanol.
•
•
•
Salicylsäure
Methanol
konz. Schwefelsäure (H2SO4)
b) Pipettieren Sie zu dieser Lösung vorsichtig (!) 0.5 – 1 ml konz. Schwefelsäure und erwärmen Sie
die Probe für max. 1-2 min. leicht über der Sparflamme.(Schütteln nicht vergessen!)
b) Geben Sie die Tropfen auf ein Uhrglas und prüfen Sie den typischen Geruch des entstandene
Salicylsäuremethylesters („Wintergrünöl“).
Verwendete Chemikalien:
Salicylsäure
Xn
R:
22-37/38-41
S: -
Methanol
F,T
R:
11-23/24/25-39/23/24/25
S: (1/2-)7-16-36/37-45
konz. Schwefelsäure
C
R:
35
S: 26-30-45
R:
22-36/38
S: -
Salicylsäuremethylester Xn
Entsorgung:
Reaktionslösung
Entsorgungsbehälter
A
Carbonsäuren sind relativ reaktionsträge Carboxylverbindungen. Ihre direkte Umsetzung mit
Alkohol zu Carbonsäureestern gelingt daher meist nur in Gegenwart starker Säuren.
Der Salicylsäuremethylester wird auch als „künstliches Wintergrünöl“ bezeichnet.
Natürliches Wintergrünöl ist eine ölige, süß schmeckende Flüssigkeit, die aus den Blättern
des „amerikanischen Immergrüns“ gewonnen wird. Aber auch in den Blüten der
Passionsblume, auch als Maracuja bekannt, ist dieser Ester enthalten.
3. PRAKTIKUMSTAG
Seite 16
Phenole
OH
Während in Alkohole die Hydroxy-Gruppe an Alkyl-C-Atome gebunden sind, enthalten
Phenole eine oder mehrere OH-Gruppen direkt am aromatischen Ring. Die
unterschiedliche Verknüpfungsart alkoholischer und phenolischer Hydroxy-Gruppen ist die
Ursache der verschiedenartigen Reaktivität von Alkoholen und Phenolen.
Versuch 3.7: Qualitative Nachweisreaktion auf Phenole
Versuchsdurchführung:
Chemikalien
•
•
Geräte
•
•
Ethanol
5% wässrige Eisen-(III)chlorid Lösung
Reagenzgläser
Pipette
a) Man löst eine Spatelspitze - etwa 10 mg - Salicylsäure in 0,5 ml Ethanol.
b) Dazu tropft man langsam eine 1%ige wässrige Eisen(III)-chlorid-Lösung und beobachtet die
Färbung.
Verwendete Chemikalien:
Salicylsäure
Xn
R:
22-37/38-41
S: --
Ethanol
F
R:
11
S: (2-)7-16
5% wässrige Eisen-(III)chlorid -Lösung
Xi
R:
22-38-41
S: 26-39
Entsorgung:
Reaktionslösung
Entsorgungsbehälter
Phenole und Enole geben mit
charakteristische rot-blaue Färbung.
.
einer
A (blaue Lösungsmitteltonne)
wässrigen
Eisen-(III)chlorid-Lösung
eine