Naturstoffe

1   Isomerie:

Isomere[1]: Zwei Verbindungen mit gleicher Summenformel, aber unterschiedlicher chemischer Struktur. Isomere unterscheiden sich teilweise in ihren physikalischen, biologischen und chemischen Eigenschaften.

Chiral^[2]: Objekte, deren Spiegelbild nicht durch Drehung mit dem Original in Deckung gebracht werden können.

Achiral: Objekte, deren Spiegelbild durch Drehung in Deckung gebracht werden können.

1. Alkane

1.1 Methan

1.1.1 Vorkommen: 

im Erdgas, Sumpfgas, Biogas, Grubengas

1.1.2 Eigenschaften:

• farb- und geruchloses Gas
• geringere Dichte als Luft
• brennbar

1.1.3 Ermittlung der Summenformel (Molekülformel) und Strukturformel

a) Qualitative Analyse (Elementaranalyse)

Hierfür wird der zu untersuchende Stoff verbrannt und die Verbrennungsprodukte werden bestimmt. 

Bildet sich Wasser, wird Wasserstoff als Element vorhanden sein;
Kohlenstoff kann man einmal als Ruß (bei unvollständiger Verbrennung) oder als Kohlenstoffdioxid nachweisen. Der Kohlenstoffdioxid-Nachweis erfolgt mit der Kalkwasserprobe. Hierfür wird das entstandene Gas in Kalkwasser eingeleitet. Trübt sich die Lösung, ist Kohlenstoffdioxid vorhanden. 

1. Nachweis von Wasserstoff  →  Bildung von Wasser →  WaTesMo-Papier oder wasserfreies Kupfersulfat.
2. Nachweis von C → Bildung von CO₂ →   Nachweis als CaCO₃. 
   Ca(OH)₂ (aq) + CO₂ (g) →  CaCO₃ (s) + H₂O (l)

Die Verbrennungsprodukte (Wasser, Kohlenstoffdioxid) ergeben, dass Methan Kohlenstoff, Wasserstoff und eventuell Sauerstoff enthält


b) Bestimmung der molaren Masse
Mit Hilfe der Gaswägung kann man die Molare Masse von Methan bestimmen: M(Methan) = 16 g/mol
Molekülmasse von Methan 16 u


c) Summenformel:
Daraus ergibt sich folgende Summenformel.
CH₄

d) Strukturformel: 

Man zeichnet Methan meist mit einem Winkel von 90°. Dieser Winkel entspricht nicht  dem Bindungswinkel (vgl. unten). Man kann sich aber vorstellen, dass man direkt auf das Molekül wie in der zweiten Abbildung dargestellt wird, blickt. 

Tetraedrische Anordnung der Wasserstoffatome um das Kohlenstoffatom (Bindungswinkel 109,5 °).  

Erklärung: Größtmögliche Entfernung der Wasserstoffatome. 

1.1.4 Vollständige Verbrennung:

     0            -IV  +I               +IV  -II                +I  -II
2 O₂ +      CH₄     →     CO₂         + 2 H₂O           ΔH = - 888 kJ/mol

Hinweis: Wenn die Ermittlungs der Oxidationszahlen Schwierigkeiten macht, dann kann man es hier nochmals nachlesen. 

1l Methan benötigt zur vollständigen Verbrennung 10 Liter Luft (2 l Sauerstoff).

Hinweis: 1.2 Ethan und 1.3 Propan wird nur bei ausreichend Zeit und entsprechend vorrätigen Chemikalien als einzelne Punkte besprochen. Da es aber sowieso ähnlich ist, wird an dieser Stelle auf den Heftaufschrieb verzichtet (vgl. weiter unten: Homologe Reihe).

1.4 Butan

1.4.1 Vorkommen

im Erdgas, fällt an bei der Benzingewinnung

1.4.2 Eigenschaften

farbloses Gas, größere Dichte als Luft
brennbar (Verbrennungsprodukte bei vollständiger Verbrennung: CO₂ und H₂O )
unter Druck leicht verflüssigbar

1.4.3 Ermittlung der Summenformel (Molekülformel) und Strukturformel

a) Qualitative Analyse (Elementaranalyse)

Die Verbrennungsprodukte (Wasser, Kohlenstoffdioxid) ergeben, dass Methan Kohlenstoff, Wasserstoff und eventuell Sauerstoff enthält

b) Bau und Formeln

1. Molare Masse = 58,12 g/mol
Molekülmasse = 58,12 u

2. Summenformel:

C₄H₁₀

3. Strukturformel:

a) unverzweigte Kette                                           b) verzweigte Kette  

                                  

n-Butan                                                                        Isobutan = 2-Methyl-Propan
Sdp.: - 0,5 °C                                                                Sdp.: - 12 °C

ZMK: nur van-der-Waals-Kräfte; bei n-Butan können sich die Moleküle dichter zusammenlagern und haben dadurch stärkere Zwischenmolekulare Kräfte, d.h. eine etwas höhere Siedetemperatur. 

Räumliche Strukturen im Kugelstabmodell. Versucht die einzelnen Abbildungen Isobutan oder n-Butan zuzuordnen. Der Vorteil von Kugelstabmodelle sind, dass sie die Bindungen und Bindungswinkel anschaulich darstellen. 

Kalottenmodell von 2-Methyl-Propan (= Isobutan). Bei Kalottenmodellen wird die Raumfüllung deutlich. 

Da Strukturformeln bei größeren Molekülen zu lange dauern, hilft man sich mit der Halbstrukturformel aus, wobei die Wasserstoffatome quasi als Summenformel hinter das C geschrieben wird. Man schaut zunächst, wie viele Bindungen ein C schon hat und füllt dann mit so vielen H-Atomen auf, bis die Vierbindigkeit  von Kohlenstoff erfüllt ist. Hier am Beispiel von Isobutan. 

1.4.4 Verwendung

Heizgas („blaue Gaskartuschen“), Kältemittel (Ersatz für FCKW), Treibgas in Sprays, Feuerzeuggas (häufig zusammen mit Propan)

1.4.5 Isomerie 

(isos (griech.) = gleich; meros (griech.) = Teil)
Verbindungen, deren Moleküle bei gleicher Summenformel unterschiedliche Strukturformeln besitzen, bezeichnet man als Isomere. Isomere Verbindungen unterscheiden sich vor allem in ihren physikalischen Eigenschaften (Schmelz- und Siedepunkt) und wenig in ihren chemischen Reaktionen.

1.4.6 Vollständige Verbrennung (Oxidation)

Wenn Butan vollständig verbrannt (oxidiert) wird, so entsteht dabei ausschließlich Kohlenstoffdioxid und Wasser. 

1.5 Homologe Reihe der Alkane

( homo = gleich, logos = Stoff) 
Allgemeine Summenformel der homologe Reihe

C_nH_2n+2


wichtigste Eigenschaften:

1. brennbar (bei vollständiger Verbrennung entsteht CO₂ und H₂O)
2. Dichte (g/cm³) kleiner als 1
3. in Wasser lösen sich die Alkane nicht (evtl. in Spuren), Alkane sind untereinander in jedem Verhältnis mischbar)

Die homologe Reihe

Eine Reihe von organischen Verbindungen, deren aufeinanderfolgende Glieder sich jeweils um eine bestimmte Atomgruppe, z. B. eine CH₂- Gruppe unterscheiden, nennt man homologe Reihe.

Name	Summen- formel	Strukturformel	Halbstrukturformel	Aggregatzustand
Methan	CH4		CH4	gasförmig
Ethan	C2H6		CH3-CH3	gasförmig
Propan	C3H8		CH3-CH2-CH3	gasförmig
n-Butan	C4H10		CH3-CH2-CH2-CH3	gasförmig
n-Pentan	C5H12		CH3-CH2-CH2-CH2-CH3	flüssig
n-Hexan	C6H14		CH3-(CH2)4-CH3	flüssig
n-Heptan	C7H16		CH3-(CH2)5-CH3	flüssig
n-Octan	C8H18		CH3-(CH2)6-CH3	flüssig
n-Nonan	C9H20		CH3-(CH2)7-CH3	flüssig
n-Decan	C10H22		CH3-(CH2)8-CH3	flüssig
n-Undecan	C11H24		CH3-(CH2)9-CH3	flüssig
n-Dodecan	C12H26		CH3-(CH2)10-CH3	flüssig
....
n-Heptadecan	C17H36		CH3-(CH2)15-CH3	fest

Eine Reihe von organischen Verbindungen, deren aufeinanderfolgende Glieder sich jeweils um eine bestimmte Atomgruppe, z. B. eine CH₂- Gruppe unterscheiden, nennt man homologe Reihe.

1.6 Nomenklatur (Benennung) der Alkane

1.6.1 Homologe Reihe der Alkane mit Alkylrest

Ein Alkylrest enthält jeweils ein Wasserstoff-Atom weniger als das entsprechende Alkanmolekül. Alkyle finden sich oft als "Seitengruppe" verzweigter Alkane. 

1.6.2 Nomenklaturregel für Alkane (Genfer Nomenklatur):

Als Beispiel soll folgendes Molekül systematisch benannt werden:

1. Alkane haben die Endung -an. 
    
2. Der Name des Alkans, das die Hauptkette bildet, liefert den Stammnamen des Stoffs.
   Längste Kette der Kohlenstoffkette suchen und „Glattbügeln“.
   
   
   
    
3. Beispiel.: Alle Alkane mit 5 Kohlenstoff-Atomen in der längsten Kette heißen Pentan.
    
4. Die Namen der Seitenketten werden dem Stammnamen vorangestellt. 
   
   
   Beispiel: Methyl-Ethyl-Pentan.
   
    
5. Um anzuzeigen, an welchem Kohlenstoff-Atom die Seitenkette sitzt, wird die Hauptkette nummeriert. Die Verzweigungsstellen sollen dabei möglichst kleine Zahlen erhalten. Die Zahlen werden den Namen der Seitenketten vorangestellt. 
   
   Beispiel: 2,4-Methyl-3-Ethyl-Pentan.
   
    
6. Treten gleiche Seitenketten mehrfach in einem Molekül auf, so wird das entsprechende Zahl-wort (Di-, Tri-, Tetra-, Penta-) als Vorsilbe verwendet.
    
   Beispiel: 2,4-Dimethyl-3-Ethyl-Pentan.
   
    
7. Unterschiedliche Seitenketten werden alphabetisch nach dem Namen der Alkylgruppe geordnet. 
   
   
   
   Beispiel: 3-Ethyl-2,4-Dimethyl-Pentan.

Folgende Abbildung zeigt ein weiteres Beispiel:

 

1.6.3 Isomere der Summenformel C₇H₁₆

Entwickle zur Übung die Halbstrukturformeln der Isomeren der Summenformel C₇H₁₆ und benenne die Verbindungen mit ihrem systematischen Namen! Beachte, dass es 9 unterschiedliche Isomere gibt. Im folgenden die Lösungen (mit der Maus darüberfahren, bei der Halbstrukturformel und für den Namen der Verbindung den Text in der Tabelle markieren (hat eine hellgraue Farbe). 

Halbstrukturformel	Name der Verbindung
	n-Heptan
	2-Methylhexan
	3-Methylhexan
	2,2-Dimethylpentan
	2,3-Dimethylpentan
	2,4-Dimethylpentan
	3,3-Dimethylpentan
	2,2,3-Trimethylbutan
	3-Ethylpentan

tr

1.7 Struktur und Eigenschaften der Alkane

1.7.1 Bindungsverhältnisse

a) Bindungsverhältnisse im Molekül lassen bestimmte chemische Verhalten voraussagen:

b) Bindungen bzw. Kräfte zwischen den Molekülen (ZMKs) sind verantwortlich für die physikalische Eigenschaften (Siedetemperatur, Schmelztemperatur, Löslichkeit, etc.)

Alkane sind typisch unpolare Stoffe (hydrophob, wassermeidend). 

2 Fischer-Projektion

Regeln und Reihenfolge:

1. C-Gerüst senkrecht
2. höchstes oxidiertes C-Atom oben (Oxidationszahl)
3. beide C-C-Bindungen am mittleren C-Atom zeigen nach hinten (hinter die Papier-Ebene)
4. beide horizontale Bindungen am mittleren, asymmetrischen C-Atom (H-C-; H-O-C-Bindung) zeigen nach vorne.
5. Das Isomer, bei dem die Substituentengruppe mit dem elektronegativsten Atom in der Fischer-Projektion rechts steht, wird mit D^[1] bezeichnet; steht der Substituent links, dann wird er mit L^[2] bezeichnet.

Beispiel
a) Milchsäure: 2 Hydroxypropansäure


Im folgenden die D-Milchsäure

 c) Weinsäure (2,3-Dihydroxybutan-1,4-Dicarbonsäure):
Wichtiger Hinweis: die zweite  Weinsäure ist die D-(-)-Weinsäure. Der Name innerhalb der Abbildung  ist falsch! Danke für die Korrektkur. 

Hat eine Verbindung n asymmetrische C-Atome, so gibt es meist 2ⁿ Stereoisomere. Stereoisomere, die keine Enantiomere sind, heißen Diastereomere und haben verschiedene physikalische Eigenschaften. 

Substanzen, deren Moleküle mit ihren Spiegelbildern übereinstimmen, obwohl sie Chiralitätszentranen besitzen, heißen meso-Verbindungen ("Das Spiegelbild des Originals kann durch Drehung wieder genau so aussehen, wie das Original). Sie besitzen eine Spiegelebene im Molekül. 

----------------- 

[1] D = dexter (lat) = rechts
[2] L = laevus (lat) = links

2     Alkene

2.1   Ethen

2.1.1   Eigenschaften

• farbloses, brennbares Gas;
• die Flamme leuchtet stärker als bei Methan und Ethan;
• Siedetemperatur: -104°C
• Schmelztemperatur: - 169°C

2.1.2   Ermittlung der Summenformel

a) Qualitative Analyse (Verbrennungsanalyse)     

Bei der vollständigen Verbrennung von Ethen entstehen H₂O und CO₂.

b) Quantitative Analyse (Bestimmung der molaren Masse)

            Die molare Masse von Ethen: M_(Ethen) = 28 g/mol

            Die Molekülmasse von Ethen: 28 u

c) Summenformel (Molekülformel):             C₂H₄

2.1.3   Strukturformel

Die Doppelbindung zwischen den beiden C-Atomen wird durch zwei Elektronenpaare gebildet. Diese stoßen sich ab. Man spricht von einer „Bogenbindung“ („Bananenbindung“).
Im Ethen Molekül betragen die Bindungswinkel 120°.
Alle Atome liegen in einer Ebene.
Die C=C-Doppelbindung verhindert die freie Drehbarkeit um die C-C-Achse.

Aufgabe: Wie viel Liter Luft benötigt man bei der Verbrennung von 2 l Ethen 

{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

                             C₂H₄               +          3 O₂               →      2 CO₂             +          2 H₂O

                        1 Molekül                    3 Moleküle                  2 Moleküle                  2 Moleküle

Stoffmenge n:       1mol                           3 mol                          2 mol                          2 mol

Mol. Volumen V   22,4 L                         67,2 L                         44,8 L

Dreisatz: x/2L = 67,7L/22,4L 

Zur Vollständigen Verbrennung von 2 L Ethen benötigt man 6 L Sauerstoff, d.h. 30 L Luft.

{/sliders}

.

2.1.4   Vorkommen, Gewinnung und Verwendung

a) Vorkommen

Bei Pflanzen als Hormon (Phytohormon). Steuert:

• Fruchtreifung
• Keimwachstum
• Entwicklung
• Dickenwachstum
• Blattfall
• Informationsweitergabe an benachbarte Pflanzen

b) Gewinnung

• Cracken von Erdöl

c) Verwendung

• Reifung von Früchten
• Herstellung von organischen Stoffen (Kunststoffe, Tenside,...)

2.1.5 Nachweis von Alkenen (Doppelbindung)

Versuch: Ein Erlenmeyerkolben wird unter Wasser mit 250 ml Ethen gefüllt, anschließend werden 0,5 ml Brom dazugegeben und mit dem Stopfen verschlossen.

Alternativ: Hexen + Bromwasser (VORSICHT FALLS MAN BROM NIMMT ⇨ heftige Reaktion)

Beobachtung:
Die Bromfarbe verschwindet; Volumenabnahme; der Erlenmeyerkolben wird warm; es entsteht ein flüssiges Produkt, die Dichte ist größer als 1 g/cm³.

Auswertung:
Zwei Hypothesen:

I) Substitution:

II) Addition:

Ergebnis

Bei der Reaktion Ethen + Brom entsteht (fast) nur ein Reaktionsprodukt. „Bromwasserstoffnebel“ waren kaum zu sehen. Es fand somit eine Addition statt.

Additionsreaktionen: Reaktionen bei denen sich zwei Moleküle zu einem Molekül vereinigen! Es kommt dabei zur Anlagerung von Atomen oder Atomgruppen an Doppelbindungen (Mehrfachbindun-gen).

Reaktionsmechanismus: AE-Reaktionen (elektrophile Addition)

= typische Reaktion von Alkenen

4 Kohlenhydrate - Einteilung der Kohlenhydrate

Name: Die meisten Verbindungen dieser Stoffklasse haben die Summenformel C_x(H₂O)_y. 

Monosaccharide, Einfachzucker
einfache Kohlenhydrate
Bsp.: Glucose, Fructose, Galactose 

Oligosaccharide
zusammengesetzte KH aus 2-8 Monosaccharide; Disaccharide umfasst die Zweifachzucker (Bsp.: Saccharose, Maltose, Lactose).

Polysaccharide
durch Polykondensation von MS entstanden.
Stärke, Glycogen, Cellulose

4.1 Monosaccharide

4.1.1 Glucose - Traubenzucker

Vorkommen: Trauben, Früchte

a) physikalische Eigenschaften

• Aggregatzustand: fest; Schmelzpunkt um 146°C; weiteres Erhitzen führt zur Zersetzung. 
  Folgerung: Glucose besitzt hohe zwischenmolekulare Kräfte (Vermutung: H-Brückenbindung) und van-der-Waals-Kräfte. 

• Löslichkeit: 
  Glucose löst sich sehr gut in Wasser (67g/100ml), dagegen löst sich Glucose nicht in Benzin. Eine wässrige Glucoselösung zeigt (fast) keine elektrische Leitfähigkeit.
  Folgerung: Glucose enthält polare Gruppen, die mit Wasser H-Brücken eingehen können. Es entsteht keine Ionen.

b) qualitative Elementaranalyse

Reaktion von Glucose mit konzentrierter Schwefelsäure:

Folgerung: Glucose enthält Kohlenstoff.
Mitteilung: Glucose enthält neben C noch H und O.

c) quantitative Elementaranalyse
Die quantitative Elementaranalyse nach Liebig ergibt:
 3,6 g Glucose liefert bei der Verbrennung:

• 5,28 g CO₂
• 2,16 g H₂O

Glucose besitzt folgende Summenformel: C_nH_2nO_n
Von dieser allgemeinen Formel [C(H₂O)]_n leitet sich die Bezeichnung Kohlenhydrate ab.
Hinweis: Im Heft folgen jetzt die Arbeitsanleitung zur Strukturaufklärung (mit den diversen Experimenten). Hier folgt jedoch gleich das Ergebnis. Die Reaktionsgleichungen von Fehling und Tollens-Reagenz finden sich dann auf anderen Seiten. 

Ergebnis:
Glucose ist ein Polyhydroxyaldehyd, genauer Pentahydroxyhexanal, ein Aldehydzucker oder Aldose.
Aldose = Monosaccharide, mit terminaler Carbonylgruppe (Aldehyd)
Ketosen = Monosaccharide, mit nicht endständiger Carbonylgruppe (Keton).

Fischerprojektion:
Es gelten folgende Regeln:

• Die C-C-Kette wird senkrecht geschrieben.
• Die am höchsten oxidierte Gruppe steht oben.
• Die C-C-Bindungen sind bei jedem C-Atom nach hinten abgewinkelt;
• dann zeigen die waagrechten Bindungen nach vorne;
• Bei der offenen Glucoseform gibt es vier asymmetrische C-Atome ==> 24-Isomere;
• Die Bezeichnung erfolgt nach dem untersten C-Atom (hier C5-Atom). 
• Da die OH-Gruppe rechts steht ==> D-Konfiguration.
• ==> D-(+)-Glucose 

(L-Glucose erhält man nur synthetisch)

Bildung von Glucose:
Bei Pflanzen (Fotosynthese) und Tieren (durch Abbau von anderen Molekülen).

Fotosynthese:


60 Mrd t Kohlenstoff werden dabei im Jahr gebunden.

Abbau von Glucose:
Bei der Zellatmung (Pflanzen, Pilze, Tiere)

4.1.3 Ringstruktur der Monosaccharide 

Widersprüche:

• Schiffsche Reagenz (typ. Nachweis für Aldehyde) zeigt keine Farbreaktion.
• Drehwinkel in wässriger Lsg. 52,7° statt 112,2°.
• Tollens (1883) schloss daraus, dass Glucose nicht in der offenen Aldehydform vorliegt. 
• Die Ursache hierfür ist in der intramolekularen Verknüpfung der Carbonylgruppe mit einer Hydroxylgruppe des gleichen Zuckermoleküls zu suchen. Es kommt also zu einer innermolekularen Halbacetalbildung.

Haworth-Schreibweise

• zyklisches Glucose Molekül wird als liegendes Sechseck [Pyranosen] oder Fünfeck [Furanosen] gezeichnet;
• Ringsauerstoffatom findet sich in der rechten hinteren Ecke [Pyranosen] bzw. im hinteren Eck [Furanosen];
• Substituenten, die in der FISCHERprojektion nach links weisen, stehen in der HAWORTH-Projektion oben ["Kommunistenregel"]

Erklärung der negativen Reaktion der Glucose mit der Schiffschen Reagenz: Es liegt ein Gleichgewicht zwischen der offenen Kette und dem Ring vor, wobei der Anteil der offenen Kette, bei der wirklich ein Aldehyd vorliegt verschwindend gering ist (<  1%): 

Aldehydform (offenkettig) ⇌ Halbacetalform (Ring)

• Fuchsinschweflige Säure (Schiffsches Reagenz) bildet mit dem Aldehyd eine reversible (umkehrbare) Reaktion, daher findet kein Entzug des Aldehyds statt. Das heißt, es gibt keine GG-Verschiebung und damit keinen wirklichen Aldehydnachweis (der Anteil an offener aldehydhaltigen Glucose ist zu gering). 
• Bei der Fehling-Probe und der Tollens-Probe (Silberspiegel) findet eine GG-Verschiebung statt! Die offene Form wird laufend entzogen, neue Ringe gehen auf und es findet langsam der Aldehydnachweis statt. 

Durch Ringbildung entstehen 2 Strukturisomere der D-(+)-Glucose (keine Spiegelbildisomere).

In wässriger Lösung liegen vor:

                  36%                                           0,26%                                                                64%

Drehwinkel: 112,2°                                                                                                                   18,7°

   

Es entsteht ein neues asymmetrisches C-Atom (= anomeres Kohlenstoffatom) und damit 2 Diasteromere. Anomere = Isomere, die sich nur durch die Stellung der Hydroxylgruppen am anomeren Kohlenstoffatom unterscheiden. 

α-Form: OH-Gruppe am neuen asymmetrischen C-Atom liegt auf derselben Seite wie die am untersten asymmetrischen C-Atom. 

Muta¹rotation: Drehwinkel einer Lösung einer optisch aktiven Substanz ändert sich vom Zeitpunkt des Ansetzens der Lösung kontinuierlich bis zum Erreichen eines festen Wertes. Grund dafür ist, dass man z.B.  α-Glucose in eine wässrige Lösung gibt. Sobald sich das Molekül in Wasser löst, öffnen sich einige wenige Moleküle. Bei der erneuten Ringbildung, bildet sich auch β-Glucose. Erst wenn sich der Anteil wie oben angegeben einstellt, ändert sich der Drehwinkel nicht mehr. 

Glucose α-Form ⇌ offene Form ⇌ β-Form

Bei Glucose ist der Endwert: 0,36  *  112,2°    +    0,64  *  18,7°  =  52,36°

Haworth-Schreibweise
Achtet auf die Durchnummerierung der C-Atome. Am C₁ war ursprünglich die Aldehydgruppe. 

α-D-Glucose β-D-Glucose

Nachweis von Glucose: GOD-Test (Glucose-Oxidase-Stäbchen); Achtung beim schriftlichen Abitur: Fehling oder Tollens ist kein Nachweis für Glucose, sondern nur für Aldehydgruppen!

• Glucose-Oxidase = Enzym: Oxidiert Glucose am C1-Atom zu Gluconsäure und Wasserstoffperoxid (H₂O₂).
• Durch das Enzym Peroxidase (z.B. aus Meerettich) wird das Wasserstoffperoxid zu Wasser reduziert. 
• je mehr Glucose, umso intensiver die Farbe. 
  Im Handel als Teststreifen für Diabeteserkrankung.

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¹: Lat. mutare = ändern 

4.1.4 Systematik der Namensgebung einfacher Zucker

a.) nach Anzahl der C-Atome:

• Triosen (3 Cs)
• Tetrosen (4 Cs)
• Pentosen
• Hexosen 
• Heptosen

 
b) nach der funktionellen Gruppe:

Aldosen: enthalten eine Aldehydgruppe

Ketosen: enthält eine Ketogruppe

 
c) Nach der Größe des Rings in der Ringstruktur

Furanosen: 5er-Ring leitet sich ab von Furan

Pyranosen: 6er-Ring leitet sich ab von Pyran 

4.1.5 Fructose = Fruchtzucker

Vorkommen: in Früchten, Nektar, Honig; vor allem industriell hergestellte Fructose
Eigenschaften: kristallisiert schlecht aus wässriger Lösung → sirupartige Flüssigkeit. 

Summenformel: C₆H₁₂O₆
Fructose ist somit ein Strukturisomer der Glucose.

a) Seliwanow-Probe 

Nachweis, ob es sich bei Kohlenhydraten um Ketosen oder Aldosen handelt.
Ketose --> roter Farbstoff
Aldose --> keine/langsame Reaktion --> farblos


Info: Die Seliwanow-Reaktion ist ein Nachweis für Ketohexosen in der Furanose-Ringform. Da sie im sauren Milieu abläuft, kommt es nicht zur Keto-En(di)ol-Tautomerie. Mit Glucose fällt die Probe deshalb negativ aus.

Strukturformeln: Offenkettige und Ringbildung durch die Halbacetalbildung: 

Fructose bildet wie Glucose Anomere. Neben der Kettenform des Moleküls enthält das Gleichgewicht zwei anomere Pyranosen ( β-D-Fructose und α-D-Fructose; Halbacetalbildung mit dem C5-Atom) und zwei anomere Furanosen ( β-D-Fructose und α-D-Fructose; Halbacetalbildung mit dem C6-Atom).   

Keto-Enol -Tautomerie

Versuche mit Fructose: 

• Fehling →  positiv
• Tollens →  positiv
• GOD (Glucose-Nachweis) + Lauge →  positiv

Funktioniert nicht mit einer Ketogruppe, da diese nicht weiter oxidiert werden kann. Grund, warum die Nachweise trotzdem positiv verlaufen: Innermolekulare Umlagerung unter Protonenwanderung und Elektronenverschiebung. 

 Genauer: 

Glucose und Fructose stehen im Gleichgewicht (Glucose überwiegt); bei der Oxidation von Glucose wird Glucose aus dem GG entfernt →  Fructose wird aufgebraucht.

zu 4.1.7 Reaktionen der Monosaccharide 

Glycosidbildung (~Halbacetal, Vollacetal)

a) Aldehyd + Alkohol          ⇌           Halbacetal (nucleophile Addition) 

b) Halbacetal  + Alkohol         ⇌            (Voll)Acetal + Wasser        

Typische Kondensationsreaktion (unter Wasserabspaltung)

Beispiel:
β-D-Glucose + Methanol ⇌ β-Methyl-Glucosid + Wasser

Zucker           +                      Alkohol          ⇌                     Glycosid                           +  Wasser
Fructose         +                      Alkohol          ⇌                    Fructosid                          + Wasser
Glucose         +                       Alkohol          ⇌                    Glucosid                            + Wasser

Reaktionen von Zuckern untereinander ergeben Di-, Oligo- und Polysaccharide. 

4.2 Disaccharide

4.2.1 Maltose (Malzzucker)

Vorkommen: Entsteht durch unvollständige Hydrolyse von Stärke .

Stärke  -----(Enzym: Amylase)----->   Maltose

Verwendung: Gerstenmalz (Bier brauen)

Eigenschaften:

• Fehling positiv
• zeigt Mutarotation
• besteht aus 2 α-D-Glucoseeinheiten, α-1→4 glycosidisch verknüpft.

4.2.2 Cellobiose 

Vorkommen: Verdauungsprodukt von Pflanzenfressern aus Zellulose

Eigenschaften:

• Fehling positiv
• zeigt Mutarotation
• besteht aus 2 β-D-Glucoseeinheiten, β 1 → 4 glycosidisch verknüpft.

4.2.3 Lactose (Milchzucker)

Vorkommen: Muttermilch von Säugetiere (1,5 – 8 %)

Eigenschaften:

• Fehling positiv
• zeigt Mutarotation
   Hydrolyse ergibt β-D-Glucose und β-D-Galactose, β-1 → 4 glycosidisch verknüpft.

4.2.4 Saccharose (Rohr- oder Rübenzucker)

Vorkommen: Haushaltszucker, Kristallzucker, Zuckerrüben (18-20%), Zuckerrohr (16-22%)

Summenformel: C₁₂H₂₂O₁₁  →  Dissaccharide (2 Moleküle Monosaccharid minus 1 Molekül Wasser)

Physikalische Eigenschaften:

• hoher Schmelzpunkt (ca. 180°C)
• harte Kristalle

Folgerung:

• Molekülgitter mit vielen H-Brückenbindungen
• sehr leicht löslich in Wasser
• eine Rohrzuckerlösung ist zähflüssig  → viele Wasserstoffbrücken

 Chemische Eigenschaften:

• Fehling negativ
• zeigt keine Mutarotation

Schülerexperiment: Nach einer Hydrolyse mit verdünnter Salzsäure:

• Fehling positiv
• Saccharose besteht aus α-D-Glucose und β-D-Fructose
• Beide Monosaccharide sind α-1→2-glycosidisch verknüpft   

Spaltung der Saccharose mit verdünnter Salzsäure = saure Hydrolyse

                  färbt sich rosa                                      roter Niederschlag                         positiv

                  enthält Fructose                                   Aldehydgruppe                             Glucose

Unter Hydrolyse versteht man einen Vorgang, bei dem Atombindungen unter Aufnahme von Wasser gespalten werden (Bsp. Esterspaltungen).

Wichtig: die leichte Hydrolisierbarkeit spricht für eine Verknüpfung über Sauerstoff.

4.2.5 Invertzucker

Saccharose dreht die Ebene des polarisierten Lichts nach rechts. Während der Hydrolyse (durch verdünnte Salzsäure oder Ferment/Enzym Invertase) nimmt die Drehung fortwährend ab und geht in eine Linksdrehung über:

Saccharose +      Wasser       →       D-Glucose    +        D-Fructose
 +66°         +         0°                     + 54,7                    - 92,4

Zahlenwerte αsp in ml/(g • dm)

Man bezeichnet daher diese Spaltung als Inversion des Rohrzuckers und das entstehende Gemisch als Invertzucker.

Inversion: Vorzeichenwechsel der optischen Aktivität im Verlauf einer Reaktion optisch aktiver Verbindungen.

5.4.3 Polysaccharide

• Wichtigsten Beispiele: Stärke, Glykogen (tier. Stärke), Cellulose
• Funktion: Speicher- und Gerüstsubstanz
• Monomere der genannten Beispiele: Glucose; unterschiedl. Verknüpfung

4.3.1 Stärke

a) Vorkommen: 

• Pflanzen (Speicherstoff, osmotisch nicht wirksam)
• Nahrungsmittel (Brot, Teigwaren, Kartoffel, usw.), 

b) Aufbau eines Stärkemoleküls:

c) Bau: α-D-Glucose – Stärkekorn

d) Nachweis: Iodstärke-Reaktion

Versuch: Zu einer Stärkelösung gibt man ein paar Tropfen einer Lösung von Iod in Kaliumiodid (Iod-Kaliumiodid-Lösung, Lugolsche Lösung) Elementares Iod ist in Wasser kaum löslich. Liegen jedoch schon gelöste Iodid-Ionen vor, löst sich das Iod unter Bildung von Polyiodidionen:

2 I₂ + I^-  →   I₃^-  +   I₂   →  I₅^-

Beobachtung: Lösung wird tiefblau
Beim Erhitzen wird die Lösung hell, beim Abkühlen wieder tiefblau

Erklärung: Die Stärkemoleküle sind spiralig angeordnet, in den entstehenden Hohlraum lagern sich Jodmoleküle ein die dort durch van-der-Waals-Kräfte gebunden werden. Eine blaue Iod-Stärke-Einlagerungsverbindung bildet sich. Das gelbe Licht wird absorbiert, die Lösung erscheint blau. Beim Erhitzen nimmt die Beweglichkeit der I₂-Moleküle zu, so dass beim Erhitzen eine Entfärbung eintritt.

Eigenschaften von Stärke (Amylose) 

• in kaltem Wasser: unlöslich
• heißem Wasser: löslich 
• schmeckt nicht süß
• kolloide Lösung (Kolloide: Moleküle oder Aggregate, die sich aus etw. 10³ bis 10⁹ Atomen zusammensetzt und in einem Dispersionsmittel verteilt sind).

Versuch:  

 



Beobachtung:
Im Gegensatz zu NaCl-Lösung ist der Verlauf des Lichtes in der Stärkelösung sichtbar (= Tyndall-Effekt).

Erklärung:
Gebündeltes Licht wird beim Durchgang durch kolloid- oder molekulardisperse Systeme gestreut (d.H. jedes Teilchen streut einen Teil des auftreffenden Lichtes in alle Richtungen des Raums. Dieser von Tyndall 1868 erstmals untersuchte Effekt tritt immer dann auf, wenn Teilchen vorliegen, deren Größe etwa der Wellenlänge des Lichtes entsprechen. Solche Teilchen haben einen Durchmesser von 1 bis 1000 nm.

van-der-Waals-Kräfte/strong

2.2 Nomenklatur der Alkene

Da die Nomenklatur der Alkene ähnlich zur Nomenklatur der Alkane ist, soll dieses Thema gleich als Übung besprochen werden. Schüler des Limes-Gymnasium Welzheims: siehe AB! 

a) Nenne die homologe Reihe der Alkene bis Decen. 

{slider title="Lösung - Homologe Reihe" open="false" class="icon"}

Hinweis: Methen kann es nicht geben; wie sollte bei einem C auch eine C=C-Doppelbindung entstehen. ;-) 

Ethen - Propen - Buten - Penten - Hexen - Hepten - Octen - Nonen - Decen

{/sliders}

b) Zeichne die Strukturformeln von Propen, 1-Buten, cis-2-Buten, trans-2-Buten und 1,3-Butadien. 

{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

Propen:

1-Buten:

cis-2-Buten:

trans-2-Buten:

1,3 Butadien:

{/sliders}

c) Gib die Molekülformel von Propen an. 

{slider title="Lösung - Molekülformel von Propen" open="false" class="icon"}

C₃H₆

{/sliders}

d) Benenne die folgende Verbindungen. 

I: 

II: 

{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

I.: Penta-1,3-dien

II. cis-Pent-2-en

{/sliders}

e) Zeichne die Strukturformeln der isomeren Pentene und benenne die Verbindungen. 

{slider title="Lösung - Pentene" open="false" class="icon"}

Pent-1-en:

cis-Pent-2-en:

trans-Pent-2-en:

3-Methylbut-1-en:

2-Methylbut-2-en:

2.Methylbut-1-en:

{/sliders}

2.6 Phenole = Hydroxybenzole

Vorkommen:

2.6.1 Monohydroxybenzol = Phenol

a) Physikalische Eigenschaften

• Smp.: 40,9; Sdp.: 181,9 °C
• In Wasser nur mäßig löslich (bildet bei ZT eine Emulsion)
• Starkes Zellgift, durch Haut resorbiert

b) Chemische Eigenschaften

• Oxidiert an Luft leicht ⇨ rötliche Färbung
• Karbolsäure“: 2 %ige Säure; Desinfektion
• Im Gegensatz zu Ethanol sauer:

1. Phenol als schwache Säure
pKS = 9,95

Grenzformeln des Phenolations

2.6.3 Synthese

90% der Weltproduktion nach der Hock-Synthese

Wirtschaftliches Verfahren, da auch Aceton nutzbar ist.

siehe Heftaufschrieb

2.6.4 Verwendung

Herstellung von Kunststoffen (Polyamide, Phenoplasten, Phenolharzen und Polycarbonaten)

2.7 Anilin = Aminobenzol

Durch Reduktion von Nitrobenzol.



Neuerdings: Aus Phenol durch Reaktion mit Ammoniak (Ammonolyse)

Physikalische Eigenschaften

• Farblose, ölige Flüssigkeit
• Sdt: 184 °C

Chemische Eigenschaften

• Färbt sich an der Luft braun
• Lösung ist schwach alkalisch

Verwendung (BASF = Badische Anilin und Soda Fabrik)
Wichtiger Ausgangsstoff für Synthesen von Farbstoffen (Anilinfarben), Arzneimittel (Sulfonamide und Schmerzmittel) und Kunststoffe (Polyurethane).

Mesomere Grenzstrukturen

Reaktion mit Wasser
Anilin ist eine sehr schwache Base (pKB = 9,42), da sich das freie Elektronenpaar am Stickstoffatom an der Mesomerie der Doppelbindungselektronen im Ring beteiligt. 

2.8 Allgemeines Zahlenbeispiel

2.9 Säure-Basereaktionen mit Benzoesäure

a) Benzoesäure + Wasser

Man gibt festes Benzoesäure in Wasser. Dabei beobachtet man, dass die Benzoesäure als weiße Substanz oben auf dem Wasser schwimmt. Auch mit Schütteln löst sie sich nichtauf. 

Frage: Warum löst sich Benzoesäure nicht in Wasser? Dafür muss man sich einmal Benzoesäure anschauen (Hinweis: Benzoesäure ist noch vereinfacht "falsch" geschrieben, da wir die Aromaten erst später genauer betrachten). 

Erklärt, warum Benzoesäure nur schlecht in Wasser löslich ist!

{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

Bei Benzoesäure ist ein großer Teil unpolar. Der polare Teil ist kleiner. Es kann zwar mit Wasser H-Brücken ausbilden, aber der große Rest sorgt bisher für eine schlechte Löslichkeit. 

Hinweis: Ähnliches löst sich in ähnlichem. 

{/sliders}

Zusammenfassung Beobachtung: wenig löslich in Wasser; die Lösung reagiert schwach sauer.

Formuliert die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Benozesäure mit Wasser mit binden und nichtbindenen Elektronenpaaren (Hinweis; Benzoesäure ist jetzt schon etwas vereinfacht geschrieben indem die H-Atome am Ring weggelassen wurden. 

{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

Es findet nur eine schwache Reaktion mit H₂O statt. Es reagieren nur wenige Benzoesäuremoleküle. Das Gleichgewicht liegt rechts. 

{/sliders}

b) Benzoesäure + Natronlauge (Neutralisation)

Man gibt vorsichtig Natronlauge zu und schüttelt die Lösung bis 
Beobachtung: Es entsteht eine klare Lösung. 

Formuliert hierfür auch wieder eine Reaktionsgleichung mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren. 

{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

{/sliders}

Die Benzoesäuremoleküle reagieren praktisch vollständig.

c) gelöstes Natriumbenzoat + verd. Salzsäure
Die klare Lösung wird trübe. Weißes, pulverartige Substanz schwimmt wieder auf der Oberfläche. 

{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

 {/sliders}

Feste Benzoesäure scheidet sich ab; die Benzoanionen reagieren praktisch vollständig.

4.3.2 Cellulose

Vorkommen: Cellulose ist das in der Natur am häufigsten auftretende Kohlenhydrat. Sie ist die Gerüstsubstanz in der Pflanzenwelt. 
z.B.: Baumwolle, Flachs, Hanf (fast 100%); Stroh (30%); Holz (40-50% Cellulose).

Eigenschaften: Cellulose ist eine weiße, in Wasser und in den meisten organischen Lösungsmitteln unlösliche Substanz. 

Hydrolyse der Cellulose:
a) Versuch: Filterpapierschnitzel werden mit konz. Salzsäure übergossen. Diese Mischung gibt man in 50 mL Wasser und erhitzt etwa 10 Minuten.
Anschließend wird die Fehlingsche Probe durchgeführt.

Beobachtung: roter Niederschlag

b) Versuch: GOD-Test mit der hydrolisierten Cellulose.
Beobachtung: Grünfärbung des Teststreifens.

Folgerung: Cellulose enthält als Baustein D-Glucose.

c) Versuch: Dünnschichtchromatographie
Ein Chromatogramm gibt genauen Aufschluss über die Bausteine: Glucose. Bei vorsichtiger Hydrolyse ist außer β-D-Glucose auch noch Cellobiose nachweisbar (Cellobiose ist ein Disaccharid aus 2 ∙ β-D-Glucosemolekülen). 

Aufbau eines Cellulosemoleküls  

Cellobiose

Ausschließlich β-(1,4)-glycosidische Bindung

Bei der Cellulose handelt es sich um fadenförmig gestreckes Makromoleküle. Diese Makromoleküle lagern sich zu Elementarfibrillen zusammen (H-Brücken). 

4.3.3 Unterschied: Cellulose – Stärke

a) Räumlich unterschiedliche Verknüpfung der Glucoseringe in den Makromolekülen

Cellulose:                (-Glu-Glu-Glu-Glu- verknüpft  β 1→4)
Stärke (z.B. Amylose) (-Glu-Glu-Glu-Glu-  verknüpft  α 1→4 )

b) Unterschiedliche Anordnung der Makromoleküle

Cellulose: langgestreckte, unverzweigte Kettenmoleküle
Stärke: verzweigte Kettenmoleküle, die spiralig aufgerollt sind.

c) Unterschiedliche Molekülmasse

Cellulose: bis 1,8 Millionen u
Stärke: bis 50 000 u

4.3.4 Verwendung der Cellulose

Nahrungsmittel: Der Mensch kann β-1,4-Bindungen der Cellulose nicht abbauen ( → Ballaststoffe). 
Im Dickdarm schaffen das anaerobe Bakterien

→  Umwandlung in Fettsäuren → Resorption. 
Kühe: Pansen: Mikroorganismen →  Celluloseverdauung
Pferde u.a. Dickdarm
Einige Pilze und Silberfischchen (eine der wenigen Tiere mit eigenen Cellulasen). 
Wichtigste Textilfasern: Baumwolle.
Aus Hanf, Flachs, Jute werden Leinen, Säcke, Segeltuch, Matten usw. hergestellt.
Papier

4.3.4 Derivate der Cellulose

a) Cellulose – Kunstseiden

b) Schießbaumwolle (Christian Friedrich Schönbein, Metzinger Chemiker, geb. 1799).
Schießbaumwolle ist Cellulosenitrat (fälschlicherweise als Nitrocellulose bezeichnet).

Herstellung der Schießbaumwolle: 20 mL konz. H₂SO4 + 10 ml rauchende HNO₃ zur Kühlung kaltes Wasserbad; 2 g Watte dazugeben und mit Galsstab umrühren. Nach 10 Minuten wird die veresterte Watte nur gut mit Wasser ausgewaschen und anschließend im Exsikkator getrocknet.
Schießbaumwolle ist Grundlage für raucharmes Schießpulver, welches das Schwarzpulver ersetzte.  z.T. mit Nitroglycerin versetzt dient die Schießbaumwolle als Sprengmittel mit einem Initialzünder.

erbrennung
Normale Watte, die fast ausschließlich aus Cellulose besteht, ist nur schwer brennbar. Schießbaumwolle verbrennt explosionsartig mit einer Stichflamme. Bei der Verbrennung der Schießbaumwolle werden große Mengen stabiler Gase frei, die durch ihre Ausdehnung zu einer Druckwelle führen, die typischerweise eine Explosion begleitet. Die entstandenen Gase sind Stickstoff (N₂), Stickoxide (NO_x) , Kohlenstoffmonoxid (CO), sowie Kohlendioxid (CO₂).

Reaktionsgleichung der Herstellung von Nitriersäure

Summenformeln:

2 H₂SO₄ + HNO₃ → NO₂⁺ + H₃O¹⁺ + HSO₄^1- 

Herstellung von Schießbaumwolle: 

5 Alkanol, Alkohol

5.1 Ethanol, Trinkalkohol, Weingeist

5.1.1 Herstellung

Alkoholische Gärung:
Mikroorganismen (z.B. Hefe = Pilze) nutzen diesen Stoffwechselweg zur Energiegewinnung, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist (= anaerobe Bedingungen). Dabei werden Kohlenhydrate (vor allem Glucose) mit Hilfe von Enzymen (Biokatalysatoren) in Kohlenstoffdioxid und Ethanol umgewandelt.

Zucker (Glucose) --(Hefe)-->  Ethanol + Kohlenstoffdioxid ΔH < 0

Ferner entstehen Glycerin, Methanol, „Fuselalkohole“ (= höhere Alkohole), Aldehyde, Ketone, organische Säuren und Ester.

Bei einem Volumenanteil von etwa 14% Ethanol stellen die meisten Hefen ihre Tätigkeit ein.

Problem: Wie kann höher konzentriertes Ethanol gewonnen werden?

Lösung:
Destillation: Ein Verfahren zur Trennung von Flüssigkeitsgemischen durch Verdampfen und anschließender Kondensation des Dampfes.

Vgl. AB .

5.1.2 Eigenschaften

a) physikalische

• farblose Flüssigkeit
• Siedetemperatur: +78°C
• Schmelztemperatur: -114°C
• Gute Mischbarkeit mit Wasser und Benzin (SE )

b) chemische

• brennbar

5.1.3 Formelermittlung von Ethanol

I. Qualitative Elementaranalyse

Versuch 1: Verbrennungsanalyse

• Ethanol verbrennt zu Wasser und Kohlenstoffdioxid;
• Nachweis von CO₂: Kalkwasser (weißer NS)
• Nachweis von H₂O: Watesmo-Papier wird blau

1. Ergebnis: Ethanol enthält somit zumindest C und H.

Versuch 2: Ethanol reagiert mit Magnesium - Sauerstoffnachweis

Durchführung: 

1. Aufbau siehe Abbildung
2. Zunächst wird das Magnesiumband zum Glühen gebracht
3. Danach verdampft man den Alkohol, der über das glühende Magnesiumband streicht. 

Beobachtung:

 Sobald Ethanol über das glühende Magnesiumband streicht glüht dieses heller auf und es bleibt ein kristalliner weißer Feststoff (Magnesiumoxid) übrig. 

Ergebnis:

• Ethanol enthält neben Kohlenwasserstoff und Wasserstoff noch Sauerstoff. 

II. Molekülmassenbestimmung (Verdampfungsmethode)

Hinweis: Dieser Versuch nur bei ausreichender Zeit durchgeführt. Nicht wundern, falls ihr das nicht im Heft stehen habt (dann kommt es auch in der Klausur nicht dran). 

{slider title="Molmassenbestimmung nur bei viel Zeit" open="false" class="icon"}

Versuch: Molmassenbestimmung von Ethanol

In den Erlenmeyerkolben werden 0,1 ml Ethanol eingespritzt. Auf der vergrößerten Oberfläche der Glasperlen wird das Ethanol leicht verdampft. Das entsprechende Gasvolumen kann am Kolbenprober abgelesen werden.
Auswertung:
0,1 ml Ethanol haben bei Standardbedingungen (SATP)* (25°C) ein Dampfvolumen von 43 ml.
0,1 ml Ethanol haben bei Normalbedinungen (0°C) ein Dampfvolumen von 37,8 ml.

Eingesetzte Masse Ethanol: über Dichte:

ρ = Dichte

m = Masse

V = Volumen

Rechnung:

37,8 ml Ethanol (NB) haben die Masse 0,079 g: ρ = m/V = 0,079 g/37,8 ml = 0,0021 g/ml

Über das molare Gasvolumen bei Normalbedingung Vm (Gas) = 22,4 L kann man die Molmasse berechnen. 

1 mol Ethanoldampf unter NB haben die Masse: 

M(Ethanol) = (0,079 g * 22 400 ml)/37,8 ml = 46,8 g    (Dreisatz)

{/sliders}

Literaturwert: M(Ethanol) = 46 g/mol.

_______________

* SATP-Bedingungen (Standard Ambient Temperature and Pressure)