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

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)

4.1.2 Halbacetalbildung bei Zucker (z.B. Glucose)

a) Strukur eines Aldehyds (Alkanals)

Folgende Abbildung zeigt, wie eine Aldehydgruppe angegriffen werden. Durch die höhere Elektronegativität des Sauerstoffatoms werden die Elektronen vom Kohlenstoff weg hin zum Sauerstoff gezogen (polare Atombindung). Dadurch kann am Kohlenstoff ein nucleophiles (kernliebendes Teilchen) angreifen. Nucleophile Teilchen besitzen ein freies Elektronenpaar, mit dem es angreifen kann. 

Der Sauerstoff der Aldehydgruppe besitzt ein freies Elektronenpaar. Hier kann ein elektrophiles Teilchen (wie z.B. ein H⁺ (Proton)) angreifen. 

Das Aldehydmolekül enthält eine polare Doppelbindung mit freien Elektronenpaaren; Additionsreaktionen sind möglich. 

b) Aldehyd + Alkohol (A_N-Reaktion = nucleophile Addition)

Halbacetale kann man selten isolieren (Ausnahme: Zucker). Ein Halbacetal kann mit Alkohol zu einem Vollacetal weiterreagieren (vgl. Disaccharide). 

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.

-----

¹: Lat. mutare = ändern 

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. 

4.1.6 Galactose = Schleimzucker

Unterscheidet sich von der Glucose durch die Stellung der Hydroxylgruppe am dritten asymmetrischen C-Atom. Kommt in den Schleimhäuten vor (Name!).  

4.1.7 Reaktion der Monosaccharide

a) Oxidation zu Polyhydroxysäuren  

Bei gelinder Oxidation der Aldosen geht nur die Aldehydgruppe in die Carboxylgruppe über. Durch stärkere Oxidation der Aldosen (z.B. mit konz. HNO₃) wird nicht nur die Aldehyd- sondern auch die primäre Alkoholgruppe in die Carboxylgruppe überführt. 

b) Reduktion zu Zuckeralkoholen
Die Monosaccharide lassen sich z.B. katalytisch mit Wasserstoff zu mehrwertigen Alkoholen reduzieren.

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)

5.1.4 Versuch: Ethanol + Alkalimetall

Versuch: Ein Stück Lithium ( SE ) wird auf Ethanol, Benzin und Wasser gegeben. Alternativ kann man die Experimente auch mit Natrium als Lehrerversuch durchführen. Die Reaktionsgleichungen sind mit dem Alkalimetall Natrium formuliert. Für Lithium gilt es analog. 

Bei Wasser ist der Aufbau etwas komplizierter: 

Beobachtung: Gasentwicklung; das entstehende Gas ist brennbar; Natrium „verschwindet“; die neu entstandene Lösung leitet den elektrischen Strom; dampft man die Lösung ein, entsteht ein weißer Feststoff.

Ergebnis: 
Ethanol (Struktur a) reagiert mit Natrium unter Wasserstoffbildung. Struktur b (Dimethylether) würde so nicht reagieren, da sich kein Proton abspalten kann. Somit besitzt Ethanol die Strukturformel:

1. Natrium + Wasser

a) Teilchengleichung (mit Strukturformeln)

b) Reaktionsgleichung

2. Natrium + Ethanol

Man kann Ethanol ja als Derivate (=Abkömmlinge) von Wasser betrachten. Wasser hat ein Sauerstoff-Atom und zwei Wasserstoff-Atome; Ethanol hat ein Sauerstoff-Atom, ein Wasserstoff-Atom und eine Ethyl-Gruppe. Beim Ethanol ist also ein Wasserstoff-Atom durch eine Ethylgruppe ersetzt. Wenn wir diese Alkylgruppe als "Rest" betrachten, dann zeigt sich die Verwandtschaft von Ethanol mit Wasser. Hat man also die Reaktionsgleichung von Wasser mit Natrium verstanden, dann müsste einem auch die Reaktionsgleichung von Ethanol (und anderen Alkoholen) leichtfallen. Versucht nun einmal, die Reaktion von Natrium mit Ethanol zu formulieren. 

a) Teilchengleichung (mit Strukturformeln)

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

{/sliders}

b) Reaktionsgleichung

{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}
2 Na (s) + 2 C₂H₅OH (l) 2 NaC₂H₅O (aq) + H₂ (g)

{/sliders}

Auswertung: Es ist keine „klassische“ Säure-Base-Reaktion nach Brönstedt. Grund: +I-Effekt (vgl. unten) der Methylgruppe (Protonierung ist erschwert). Es handelt sich hier um eine Redoxreaktion (Veränderung der Oxidationenszahlen). Formal geben zwei Moleküle Ethanol je ein Proton ab. Jedes Proton nimmt von einem Natrium- bzw. Lithiumatom ein Elektron auf; es bilden sich so zwei Wasserstoffatome, die sich zu einem Wasserstoffmolekül zusammenlagern. Analog, nur heftiger, verläuft die Reaktion mit Wasser.

Weitere Übungen: 

Lithium und Methanol

Formuliert auch dafür die Reaktionsgleichung (vgl. oben)

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

{/sliders}

Kalium und Propanol

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

{/sliders}

5.2 Homologe Reihe der Alkohole, Alkanole

Vgl. AB

Vervollständige die Tabelle: 

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

{/sliders}

5.2.1 Alkohole bestehen aus zwei verschiedenen Gruppen:

Hydroxygruppe (früher Hydroxyl-Gruppe):

Sowohl vom positivierten Wasserstoff als auch vom negativierten Sauerstoff können Wasserstoffbrücken ausgehen (Hydrophiler Rest).

b) Alkylgruppe (bspw. "Methyl"):

Hier liegt kein positivierter Wasserstoff vor, es können sich keine Wasserstoffbrücken ausbilden (Hydrophober Rest).

5.2.2 Einige wichtige Alkohole

a) Methanol (Methylalkohol, „Holzgeist“): CH₃OH

Sdp.: + 65°C

Herstellung: Aus Methangas
Verwendung:

• Zur Synthese in der chemischen Industrie
• Frostschutzmittel

Nachweis: Grüne Flamme von Trimethylborat LE

b) Ethanol (Ethylalkohol, „Weingeist“): C₂H₅OH

Sdp.: + 78°C

c) Propanol (Propylalkohol) C₃H₇OH

1. 1-Propanol oder n-Propanol
   Sdp.: 97°C

1. 2-Propanol oder Isopropanol
   Sdp.: +82°C
   Verwendung: u.a. Lösungsmittel

d) Butanol (Butylalkohol);C₄H₉OH

Es gibt vier isomere Verbindungen:
AA: zeichnet alle 4 Isomere und beschriftet sie nach der Genfer Nomenklatur

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I) 1-Butanol = Butan-1-ol: Sdp.: + 117°C

II) 2-Butanol: Sdp.: + 100°C

III) 2-Methyl-2-propanol = 2-Methyl-Propan-2-ol: + 83°C

IV) 2-Metyhl-1-propanol: + 108°C

{/sliders}

5.2.3 Löslichkeit von primären und unverzweigten Alkoholen 

Versuchsskizze: Methanol + Benzin

Merke: Je länger das Alkoholmolekül, desto ähnlicher den Alkanen (unähnlicher dem Wasser).

Allgemein gilt: „Ähnliches löst sich in Ähnlichem“

Niedere (kurzkettigere) Alkohole können Solvathüllen bilden deshalb Salze lösen (jedoch schlechter als Wasser!). Es gibt sogar feste Salze mit „Kristallalkohol“. (analog: Salze mit Hydratwasser).

5.2.4 Primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole

a) Bei primären Alkoholen ist das C-Atom, das die OH -Gruppe trägt, an höchstens ein weiters C-Atom gebunden.
Bsp.: Ethanol

b) Bei sekundären Alkoholen ist das C-Atom, das die OH -Gruppe trägt, an zwei weitere C-Atome gebunden.

Skizziert zunächst selbständig eine Strukturformel, für welches die Definition gilt: 

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

Bsp.: 2-Propanol

Die "zwei weiteren C-Atome" sind grün markiert. 

{/sliders}

c) Bei tertiären Alkoholen... (vervollständigt die Definition und zeichnet ein mögliches Molekül):

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

...ist das OH-Gruppe tragende C-Atom an 3 weitere C-Atome gebunden.
Bsp.: 2-Methyl-2-propanol:

 {/sliders}

 5.2.5 Allgemeine Molekülformel der Alkohole (Alkanole)

C_nH_2n+1OH
Alle Alkohole enthalten die Hydroxygruppe (Hydroxylgruppe) als funktionelle Gruppe.

5.2.6 Mehrwertige Alkohole

Aus Gründen der Erlenmeyer-Regel kann es z.B. kein 1,1-Di-Hydroxy-Methanol geben. Was passiert, wenn man es trotzdem versucht wird in einem späteren Kapitel erklärt. 

Der einfachste mehrwertige Alkohol ist Ethandiol ("Glykol"). 

Aufgaben:

1. Zeichne Ethandiol als Strukturformel. 

2. Sortiere Ethan, Ethanol, Ethandiol nach steigender Siedetemperatur und begründe Deine Wahl.

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

1. 

2.  Siedetemperatur: 

Ethan (Sdt.: - 88,5 °C): nur London-Kräfte

Ethanol (Sdt.: + 78,4 °C): DDW und H-Brücken

Ethandiol (Sdt.: +197,4 °C): DDW und noch mehr Möglichkeiten für H-Brücken

Info: Glykol (Ethandiol) ist eine dickflüssige (H-Brücken), giftige und süß schmeckende Flüssigkeit. Sie wird als Frostschutzmittel z.B. im Kühler von PKWs eingesetzt, weil eine Mischung von Ethandiol und Wasser die Erstarrungstemperatur herabsetzt: Grund: Störung der Kristallbildung durch Ausbildung von starken H-Brücken zwischen Ethandiol-Molekülen und Wasser. 

{/sliders}

3.  Zeichne Propantriol. 

4.  Beurteile die Löslichkeit von Propantriol in Wasser und n-Heptan (bzw. Benzin)

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

3. 

4. Propantriol ist stark hydrophil dank drei Hydroxy-Gruppen. Dadurch polar und kann H-Brücken ausbilden. Es löst sich sehr gut in Wasser und ist in n-Heptan (bzw. Benzin) unlöslich. Ich danke J.K. für das Auffinden des Fehlers. 

Info: Propantriol ist ungiftig. Auch diese Flüssigkeit schmeckt süß und ist sehr viskos (noch mehr Hydroxy-Gruppen). Auch Glycerin ist ein Frostschutzmittel (selbst in Insekten) und wird auf Grund hygroskopischer Wirkung auch in Cremes, Zahnpasten und Tabak (Shisha-Tabak) zum Feuchthalten benutzt. In Fetten und Ölen ist es mit Fettsäuren verknüpft (siehe später). 

{/sliders}

5. Zeichne Hexanhexol

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Info: Die ZMKs sind bei Hexanhexol (= "Sorbit") so groß, dass dieser Stoff schon bei Zimmertemperatur fest ist. Er kommt in der Natur in Früchten vor (Pflaumen, Eberesche,...). Hexanhexol wird als Zuckeraustauschstoff benutzt. 

{/sliders}

5.3 Chemische Reaktionen von Alkohol, Alkanol (am Beispiel von Ethanol)

5.3.1 Bindungsverhältnisse

5.3.2 Ethanol und Natrium (Redoxreaktion)

Ein Thema, welches schon zuvor angesprochen wurde. 

5.3.3 Verbrennung von Ethanol

Übung: Formuliere eine Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von Ethanol. Bestimme hierfür auch die Atome, die oxidiert und die reduziert wurden und begründe Deine Wahl. 

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Oxidation = Erhöhung der Oxidationszahlen („e- Abgabe“) ⇨ C
Reduktion = Erniedrigung der Oxidationszahlen („e- Aufnahme“) ⇨O (nur der Luftsauerstoff)

{/sliders}

5.3.4 Reaktion von Ethanol mit Bromwasserstoffsäure

Im Mikroglasbaukasten werden 1ml Ethanol mit 4 ml HBr erhitzt. Das entstehende Produkt wird in Wasser eingeleitet. Das neue Produkt (Bromethan) besitzt eine größere Dichte als Wasser.

Ablauf der Reaktion:

1. Schritt: Protonierung

⇒ Säure-Base-Reaktion

2. Schritt: Nucleophile Substitution

Es handelt sich also um eine nucleophile Substitution, SN-Reaktion.

Substitution an Alkoholen laufen meist erst nach Protonierung ab! Ein Hydroxidion (OH⁻ ) ist stärker nucleophil und viel schwerer abzuspalten als ein Wassermolekül (schwach nucleophil).

6 Carbonylverbindungen – Alkanale (Aldehyde) und Alkanone (Ketone)

6.1 Alkanale (Aldehyde)

6.1.1 Herstellung

Die grundsätzliche Reaktion für die Herstellung ist die Oxidation eines Alkohols. Wichtig dafür ist, dass man die Erlenmeyer-Regel verstanden hat. 

Experiment (Hinweis: Anders als bei den Übungen angegeben, darf man den Versuch nicht mit allen Alkanole durchführen, weil extrem giftige Stoffe entstehen können!). 

Um einen Alkohol oxidieren zu können, braucht man ein "Oxidationsmittel", also ein Stoff, der andere Stoffe oxidiert. In unserem Schullabor ist das Kupfer(II)-oxid. Dieses Kupfer(II)-oxid stellen wir ganz einfach her, indem wir Kupferblech in einer Teclu-Flamme oxidieren (linke Seite der Abbildung). Dadurch färbt sich das Kupferblechdurch das Kupfer(II)-oxid schwarz. 

Übung: Formuliere für diesen Vorgang die Reaktionsgleichung (Struktur- und Summenformel), bestimme die Oxidationszahlen und beurteile welche Atome oxidiert und welche reduziert wurden. 

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

{/sliders}

Im nächsten Schritt taucht man noch das heiße, schwarze Kupferblech mit dem Kupfer(II)-oxidschicht in den Alkohol. sofort wird das schwarze Kupfer(II)-oxidblech an den Stellen die in den Alkohol eintauchen blank und kupferfarben. Das Kupfer(II)-Oxid wurd also wieder zu Kupfer reduziert.   

Wenn Kupfer reduziert wurde, muss der Alkohol oxidiert werden. In der folgenden Reaktionsgleichung ist das einmal für das Beispiel Methanol dargestellt: 

Beispiel Herstellung von Methanal:

I.) Methanol → Methanal

Bei der Reaktion wird Methanol so oxidiert, dass als man sich vorstellen kann, wie zwei Hydroxy-Gruppen an einem C-Atom gebunden werden (Abbildung in der "Wolke"). Dafür wurde zwischen C und H ein Sauerstoff gebunden. Laut Erlenmeyer-Regel geht das aber nicht. Im nächsten Schritt muss also Wasser abgespalten werden und es bildet sich eine Carbonyl-Gruppe, nämlich das Methanal. 

Versucht bitte einmal diese Schritte nachzuvollziehen, ich habe sie farbig auch hervorgehoben. 

Nun seid ihr dran: Formuliert für die Bildung von Ethanal (aus Ethanol) und Propanal (aus Propanol) auch die Reaktionsgleichungen wie oben. 

II) Ethanol → Ethanal

Formuliert für die Bildung von Ethanal aus Ethanol die Reaktionsgleichung mit freien und bindenden Elektronenpaaren. 

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

{/sliders}

III) Propanol → Propanal

Formuliert für die Bildung von Propanal aus Propanol die Reaktionsgleichung mit freien und bindenden Elektronenpaaren. 

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

{/sliders}

Wichtig: Alle primären Alkohole lassen sich durch Oxidation (bzw. Dehydrierung) in Aldehyde (Alkanale) überführen.