„Die Chemie der Orange“

Philipps-Universität Marburg Fachbereich 15 – Chemie

Übungen zum Experimentalvortrag

Leitung: Prof. Bernhard Neumüller, Dr. Philipp Reiß

Protokoll zum

Experimentalvortrag OC

„Die Chemie der Orange“

von Meike Griesel

meikegriesel@gmx.de Sylvester-Jordanstraße 18

35039 Marburg

vom Vortrag am 09.12.2009 im Wintersemester 2009/2010

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung Seite 3

2. Inhaltsstoffe Seite 4

2.1. Limonen Seite 5

2.1.1. Demo 1: Isolation von Limonen Seite 6

2.1.2. Versuch 1: Mischverhalten von Limonen Seite 7 2.1.3. Versuch 2: Bromierung von Limonen Seite 9

2.2. Fruchtsäuren: Citronensäure Seite 11

2.2.1. Demo 2: Isolation von Citronensäure Seite 12 2.2.2. Versuch 3: Nachweisreaktionen für Citronensäure Seite 14

2.2.3. Demo 3: DC von Fruchtsäuren Seite 17

2.2.4. Versuch 4: Polyester aus Citronensäure Seite 20

2.3. Vitamin C Seite 22

2.3.1. Versuch 5: Gehaltsbestimmung von Vitamin C Seite 23 2.3.2. Versuch 6: Reduktionsmittel Ascorbinsäure Seite 26

3. Schulrelevanz Seite 28

4. Literaturverzeichnis Seite 30

5. Bildquellennachweis Seite 31

1. Einleitung

Der Orangenbaum hat den lateinischen Namen „Citrus sinensis“ und ist ein Baum, der acht bis fünfzehn Meter hoch werden kann. Der Orangenbaum ist eine immergrüne Pflanze, dessen Blätter oval zugespitzt und ledrig sind. Die Blüten des Baumes sind weiß und duften stark. Sie können einzeln oder in Dolden an den Ästen hängen. Die Blüten bestehen aus fünf

miteinander verwachsenen Kelchblättern und fünf weißen Blütenblättern. In der Regel blüht der Orangenbaum das ganze Jahr und ist vom Nährstoffbedarf sehr anspruchslos. Der

Orangenbaum ist in der Lage ohne Fremdbestäubung Früchte zu bilden. Die Früchte sind rund oder breit-oval (Nowak, 113).

Es gibt drei Hauptsorten des Orangenbaumes. Die Blondorange ist die wichtigste Art der Orange. Blondorangen werden hauptsächlich im Mittelmeerraum und in den USA angebaut. Navalorangen sind ursprünglich in Brasilien gezüchtet worden und zeichnen sich durch die Ausstülpung an der Spitze aus. Bei der Blutorange ist das Fruchtfleisch rot gefärbt und bei einigen Sorten ist außerdem auch die Schale rötlich gefärbt (113). ⁴

Die Herkunft des Orangenbaumes wird in Südchina und Indochina vermutet. Die ursprüngliche Herkunft konnte nicht so leicht

festgestellt werden, da der Orangenbaum schon in vorchristlicher Zeit bis in den Vorderen Orient bekannt war und angebaut wurde. In Europa hielt der Orangenbaum Einzug an die europäischen Adelshöfe im 15. und 16. Jahrhundert. In Europa galt er lange Zeit als

Zierpflanze und es kam zum Bau von Orangerien. Heute ist der Orangenbaum eine weltweit bedeutende Nutzpflanze in warmen Ländern. Der Orangenbaum wird auf allen fünf

Kontinenten angebaut. Die heutigen Hauptanbaugebiete sind Brasilien, die USA, Mexiko und Indien (114).

Die Frucht des Orangenbaumes ist von einer etwa fünf

Millimeter dicken Schale umgeben, die in warmen Regionen der Erde eine eher grünliche oder gelbliche Farbe hat, in kalten Regionen färbt sich die Schale der Frucht orange. Die weiße Albedo, die die Frucht unter der Schale umhüllt, ist dünn und ⁵

4www.schulbilder.org

5www.food.foto24.de

schwer vom Fruchtfleisch zu trennen. Das Fruchtfleisch ist in der Frucht in zehn bis vierzehn Segmente unterteilt, die so genannten Spalten. In jeder Spalte können sich bis zu vier Kerne befinden. De Kerne sind weiß und haben eine länglich ovale Form. Der Geschmack der Frucht reicht von aromatisch süß bis säuerlich süß (114).

2. Inhaltsstoffe der Orange

Der Hauptbestandteil des Fruchtfleisches der Orangen ist Wasser. In 100 g Fruchtfleisch sind 85,7 g Wasser enthalten. Dieser hohe Wassergehalt ist der Grund dafür, dass sich aus Orangen einfach Saft pressen lässt (Fachdidaktik Biologie, HHUD, 15.12.09). Die Orange hat den zweitgrößten Vitamin C Anteil unter den Citrusfrüchten. So enthalten 100 g Fruchtfleisch durchschnittlich etwa 49 mg Vitamin C. Zwei Orangen decken den Tagesbedarf an Vitamin C, der bei Erwachsenen zwischen 75 und 100 mg liegt (Nuhn, 60). Andere Vitamine in der Orange sind die Vitamine B1und B2. Ein geringer Bestandteil in der Orange sind Minerale, wie Kalium, Calcium oder Phosphor. In 100 g Fruchtfleisch sind außerdem etwa 1,6 g Ballaststoffe enthalten, die verdauungsförderend wirken (Christian Stobitzer, 15.12.09). Den zweitgrößten Bestandteil in der Orange bilden die Kohlenhydrate. Zu den Kohlenhydraten in einer Orange zählt neben der Fructose auch die Stärke. Außerdem sind in der Orange Eiweiße und Fette enthalten (Fachdidaktik Biologie, HHUD, 15.12.09).

Wasser: 85,7 g Mineralstoffe: 0,48 g

Eiweiß: 1,0 g Fruchtsäuren: 1,13 g

Fett: 0,2 g Vitamin B1: 0,079 mg

Kohlenhydrate: 8,25 g Vitamin B2: 0.042 mg

Ballaststoffe: 1,6 g Vitamin C: 49,4 mg

Die Orange hat durch ihre Inhaltsstoffe Einfluss auf das Wohlbefinden des Menschen. Die Orange soll das Immunsystem stärken und den Stoffwechsel ankurbeln. Vitamin C sorgt für gutes Bindegewebe und erhöht die Aufnahmefähigkeit von Eisen aus der Nahrung. Bei Erkältung und im Winter wird gerne heißer Orangensaft getrunken, er lindert die

C H₃

C

H₂ CH₂

Isopreneinheit in Terpenen

Beschwerden und sorgt dafür, dass der Körper schwitzen kann. Die Orange hat einen Nährwert von etwa 40 Kilokalorien und ist somit ein Nahrungsmittel, was bei Diäten

bedenkenlos gegessen werden kann. Für Menschen mit einem säureempfindlichen Magen ist der übermäßige Verzehr von Orangen nicht zu empfehlen. Menschen, die an Neurodermitis erkrankt sind, sollten auf den Verzehr ebenfalls verzichten, da sich die Symptome durch Verzehr von Orangen verschlimmern können (Christian Stobitzer, 15.12.09).

In meinem Experimentalvortrag bin ich auf drei Bestandteile der Orangenfrucht näher eingegangen. Im Fruchtfleisch habe ich mich auf die Bestandteile Fruchtsäuren, im

Besonderen Citronensäure, und Vitamin C konzentriert. Außerdem habe ich einen Bestandteil der Schale näher beleuchtet – das Limonen.

2.1. Limonen

Limonen gehört zu der Naturstoffklasse der Terpene. Terpene sind aus Isopren-Einheiten aufgebaut und können acyclisch, cyclisch oder bicyclisch sein. Monoterpene bestehen aus zehn Kohlenstoffatomen, Sesquiterpene sind aus 15 Kohlenstoffatomen aufgebaut und Diterpene aus 20.

Limonen ist ein cyclisches Monoterpen mit zwei Enantiomeren. (R)-(+)-Limonen kommt in Orangenöl und Zitronenöl vor und riecht nach Apfelsine, das zweite

Enantiomer kommt in Edeltannenöl und Pfefferminzöl vor; die Muskanuss enthält das racemische Gemisch beider Enantiomere.

(Vollhardt, 167).

Monoterpene bilden die mit Wasserdampf flüchtigen Hauptbestandteile der ätherischen Öle.

Ätherische Öle sind definiert als komplexe Mischungen „acyclischer, alicyclischer, aromatischer und seltener auch heterocyclischer Verbindungen“ (Nuhn, 183). Der

überwiegende Teil der Komponenten der ätherischen Öle gehört der Naturstoffklasse der Terpene an, allerdings können ätherische Öle auch aromatische Verbindungen enthalten.

Ätherische Öle werden mit Hilfe von Wasserdampfdestillation, Extraktion mit organischen Lösungsmitteln oder Pressen gewonnen. Ätherische Öle haben eine sehr breite Anwendung:

CH₃

C

H₃ CH₂ (R)-(+)-Limonen

CH₃

C

H₃ CH₂ (S)-(-)-Limonen

als Zusätze in Kosmetika, als Aromastoffe in Lebensmitteln und als Bestandteil von Arzneimitteln (183).

Eine Art der Gewinnung der ätherischen Öle – die Wasserdampfdestillation – habe ich in meiner ersten Demonstration nachvollzogen. Dazu habe ich aus Orangenschalen Limonen isoliert.

2.1.1 Demo 1: Isolation von Limonen

Protokoll zu Demonstration 1 Chemikalien:

Chemikalie R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol

Petrolether 11, 52/53, 65 9, 16, 23, 24, 33, 62 F, Xn (R)-(+)-Limonen 10, 38, 43, 50/53 24, 37, 60, 61 Xi, N

Geräte und Versuchsaufbau:

- 2 L Dreihalsrundkolben mit Schliff - Claisen-Destillationsbrücken - 2 L Rundkolben mit Schliff - 1 L Scheidetrichter

- Magnetrührer mit Fisch - Schliff Thermometer - Heizpilz

- Wasserdampfgenerator - Hebebühne

- Eisbad

Versuchsdurchführung:

Die Schalen von drei bis vier Orangen werden zerkleinert und mit 1 L Wasser in einen 2 L Dreihalsrundkolben gegeben. Zunächst wird der Dreihalskolben mit Hilfe des Heizpilzes erwärmt und dann der Wasserdampfgenerator angeschaltet, kurz bevor das Wasser im Rundkolben anfängt zu sieden. Die Destillation beginnt und man wartet bis der 2 L Rundkolben bis etwa zur Hälfte gefüllt ist. Danach extrahiert man das Destillat in einem

Scheidetrichter drei Mal mit Petrolether. Der Petrolether wird anschließend verdampft und das Produkt bleibt zurück.

Entsorgung:

Der Überstand an Apfelsinenschalen und Wasser nach der ersten Destillation wird im Abguss entsorgt. Die wässrige, abgeschiedene Phase aus dem Scheidetrichter wird im Abguss

entsorgt. Der Petrolether verdampft und das Produkt kommt in den Lösungsmittelabfall.

Beobachtung:

Nachdem das Gemisch im Rundkolben angefangen hat zu sieden, füllt sich das Destillatgefäß rasch mit einer Flüssigkeit, die stark nach Orange riecht. Nach etwa einer Stunde ist der Rundkolben halb gefüllt. Beim Ausschütteln mit Petrolether bilden sich zwei Phasen, im Destillat sind keine zwei Phasen zu erkennen. Nachdem der Petrolether verdampft ist, bleibt eine Flüssigkeit über, die leicht viskos ist und intensiv nach Orange riecht.

Auswertung:

Bei der Destillation gehen alle Stoffe über, die bei einer Temperatur sieden, die durch den Wasserdampfgenerator erreicht werden kann. Hier wurde eine Gradzahl von ca. 200 °C erreicht. Da Limonen bei 177 °C siedet und geht neben Wasser auch dieser Stoff über. Es waren keine zwei Phasen erkennbar, obwohl Limonen hydrophob ist, weil Limonen fein verteilt in der Flüssigkeit vorlag. Da der Rundkolben, indem die Flüssigkeit gesammelt wurde, nicht geschüttelt wurde, konnten sich keine zwei Phasen bilden. Wird nun der Petrolether hinzu gegeben, der genauso wie Limonen hydrophob ist, löst sich Limonen in Petrolether und geht in die organische Phase über. Es wurde mit Petrolether drei Mal

ausgeschüttelt, damit sich alles Limonen lösen kann. Petrolether beginnt bei etwa 40 °C an zu sieden und daher sehr leicht vom Limonen abgeschieden werden, was erst bei 177 °C siedet.

Limonen ist ein Terpen, wie oben schon beschrieben. In der Oragnenschale kommt nur ein Enantiomer vor – das (R)-(+)-Limonen.

2.1.2. Versuch 1: Mischverhalten von Limonen Protokoll zu Versuch 1

Chemikalien:

Chemikalie R-Sätze S-Sätze Gefahrensysmbol

Wasser --- --- ---

Speiseöl --- --- ---

Limonen 10, 38, 43, 50/53 24, 37, 60, 61 Xi, N

Geräte:

- drei Reagenzglaständer - Reagenzglashalter - drei Bechergläser

Versuchsdurchführung:

Man gibt in das erste Reagenzglas einige Milliliter Wasser und gibt dann einige Milliliter Limonen hinzu. In das zweite Reagenzglas gibt man ebenfalls die gleiche Menge Wasser und fügt anstatt Limonen Speiseöl hinzu. Im dritten Reagenzglas gibt man einige Milliliter

Limonen und die gleiche Menge Speiseöl zusammen.

Entsorgung:

Die Inhalte aller drei Reagenzgläser können im Abguss entsorgt werden.

Beobachtung:

Das Reagenzglas, indem sich Limonen und Wasser befinden, kommt es zu einer zwei Phasenbildung. Die gleiche Beobachtung macht man im Reagenzglas, dass mit Wasser und Speiseöl befüllt ist. Eine homogene Mischung beobachtet man im Reagenzglas, in das man Limonen und Speiseöl gegeben hat.

Auswertung:

Limonen kann sich mit Wasser nicht vermischen, da Limonen lipophil und unpolar ist, Wasser allerdings lipophob und polar. Da Ähnliches sich in Ähnlichem löst, sind die Eigenschaften einer Substanz entscheidend für ihr Mischverhalten. Speiseöl besteht aus Triglyceriden, die ebenfalls lipophil und unpolar sind. Daher können sich Limonen und das Speiseöl gut vermischen, da es zur Ausbildung von Van-der-Waals-Kräften kommt.

Das gute Mischverhalten des Limonens mit anderen unpolaren Substanzen wird in einigen Reinigungsmitteln ausgenutzt. Dabei soll die fettlösende

Wirkung von Limonen ausgenutzt werden um Fettflecken oder

Ölverschmutzungen von Oberflächen zu entfernen. Darüber hinaus wirken die Terpene in der Orangenschale – also auch Limonen – desinfizierend, da sie Bakterien und Pilze von der Frucht fernhalten. Diese Eigenschaft ist ebenfalls für die Reinigungsmittel von Vorteil (Gessner, 22). ⁶

2.1.3 Versuch 2: Bromierung von Limonen

Protokoll zu Versuch 2:

Chemikalien:

Chemikalie R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol

Br2 (aq) 23, 24, 26/38 1/2, 7/9, 26 T, Xi

Limonen 10, 38, 43, 50/53 24, 37, 60, 61 Xi, N

Natriumthiosulfat (gesättigte Lösung)

--- --- ---

Geräte:

- Reagenzglas mit Stopfen - Reagenzglasständer - Pipette

Versuchsdurchführung:

In das Reagenzglas werden einige Milliliter Limonen gegeben. Mit einer Pipette werden einige Tropfen Bromwasser gegeben. Man verschließt das Reagenzglas mit einem Stopfen und schüttelt leicht. Die Reaktion ist nur im Abzug durchzuführen und falls Bromwasser verschüttet wird, wird dies mit Natriumthiosulfat übergossen (Espel, 18).

Entsorgung:

Nach der vollständigen Reaktion kann die Lösung in den organischen Lösungsmittelabfall gegeben werden.

6www.frosch.de

Beobachtung:

Zunächst bilden sich zwei Phasen, die untere Phase ist braun gefärbt, die obere ist farblos.

Beim schütteln entfärbt sich die untere Phase langsam, bis keine braune Färbung mehr zu sehen ist.

Auswertung:

Es bilden sich zwei Phasen im Reagenzglas, weil Limonen lipophil ist und sich nicht in Wasser löst. Brom hingegen ist in Wasser löslich, wodurch es zur Phasentrennung kommt.

Schüttelt man das Reaktionsgemisch, kommt es zur Reaktion zwischen Brom und Limonen.

Dabei handelt es sich um eine elektrophile Addition an die Doppelbindungen des Limonens durch das Brommolekül. Beide Doppelbindungen des Limonens werden bromiert, allerdings ist die Wahrscheinlichkeit für die Bromierung der Doppelbindung im Ring etwas herabgesetzt gegenüber der Doppelbindung an der Seitenkette, da die Doppelbindung im Ring höher substituiert und damit stabilisiert wird, aber auch weil sie etwas mehr sterisch gehemmt ist.

Da die Doppelbindung eine hohe Elektronendichte aufweist, wird das Brommolekül, kommt es in die Nähe der Doppelbindung, polarisiert. Das Bromatom, das der Doppelbindung am nächsten ist, wird positiv polarisiert, das andere Bromatom wird negativ polarisiert. Es kommt zum elektrophilen Angriff auf die Doppelbindung des Limonens durch das Brommolekül.

Dabei entsteht ein cyclisches Bromoniumion und ein freies Bromid, das durch

Rückseitenangriff den tertiären Kohlenstoff an der Seitenkette angreift. Die Bindungen des Bromoniumions an das Limonen sind nicht gleichlang. Die Bindung an das primäre

Kohlenstoffatom ist kürzer und damit stabiler als die Bindung an das tertiäre

Kohlenstoffatom. Dies hat zwei Gründe; zum Einen ist die Bindung etwas geschwächt, da durch die Methylgruppe und den Ring die Bindung sterisch gehemmt ist. Zum anderen ist der tertiäre Kohlenstoff durch Hyperkonjugation der Methylgruppe und des sekundären

Kohlenstoffs im Ring stabilisiert, sodass die Bindung zum Bromoniumion nicht so

CH₃

CH₂ C

H₃

+ ^{Br Br}

CH₃

CH₂ C

H₃

Br

^ Br

^

energetisch nicht so günstig ist, wie die Bindung des Bromoniumions zum primären Kohlenstoff.

CH₃

C H₃

Br⁺

Br^-

CH₃

C H₃

Br

Br

Limonen hat den strukturellen Namen 1-Methyl-4-(1-methylethenyl)cyclohexen. Das

entstehende Produkt heißt 1-Methyl-4-(1,2-Dibromethyl-1-methyl)cyclohexen. Kommt es zur Bromierung am Ring heißt das entstehende Produkt 1,6-Dibrom-1-Methyl-4-(1-

methylethenyl)cyclohexan.

2.2. Fruchtsäuren: Citronensäure

Fruchtsäuren sind definiert als organische Hydroxycarbonsäuren und Dicarbonsäuren, die in Obst zu finden sind. Die Fruchtsäuren sind in den Früchten für den charakteristischen Geschmack zuständig. Als Lebensmittelzusatzstoff werden die Fruchtsäuren als Säurerungsmittel eingesetzt. Die wichtigsten Fruchtsäuren sind die Citronensäure, die Äpfelsäure, die Milchsäure, Weinsäure oder die Mandelsäure.

In der Orange sind 1,13 g Fruchtsäuren in 100 g Fruchtfleisch enthalten. Die Citronensäure hat den größten Anteil an den Fruchtsäuren in der Orange. Bei 1,13 g Fruchtsäuren ist 1,06 g Citronensäure enthalten. Der große Anteil der Citronensäure in der Orange spiegelt das Vorkommen der Citronensäure im Pflanzenreich wider. Die Citronensäure ist nämlich die am weitesten verbreitete Fruchtsäure im Pflanzenreich. Außerdem ist die Citronensäure ein Stoffwechselprodukt aller Organismen im Citratzyclus (T Seilnacht, 20.12.09).

2.2.1 Demo 2: Isolation von Citronensäure

Protokoll zur Demonstration 2: Isolation von Citronensäure

Chemikalien:

Chemikalie R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbole

Orangensaft --- --- ---

Calciumchloridlösung 36 2, 22, 24 Xi

Ammoniaklösung 10, 23, 34, 50 1/2, 9, 16, 36/37/39, 45, 61

T, N stark sauerer

Kationenaustauscher

--- --- ---

Geräte:

- Saftpresse - Bechergläser - Kristallisierschale - Messzylinder - Nutsche - Saugflasche - Pumpe - Magnetrührer

Versuchsdurchführung:

Etwa 100 mL frisch gepresster O-Saft werden zunächst abfiltriert. Anschließend wird der Saft mit soviel 25%iger Ammoniaklösung versetzt, bis die Lösung alkalisch reagiert.

Anschließend gibt man 70 mL einer ein molaren Calciumchloridlösung hinzu. Dieses Gemisch wird bis zum Sieden erhitzt und anschließend lässt man die Lösung langsam abkühlen, wobei ein Niederschlag ausfällt. Der Niederschlag wird noch warm abfiltriert und mit warmem Wasser zwei Mal gewaschen. Der Niederschlag wird in ein Becherglas gegeben und mit Wasser versetzt. Anschließend gibt man 10 mL eines stark sauren

Kationenaustauscherharzes hinzu und lässt das Gemisch rühren, bis sich der Niederschlag

aufgelöst hat. Der Ionenausauscher wird abfiltriert und die Lösung in eine Kristallisierschale gegeben.

Entsorgung:

Das Filtrat wird neutral in den Ausguss gegeben. Der abgesaugte Kationenaustauscher wird neutral in den organischen Lösungsmittelabfall gegeben.

Beobachtung:

Gibt man zum O-Saft Ammoniaklösung färbt sich der Saft dunkel- gelb. Nach der Zugabe von Calciumchloridlösung und

anschließendem Kochen fällt ein weißer, voluminöser Niederschlag aus. Dieser löst sich nach 15 bis 20 Minuten nach der Zugabe des Kationenaustauschers wieder auf. Gibt man die Lösung in eine

Kristallisierschale so kristallisiert nach zwei bis drei Tagen durchsichtige Kristalle aus (Prof.

Blumes Bildungsserver für Chemie, 20. 12.09) ⁷

Versuchsauswertung:

Gibt man Caliumchlorid zum leicht alkalischen Orangensaft, so bildet sich aus den

Caliumkationen und der Citronensäure ein Dicitratocalium(II)-Komplex. Die Citronensäure ist ein Chelatkomplex, der dreizähnig ist.

Wird Calciumchlorid im Überschuss zugegeben und erhitzt, so entsteht aus dem

wasserlöslichen Dicitratocalcium(II)-Komplex ein schwerlösliches Salz, das als weißer, voluminöser Niederschlag ausfällt.

Gibt man zu dem schwerlöslichen Salz einen stark sauren Kationenaustauscher, so werden die Caliumkationen des Salzes gegen Protonen ausgetauscht und es entsteht Citronensäure. Ist der

7Versuchsvorschrift der Quelle wurde wegen Optimierung abgeändert Ca^2+(aq)+ ^{2 CitH3(aq) [Ca(Cit)2]4-(aq)} +^{6 H+(aq)}

Ca²⁺

-OOC

-OOC

-OOC CH₂

C CH₂

OH

-OOC CH₂

C CH₂ HO

COO^- COO^- COO^-

Ca²⁺

[Ca(Cit)₂]^4- _(aq)

(aq) + ^{2  Ca3(Cit)2}(s)

Kationenaustauscher nicht sauer genug, so werden die Calcumkationen nicht ausgetauscht und es kristallisiert nicht die Citronensäure aus, sondern das schwerlösliche Calciumcitratsalz aus. Dann muss der Niederschlag erneut mit einem Kationenaustauscher versetzt werden.

Citronensäure bildet farblose rhombische Kristalle. Sie löst sich gut in Wasser und Ethanol und schmeckt leicht säuerlich. In geringen Mengen eingenommen fördert die Citronensäure das Knochenwachstum, in zu großen Dosen wirkt sie toxisch (T.Seilnacht, 20.12.09).

2.2.2 Versuch 3: Nachweisreaktionen zur Identifizierung von Citronensäure

Zur Identifizierung des Isolationsproduktes habe ich zwei Nachweisreaktionen durchgeführt, um mein Isolationsprodukt als Citronensäure identifizieren zu können. Der Cernitrattest weist Alkohole in organischen Substanzen nach. Dadurch kann die Hydroxylgruppe in der

Citronensäure identifiziert werden. Der BTB Test ist ein Nachweis auf Säuregruppen in einem organischen Molekül, dadurch können die drei Carboxylgruppen der Citronensäure

nachgewiesen werden.

Protokoll zu Versuch 3: Nachweisreaktionen zur Identifizierung von Citronensäure

Chemikalien:

Chemikalie R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol

Cer(VI)ammoniumnitrat 8, 41 17, 26, 39 Xi, O

2 molare Salpetersäure 35 23, 26, 36/37/39, 45 C

Wasser --- --- ---

Citronensäure 36 26 Xi

Bromthymolblau --- --- ---

Natronlauge 35 1/2, 26, 37/39, 45 C

Ethanol 11 2,7,16 F

Geräte:

- Reagenzgläser

- Schliffflaschen für Reagenzien - Bechergläser

- Spatel - Spritzflasche

Versuchsdurchführung:

Herstellung des Cernitratreagenzes:

20 g Cer(IV)ammoniumnitrat werden in 50 mL zwei molarer Salpetersäure gelöst.

Herstellung des Bromthymolblaureagenzes:

0,02 g Bromthymolblau werden mit 0,6 g NaOH in 100 mL vergälltem Ethanol gelöst.

Bei dem Cernitratreagenz gibt man in ein Reagenzglas 1 mL Cernitratreagenz und gibt 2 mL Wasser hinzu. Anschließend gibt man einige Kristalle der isolierten Zitronensäure hinzu und schüttelt gut durch. Es wird außerdem eine Blindprobe mit reiner Citronensäure durchgeführt.

Der BTB Test wird so durchgeführt, dass man 1 mL Bromthymolblau in ein Reagnzglas gibt und einige Kristalle der isolierten Citronensäure. Dies wird gut geschüttelt und es wird ebenfalls eine Bindprobe durchgeführt (Heimann, 28)⁸.

Entsorgung:

Die Cernitratlösung wird neutral in den Schwermetallabfall entsorgt. Das Bromthymolreagenz gibt man neutral in den Lösungsmittelabfall.

Beobachtung:

Gibt man zum Cer(IV)ammoniumnitrat Citronensäure so färbt sich die vorher orange Lösung dunkel rot und nach wenigen Sekunden entfärbt sich die Lösung.

Die tiefblaue Bromthymollösung wird mit Citronensäure versetzt und die Lösung färbt sich gelb.

Versuchsauswertung:

Der Cernitratnachweis ist ein Nachweis auf Alkohole in einer organischen Verbindung. Der Hexanitratocer(IV)-komplex reagiert mit der Hydroxylgruppe der Citronensäure unter Bildung eines roten Komplexes. Es wird ein Nitrat gegen ein Alkoholat ausgetauscht.

8Die Versuchsvorschrift der Quelle wurde wegen Optimierung etwas abgeändert

Die Entfärbung kommt durch eine Redoxreaktion zwischen der Citronensäure und dem Cer zustande. Citronensäure ist ein gutes Reduktionsmittel, wodurch der rote Komplex zerfällt.

Oxidation:

CH₂ C CH₂

COOH COOH

COOH

HO C

COOH

CH₂ COOH CH₂

O + ^CO2 +^{2 H+}+^{1 e-}

Reduktion:

Ce⁴⁺+^{1 e- Ce3+}

Durch diesen Nachweis konnte eine Hydroxylgruppe in der isolierten Substanz nachgewiesen werden.

Bromthymolblau ist ein Säure-Base Indikator und schlägt bei einem pH – Wert von 5,8 bis 7 im Basischen nach blau um und im Sauren nach gelb. Da Citronensäure eine Tricarbonsäure ist, liegt ihr pH – Wert im Sauren. Das basisch eingestellte Bromthymolblau schlägt somit in den sauren Bereich um und färbt sich von blau zu gelb (Müller, 21.12.09).

+ 2 H⁺ - 2 H⁺ S

O O

O H₃C

CH₃

OH Br

C H₃

CH₃ C

H₃ C H₃

Br O

H

S O O

O^- CH₃

CH₃

C

H₃ O^-

Br CH₃ C

H₃ C H₃

O Br H

Damit wurde nachgewiesen, dass die isolierte Substanz Carboxylgruppen enthält. Allerdings konnte mit Hilfe dieser beiden Nachweisreaktionen die Citronensäure nicht eindeutig

identifiziert werden, da einige Fruchtsäuren sowohl eine Hydroxylgruppe als auch

2 NH₄⁺_(aq) [Ce(NO₃)₆]^2-_(aq) + ^{HO R}3 (aq) [Ce(NO₃)₅(O-R₃)]^2-_(aq) 2 NH₄⁺ _(aq)

+ + ^NO3 -

(aq) + ^H+ (aq)

Carboxylgruppen aufweisen. Daher habe ich im Anschluss noch eine DC durchgeführt, um an Hand der RfWerte das isolierte Produkt eindeutig bestimmen zu können.

2.2.3 Demo 3: DC von Fruchtsäuren

Protokoll zu Demonstration 3: DC von Fruchtsäuren

Chemikalien:

Chemikalie R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol

Äpfelsäure --- --- ---

Citronensäure 36 26 Xi

Weinsäure --- --- ---

Milchsäure 38, 41 26, 39 Xi

Bromkresolgrün --- --- ---

Ethanol 11 7, 16 Xi

Natronlauge c = 0,1 mol/L

--- --- ---

n-Butanol 10, 22, 37/38, 41, 67 7/9, 13, 26, 37/39, 46 Xn

Ameisensäure 35 23, 26, 45 C

Wasser --- --- ---

Geräte:

- Kapillaren - DC Kammer - Sprühflasche - Messpipetten - Spatel

- Erlenmeyerkolben - Fön

- Karton - Bleistift - Lineal

Versuchsdurchführung

Sprühreagenz:

Eine 0,05 g Bromkresolgrün werden in reinem Ethanol gelöst und mit 0,1 molarer Natronlauge bis zur Blaufärbung versetzt.

Fließmittel:

Es wird ein Gemisch aus n-Butanol, Ameisensäure und Wasser, im Verhältnis 75:15.10, hergestellt.

Auf die DC Karte wird zunächst mit Hilfe von Lineal und Bleistift die Startlinie

aufgezeichnet, die etwa 1 cm vom Boden der DC Karte entfernt sein sollte. Dann werden die Startlinien für die Vergleichslösungen und die Proben aufgetragen. Diese sollten einen Abstand von etwa 1 cm zueinander haben, sowie vom Rand. Je 3 Tropfen der

Vergleichslösungen und der Proben werden auf die entsprechenden Markierungen getropft und gut getrocknet. Die DC Karte wird in die DC Kammer gestellt, in der sich das Fließmittel schon befindet und mit einem Deckel verschlossen. Nach 50 bis 60 Minuten wird die Karte entnommen und die Fließmittelfront mit dem Bleistift markiert. Die DC Karte wird mit dem Fön langsam und gründlich getrocknet. Nach dem Trocknen wird die DC Karte im Karton befestigt und mehrmals mit dem Sprühreagenz besprüht, wobei die Karte nach jedem besprühen gut getrocknet werden sollte. Die gelben Flecken auf blauem Grund werden mit Bleistift markiert und die RfWerte der Vergleichslösungen und Proben bestimmt.

Entsorgung:

Das Sprühreagenz kann neutral in den Lösungsmittelabfall gegeben werden, genauso wie das Fließmittel. Die DC Karte wird im Feststoffabfall entsorgt.

Beobachtung:

Versuchsauswertung:

Bromkresolgrün ist ein Säure-Base Indikator, der im Alkalischen blau, im Sauren gelb ist.

Bromkresolgrün wurde basisch eingestellt und auf der DC Karte werden die gelben Säureflecken der Proben und Vergleichslösungen auf blauem Grund deutlich sichtbar.

Der Indikator reagiert wie folgt:

S O O

O

OH Br

Br CH₃

C H₃

Br O Br H

Die RfWerte der Vergleichslösungen und Proben werden bestimmt, indem man die Länge bis zum Mittelpunkt des Fleckes der einzelnen Vergleichslösungen und Proben misst und diese durch die Länge der Fließmittelfront teilt.

Es ergaben sich folgende RfWerte:

Weinsäure: 0,35 Äpfelsäure: 0,53 Citronensäure: 0,49 Milchsäure: 0,76

Probe der isolierten Substanz: 0,47 O-Saft: 0,37, 0,50, 0,54

Durch die RfWerte kann eindeutig nachgewiesen werden, dass die isolierte Substanz Citronensäure ist. Die Abweichung der RfWerte beträgt etwa 4 % und ist auf

Verunreinigungen in der isolierten Citronensäure zurückzuführen.

Im O-Saft befindet sich neben der Citronensäure auch Weinsäure und Äpfelsäure. Auch hier weichen die Rf-Werte leicht ab, dies könnte dran liegen, dass die Fruchtsäuren nur einen geringen Anteil im Orangensaft haben und andere Substanzen das Nach-oben-fließen behindern.

- 2 H⁺ + 2 H⁺

S O O

O^-

O^- Br

CH₃ Br C

H₃

Br O Br H

2.2.4. Versuch 4: Herstellung eines Polyesters aus Citronensäure Protokoll zu Versuch 4: Herstellung eines Polyesters aus Citronensäure

Chemikalien:

Chemikalien R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol

Citronensäure 36 26 Xi

Glycerin --- --- ---

Geräte:

- Reagenzglashalter - Reagenzglas - Bunsenbrenner - Reagenzglasständer

- Feuerzeug - Petrischale - 2 Urgläser

Versuchsdurchführung:

Man gibt in ein Reagenzglas 6 g Citronensäure und füllt dies mit 3 g Glycerin auf.

Anschließend hält man das Reagenzglas mit dem Gemisch vorsichtig über die

Bunsenbrennerflamme und wartet, bis die Citronensäure flüssig ist. Anschließend kann die Lösung langsam bis zum Sieden erhitzt werden und sollte etwa eine Minute gut durchsieden.

Dann gibt man einen Tropfen der zähen Masse auf ein Urglas und legt ein zweites darüber. In eine Petrischale gibt man den Rest und lässt es langsam abkühlen (Arndt, 42) ⁶.

Entsorgung:

Der Polyester kann mit viel Wasser abgespült werden, wobei er sich auflöst und in den Abguss gegeben werden.

Beobachtung:

Zunächst verflüssigt sich die Citronensäure und beim anschließenden Sieden ist die

Flüssigkeit zunächst farblos und wird dann ganz leicht gelblich. Gibt man einen Tropfen des Produktes auf ein Urglas und ein zweites legt man darüber, so kleben die Urgläser aneinander.

6Die Versuchsvorschrift wurde etwas abgeändert, um sie für den Experimentalvortrag nutzbar zu machen

Lässt man das Produkt gut abkühlen, so wird es schwierig, die beiden Urgläser voneinander zu trennen. In der Petrischale kann man mit Hilfe eines Spatels oder Holzstabes die Viskosität überprüfen. Man kann aus dem Produkt Fäden ziehen.

Versuchsauswertung:

Es bildet sich aus Citronensäure und Glycerin ein Polyester durch eine Polykondensation, wobei Wasser entweicht.

Es entsteht der Citronensäureglycerinester, der ein gewisses Maß an Vernetzung zeigt, jedoch ein Thermoplast ist. Thermoplasten haben im Gegensatz zu Duroplasten keine

Quervernetzungen zwischen den einzelnen Molekülketten in Form von chemischen Bindungen, sondern die Ketten sind nur durch zwischenmolekulare Wechselwirkungen miteinander verknüpft. Thermoplasten sind daher formbar, was sich durch Wärme noch verstärkt, allerdings schmelzen sie bei zu großer Wärmezufuhr. Diese Verformbarkeit kommt dadurch zu Stande, dass sie die unterschiedlichen Molekülketten gegeneinander verschieben lassen.

Thermoplasten sind allerdings nicht immer formbar, es gibt für jeden Thermoplasten

individuell eine Temperatur unterhalb derer er hart und unverformbar ist, oberhalb allerdings weich und unverformbar. Diese Temperatur nennt man Glasübergangstemperatur (Institut für Chemie und Biochemie der Freien Universität Berlin, 21.12.09).

Der Mechanismus der Reaktion ist der einer säurekatalysierten Veresterung. Dabei handelt es sich um eine Autokatalyse, da die Eigendissoziation der Citronensäure ausreicht, um

katalytische Mengen Protonen zur Reaktion beizusteuern. Der Mechanismus wird im Folgenden beschrieben:

OH

OH OH H H

H H

H

+ ^{HO - n H2O}

O O

H O

OH O

O H

O CH₂ CH O

CH₂ COO CH₂ C

HO COO CH₂ CH O

CH₂ COO

CH₂ C OH CH₂ CO CH COO

CH₂ O

CH₂ COO

CH₂

Der Citronensäureglycerinester zeichnet sich dadurch aus, dass er hydroskopisch und wasserlöslich ist. Dies macht ihn für die industrielle Verarbeitung unbrauchbar, allerdings kann man in der Schule die Eigenschaften eines Thermoplasten mit diesem Polyester gut verdeutlichen und braucht sich keine Sorgen um die Entsorgung zu machen.

2.3. Vitamin C

Vitamine sind laut Hofmeister definiert als im Pflanzen- und Tierreich verbreitete Stoffe, die in der Nahrung nur in kleinen Mengen vorhanden sind und für das Wachstum und die

Erhaltung des tierischen Körpers unerlässlich sind (Nuhn, 86). Menschen müssen fast alle Vitamine mit der Nahrung aufnehmen, da sie vom Körper nicht gebildet werden können, eine Ausnahme bildet dabei Vitamin D, das vom Körper selbst produziert werden kann. Vitamine führen dem Körper keine Energie zu, sind dennoch unerlässlich für den Stoffwechsel und somit zur Gesunderhaltung unseres Körpers. Es gibt insgesamt 13 Vitamine, einige davon sind wasserlöslich, die anderen sind fettlöslich. Die fettlöslichen Vitamine sind Vitamin A, D, E und K. Ihre Trivialnamen sind: Retinol (Vitamin A), Calciferol (Vitamin D), Tocopherol (Vitamin E) und Phyllochion (Vitamin K). Zu den wasserlöslichen Vitaminen gehören

R O

O H

+ H⁺ R

O⁺

O H

H

R C⁺ O

O H

H

R O

O⁺ H

H

R O⁺

O H

H + ^{R1 OH}

O O O⁺ R

R₁ H H

H - H⁺

R O

O O R₁

H

H

+ H⁺

R O

O⁺ O R₁

H

H

H - H₂O

R O⁺

H

O R₁

- H⁺

R O R₁

O

Thiamin (Vitamin B1), Riboflavin (Vitamin B2), Nicain, Pyridoxin (Vitamin B6) und andere, sowie Ascorbinsäure (Vitamin C) (Wehner, 21.12.09).

Vitamin C kann dem Körper unter anderem über Sojabohnen, rohes Obst und Gemüse zugeführt werden. Vitamin C dient im Körper als Quencher für Singulett-Sauerstoff.

Ascorbinsäure löscht den angeregten Zustand des Siguett-Sauerstoffs und überführt ihn in den Triplett-Zustand. Dies ist wichtig, da Singulett-Sauerstoff im Körper toxisch ist. Außerdem ist Ascorbinsäure ein Cofaktor zu Hydroxylierung von Prolin- und Lysinresten bei der

Biosynthese des Kollagens. Kollagen ist ein Strukturprotein im Bindegewebe des menschlichen Körpers (Nuhn, 183).

Manche Tier- und Pflanzenarten sind in der Lage Vitamin C selbstständig zu bilden. Die Biosynthese von Ascorbinsäure kann auf unterschiedlichen Wegen stattfinden, geht aber immer von Glucose als Edukt aus. Da der Mensch Vitamin C nicht selbstständig bilden kann, muss Vitamin C über die Nahrung aufgenommen werden. Ein Erwachsener hat einen

Tagesbedarf von 75 – 100 mg (184).

Bekommt ein Mensch nicht genügend Vitamin C durch die Nahrung und hält dieser Zustand über längere Zeit an, so kann dies zu Skorbut führen. Skorbut ist eine Krankheit die vor allem den Seefahrern vergangener Jahrhunderte schwer zu schaffen gemacht hat. Symptome können sein, dass es zum Muskelschwund kommt, zu Zahnfleischbluten und zu erhöhter Anfälligkeit gegenüber Infektionskrankheiten. Diese und weitere Symptome sind auf das Fehlen des Bindegwebeproteins Kollagen zurückzuführen.

Heutzutage wird Vitamin C nicht nur wegen seines gesundheitsfördernden Verhaltens genutzt, es dient in der Lebensmittelindustrie als Antioxidans. Mit Hilfe von Vitamin C werden Lebensmittel haltbar gemacht. Orangensaft zum Beispiel wird durch die

Haltbarmachung Vitamin C entzogen. Um ihn für längere Zeit haltbar zu machen, wird jedoch Vitamin C wieder hinzu gegeben.

2.3.1. Versuch 5: Gehaltsbestimmung von Vitamin C

Citrusfrüchte, Johannisbeeren, Paprika und Kartoffeln sind Vitamin C reiche Nahrungsmittel.

Die Endiol-Struktur der L(+)-Ascorbinsäure besitzt ein Redoxpotential, was für den Ablauf von physiologischen Reduktions- und Oxidationsprozessen wichtig ist. Mit Hilfe von Redoxindikatoren wie 2,6-Dichlorphenolindophenol kann der Gehalt der Ascorbinsäure in Lebensmitteln bestimmt werden.

Protokoll zu Versuch 5: Gehaltsbestimmung von Vitamin C in Orangen

Chemikalien:

Chemikalien: R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol

2,6-Dichlorphenolindophenol --- --- ---

Wasser --- --- ---

Ascorbinsäure --- --- ---

Oxalsäure 21/22 24/25 Xn

O-Saft --- --- ---

Geräte:

- Bürette

- 100 mL Erlenmeyerkolben - 500 mL Messkolben - 100 mL Messkolben - 600 mL Becherglas - 100 mL Becherglas

- Eppendorfpipette (0,2 -1,0 mL) - 25 mL Messpipette

- Glastrichter - Faltenfilter - Peleusball - Spatel - Rührfische - Magnetrührer - Stativ

- Bürettenklammer

Versuchsdurchführung:

Redoxindikator Herstellung:

Es werden 200 mg 2,6-Dichlorphenolindophenol in ein Becherglas eingewogen und etwa 80 mL entionisiertes Wasser hinzugegeben. Das Gemisch wird mit Hilfe des Magnetrührers unter Rühren auf 50°C erwärmt. Nach dem Abkühlen wird die tiefblaue Lösung mit Hilfe eines Faltenfilters in einen 500 mL Messkolben abfiltriert. Mit Wasser wird der Messkolben anschließend bis zur Eichmarke aufgefüllt.

Titerbestimmung:

Zunächst werden 600 mL einer wässrigen Oxalsäurelösung w = 0,02 hergestellt.

Anschließend werden genau 200 mg Ascorbinsäure in einen 100 mL Messkolben eingewogen und mit der Oxalsäurelösung bis zur Eichmarke aufgefüllt.

20 mL der Oxalsäurelösung und 0,2 mL Ascorbinsäurelösung werden in einen 100 mL Erlenmeyerkolben pipettiert und mit dem Redoxindikator, der in die Bürette gefüllt worden

ist, unter Rühren bis zur deutlichen rosanen Färbung titriert, bis die Färbung etwa 15 s beständig bleibt. Die Titerbestimmung sollte mindestens drei Mal wiederholt werden.

Außerdem muss ein Blindwert berücksichtigt werden. Bei der Bestimmung des Blindwertes wird anstatt der 0,2 mL Ascorbinsäure, 0,2 mL entionisiertes Wasser zur Oxalsäurelösung gegeben.

Der Titer wird wie Folgt berechnet:

FDI[mg AS/ mL DI] = Z/ (a-b)

Z – ist der Ascorbinsäurezusatz in mg pro 0,2 mL Ascorbinsäure Standardlösung a – Verbrauch der DI Lösung für Ascorbinsäure Standardlösung in mL

b – Verbrauch der DI Lösung für den Blindwert in mL Gehaltsbestimmung:

20 mL Oxalsäurelösung und 0,2 mL Orangensaft werden in einen Erlenmeyerkolben pipettiert und mit DI-Lösung bis zur deutlichen rosanen Färbung titriert. Auch hier muss der Blindwert berücksichtigt werden.

Die Berechnung des Gehaltes an Vitamin C in Orangen wird nach folgender Formel berechnet:

m (AS) = [V (DI-Lösung/Probe) – V (DI-Lösung/Blindwert) * FDI* 500 Der aliquote Teil ist 500 weil man nur 0,2 mL Orangensaft einsetzt, aber einen Vergleichswert in 100 mL haben möchte (Schwendt, 381).

Entsorgung:

Die titrierten Lösungen werden neutral in den organischen Lösungsmittelabfall entsorgt.

Beobachtung:

Titriert man zu der Orangensaft-, Oxalsäurelösung den Redoxindikator 2,6-

Dichlorphenolindophenol, so entfärbt sich dieser von tiefblau nach farblos. Nach Zugabe von einigen mL kommt es zu einer leichten Rosafärbung, die sich zunächst aber wieder entfärbt.

Nach 10,9 mL kommt es zu einer Rosafärbung, die beständig bleibt.

Versuchsauswertung:

Ascorbinsäure wird zur Dehydroxy-Ascorbinsäure durch den Redoxindikator 2,6-

Dichlorphenolindophenol oxidiert. 2,6-Dichlorphenolindophenol wird dabei von der blauen Form zur Leukoform reduziert.

Der Blindwert betrug 1,9 mL. Bei der Titerbestimmung kam ein Wert von 0,0103 heraus.

Dies wird in die Gleichung eingesetzt und der Wert der Gehaltsbestimmung von 10,9 mL ebenfalls.

m (AS) = [V (mL der DI Lösung) – V (Blindwert)] * Titer * 500 m (AS) = (10,9 – 1,9 mL) * 0,0103 mg/mL * 500

m (AS) = 46,35 mg

Dieser Wert ist allerdings nicht ganz genau, da durch Messfehler ein geringer Unterschied entstehen kann, daher kann man verallgemeinernd sagen, dass der Gehalt von Vitamin C bei der untersuchten Orange bei 46 mg pro 100 mL beträgt. Dieses Ergebnis stimmt in etwa mit der theoretischen Angabe überein, dass in der Orange etwa 49,1 mg Vitamin C enthalten sind.

Es ergab sich eine Abweichung von 6,4 %.

2.3.2 Versuch 6: Reduktionsmittel Ascorbinsäure

Ascorbinsäure wird in der Nahrungsmittelindustrie als Antioxidans verwendet. Aber auch im Körper wirkt es als wichtiges Reduktionsmittel. Daher ist es wichtig genügend Vitamin C zu sich zu nehmen. Allerdings beeinflusst der Luftsauerstoff den Gehalt an Vitamin C in

Orangen und anderen Lebensmitteln. Daher ist es wichtig die Früchte oder frisch gepressten Säfte möglichst frisch zu sich zu nehmen. Warum dies so ist, soll mit dem folgenden Versuch verdeutlicht werden.

Protokoll zu Versuch 6: Reduktionsmittel Ascorbinsäure Chemikalien:

Chemikalie R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol

O Cl

Cl N

OH

+

O

OH O

H

O O

H OH

O H

Cl

Cl NH

OH

O

O O

O O

H OH

+

15

0,1 % Ascorbinsäurelösung --- --- ---

1 % Kaliumpermaganatlösung 22 2 Xn

1 M Schwefelsäure 35 26, 36/37/39 C

Geräte:

- mehrere Erlenmeyerkolben oder Bechergläser - Pipetten

- Magnetrührer mit Fisch

Versuchsdurchführung:

In zwei Erlenmeyerkolben werden jeweils 100mL dest. Wasser gegeben und 2 mL 1%ige Kaliumpermanganat – Lösung. Dies wird mit 1 molarer Schwefelsäure etwas angesäuert. Es wird eine frische 0,1% Ascorbinsäurelösung angesetzt. 50 mL werden sofort zum ersten Becherglas mit Kaliumpermangantlösung versetzten Erlenmeyerkolben gegeben. Nochmals 50 mL werden für 10 Minuten gekocht und dann zum zweiten Erlenmeyerkolben gegeben.

Entsorgung:

Die Kaliumpermangant-haltigen Lösungen werden im Schwermetallabfall entsorgt.

Beobachtung:

Gibt man zu der frischen Ascorbinsäurelösung Kaliumpermanganat so entfärbt sich diese sofort. Gibt man zu der gekochten Ascorbinsäurelösung die Kaliumpermaganatlösung, so entfärbt sich die Lösung zunächst nicht. Es dauert etwa eine halbe Minute, bis sich auch diese Lösung anfängt zu entfärben. Allerdings wird die Lösung nicht ganz farblos, sondern es bleibt ein leichter violett-brauner Farbton zurück.

Versuchsauswertung:

Bei der Reaktion von Kaliumpermanganat und Ascorbinsäure findet eine Redoxreaktion statt.

Dabei wird die Ascorbinsäure oxidiert und das Permanganat reduziert.

Oxidation

O O H

OH O

H H

H H

O O

OH O

H H

H H

+ ^{2 H+} + ^{2 e- * 5}

+I

+I

+II

+II

Reduktion:

Gesamtreaktion:

Die Protonen in der Gesamtgleichung können durch den Zusatz von Schwefelsäure bei der Reaktion in die Gesamtgleichung einfließen, um diese auszugleichen.

Die Oxidation von Ascorbinsäure zur Dehydroascorbinsäure ist reversibel. Kocht man

Ascorbinsäure allerdings für mehrere Minuten bei Luftzufuhr kann die Ascorbinsäure über die Dehydroascorbinsäure irreversibel weiter oxidiert werden, sodass die Ascorbinsäure nicht mehr als Reduktionsmittel fungieren kann. Es entstehen mehrere Produkte, wobei der Mechanismus nicht gesichert ist.

Der Lactonring der Ascorbinsäure ist im Sauren stabil und die Oxidation der Ascorbinsäure zur Dehydroxyascorbinsäure ist reversibel. Im Neutralen oder Basischen allerdings wird die Dehydroxyascorbinsäure leicht hydrolytisch gespalten. Daher steht das Redoxpotential der Ascorbinsäure nicht länger zur Verfügung. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass man

Orangensaft oder andere Vitamin C reiche Lebensmittel frisch verzehrt, da sich der Vitamin C Gehalt unter Einfluss von Luftsauerstoff verringert.

3. Schulrelevanz

Das Thema des Experimentalvortrages ist so im Lehrplan Hessen nicht vorgesehen.

Allerdings können die einzelnen Versuche und Demonstrationen in einzelne Themen in der Oberstufe im hessischen Lehrplan nach G8 eingebaut werden. Sie sind dann nicht mehr als einheitliches Thema zu sehen, sondern sollen die einzelnen im Lehrplan behandelten Themen verdeutlichen.

KMnO^+VII ₄ + ^{8 H+} +^{5 e- Mn2+} + ^K+ + ^{4 H2O *2}

O O H

O

H O

OH O

H H

H H

O O

O O

OH O

H H

H H

KMnO₄

+ + ^{4 H+} + ^{2 Mn2+} + ^{2 K+} + ^{6 H2O}

5 2 5 +^{2 OH-}

Von den Chemikalien her können alle Versuche in der Schule durchgeführt werden. Alle Chemikalien sind ab Sekundarstufe I zugelassen. Es gibt allerdings einige Einschränkungen.

Die Isolationen von Citronensäure und Limonen dauern mehrere Tage und die Ausbeute ist nur sehr gering. Als Alternative zur Wasserdampfdestillation zur Isolierung von Limonen könnte man durch Kaltpressen ersetzten. Das Produkt wäre nicht so rein, würde aber wahrscheinlich für schulische Zwecke ausreichen. Ein weiterer Versuch, der nur unter bestimmten Voraussetzungen durchgeführt werden kann, ist die Bromierung von Limonen.

Da dieser Versuch nur im Abzug durchgeführt werden kann, beschränkt die Anzahl der Abzüge die Durchführbarkeit als Schülerversuch.

Die Themen zu denen die unterschiedlichen Versuche und Demonstrationen durchgeführt werden können finden sich in den Jahrgangsstufen 11 und 12 nach dem hessischen Lehrplan G8. Im ersten Halbjahr der Klasse 11 sollen unter anderem die Esterbildung,

Redoxgleichungen mit organischen Stoffen, Alkansäuren im Alltag und fakultativ im Leistungskurs Duftstoffe und Lösungsmittel behandelt werden. Bei dem Thema

„Esterbildung“ könnte der Citronensäureglycerinester (Versuch 4) durchgeführt werden.

Dabei könnte man auf die Eigenschaften von Polyestern näher eingehen und der Versuch ist gut für die Schule geeignet, da der Polyester wasserlöslich ist und leicht entsorgt werden kann. Versuch 6 – Reduktionsmittel Ascorbinsäure – könnte bei dem Thema

„Redoxgleichungen mit organischen Stoffen durchgeführt werden. Da dieser Versuch einen Alltagsbezug hat, können Schüler sich leichter mit dem Thema identifizieren. Zu dem Thema

„Alkansäuren im Alltag“ kann auf die Fruchtsäuren eingegangen werden. Als Versuche bieten sich hier die Isolation von Citronensäure aus der Orange (Demo 2) oder anderen

Citrusfrüchten an, genauso wie deren Nachweise(Versuch 3), aber auch die Untersuchung welche Fruchtsäuren in einzelnen Früchten enthalten sind (Demo 3). Zum Thema Duftstoffe im Leistungskurs kann auf Limonen eingegangen werden. Dabei bietet sich Demonstration 1 an, die Isolation von Limonen und Versuch 1 – die Mischbarkeit von Limonen mit

unterschiedlichen Stoffen, um die Eigenschaften der Duftstoffe näher beleuchten zu können.

Im zweiten Halbjahr der Klasse 11 kommen Themen wie die Identifizierung von

Kohlenwasserstoffverbindungen und Polymere mit besonderen Eigenschaften im Lehrplan vor. Zu dem Thema „Identifizierung von Kohlenwasserstoffverbindungen“ passen die

Versuche 2 – Bromierung von Limonen – und Versuch 3 – Nachweisreaktionen für Alkohole und Carboxylgruppen. Diese Versuche können zur Strukturaufklärung unterschiedlicher Stoffe beitragen. Im zweiten Halbjahr der Klasse 12 ist ein fakultatives Thema