Nach-Klausur zur Vorlesung
„Einführung in die organische Chemie“
WS 03/04 15.03.2004
Vorname (bitte deutlich schreiben):
Nachname (bitte deutlich schreiben):
Matrikelnummer:
Studiengang:
o Chemie (Diplom) o Chemie (Lehramt) o BMC
o sonstiges: _____________
Semester:
Aufgabe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 gesamt
Erreichbare
Punkte 6 7 10 12 10 6 6 6 6 6 8 8 9 100
Erreichte Punkte
Die Antwort zu jeder Aufgabe bitte auf das jeweilige Blatt schreiben! Sie können auch die Rückseite mitbenutzen! Lösungen auf selbst mitgebrachten Blättern werden nicht akzeptiert. Schreiben Sie auf jedes Blatt Ihren Namen!
Erlaubte Hilfsmittel: Taschenrechner, Stift
Viel Glück!
Vor- und Nachname:
Musterlösung
Aufgabe 1 (6 Punke)
Zeichnen Sie das Molekülorbital-Schema des Allylradikals!
Lösung:
. .
.
E
bindend nicht bindend antibindend
3π-Elektronen
Vor- und Nachname:
Musterlösung
Aufgabe 2 (7 Punkte)
1) Wie sind die Kohlenstoffatome in den folgenden Verbindungen hybridisiert?
a) Benzol b) Allen c) Acetylen d) Ethanol e) Butadien
2) Was versteht man unter den Begriffen „σ-Bindung“ und „π-Bindung“?
Lösung:
1)
2) σ- Bindungen entstehen bei der Ueberlappung von Orbitalen auf der Verbindungslinie der Atome.
Rotationssymmetrisch um die Bindungsachse
π-Bindungen entstehen bei der Ueberlappung von Orbitalen ausserhalb der Verbindungslinie der Atome.
Nicht rotationssymmetrisch
Verbindung Hybridisierung Benzol sp2
Allen sp und sp2
Acetylen sp Ethanol sp3 Butadien sp2
Vor- und Nachname:
Musterlösung
Aufgabe 3 (10 Punkte)
Die Elementaranalyse einer organischen Verbindung liefert folgendes Ergebnis:
64,8% C, 13.5% H, 21.7% O
a) Ermitteln Sie die Summenformel der Verbindung, wenn die Molmasse 74 g/mol beträgt.
b) Schlagen Sie vier mögliche Strukturen für die gesuchte Verbindung vor!
Lösungen:
a) Annahme: Die Probe habe eine Masse von 100g Daraus folgt für die drei Bestandteile:
C (64,8 %): m = 64,8 g H (13,5 %): m = 13,5 g O (21,7 %): m = 21,7 g Mit m/M = n
und M(C) = 12,011 g/mol, M(H) = 1,008 g/mol und M(O) = 15,999 g/mol erhält man daraus
n(C) = 64,8 g : 12,011 g/mol = 5,395 mol n(H) = 13,5 g : 1,008 g/mol = 13,393 mol n(O) = 21,7 g : 15,99 g/mol = 1,357 mol Verhältnisformel: C5,4H13,4O1,4
Mit der Masse von 74 g/mol ergibt sich die Summenformel: C4H10O
OH
OH
OH
OH
O O
O
b)
mögliche Antworten
Vor- und Nachname:
Musterlösung
Aufgabe 4 (12 Punkte)
a) Was versteht man unter Konformationsisomeren?
b) Zeichnen Sie die Newman-Projektion für alle möglichen Konformere des 3,4- Diethylhexans! Beschränken Sie sich dabei auf die Rotation um die zentrale C-C- Bindung.
c) Zeichnen Sie ein Energie-Diagramm für die Änderung des Drehwinkels für eine vollständige Rotation um die C3-C4-Bindung!
d) Welche Konformation ist am stabilsten?
Lösungen:
a) Konformationsisomere: Stereoisomere, die durch Rotation um eine Bindung ineinander überführt werden können.
Konformation berücksichtigt die verschiedenen Anordnungen der Atome oder Atomgruppen, die durch Rotation um Einfachbindungen entstehen.
b)
H H
H
H
H H
H H
H H HH
c) handschriftlich!!
d) Stabilste Konformation: Anti
H H
"anti"
Vor- und Nachname:
Musterlösung
Aufgabe 5 (10 Punkte)
Betrachten Sie folgende Verbindungen:
FeBr3, OH-, H+, MgCl2, CN-.
a) Geben Sie an, ob es sich bei den angegebenen Verbindungen um Elektrophile oder Nucleophile handelt.
b) Erläutern Sie allgemein (durch Elektronenverschiebungspfeile), wo der Angriff von Nucleophilen bzw. Elektrophilen an der Carbonylgruppe des Cyclohexanon erfolgt, und wie das primäre Zwischenprodukt aussieht!
Lösungen:
a)
FeBr3 Elektrophil
OH- Nucleophil
H+ Elektrophil
MgCl2 Elektrophil
CN- Nucleophil
b) Angriff von Nucleophilen:
O
+ Nu
O
Nu
Angriff von Elektrophilen:
O
+ E
O E
O E
Vor- und Nachname:
Musterlösung
Aufgabe 6 (6 Punkte)
1. Geben Sie drei Kriterien an, die aromatische Moleküle erfüllen!
2. Nennen Sie jeweils ein Beispiel für a) ein aromatisches Anion b) ein aromatisches Kation c) einen Heteroaromaten
Lösungen:
1. Mögliche Antworten:
-Hückel-Regeln:
ebene Moleküle cyclische Moleküle
delokalisiertes π-System bzw. konjugierte Doppelbindungen ( 4n + 2) π-Elektronen (n ∈ Ν0)
- Stabilisierung durch Resonanzenergie - Bindungslängenausgleich
- hohe diamagnetische Suszeptibilität (richtungsabhängig) Æ Ringstrom (diatrop) im Magnetfeld
- Elektrophile Substitutionsreaktionen bevorzugt, weil hierbei die Aromatizität erhalten bleibt
2. Mögliche Antworten:
a)
+ +
b)
N
NH
O S
c)
Vor- und Nachname:
Musterlösung
Aufgabe 7 (4 Punkte)
Erklären Sie, warum sich bei der Reaktion von tert-Butylbromid mit Propanol die Höhe des Propanolüberschusses nicht auf die Reaktionsgeschwindigkeit auswirkt! Ist das auch der Fall, wenn man statt tert.-Butylbromid Methylbromid verwendet?
Eine kurze Begründung in Worten genügt!
Lösung:
Reaktion von tert-Butylbromid mit Propanol : SN1
monomolekulare Reaktion, Reaktionsgeschwindigkeit proportional zur tert- Butylbromidkonzentration
Reaktion von Methylbromid mit Propanol :
Höhe des Propanolüberschusses wirkt sich auf Reaktionsgeschwindigkeit aus SN2: bimolekulare Reaktion,
Reaktionsgeschwindigkeit proportional zum Produkt aus Methylbromid- und Propanolkonzentration
Aufgabe 8 (6 Punkte)
Bestimmen Sie die absolute Konfiguration der folgenden Verbindungen. (R, S- Nomenklatur)!
O O
NH
2Br F
I Cl
Cl
a) b) c) H
Lösung:
O O
NH2
Br F
I Cl
Cl
a) b) c) H
S S R
Vor- und Nachname:
Musterlösung
Aufgabe 9 (6 Punkte)
Fette sind chemisch gesehen Ester des dreiwertigen Alkohols Glycerin mit langkettigen Carbonsäuren (Fettsäuren). Früher stellte man Seife durch Kochen von Fettabfällen mit dem Salz einer schwachen Säure her.
a) Beschreiben Sie die Reaktion anhand einer Reaktionsgleichung, die die Gesamtreaktion (dreifacher Ester!) zusammenfasst, und formulieren Sie den Mechanismus für eine Estergruppe (dabei können Sie die Fettsäurereste – soweit an der Reaktion unbeteiligt – mit R abkürzen; als Salz verwenden Sie Natriumhydroxid).
b) Wäre eine solche Reaktion auch unter sauren Bedingungen denkbar? Welches wäre der charakteristische Unterschied zur im ersten Aufgabenteil formulierten Reaktion?
Hinweis: Glycerin Lösung:
a)
O
O
O R
O
R O
R
O
+ OH
HO
OH
+ 3 R
O
O
O
O
O R
O
R O
R
O
+
= R1
R1
O R
O
OH OH
R1 O
R O
HO + R1
OH
R O
O +
3 OH
b) Reaktion möglich (saure Esterspaltung)
Unterschied: Zunächst erfolgt Protonierung des Sauerstoffatoms der C=O-Gruppe Es handelt sich zudem um eine reversible Reaktion
OH OH OH
Vor- und Nachname:
Musterlösung
Aufgabe 10 (6 Punkte)
Bei der Strecker-Synthese reagieren Aldehyde mit Ammoniak und Blausäure zu Aminosäuren.
a) Formulieren Sie die zwei Reaktionsgleichungen für diese Synthese! Setzen Sie dazu Acetaldehyd zur entsprechenden Aminosäure um!
b) Wie liegt das Produkt am isoelektrischen Punkt vor ?
Lösung:
a) O
H
+ N C H + NH3
C H2N H
N
+ H2O
C H2N H
N
+ 2 H2O
C H2N H
O
OH
+ NH3
b)
als Zwitterion:
R CH NH3+
COO-
Vor- und Nachname:
Musterlösung
Aufgabe 11 (8 Punkte)
Betrachten Sie folgende Gruppen als Substituenten an einem aromatischen System:
-CF3, -NR3+, -OCH3, -NO2, -Br, -CN, CH3, -C(O)OCH3
Sind diese Substituenten in einer elektrophilen aromatischen Substitution a) aktivierend oder desaktivierend und
b) para/ortho oder meta-dirigierend ?
Lösung:
Substitution -CF3 -NR3+ -OCH3 -NO2 -Br -CN -CH3 -C(O)OCH3
a) des des a des des des akt des
b) m m o/p m o/p m o/p m
Vor- und Nachname:
Musterlösung
Aufgabe 12 (8 Punkte)
Wie lässt sich Benzoesäure in 2 Schritten aus Benzol herstellen ? Formulieren Sie für den ersten Schritt den Mechanismus mit mesomeren Grenzstrukturen. Für den zweiten Schritt, der im Basischen ablaufen soll, genügt die exakt eingerichtete Reaktionsgleichung (Stöchiometrie!).
Außer Benzol können alle anorganischen Reagentien und organische Verbindungen mit einem C-Atom eingesetzt werden!
Lösung:
Darstellung von Toluol
CH3Cl AlCl3 AlCl3 Cl CH3
C H3 H
AlCl4- C
H3 H C
H3 H
AlCl3 ClH
CH3
+ +
+ + + +
+ +
CH3
KMnO4
COOH
MnO2
+
2+
2+
2KOHVor- und Nachname:
Musterlösung
Aufgabe 13 (9 Punkte)
Vervollständigen Sie folgende Reaktionsschemata!
NO2
Br
+ +
+ +
NO2
+ +
O
+ +
+ + Cl
NO2
+ +
Vor- und Nachname:
Musterlösung
Lösungen:
NO2
Br
+ +
NO2
+ H2SO4 +
HNO3 FeBr3
Br2
NO2
+ +
O AlCl3
O
+
O
Cl
+
HNO3
H2SO4
Cl
+ +
NO2 Cl
H2SO4
+ Cl2
AlCl3 HNO3
