Aufgabe 11

Aufgabe I:

1 Toluol (Phenylmethan) kann man durch Umsetzung von Benzol mit Chlormethan in Gegenwart des Katalysators Aluminiumchlorid gewinnen.
Stellen Sie die Reaktionsgleichung auf.
Formulieren Sie hierzu den Reaktionsmechanismus.

2 Bei der Oxidation von Toluol können Benzylalkohol (Phenylmethanol), der nach bitteren Mandeln riechende Benzaldehyd (Phenylmethanal) und der Konservierungsstoff Benzoesäure entstehen.
2.1 Geben Sie für Toluol und die obigen Oxidationsprodukte die Strukturformeln mit bindenden und nicht bindenden Elektronenpaaren an und ermitteln Sie jeweils die Oxidationszahl des Kohlenstoffatoms in der Seitenkette.
2.2 Nach längerem Erhitzen von Toluol mit einer angesäuerten Kaliumpermanganatlösung entsteht Benzoesäure. Permanganat-Ionen reagieren dabei zu Mangan(II)-Ionen.
Formulieren Sie die Teilgleichungen der Oxidation und Reduktion und stellen Sie die Reaktionsgleichung für die Redoxreaktion auf.
2.3 Löst man die Stoffmenge n = 0,1 mol Benzoesäure in Wasser und füllt auf das Endvolumen V = 1 Liter auf, so misst man einen pH-Wert von 2,6.
Geben Sie die Reaktionsgleichung für die Protolyse der Benzoesäure mit Wasser an.
Berechnen Sie näherungsweise die Säurekonstante KS der Benzoesäure.

3 Aus Benzylalkohol (Phenylmethanol) und Essigsäure lässt sich ein duftender Bestandteil des Jasminöls synthetisieren.
3.1 Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für diese Synthese unter Verwendung von Strukturformeln und benennen Sie die Stoffklasse, zu der dieser Duftstoff gehört.
3.2 3 Mol reine Essigsäure und 3 Mol reiner Benzylalkohol werden zur Reaktion gebracht. Nach Einstellung des Gleichgewichts liegt im Reaktionsgemisch noch 1 Mol Essigsäure vor.
Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante K.
Hinweis: Anstelle der Stoffmengenkonzentrationen können in diesem Fall Stoffmengen bei der Berechnung verwendet werden, da sich das Gesamtvolumen bei der Reaktion nur unwesentlich ändert.
Nennen Sie eine Maßnahme, mit der die Ausbeute des Duftstoffes bezogen auf die eingesetzte Stoffmenge an Benzylalkohol gesteigert werden kann und begründen Sie Ihre Aussage.

Aufgabe II:

1 Aus der Strukturformel des Fructose-Moleküls in der Fischerprojektion erkennt man, dass es sich um eine D-Ketohexose mit drei asymmetrischen Kohlenstoffatomen handelt.
1.1 Ordnen Sie dem Xylose-Molekül, dessen Strukturformel nebenstehend dargestellt ist, die entsprechende Bezeichnung zu.
Wie viele asymmetrische Kohlenstoffatome besitzt das Molekül?
Begründen Sie Ihre Aussagen.

          Xylose
1.2 Xylose kann mit Bromwasser zu Xylonsäure oxidiert werden. Die Oxidation erfolgt am Kohlenstoffatom C1 des Xylose-Moleküls.
Formulieren Sie für diese Reaktion eine Reaktionsgleichung in Strukturformeln.
Beschreiben Sie, wie das aus dem Oxidationsmittel entstandene Produkt nachgewiesen werden kann.
1.3 Die in 1.2 erhaltene Xylonsäure kann in einer intramolekularen Reaktion einen Ester bilden, dessen Moleküle hauptsächlich als Fünfringe vorliegen.
Zeichnen Sie die Sturkturformel eines solchen Ester-Moleküls in der Haworth-Schreibweise.

2 Xylane sind der Cellulose ähnliche Naturstoffe, die aufgrund ihres Vorkommens in Pflanzen weit verbreitet sind. Im Xylan sind D-Xylopyranose-Moleküle (Sechsringe) β-1,4-glycosidisch miteinander verknüpft.
Zeichnen Sie einen Stukturformelausschnitt aus einem Xylan-Molekül, der mindestens drei Bausteine umfasst.

3 Glycopeptide sind Verbindungen, deren Moleküle jeweils eine Peptidkomponente und eine Zuckerkomponente enthalten.
3.1 Ein Glycopeptid ist aus der β-D-Xylopyranose und einem Tripeptid mit der Aminosäuresequenz Gly – Ser – Ala aufgebaut. Das Serin-Molekül (Ser) unterscheidet sich von dem des Alanins (Ala) durch eine Hydroxylgruppe am Kohlenstoffatom C3. An diese Hydroxylgruppe wird ein Xylose-Molekül glycosidisch gebunden.
Geben Sie eine Strukturformel des Glycopeptids an.
3.2 Das Glycopeptid wird in saurer Lösung hydrolysiert.
Beschreiben Sie ausführlich ein geeignetes chromatografisches Verfahren, durch das die Hydrolyseprodukte getrennt und identifiziert werden können.
Begründen Sie, weshalb eine gaschromatografische Trennung der Hydrolyseprodukte nicht möglich ist.

Aufgabe III

1 Beim Erhitzen von Polystyrol entsteht Styrol (Vinylbenzol), eine farblose Flüssigkeit mit aromatischem Geruch, die man abdestillieren kann.
1.1 Formulieren Sie für diese Reaktion eine Gleichung mit Stukturformeln.
1.2 Erläutern Sie den Bau des Styrol-Moleküls mithilfe eines Orbitalmodells.
1.3 Mit Brom reagiert Styrol sofort.
Stellen Sie die Reaktionsgleichung für diese Reaktion auf. Verwenden Sie Strukturformeln.
Benennen Sie das Reaktionsprodukt.
Formulieren und erläutern Sie den Reaktionsmechanismus.
1.4 Bei der Verbrennung von Styrol an der Luft kann man aus den Beobachtungen schließen, dass die Reaktion unvollständig verläuft.
Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung mit Summenformel, die diese Beobachtung berücksichtigt.

2 Technisch wichtig ist die Polymerisation von Gemischen unterschiedlicher Monomere (Copolymerisation).
2.1 Copolymerisiert man Styrol im Gemisch mit 1,4-Divinylbenzol, so kann man die Eigenschaften des Kunststoffes gezielt verändern.
Beschreiben Sie, welche Eigenschaften des Kunststoffes sich durch eine dosierte Zugabe von 1,4-Divinylbenzol ändern lassen.
Erläutern Sie Ihre Aussage anhand eines Stukturformelausschnittes.
2.2 Auch Styrol und 1,3-Butadien können im Gemisch copolymerisiert werden.
Zeichnen Sie einen Ausschnitt aus der Strukturformel eines Makromoleküls, der je zwei der beiden unterschiedlichen Monomere in beliebiger Reihenfolge zeigt.
2.3 Die Synthese des Copolymerisats aus Aufgabe 2.2 kann über den Anteil an Butadien so gesteuert werden, dass ein Werkstoff mit sehr guten elastischen Eigenschaften entsteht.
Erklären Sie, wie die Elastizität zustande kommt.

Aufgabe IV:

1 In einem Messkolben gibt man 13,38 g Lithiumiodid und 0,40 g Natriumhydroxid und füllt mit destilliertem Wasser bis zur 100-ml-Eichmarke auf. Die dabei entstandene Lösung wird mit platinierten Platinelektroden elektrolysiert.
Geben Sie die Reaktionsgleichungen für alle hierbei denkbaren Elektrodenreaktionen an.
Berechnen Sie jeweils die zugehörigen Abscheidungspotenziale. Nur für Sauerstoff tritt eine zu berücksichtigende Überspannung von h = 0,53 V auf.
Begründen Sie, welche Elektrodenreaktionen bei dieser Elektrolyse tatsächlich ablaufen.

2 Das Metall Lithium hat bei der Weiterentwicklung galvanischer Zellen, z. B. für kleine tragbare Geräte, zunehmend an Bedeutung gewonnen. Einigen Vorteilen steht das Problem gegenüber, dass als Elektrolyt keine wässerigen Lösungen verwendet werden können.
Nennen Sie zwei Eigenschaften von Lithium, die beim Einsatz in galvanischen Zellen vorteilhaft sind.
Formulieren Sie für die Reaktion von Lithium mit Wasser eine Reaktionsgleichung.

3 Ein Beispiel für eine Lithiumbatterie ist die Lithium /Thionylchlorid-Zelle. In dieser Zelle dient Lithium als Anode. An einer Kohlenstoffkathode wird das flüssige Thionylchlorid (SOCl2) zu elementarem Schwefel, Schwefeldioxid und Chlorid-Ionen umgesetzt.
Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen der Teilreaktionen an der Anode und an der Kathode sowie die Reaktionsgleichung der Gesamtreaktion mit Angabe der Oxidationszahlen.

4 Für die technische Verarbeitung von Lithium ist es wichtig zu wissen, ob dabei Stickstoff als Schutzgas eingesetzt werden kann.
Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Lithium mit Stickstoff zu Lithiumnitrid (Li₃N) und prüfen sie mithilfe der angegebenen Tabellenwerte, ob dieser Vorgang bei Standardbedingungen exergonisch verläuft.
Geben Sie eine Erklarung für die Änderung der Entropie bei dieser Reaktion.

5 Wasserfreies Lithiumhydroxid wird z. B. in Raumfähren als Absorptionsmittel für Kohlenstoffdioxid eingesetzt. Dabei reagiert das Lithiumhydroxid mit Kohlenstoffdioxid zu Lithiumcarbonat und Wasser.
Formulieren Sie für diese Reaktion eine Reaktionsgleichung.
Berechnen Sie die Masse der Stoffportion Lithiumhydroxid, die für einen sieben Tage dauernden Flug einer Raumfähre mit einer aus fünf Personen bestehenden Besatzung verbraucht wird, wenn eine Person täglich im Mittel V = 340 Liter Kohlenstoffdioxid (umgerechnet auf Normbedingungen) produziert.

Lösung(BW99)