Aufgaben: Wichtige organische Reaktionen

Propen ($\mathrm{CH_3-CH=CH_2}$) geht bei der Behandlung mit Wasser in Gegenwart von verdünnter Schwefelsäure als Katalysator eine elektrophile Addition ein, die der Markownikow-Regel folgt (das Proton lagert sich bevorzugt an das Kohlenstoffatom mit den meisten Wasserstoffatomen an).

1. a) Formulieren und benennen Sie den Ausgangsstoff und das bei dieser Hydratisierung überwiegend entstehende organische Produkt.
2. b) Begründen Sie, warum Propan-1-ol nicht als Hauptprodukt entsteht.

Die vollständige Verbrennung von Alkoholen liefert Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf und setzt dabei eine beträchtliche Menge Wärmeenergie frei.

1. a) Schreiben Sie die Reaktionsgleichung der vollständigen Verbrennung von Ethanol ($\mathrm{CH_3-CH_2OH}$) auf und gleichen Sie sie mit ganzzahligen stöchiometrischen Koeffizienten aus.
2. b) Berechnen Sie das Volumen des Kohlenstoffdioxids, gemessen bei $25\,^{\circ}\text{C}$ und $1{,}0\,\text{atm}$, das bei der vollständigen Verbrennung von $23{,}0\,\text{g}$ Ethanol entsteht. Gegeben: relative Atommassen: $\mathrm{C}=12{,}0$; $\mathrm{H}=1{,}0$; $\mathrm{O}=16{,}0$; Gaskonstante $R = 0{,}082\,\text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$.

Halogenalkane können je nach Art des Reaktionspartners und des verwendeten Lösungsmittels gezielte Umwandlungen eingehen.

1. a) Schreiben Sie die ausgeglichene Reaktionsgleichung der nucleophilen Substitution zwischen 1-Brompropan ($\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2Br}$) und einer verdünnten wässrigen Natriumhydroxidlösung bei mäßiger Temperatur auf und benennen Sie das entstehende organische Produkt.
2. b) Geben Sie die Halbstrukturformel und den Namen des Produkts an, das man erhielte, wenn das in einer Nebenreaktion gebildete Propen einer katalytischen Hydrierung mit $\mathrm{H_2}$ in Gegenwart von Nickel unterzogen würde.

Das chemische Verhalten eines primären Alkohols gegenüber einem starken Oxidationsmittel wie Kaliumdichromat im sauren Medium hängt von den gewählten Versuchsbedingungen ab. Betrachten Sie das folgende Umwandlungsschema:

1. a) Bestimmen Sie begründet die Halbstrukturformeln und die systematischen Namen der organischen Produkte $\mathrm{A}$ und $\mathrm{B}$.
2. b) Begründen Sie, warum sich durch sofortiges Abdestillieren gezielt die Verbindung $\mathrm{A}$ isolieren lässt, während längeres Erhitzen unter Rückfluss mit überschüssigem Oxidationsmittel zu $\mathrm{B}$ führt.

In einem geschlossenen Reaktor mit $1{,}00\,\text{L}$ werden bei einer konstanten Temperatur von $25\,^{\circ}\text{C}$ $2{,}00\,\text{mol}$ Essigsäure (Ethansäure) und $2{,}00\,\text{mol}$ Ethanol in Gegenwart einer katalytischen Menge konzentrierter Schwefelsäure gemischt.

1. a) Formulieren Sie die Veresterungsreaktion und nennen Sie die Namen des gebildeten Esters und des anorganischen Nebenprodukts.
2. b) Die dimensionslose Gleichgewichtskonstante dieser Veresterung in Lösung beträgt bei dieser Temperatur $K_c = 4{,}00$. Berechnen Sie die im Gleichgewicht vorliegende Stoffmenge des Esters (in mol) und die prozentuale Ausbeute des Vorgangs. Zu Beginn sind weder Ester noch Wasser vorhanden. Nehmen Sie ein ideales Medium mit konstantem Volumen an, das aus wasserfreien Edukten und gegebenenfalls einem inerten Lösungsmittel hergestellt wurde; berücksichtigen Sie das gebildete Wasser im Gleichgewichtsausdruck.

Die basische Hydrolyse oder Verseifung von Ethylacetat, $\mathrm{CH_3-COO-CH_2-CH_3}$, verbraucht eine starke Base. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung mit wässriger Natriumhydroxidlösung und benennen Sie die beiden entstehenden organischen Produkte, von denen eines als Salz vorliegt. b) $17{,}6\,\mathrm{g}$ des Esters werden mit $250\,\mathrm{mL}$ $\mathrm{NaOH}$ $1{,}00\,\mathrm{mol}\cdot\mathrm{L}^{-1}$ versetzt. Bestimmen Sie den limitierenden Reaktionspartner und berechnen Sie die Masse des isolierten Natriumacetats, wenn die Ausbeute bezogen auf das stöchiometrische Maximum $85{,}0\,\%$ beträgt. Gegeben: relative Atommassen, C = 12,0; H = 1,0; O = 16,0; Na = 23,0.

Im Labor soll Propanon in einer zweistufigen Synthese aus Propen hergestellt werden. In Stufe 1 wird Propen in Gegenwart von wässriger Schwefelsäure nach der Markownikow-Regel hydratisiert, wobei als Hauptprodukt ein sekundärer Alkohol entsteht. In Stufe 2 wird dieser Alkohol gereinigt und mit Kaliumdichromat im sauren Medium zu Propanon oxidiert.

1. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen beider Stufen und ordnen Sie jede Reaktion begründet dem Typ des organischen Vorgangs zu (Addition, Substitution, Eliminierung, Oxidation-Reduktion).
2. b) Geht man von $84{,}0\,\text{g}$ Propen aus und beträgt die Ausbeute der Stufe 1 $75{,}0\,\%$, die der Stufe 2 $80{,}0\,\%$, berechnen Sie die Masse des erhaltenen reinen Propanons. Atommassen: $\mathrm{C}=12{,}0$; $\mathrm{H}=1{,}0$; $\mathrm{O}=16{,}0$.

Es wird eine Syntheseroute aus drei aufeinanderfolgenden Stufen zur Herstellung von Ethylacetat aus Ethen ($\mathrm{CH_2=CH_2}$) entworfen:

Stufe 1: Säurekatalysierte Hydratisierung von Ethen zu Ethanol mit einer Ausbeute von $80{,}0\,\%$.

Stufe 2: Kräftige Oxidation der Hälfte der in Stufe 1 erhaltenen Stoffmenge Ethanol unter Rückfluss mit überschüssigem $\mathrm{KMnO_4/H^+}$ zu Essigsäure mit einer Ausbeute von $90{,}0\,\%$.

Stufe 3: Kondensation (Fischer-Veresterung) zwischen der in Stufe 2 erhaltenen Essigsäure und der anderen, aus Stufe 1 zurückgelegten Hälfte des Ethanols.

1. a) Schreiben Sie die Reaktionsgleichungen der drei Stufen auf und geben Sie die üblichen Bedingungen und Katalysatoren an.
2. b) Wird der Prozess mit $112\,\text{g}$ Ethen begonnen und beträgt die Ausbeute der abschließenden Veresterung (Stufe 3) bezogen auf den limitierenden Reaktionspartner $70{,}0\,\%$, berechnen Sie die Masse des erhaltenen Ethylacetats. Atommassen: $\mathrm{C}=12{,}0$; $\mathrm{H}=1{,}0$; $\mathrm{O}=16{,}0$.

In einem historischen Bericht zur organischen Analyse werden vier unbeschriftete Flaschen ($\mathrm{A}$, $\mathrm{B}$, $\mathrm{C}$ und $\mathrm{D}$) beschrieben, die jeweils einen der folgenden reinen flüssigen Stoffe enthalten: Propanal, Propanon, Propansäure und Hex-1-en. Zur Identifizierung wurden drei voneinander unabhängige chemische Nachweise durchgeführt, die hier als Daten ausgewertet werden, ohne sie nachzuvollziehen:

1. Zugabe einer rötlichen Lösung von Brom in Tetrachlormethan: Nur der Stoff $\mathrm{C}$ entfärbt die Lösung rasch und sofort ohne Gasentwicklung.

2. Zugabe gesättigter wässriger Natriumhydrogencarbonatlösung ($\mathrm{NaHCO_3}$): Nur der Stoff $\mathrm{D}$ erzeugt ein deutliches Aufschäumen.

3. Nachweis mit Tollens-Reagenz (ammoniakalische Lösung von $\mathrm{Ag^+}$): Der Stoff $\mathrm{A}$ bildet beim leichten Erwärmen einen Silberspiegel aus metallischem Silber an der Röhrchenwand, während $\mathrm{B}$ keine sichtbare Veränderung zeigt.

1. a) Ordnen Sie begründet jeden Stoff den Buchstaben $\mathrm{A}$, $\mathrm{B}$, $\mathrm{C}$ und $\mathrm{D}$ zu.
2. b) Schreiben Sie die Reaktionsgleichungen der beschriebenen positiven Nachweise für $\mathrm{C}$ und $\mathrm{D}$ auf.