Originalklausur - lernhelfer.de · Pektin unter dem katalytischen Einfluss der im Traubensaft...

In den Aufgabenstellungen werden unterschiedliche Operatoren (Arbeitsan-weisungen) verwendet; sie weisen auf unterschiedliche Anforderungsbereiche (Schwierigkeitsgrade) hin und bedeuten, dass unterschiedlich viele Punkte erzielt werden können. Die Lösungen zeigen beispielhaft, welche Antworten die verschiedenen Operatoren erfordern.

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Originalklausuren mit Musterlösungen zu weiteren Fächern finden Sie auf www.duden.de/abitur in der Rubrik „SMS Abi“. Das Passwort zum Download befindet sich auf der vorderen Umschlagklappe.

Die Veröffentlichung der Abitur-Prüfungsaufgaben erfolgt mit Genehmigung des zuständigen Kultusministeriums.

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Für die Fächer Deutsch, Englisch, Mathematik, Geschichte,Biologie, Chemie, Physik sowie Politik und Wirtschaft

Originalklausurmit Musterlösung

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AbiturChemieAufgabeA: GifteAufgabeB: Zimt / halogenisierte Kohlenwasserstoffe und KunststoffeAufgabeC: Blut / Biochemie von Algen

4305

CHEMIE

als Leistungskursfach

Arbeitszeit: 240 Minuten

Der Fachausschuss wählt jeweils eine Aufgabe aus den Aufgabenblöcken

A, Bund C zur Bearbeitung aus.

Als Hilfsmittel dürfen das Periodensystem, ein zugelassener Taschen.rechner und eine vom Staatsministerium für Unterricht und Kultus ge-nehmigte, unveränderte physikalische Formelsammlung verwendet werden.

Bei jeder Teilaufgabe steht die maxima.l erreichbare Anzahl von Be-

wertungseinheiten (BE).

-2 -

A 1 Gifte

1 Im November 2006 starb in London der ehemalige russische GeheimagentAlexander Litwinenko, nachdem er Po-210 aufgenommen hatte. Bereits dieAufnahme von 10-6 g dieses Stoffes ist für einen erwachsenen Menschentödlich.Po-210 ist ein a-Strahler mit einer Halbwertszeit von 138 Tagen .In der Natur kommt Po-210 in winzigen Spuren in Uranlagerstätten vor, daes durch radioaktiven Zerfall von U-238 laufend nachgebildet wird. Tech-nisch wird es durch Neutronenbeschuss eines Bismut-Isotops hergestellt,wobei ein ß-Strahler entsteht, der mit einer Halbwertszeit von 5,01 Tagenzu Po-210 zerfällt.

1 1 Formulieren Sie die Kerngleichungen für die technische Herstellung undden Zerfall von Po-210! [4 BE]

1.2 Berechnen Sie die Zahl der a- und ß-Zerfälle, die bei der natürlichen Bil-dung von Po-210 aus U-238 stattfinden! Der Gang Ihrer Berechnung mussnachvollziehbar sein. [4 BE]

1.3 Berechnen Sie die Aktivität der tödlichen Dosis von 10-6 g Po-210 inBecquerel und fertigen Sie ein vollständig beschriftetes Diagramm an, dasden Verlauf der Aktivität innerhalb der ersten 500 Tage zeigt! [9 BE]

1.4 Beurteilen Sie die Gefährlichkeit von Po-210 innerhalb und außerhalb desmenschlichen Körpers, die von der radioaktiven Strahlung ausgeht! [3 BE]

1.5 99,9988% der von Po-210 ausgesandten a- Teilchen haben eine Energievon 5,30438 MeV. Bei 0,0012 % aller Zerfälle werden a- Teilchen mit einerEnergie von 4,50138 MeV frei. Zusätzlich zur a-Strahlung emittiert der Stoff

y-Strahlung.Erklären Sie das Zustandekommen der y-Strahlung mit Hilfe des Energie-

erhaltungssatzes! [3 BE]

{FortsetzunQ nächste Seite)

-3 -

2 Bei der Herstellung von Rotwein durch Vergären von Traubensaft entstehtneben Ethanol in geringen Mengen das giftigere Methanol. Dieser Giftstoffkann aus dem in den Zellwänden enthaltenen Pektin, das durch folgendeHaworth-Projektionsformel gekennzeichnet ist, gebildet werden:

COOCH3

~OH

OH

d/

'O~O/COOH

0 0"'

2. Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Bildung von Methanol ausPektin unter dem katalytischen Einfluss der im Traubensaft enthaltenenSäuren und benennen Sie den Reaktionstyp! Die für die Reaktion nicht re-levanten Molekülbestandteile können abgekürzt werden. [3 BE]

Das Enzym Alkoholdehydrogenase (ADH) katalysiert im Körper die Oxida-tion von Methanol zu Methanal. Die Symptome einer Methanolvergiftungwerden hauptsächlich durch Methanal verursacht. Neben Methanol setztdas Enzym auch Ethanol um.

2.2

2.2.1 Erläutern Sie unter Verwendung einer Modellvorstellung das Phänomender Substratspezifität von Enzymen! Beurteilen Sie die Substratspezifitälvon ADH! [6 BE]

2.2.2 Zur Therapie einer Methanolvergiftung wird die Ethanolkonzentration imBlut über mehrere Tage auf einem erhöhten Wert gehalten.SteIfen Sie die Geschwindigkeit des Methanolabbaus durch ADH in Abhän-gigkeit von der Methanolkonzentration in einem beschrifteten Diagrammdar! Erläutern Sie den Einfluss der therapeutischen Ethanolgabe auf dieseGeschwindigkeit unter Mitverwendung einer weiteren Kurve, die Sie in dasgleiche Diagramm einzeichnen! [8 BE]

[40 BE]

COOH

~OH

OH

~COOH

4

A 2 Colchicin -das Gift der Herbstzeitlose

Colchicin ist in allen Pflanzenteilen der Herbstzeitlose enthalten. Bei derqualitativen Analyse von Colchicin können ausschließlich die ElementeStickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlenstoff nachgewiesen werden.Zur Ermittlung der Summenformel wird die Molekülmasse bestimmt -siebeträgt 399 u. AIJschiießend wird mit 3,00 g der Substanz eine quantitativeVerbrennungsanalyse durchgeführt. Hierbei entstehen 1 ,69 g Wasser und7 ,28 g Kohlenstoffdioxid.Der Stickstoffanteil des Giftstoffs wird durch das Verfahren nach Kjeldahlermittelt. Dabei werden die Stickstoffatome aus 1 ,00 g Cqlchicin quantitativin Ammoniak überführt. Dieses Gas wird vollständig in einem Gefäß mit100,0 ml Salzsäure der Konzentration c = 0,100 mol/1 aufgefangen. NachAblauf der Reaktion werden 25,0 mi der Salzsäurelösung entnommen undmit Natronlauge der Konzentration c = 0, 100 mol/1 zurücktitriert. Hierbeiwerden 18;7 mi Natronlauge verbraucht.

Beschreiben Sie das Prinzip der oben genannten Verbrennungsanalyse] [5 BE]

1.2 Ermitte.ln Sie aus den Ergebnissen der beiden Analysen die Summenformeldes Colchicins! Der Gang der Berechnung muss nachvollziehbar sein. [13 BE](Zwischenergebnis: Der Stickstoffanteil beträgt 3,5 Massenprozent.)

2 Die folgende Abbildung zeigt eine Kurzform der Struktur von Colchicin:

H,CO.

R:R.

R2

R3

2.1 Colchicin zeigt eine leicht gelbliche Färbung.Erläutern Sie dies ausführlich unter Mitverwendung einer Grenzstrukturfor-mel der oben angegebenen Kurzform! [7 BE]

(Fortsetzung nächste Seite)

5

2.2 Die in der obigen Abbildung mit R4 abgekürzte Gruppe hat folgendeStruktur:

H3C\ (. C=O \

, / ,: N :

:, ii H A i\ ~...J

Beschreiben Sie die Bindungsverhältnisse der mit A1 bezeichneten Grup-pierung unter Mitverwendung einer beschrifteten Orbitalskizze! [5 BE]

2.3 Aufgrund seiner Farbigkeit lässt sich Colchicin leicht mit Hilfe der Dünn-schichtchromatographie nachweisen.Dieses Verfahren eignet sich allgemein zur Auftrennung von Farbstoffge-mischen. Das verwendete Laufmittel hat hierbei einen großen Einfluss aufdas Trennergebnis. Um ein geeignetes Laufmittel zu ermitteln, kann einsogenannter Spot- Test durchgeführt werden. Bei diesem Test wird eineLösung des Farbstoffgemisches mehrfach im Abstand von jeweils einigenZentimetern auf einer DC-Platte aufgetragen. Nachdem das Lösungsmittelverdunstet ist, wird auf die Mitte jedes Substanzflecks eine dünne Kapillaremit je einem Laufmittel gestellt. Durch die Kapillarkraft der stationären Pha-se tritt Laufmittel aus der Kapillare aus und verbreitet sich kreisförmig aufder Platte. Die folgende Abbildung zeigt das Prinzip und das Ergebnis ei-nes solchen Spot- Tests:

2.3.1 Vergleichen Sie die Eignung der untersuchten Laufmittel zur Trennung desFarbstoffgemisches und begründen Sie Ihre Aussage! [5 BE]

2.3.2 Formulieren Sie eine begründete Hypothese zur Polaritat der im aufgetra-genen Gemisch enthaltenen Farbstoffe! [5 BE]

[40 BE]

-6 -

B 1 Zimt

Zimt zählt zu den ältesten Gewürzen der Welt, wird er doch bereits in ei-nem Kräuterbuch eines chinesischen Kaisers (ca. 2700 v. Chr.) ausführlich

beschrieben.Das Gewürz enthält 1-4 % Aromastoffe in Form von ätherischem Öl, dassich aus vielen Einzelverbindungen zusammensetzt. Der HauptbestandteilA des Zimtaromas, der zugleich den typischen Zimtgeruch hervorruft, wirddurch Sauerstoff aus der Luft rasch zu (E)-Zimtsäure (vgl. Abb. 1) oxidiert.

~/COOH

~/

:(3

Abb. 1: (E)-Zimtsäure

1 1 Mit A wird die Fehling-Probe durchgeführt. die positiv verläuft. Als Oxidati-onsprodukt kann (E)-Zimtsäure nachgewiesen werden.Beschreiben Sie die Durchführung der Fehling-Probe und leiten Sie die zu-gehÖrige Redoxgleichung unter Verwendung der beiden Teilgleichungenher! Für organische Verbindungen sind Strukturformeln anzugeben. [6 BE]

1.2 Zur Synthese der Verbindung A wird Benzaldehyd (Phenylmethanal) imAlkalischen mit Ethanal zur Reaktion gebracht. In einem ersten Reaktions-schritt entsteht ein Zwischenprodukt B, das bei starkem Erhitzen Wasserabspaltet und somit zu A weiterreagiert-Formulieren Sie den Reaktionsmechanismus für die Bildung des Zwi-schenproduktes Bunter Verwendung von Strukturformeln! 17 BE]

(E)-Zimtsäure wird bei Raumtemperatur in Dunkelheit mit Brom umgesetztHierbei kann kein Wasserstoffbromid nachgewiesen werden.

2

2.1 Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für diese Reaktion von(E)-Zimtsäure mit Brom und erläutern Sie, weshalb keine Addition am Ring

erfolgt! [4 BE]

Zimtsäure kann sowohl als E-Isomer als auch als Z-lsomer (= Allozimt-säure) auftreten. Setzt man ein Gemisch dieser beiden Isomere wie obenbeschrieben mit Brom um, so entstehen vier verschiedene Stereoisomere.Zeichnen Sie die möglichen Produkte in der Fischer-Projektion und erläu-tern Sie anhand der vier Verbindungen die Begriffe "Enantiomere" und

"Diastereomere"!

2.2

[7 BE]

fFnrtsetzuna nächste Seite)

3 In der Adventszeit 2006 konnte man in den deutschen Medien Schlagzeilenfinden, die vor einem übermäßigen Verzehr von Zimtprodukten warnten.Eine minderwertigere Zimtsorte, der so genannte "Cassiazimt", enthält dieVerbindung Cumarin (vgl. Abb. 2), die im Verdacht steht, Krebs auszulö-sen. Auf der anderen Seite kann Cumarin das Wachstum von ganz be-stimmten Tumoren stoppen und ist deshalb für den Synthesechemiker vonbesonderem Interesse.

~

l~oAo

Abb. 2: Cumarin

Ausgangsstoff für die Synthese von Cumarin ist Cumarinsäure, die sich vonder (Z)-Zimtsäure (= Allozimtsäure) durch eine Hydroxygruppe am C2-Atomdes Benzolrings unterscheidet.

3.1 Stellen Sie die Strukturformelgleichung für die oben beschriebene Darstel-lung von Cumarin auf und benennen Sie den Reaktionstyp! [4 BE]

3.2 Aus einer bestimmten Menge Allozimtsäure soll Cumarin hergestellt wer-den.Erläutern Sie eine Maßnahme, mit der die Ausbeute an Cumarin bei dieserSynthese erhöht werden kann! [3 BE]

Beurteilen Sie die jeweilige Löslichkeit von Cumarinsäure und Cumarin inWasser! [4 BE]

3.3

3.4 Die folgenden Derivate des Cumarins werden in der Analytik eingesetztHierzu müssen die Hydroxygruppen in deprotonierter Form vorliegen.

BA

F~.~ ""'f" o A o

~

~

~.oAot-l" HO.

Abb. 3: Cumarin-Derivate

Vergleichen Sie die pKs-Werte der beiden dargestellten Stoffe A und Bundbegründen Sie Ihre Aussage! [5 BE]

r40 BEl

8 -

B 2 Halogenierte Kohlenwasserstoffe und Kunststoffe

1939 entdeckte der Schweizer Chemiker Paul Hermann Müller die insekti-zide Wirkung des Giftstoffs DDT.

Cl

CI,I/CIC

I

~ CH "::;;:

.,.,::;:: ~i

ci Cl

Abb. 1: Strukturformel von DDT

Die Synthese von DDT geht von den Substanzen Chlorbenzol und chloral-hydrat (2,2,2- Trichlorethan-1 , 1-diol) aus, die unter dem wasserentziehen-den Einfluss konzentrierter Schwefelsäure bei 80 ac zu DDT reagieren.Die Herstellung von Chloralhydrat erfolgt in mehreren Schritten. Zunächstwird Ethanal mit Chlor unter dem Einfluss von UV-Licht umgesetzt. ÜberMono- und Dichlorethanai entsteht hierbei Trichlorethanal. Dieses Produktreagiert mit Wasser weiter zu Chloralhydrat.

1.1 Formulieren Sie den Mechanismus für die oben beschriebene Bildung vonMonochlorethanal, benennen Sie die Einzelschritte und den Gesamtme-chanismus! [5 BE]

1.2 Geben Sie die Strukturformelgleichung fOr die Reaktion von Trichlorethanalmit Wasser an und benennen Sie den zugrunde liegenden Reaktionstyp!Vergleichen Sie die Reaktivität von Trichlorethanal und Ethanal gegenOberWasser und begründen Sie Ihre Aussage! [7 BE]

1 3 Formulieren Sie die Strukturformelgleichung für die Synthese von DDT ausChloralhydrat und Chlorbenzol! [3 BE]

1.4 Das in Abb. 1 abgebildete DDT -Molekül wird al.s p,p'-DDT bezeichnet. Beider beschriebenen Synthese entsteht neben p,p'-DDT auch o,p'-DDT. Beidiesem Isomer steht das Chloratom an einem der beiden Benzolringe inortho-Stellung (1 ,2-Stellung) statt in para-Stellung (1 ,4-Stellung) zurCCI3-CH-Gruppe.Im Gegensatz zum p,p'-DDT existieren von o,p'-DDT zwei Enantiomere.Zeigen Sie dies an einer Strukturformel von o,p'-DDT! Beschreiben Sie denAufbau und die Funktionsweise eines Messgerätes, das zur Unterschei-dung der drei Substanzen geeignet ist, und geben Sie die jeweils zu erwar-tenden Beobachtungen an! [9 BE]


9-

In den Siebzigerjahren des 20. Jahrhunderts wurde die Verwendung vonDDT in der Bundesrepublik Deutschland verboten, da der Einsatz des In-sektizids mit erheblichen Umweltrisiken verbunden ist.Erläutern Sie diese Risiken kurz!

1.5

[2 BE]

Der folgende Strukturformelausschnitt ist charakteristisch für das PolymerKautschuk:

CH3

I,C=CH-CH2'

2.1 Zur Herstellung von Gummi wird Naturkautschuk im Vulkanisationsprozessbei erhöhter Temperatur mit Schwefel umgesetzt. Die aus den Schwefel-molekÜlen entstehenden Radikale reagieren mit den Kautschukmolekülenzu einem vernetzten Polymer, dessen Eigenschaften sich deutlich von de-nen des Naturkautschuks unterscheiden.Die mechanischen Eigenschaften des vulkanisierten Kautschuks werdenmaßgeblich durch die Menge des eingesetzten Schwefels beeinflusst-Vergleichen Sie die Eigenschafteneiner Probe mit geringem und einerProbe mit hohem Schwefelanteil und begründen Sie Ihre Aussage! [5 BE]

2.2 Durch die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften einer Probe inAbhängigkeit von der Temperatur soll ermittelt werden, ob es sich um Kau-tschuk oder Gummi handelt.Bei tiefen Temperaturen ist die Probe hart und spröde. Oberhalb der soge-nannten Glastemperatur erweicht sie, bleibt aber formstabil. Bei noch höhe-rer Temperatur schmilzt die Probe und die entstandene Schmelze zersetztsich bei sehr hohen Temperaturen.Leiten Sie ab, ob es sich bei der Probe um Gummi oder Kautschuk handelt,begrÜnden Sie Ihre Entscheidung anhand der Molekülstruktur und erläuternSie das oben beschriebene Verhalten der Probe ausführlich anhand derMolekülstruktur! {9 BE]

r40 RFl

10-

C 1 Blut

Eine Ursache fOr die unterschiedlichen Blutgruppen sind Glykolipide auf derZelloberflache der roten Blutkörperchen.Der Kohlenhydratanteil eines Glykolipids besteht aus D-Galactose undL-Fucose. D-Galactose unterscheidet sich von D-Glucose nur in der stel-lung der OH-Gruppe am C4-Atom. Die Struktur der L-Fucose leitet sich ausder Struktur der L-Galactose ab; das MolekOI tragt aber am C6-Atom keine

Hydroxygruppe.Das Glykolipid ist durch folgenden Strukturformelausschnitt geke!1nzeich-net:

A

-:-Lipidrest

Benennen Sie die Monomere A, B und C, geben Sie ihre genaue Verknüp-fungsart an und zeichnen Sie die Fischer-Projektion der offenkettigen Formder Monomere A und C! [7 BE]

1.2 In einem Polarimeter wird die optische Aktivität von D.;Galactoselösungenuntersucht. Eine frisch bereitete Lösung von a-D-Galactopyranose zeigt ei-nen spezifischen Drehwinkel von +150, 7", während der spezifische Dreh-winkel einer frisch bereiteten ß-D-Galactopyranoselösung +52,8° beträgt.Nach einiger Zeit stellt sich in beiden Experimenten ein Drehwinkel von+80,2° ein.Erläutern Sie diese Beobachtung und leiten Sie aus den angegebenenDrehwinkeln eine begründete Aussage über die Stabilität der beiden Ano-mere in der Lösung ab! [8 BE]


1.3 Durch katalytische Hydrierung kann D-Galactose in den sechswertigen Al-kohol Galactitol umgewandelt werden.Zeichnen Sie die Fischer-Projektionsformel des Galactitolmoleküls und be-urteilen Sie die optische Aktivität von Galactitol! [3 BE]

Die Bildung von roten Blutkörperchen im Knochenmark wird durch dasHormon Erythropoietin (Epo) gefördert. Dieses Hormon wurde in letzter Zeitvermehrt als Dopingmittel bei Leistungssportlern nachgewiesen.

2

2. Zum Nachweis von Doping mit Epo werden die Proteinbestandteile desBlutes der Sportler elektrophoretisch aufgetrennt. Das zur Leistungssteige-rung eingenommene Epo zeigt hierbei ein anderes Wanderungsverhaltenals das vom Körper hergestellte.Beschreiben Sie die Durchführung und das Prinzip einer elektrophoreti-schen Auftrennung von Proteinen! [6 BE]

2.2 Die Leistungssteigerung des Epo-Dopings beruht unter anderem auf einerErhöhung der Sauerstofftransportkapazität des Blutes. Die Sauerstoffver-sorgung eines Muskels beeinflusst entscheidend die Art des Glucoseab-baus in den Muskelzellen und die Menge der hierbei freigesetzten Energie.Erläutern Sie diesen Zusammenhang mit Hilfe der Gesamtgleichungenzweier Glucose-Abbauwege im menschlichen Körper und vergleichen Siedie jeweils freigesetzte Energiemenge! [6 BE]

3 Nach Operationen müssen Patienten zum Schutz vor der Bildung von Blut-gerinnseln spezielle Strümpfe aus elastanhaitigern Gewebe tragen.Elastan ist ein Blockcopolymer aus den Polyaddukten Polyurethan und Po-lyethylenglykOl. Aus Gründen des Tragekomforts wird Elastan mit anderenFasertypen wie zum Beispiel Polyamiden verarbeitet.

3.1 Zeichnen Sie die Strukturformeln der Monomere, aus denen ein Ihnen be-kanntes Polyaddukt hergestellt werden kann, und geben Sie einen charak-teristischen Strukturformelausschnitt dieses Polyaddukts an! [3 BE]

3.2 Ein Monomer. aus dem ein Polyamid hergestellt werden kann, ist p-Amino-benzoesäure (4-Aminobenzolcarbonsäure )0p-Aminobenzoesäure kann in einer elektrophilen aromatischen Substitutionmit Brom reagieren.Erläutern Sie unter Verwendung von Grenzstrukturformeln, an welcherStelle bevorzugt ein Wasserstoffatom durch ein Bromatom substituiert wird!

[7 BE]

r4o BEl

12-

C 2 Biochemie von Algen

Aus den Zellwänden der Braunalge Macrocystis pyrifera kann Alginsäuregewonnen werden. Diese Säure und ihre Salze werden als verdickungs-mittel für Lebensmittel verwendet. Alginsäure ist ein Polymer aus 1,4-glykosidisch verknüpften ß-D-(+)-Mannuronsäure-Bausteinen (M) mit gele-gentlichen Einschüben von ß-L-(-)-Guluronsäuremolekülen (G). Die Mono-mere Mund G sind Derivate der Hexosen Mannose bzw. Gulose, wobeidas C6-Atom bei Mund G Teil einer Carboxylgruppe ist. Das D-Mannosemolekül unterscheidet sich vom D-Glucosemoleküllediglich in derStellung der Hydroxygruppe am C2-Atom.

HI

H C-OOHb/ CH2OH \6

1\.9H 9H/IHO c-C' H

I II-I H

Abb. 1: Haworth-Projektionsformel der Pyranoseform einer L-Gulose

1 1 Geben Sie die Struktur der beiden Monomere Mund G in der Haworth-Projektion an und zeichnen Sie einen charakteristischen Strukturformel-ausschnitt aus einem Alginsäuremolekül. der beide Monomere enthält! [5 BE]

1.2 Eine frisch bereitete 13-L-Guloselösung wird längere Zeit polarimetrisch un-tersucht.Beschreiben Sie die Versuchsbeobachtungen und erläutern Sie diese unterMitverwendung von Strukturformeln! [7 BE]


13-

2 Algen zeigen wie alle anderen grünen Pflanzen das Phanomen der Licht-atmung. Hierbei wird der CO2-Akzeptor der Dunkelreaktion Ribulose-1 ,5-bisphosphat in einer Reaktion mit Sauerstoff in Glycerinsaure-3-phosphatund Glykolsaure-2-phosphat gespalten. Letzteres geht nach Abspaltung ei-ner Phosphatgruppe in Glrkolsaure (2-Hydroxyethansäure) über, derenfunktionelle Gruppe am C -Atom in einem dritten Schritt durch Sauerstoffoxidiert wird. Neben Wasserstoffperoxid (H2O2) entsteht hierbei die Mono-carbonsaure Glyoxylsäure.

H2C-°-@~=OI

H-C-OHI

H-C-OH

H2~-O-o

Abb. 2: Strukturformel von Ribulose-1 ,5-bisphosphat

2. Formulieren Sie ein Ablaufschema der Lichtatmung unter Mitverwendungvon Strukturformeln! [5 BE]

2.2 Erläutern Sie den Einfluss der Lichtatmung auf die Photosyntheserate derAlgenzellen! [3 BE]


14

2.3Mit Hilfe einer Suspension einzelliger Grünalgen soll der Ablauf der Photo-

synthese näher untersucht werden.

A In einem ersten Experiment werden die Ze1len mit isotopenmarkier-tem Kohlenstoffdioxid (C1802) versetzt und belichtet.

B In einem zweiten Experiment werden die Ze1len mit isotopenmarkier-tem Wasser (H2180) versetzt und belichtet.

C In einer Versuchsreihe soll die Abhängigkeit der Photosyntheserateder Zellen von der Temperatur untersucht werden. Hierzu dient die

folgende Tabelle als Versuchsanleitung:

VeTemVerundGlu

Erläutern Sie die Zielsetzung der Experimente A und B und formulieren Sieje eine Reaktionsgleichung der Photosynthese, aus der das Ergebnis desjeweiligen Experiments hervorgeht! [5 BE]

2.3

2.3.2 Stellen Sie das zu erwartende Ergebnis der Versuchsreihe C grafisch dar

und erläutern Sie den Kurvenverlauf! [5 BE]

Um die Zellmembranen der Algenzellen aufzubrechen, wird die Suspension

mit Natriumdodecylsulfat versetzt.3

H3C-(CH2)11-0-S03"

Abb. 3: Formel des Dodecylsulfat-lons

[4 BE]Beurteilen Sie die Grenzflächenaktivität des Dodecylsulfat-lons!~ 1

Beschreiben Sie mit Hilfe beschrifteter Skizzen einen Waschprozess, bei

dem Natriumdodecylsulfat eingesetzt wird!3.2

[6 BE]

r40 BE]

© Dudenverlag, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2008 1

Musterlösung für die Prüfungsaufgaben Abitur Prüfungsfach: Chemie (Bayern 2008, Aufgabenstellungen A1, B1, und C1) Hinweis: Die gesamte Abiturprüfung besteht aus drei voneinander unabhängigen Aufgabenblöcken A, B und C. Hier wird die Lösung der Alternativen A1, B1 und C1 beschrieben.

I. Aufgabenstellung A1 Gifte 1 Polonium 1.1 Technische Herstellung von Polonium: Neutronenbeschuss eines Bismut-Isotops ergibt

ein Nuklid X, das unter β-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 5,01 d in Po-210 übergeht. Bei einem β-Zerfall wird gemäß

n p+ + e–

ein Neutron in ein Proton umgewandelt, wobei ein Elektron emittiert wird (β-Strahlung). Das Nuklid X muss also dieselbe Masse haben wie Po-210 und eine um 1 geringere Protonenzahl (= Ordnungszahl). Es kommt hierfür also nur Bi-210 infrage. Dieses entsteht durch Neutronenbeschuss aus einem anderen Bismut-Isotop. Da sich bei einem Neutroneneinfang die Massenzahl um 1 erhöht und die Ordnungszahl nicht ändert, muss es sich bei dem ursprünglichen Bismut-Isotop um Bi-209 handeln. Die vollständige Kerngleichung lautet:

PoBiBi 21084

21083

20983 ⎯→⎯⎯→⎯

−βn

Aus dem Text entnimmt man, dass Po-210 ein α-Strahler ist. Beim α-Zerfall wird ein Helium-Kern emittiert, der 2 aus Protonen und 2 Neutronen besteht. Die Kernladungs-zahl (= Ordnungszahl) verringert sich dabei um 2, die Massenzahl um 4 Einheiten.

PbPo 20682

21084 ⎯→⎯α

Die genannten Kernreaktionen kann man durch Vergleich mit der Nuklidkarte ( Tabellenwerk) bestätigen. Pb-206 ist ein stabiles Nuklid, es zerfällt nicht weiter.

1.2 Von U-238 bis Po-210 verringert sich die Massenzahl um 28 Einheiten. Da sich nur ein

α-Zerfall auf die Masse eines Nuklids auswirkt, ein β-Zerfall dagegen nicht, müssen diese 28 Masseneinheiten von insgesamt 7 α-Zerfällen verursacht werden. Dabei muss sich die Kernladungszahl insgesamt um 2 · 7 = 14 Einheiten verringern. Zwischen U mit


der Ordnungszahl 92 und Po mit der Ordnungszahl 84 beträgt die Differenz aber nur 8 Einheiten. Also muss es zusätzlich 6 β-Zerfälle geben, die die Kernladungszahl jeweils um eine Einheit erhöhen. Zur Verdeutlichung, für die Bearbeitung dieser Aufgabe nicht zwingend erforderlich: Aus der Nuklidkarte kann man mit Beginn bei U-238 die vollständige Zerfallsreihe herleiten:

Po.BiPbPoBiPb

PoRnRaThUPaThU210

84210

8321082

21484

21483

21482

21884

22286

22688

23090

23492

23491

23490

23892

⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯

⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯−−−−

−−

ββαββα

ααααββα

1.3 Zur Berechnung der Aktivität geht man vom Grundgesetz des radioaktiven Zerfalls aus: tλNtN ⋅−⋅= e)( 0

wobei bedeuten: N(t) Anzahl der noch vorhandenen Kerne zum Zeitpunkt t N0 Anzahl der Kerne zum Zeitpunkt t = 0 λ Zerfallskonstante (in s–1).

Die Aktivität A(t) ergibt sich aus:

λλ λ ⋅⋅=⋅= ⋅− tNtNtA e)()( 0 .

Für t = 0 reduziert sich dieser Ausdruck zu

λλλ ⋅=⋅⋅=⋅= 00

0 e)()( NNtNtA . (Gleichung 1)

Es sind also zunächst N0 und λ zu ermitteln. Im Aufgabentext ist die Halbwertszeit T1/2 = 138 d gegeben, nicht die Zerfallskonstante λ. Diese beiden Größen sind miteinander verknüpft über die Beziehung:

2/1

2lnT

=λ .

Einsetzen liefert:

18 s1081343,5s11923200

693147,0

ds86400d 138

2lnd138

2ln −−⋅==⋅

==λ

Damit ist λ bekannt. Nun ist noch die Anzahl der Kerne in 10–6 g frischem Po-210 zu berechnen. Dafür wird die Beziehung

Mmn =

mit n = Stoffmenge, m = Masse der gegebenen Probe und M = molare Masse genutzt.

mol107619,4molg 210

g000001,0 91

−−

⋅=⋅

=n

Man hat damit die Stoffmenge in mol ermittelt. Mit Hilfe von N0 = n · NA kann man die Teilchenzahl berechnen, wobei NA die AVOGADRO-Konstante bedeutet:

1512390 108681,2mol106,023mol104,7619 ⋅=⋅⋅⋅=⋅= −−

ANnN

Jetzt kann man in Gleichung 1 einsetzen: 181815

0 s1066735,1s1081343,5108681,2)( −−− ⋅=⋅⋅⋅=⋅= λNtA .


Die Aktivität beträgt also 1,66735 · 108 Bq, da ein Becquerel definiert ist als ein Zerfall pro Sekunde.

Das Aktivitäts-Zeit-Diagramm sieht folgendermaßen aus:

1.4 Po-210 ist ein α-Strahler. Da α-Strahlen an der Luft eine sehr geringe Reichweite haben (Größenordnung wenige cm) und sehr leicht, z. B. bereits durch wenige Blatt Papier, effektiv abgeschirmt werden können, ist die von ihnen ausgehende Gefahr außerhalb des menschlichen Körpers sehr gering. Aufgrund der hohen Energie der α-Strahlen (Größenordnung 5 MeV) und ihres großen Wirkungsquerschnitts wirken sie innerhalb des Körpers dagegen stark schädigend.

1.5 Bei einem radioaktiven Zerfall entsteht das Tochternuklid in der Regel in einem

energetisch angeregten, metastabilen Kernzustand. Beim Übergang in den Grundzustand wird Energie in Form von γ-Quanten abgestrahlt.

Eine genauere Betrachtung zeigt, dass bei jedem natürlichen radioaktiven Zerfall das Tochternuklid eine negativere Bindungsenergie pro Nukleon hat als das Mutternuklid. Gleiches gilt für ein beim Zerfall entstehendes α-Teilchen (ein He-4-Kern). Also sind die Massen von Tochternuklid und α-Teilchen in der Summe geringer als die Masse des Mutternuklids. Gemäß der EINSTEIN-Gleichung E = m · c2 kann dieser Massendefekt in eine äquivalente Energie umgerechnet werden, die sich einerseits in der Bewegungsenergie der α-Teilchen wiederfindet, andererseits zunächst in der oben beschriebenen energetischen Anregung des Tochternuklids steckt. Der Energie-erhaltungssatz wird also durch die Aussendung von γ-Quanten nicht verletzt.


2 Methanol 2.1 Die abgebildete Strukturformel von Pektin lässt an einer Stelle im Molekülausschnitt

einen Methylester erkennen. Dieser Ester kann unter sauren Bedingungen in einer Gleichgewichtsreaktion hydrolysiert werden. Reaktionsschema:

Der Pektinrest wurde mit R abgekürzt.

2.2 1. Im Gegensatz zu anorganischen Katalysatoren katalysieren Enzyme eine gegebene Reaktion nur für ein einziges Substratmolekül (substratspezifisch im engeren Sinne) oder eine kleine Gruppe sehr ähnlicher Substrate (substratselektiv). Bei der im Text beschriebenen Alkoholdehydrogenase (ADH) ist Letzteres der Fall, denn es werden sowohl Methanol als auch Ethanol umgesetzt.

Man kann sich die Substratspezifität nach dem sogenannten „Schlüssel-Schloss-Prinzip“ erklären. Enzyme besitzen Bindungsstellen (aktive Zentren), die aufgrund ihrer räumlichen Struktur nur von ganz bestimmten Substratmolekülen besetzt werden können. Das aktive Zentrum funktioniert wie eine speziell geformte Tasche oder eben wie ein Schloss, in das nur der zugehörige Schlüssel passt und etwas bewirken kann. Bereits geringe Änderungen in Struktur oder Ladungsverteilung eines Moleküls können zur Folge haben, dass es von einem Enzym nicht mehr als Substrat erkannt wird.

2.2 2. Ethanol konkurriert mit Methanol um das aktive Zentrum des Enzyms. Es liegt also

eine kompetitive Enzymhemmung durch ein strukturell ähnliches Substrat vor. Wie sich diese auf die Reaktionsgeschwindigkeit auswirkt, zeigt das folgende Diagramm.

Kurve (1) zeigt die Geschwindigkeit des Methanolabbaus in Abhängigkeit von der Methanolkonzentration ohne zusätzliche Ethanolgabe, Kurve (2) mit Ethanolgabe. Da das Enzym bei einem Überangebot an Ethanol vornehmlich mit dessen Abbau beschäftigt ist, kann pro Zeiteinheit nicht so viel Methanol umgesetzt werden. Deswegen bleibt die Konzentration des toxischen Methanals geringer als ohne Ethanolgabe. Der Stoffwechsel gewinnt Zeit, das Methanal abzubauen und das Methanol anderweitig auszuscheiden.


II. Aufgabenstellung B1 Zimt 1 Herstellung von Zimtsäure und Zimtaldehyd 1.1 Bei der im Text beschriebenen Verbindung A muss es sich um Zimtaldehyd handeln.

Aldehyde werden durch Luftsauerstoff in der Regel leicht zu den entsprechenden Carbonsäuren oxidiert und sie ergeben eine positive FEHLING-Probe.

Durchführung der FEHLING-Probe: Eine Kupfer(II)-sulfat-Lösung wird mit Kalium-Natrium-Tartrat (ein Salz der Weinsäure) und Natronlauge versetzt. Das Kalium-Natrium-Tartrat ergibt mit Cu2+-Ionen eine Komplexverbindung und verhindert damit, dass im alkalischen Bereich schwer lösliches Kupferhydroxid ausfällt. Diese FEHLING-Lösung wird mit etwas A versetzt und einige Minuten im siedenden Wasserbad erwärmt. Ein positives Testergebnis wird durch das Auftreten eines ziegelroten Niederschlags von Kupfer(I)-oxid Cu2O angezeigt.

Reaktionsschema mit Strukturformeln:

Im obigen Reaktionsschema sind die Oxidationszahlen der an der Redoxreaktion beteiligten Atome in roter Farbe eingetragen.

Teilgleichungen:

Oxidation: C+I C+III + 2 e– Reduktion: Cu+II + e– Cu+I ⏐· 2

Pro Molekül Zimtaldehyd werden also zwei Cu2+-Ionen benötigt. Ladungs- und Stoffbilanz durch Addition von OH– und H2O führen zu der Gesamtgleichung

C9H8O + 2 Cu2+ + 4 OH– C9H8O2 + Cu2O + 2 H2O

1.2 Das allgemeine Reaktionsschema lautet:

Zur Formulierung des Reaktionsmechanismus greift man zunächst auf die bekannte Tatsache zurück, dass Aldehyde im alkalischen Medium in α-Stellung deprotoniert


werden können. Es entsteht ein Enolat-Anion, das durch Mesomerie stabilisiert ist. Diese Reaktion kann hier nur vom Ethanal (Acetaldehyd) eingegangen werden, nicht aber vom Benzaldehyd, da Letzterer keine α-ständigen Wasserstoffatome besitzt.

Das Enolat-Anion des Ethanals greift nun nucleophil die Carbonylgruppe des Benzaldehyds an. Man formuliert diesen Schritt am besten mit derjenigen Grenzformel des Enolat-Anions, bei der sich die negative Ladung am Kohlenstoffatom befindet. Das negativ geladene Addukt stabilisiert sich zunächst durch Aufnahme eines Protons vom Lösungsmittel Wasser, wobei der Katalysator (OH–) zurückgebildet wird. In einem folgenden Schritt spaltet das so gebildete neutrale Zwischenprodukt B beim Erwärmen – unter erneuter katalytischer Beteiligung von OH– – Wasser ab, wobei eine Doppelbindung zwischen der α- und der β-Position entsteht. Das Endprodukt A ist Zimtaldehyd.

Man bezeichnet diese Reaktion als Aldol-Kondensation, da die Zwischenverbindung B eine Aldehyd- und eine β-ständige Alkoholfunktion enthält. Es ist eine Kondensations-reaktion, da Wasser abgespalten wird.

2 Bromierung von Zimtsäure 2.1 Es erfolgt eine elektrophile Addition von Brom an der Doppelbindung, dagegen keine

elektrophile Substitution am aromatischen Ring. Die Doppelbindung ist offensichtlich unter den gegebenen Bedingungen reaktiver gegenüber einem elektrophilen Angriff. Das kann man einerseits im Hinblick auf die Reaktionsbedingungen und andererseits durch die Deaktivierung des aromatischen Rings erklären.

Reaktionsbedingungen: Es fehlt hier ein Katalysator, der für eine elektrophile Substitution des Rings unbedingt benötigt würde. Die Addition von Brom an eine Doppelbindung erfolgt hingegen schon in der Kälte und bei Dunkelheit.

B A


Deaktivierung des Rings: Es lassen sich mesomere Grenzformen finden, bei denen Elektronendichte aus dem Ring abgezogen wird. Beispielhaft ist in der folgenden Formel auf der rechten Seite eine Form mit der positiven Ladung in 4-Stellung dargestellt, es gibt zusätzlich noch zwei gleichwertige Formen mit der positiven Ladung in 2- und in 6-Stellung.

Die Reaktionsgleichung lässt sich also wie folgt formulieren:

2.2 Eine genauere Betrachtung der unter Teilaufgabe 2.1. beschriebenen Reaktion ergibt folgendes Bild: Bei der Addition von Brom an eine Doppelbindung entsteht das trans-Produkt, was sich mithilfe des Reaktionsmechanismus erklären lässt. Als Zwischenstufe tritt nämlich ein zyklisches, positiv geladenes Bromonium-Ion auf, das von der Rückseite durch Bromid angegriffen und geöffnet wird. Abhängig davon, ob der erste Angriff an die Doppelbindung von „oben“ oder von „unten“ erfolgt, entstehen bei der Bromierung eines unsymmetrisch substituierten Alkens zwei Produkte. Setzt man – wie in diesem Beispiel – ein Gemisch zweier Alkene als Edukte ein, entstehen also vier Produkte. Diese unterscheiden sich in der räumlichen Anordnung der Substituenten an den beiden neu entstandenen Stereozentren (= Kohlenstoffatome mit vier verschiedenen Substituenten). Diese asymmetrischen Kohlenstoffatome sind in den folgenden Reaktionsschemata mit einem roten Stern gekennzeichnet. Zur Verdeutlichung sind die Wasserstoffatome an der Doppelbindung mit eingezeichnet.


Umwandlung der Strukturformeln (1) bis (4) in die FISCHER-Projektion ergibt:

Alle vier Moleküle besitzen an allen Kohlenstoffatomen jeweils die gleichen Substituenten. Die Konnektivität ist also bei allen Verbindungen gleich. Es handelt sich um Stereoisomere. Man stellt fest, dass die Moleküle (1) und (2) sich zueinander verhalten wie Bild und Spiegelbild: Es sind Enantiomere. Dasselbe gilt für die Moleküle (3) und (4). In der obigen Abbildung sind die Spiegelebenen durch gestrichelte Linien angedeutet. Diese Molekülpaare unterscheiden sich jeweils in der Konfiguration an allen Stereozentren. Dagegen liegen bei Molekülen mit mehreren Stereozentren Diastereomere vor, wenn sich mindestens eines, aber nicht alle Stereozentren unterscheiden. Unterscheidet sich – wie hier – die Konfiguration an genau einem Stereozentrum, spricht man auch von Epimeren. Diastereomere haben in der Regel unterschiedliche physikalische Eigenschaften (z. B. Schmelzpunkt, Siedepunkt, Löslichkeit, Spektren), während sich Enantiomere nur in ihrem Drehwert und in ihrem chemischen Verhalten gegenüber anderen chiralen Molekülen sowie in ihren physiologischen Eigenschaften (Geruch, Geschmack) unterscheiden. Die stereochemischen Beziehungen zwischen den vier Molekülen zeigt das folgende Schema, worin D für Diastereomere und E für Enantiomere steht:


3 Cumarin: Ein Derivat der Zimtsäure 3.1 Strukturformelgleichung:

Cumarinsäure Cumarin

Es handelt sich um eine intramolekulare Veresterung. In der Cumarinsäure sind sowohl eine Hydroxylgruppe (Alkoholfunktion) als auch eine Carboxylgruppe (Säurefunktion) enthalten, die sich in räumlicher Nähe zueinander befinden.

3.2 Auch wenn im Aufgabentext die Rede von Allozimtsäure als Edukt ist, kann im Sinne

dieser Aufgabe nur der letzte Syntheseschritt gemeint sein, also die unter Teilaufgabe 3.1 beschriebene Veresterung. Dabei handelt es sich um eine Gleichgewichtsreaktion. Da hierbei aus einem Molekül zwei entstehen, sollte in diesem Fall das Gleichgewicht bereits stärker auf der Produktseite liegen als bei „normalen“ intermolekularen Veresterungen, weil die Entropie hier vergrößert wird. In der Gleichung ΔG = ΔH – T · ΔS trägt also der negative Entropieterm dazu bei, dass ΔG negativer wird.

Um die Produktausbeute zu erhöhen, muss das o. g. Gleichgewicht noch weiter auf die Seite der Produkte verschoben werden. Dazu kann man sich das Prinzip von LECHATELIER zunutze machen. Dieses besagt, dass ein System im chemischen Gleichgewicht einem äußeren Zwang durch Verschiebung des Gleichgewichts ausweicht. Etwas mathematischer kann man das durch Aufstellen des Massenwirkungsgesetzes formulieren, wobei CUS = Cumarinsäure und CU = Cumarin bedeuten:

(CUS)O)(H(CU) 2

cccKc⋅

=

Die Konstante Kc muss unverändert bleiben, auch wenn man die äußeren Bedingungen variiert. Hier bietet es sich an, dem System das Reaktionsprodukt Wasser zu entziehen, indem man es z. B. kontinuierlich aus dem Reaktionsgemisch abdestilliert. (Die Siedepunkte von Cumarinsäure und Cumarin werden deutlich höher liegen als 100 oC und damit werden diese beiden Stoffe im Reaktionsgemisch verbleiben.) Um die o. g. Bedingung zu erfüllen, d. h. den Zahlenwert von Kc konstant zu halten, muss c(CU) erhöht und c(CUS) erniedrigt werden. Das bedeutet, dass so lange das gewünschte Produkt nachgebildet wird, bis die Reaktion praktisch vollständig in die gewünschte Richtung abgelaufen ist.

3.3 Cumarinsäure wird deutlich besser wasserlöslich sein als Cumarin. Cumarinsäure

verfügt über zwei ausgesprochen polare funktionelle Gruppen, die Hydroxylgruppe (Alkoholfunktion) und die Carboxylgruppe (Säurefunktion). Beide Gruppen können zu Wassermolekülen Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden, und zwar sowohl in der Rolle als Wasserstoff-Donator als auch als Wasserstoff-Akzeptor, wie in der Abbildung schematisch gezeigt. Cumarin hat keine –OH-Gruppen und kommt für diese Art der Wechselwirkung mit dem Lösungsmittel nicht infrage.


3.4 Je kleiner der pKS-Wert einer Verbindung ist, desto größer ist ihre Säurestärke, also ihr Bestreben, ein Proton abzugeben. In der Schreibweise des Massenwirkungsgesetzes muss die Säurekonstante KS also einen möglichst großen Wert annehmen, denn der pKS-Wert ist ja als der negative dekadische Logarithmus von KS definiert. Für die Reaktion

HA H+ + A– (mit HA = Säure, A– = Säure-Anion, H+ = abgegebenes Proton)

gilt also

(HA))(A)(H

S cccK

−+ ⋅= .

Bei einer starken Säure erfolgt die Protonenabgabe praktisch vollständig, das o. g. Gleichgewicht liegt weit rechts und der Zahlenwert von KS ist folglich groß.

Bei den beiden betrachteten Verbindungen wird diejenige das Proton ihrer Hydroxylgruppe leichter abgeben, bei der das stabilere Säure-Anion entsteht. Eine Stabilisierung kann durch eine intramolekulare Ladungsverteilung erfolgen. Um diese zu beurteilen, kann man das Konzept der mesomeren Grenzformen nutzen. Die beiden Cumarin-Derivate A und B unterscheiden sich nur darin, dass sich bei A zwei Fluor-Substituenten in den beiden ortho-Positionen zur Hydroxylgruppe befinden. Diese üben einen Elektronenzug (–I-Effekt) auf die Kohlenstoffatome aus. Für das Derivat A kann man also – neben zahlreichen anderen – zwei Grenzformen aufstellen, bei denen sich jeweils eine negative Ladung an den ortho-Kohlenstoffatomen befindet.

Diese beiden Grenzformen sind wegen des –I-Effekts der Fluoratome also energetisch günstiger als die beiden entsprechenden Grenzformen des Derivats B, bei dem es diese Stabilisierung nicht gibt. Der pKS-Wert von A muss also kleiner sein als der von B.


III. Aufgabenstellung C1 Blut 1 Glykolipide und ihre Bestandteile 1.1 Aus dem Informationstext entnimmt man den strukturellen Zusammenhang von D-

Glucose, L-Fucose und D-Galactose. Um sich die Strukturen der beiden zuletzt genannten Monosaccharide herzuleiten, geht man am besten von der FISCHER-Projektion der D-Glucose aus. Daran führt man schrittweise die im Text beschriebenen Veränderungen aus.

D-Glucose D-Galactose L-Fucose

Der Wegfall der Hydroxylgruppe führt zu einem Wechsel von der D- zur L-Reihe, da bei der L-Fucose die Konfiguration an C4-Atom (und nicht mehr an C5-Atom wie bei der D-Galactose) die Reihenzugehörigkeit bestimmt.

Damit sind die Monomere der beschriebenen Kohlenhydratkette im Prinzip bekannt. Man muss nun in der gegebenen Abbildung die einzelnen Monomere identifizieren. Am leichtesten gelingt das, wenn man zunächst die charakteristische C6-Methylgruppe der L-Fucose sucht; diese findet sich nur in Monomer C wieder. Also sind die Monomere A und B jeweils D-Galactose.

Die Monomere sind über glycosidische Bindungen miteinander verknüpft. Durch Num-merierung der Kohlenstoffatome in den Monomeren kann man präzisieren: A und B sind über eine 1,3-glycosidische Bindung verknüpft, C und B über eine 1,2-glycosidische Bindung.

1.2 D-Galactose kann intramolekulare Ringschlussreaktionen eingehen, wobei die

Aldehydgruppe an C1 mit einer Hydroxylgruppe desselben Moleküls ein Halbacetal bildet. Aus sterischen Gründen kommen dafür die OH-Gruppen an C4 oder an C5 infrage. Im erstgenannten Fall entstehen Fünfringe mit vier Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom, die sogenannten Furanosen, die sich formal vom Furan ableiten. Im zweiten Fall entstehen Pyranosen, das sind Sechsringe mit fünf Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom, die sich formal vom Pyran ableiten. Um solche Pyranosen geht es in dieser Aufgabe.

Beim Ringschluss entsteht aus dem Kohlenstoffatom der Aldehydgruppe ein neues Stereozentrum. Man bezeichnet dieses Kohlenstoffatom C1 als anomeres Kohlenstoff-atom. Es gibt zwei mögliche Konfigurationen an diesem anomeren Kohlenstoffatom, abhängig davon, ob die Hydroxylgruppe beim Ringschluss die Aldehydgruppe „von oben“ oder „von unten“ angegriffen hat. Die beiden Molekülformen, die sich nur in der Konfiguration am anomeren Kohlenstoffatom C1 unterscheiden, heißen Anomere.

Umkehrung der Konfigu-ration an C4

Wegfall der OH-Gruppe an C6


Man kann die in der Aufgabenstellung beschriebene Beobachtung damit erklären, dass es ein chemisches Gleichgewicht gibt, über welches das α- und das β-Anomer ineinander umgewandelt werden können. Dies muss wie oben dargestellt über die offenkettige Form erfolgen. Für die offenkettige Form ist in der Aufgabenstellung allerdings kein spezifischer Drehwinkel angegeben. Damit gibt es zwei mögliche Interpretationen des experimentellen Befunds. Entweder liegt im o. g. Gleichgewicht ganz überwiegend die offenkettige Form vor. Dann kommt der beobachtete Drehwinkel dem der offenkettigen Form nahe. Oder die offenkettige Form ist nur eine Zwischenstufe bei der Umwandlung von α nach β bzw. umgekehrt und liegt in vernachlässigbaren Mengen im Gemisch vor. Dann entspricht der beobachtete Drehwinkel dem mit den Stoffmengenanteilen gewichteten Mittelwert der beiden spezifischen Drehwinkel. Die Erfahrung bei der Glucose legt die zweite Interpretation nahe. Man bezeichnet dieses Phänomen als Mutarotation.

Bei dieser zweiten Interpretation kann man ferner feststellen, dass der beobachtete Drehwinkel nach Einstellung des Gleichgewichts näher an dem des β-Anomers als an dem des α-Anomers liegt. Also wird der Stoffmengenanteil des β-Anomers größer und diese Form damit die stabilere sein.

1.3 Die katalytische Hydrierung von D-Galactose erfolgt an der Aldehydgruppe. Hydroxyl-gruppen werden unter diesen Bedingungen nicht weiter reduziert. Reaktionsschema:

D-Galactose Galactitol

In diesem Schema sind die asymmetrischen Kohlenstoffatome von Edukt und Produkt mit einem Stern markiert. Man stellt zunächst fest, dass sich während der Hydrierung weder deren Anzahl noch deren Konfiguration verändert. Es wäre aber vorschnell zu glauben, dass damit auch die optische Aktivität unverändert bleibt. Durch die Hydrierung

α-D-Galactopyranose Drehwinkel = +150,7o

β-D-Galactopyranose Drehwinkel = +52,8o

D-Galactose offenkettige Form

+ H2, Kat.


werden nämlich C1 und C6 ununterscheidbar. Das Galactitol-Molekül besitzt eine intramolekulare Spiegelebene, die in der obigen FISCHER-Projektionsformel durch eine gestrichelte rote Linie gekennzeichnet ist: Es handelt sich also um eine meso-Form, die optisch inaktiv ist.

2 Epo-Doping 2.1 Proteine können durch Elektrophorese getrennt werden.

Beschreibung der Durchführung: Für die Elektrophorese bringt man das zu untersuchende Proteingemisch in gepufferter Lösung auf oder in ein Trägermaterial. Dann wird für eine definierte Zeit ein elektrisches Feld angelegt. Nach Beendigung der Elektrophorese kann man die verschiedenen Proteinfraktionen z. B. durch Anfärben sichtbar machen.

Erläuterung des Prinzips: Bei der Elektrophorese macht man sich die Eigenschaft von Proteinen zunutze, in ionisierter Form vorliegen zu können. Die Ladung ist in starkem Maße abhängig vom pH-Wert. In alkalischer Lösung sind Carboxylgruppen am Kettenende und in Seitenketten deprotoniert, das Proteinmolekül ist negativ geladen. In saurer Lösung sind Aminogruppen am Kettenende und in Seitenketten protoniert, das Proteinmolekül ist positiv geladen. Legt man ein elektrisches Feld an, wandern die positiv geladenen Kationen zur Kathode, die negativ geladenen Anionen zur Anode. Die Wanderungsgeschwindigkeit hängt dabei ab von der Anzahl positiver bzw. negativer Ladungen pro Molekül, von der Größe und Gestalt des Moleküls sowie von der Art des Trägermaterials.

2.2 Der Glucose-Abbau kann unter aeroben (Sauerstoff steht zur Verfügung) und anaeroben

(Sauerstoff steht nicht zur Verfügung) Bedingungen ablaufen. Vereinfachte Gesamtgleichungen können wie folgt, formuliert werden.

Aerober Abbau:

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O.

Anaerober Abbau am Beispiel der Milchsäuregärung:

C6H12O6 2 C3H6O3.

Es ist sofort ersichtlich, dass beim anaeroben Abbau bei weitem nicht so viel Energie freigesetzt werden kann wie beim aeroben Abbau. Eine genauere Berechnung zeigt, dass beim anaeroben Abbau über 90 % der möglichen Energie noch in den Abbauprodukten stecken und somit vom Organismus nicht genutzt werden können. Damit ist zu erklären, warum Sportler bestrebt sind, die Sauerstofftransportkapazität des Bluts zu erhöhen.


3 Synthetische Makromoleküle 3.1 Im Informationstext ist bereits erwähnt, dass Polyurethane Produkte einer Polyaddition

sind. Lineare Polyurethane entstehen aus Diisocyanaten und Diolen. Hier ein Beispiel, wobei R1 und R2 Kohlenwasserstoffketten darstellen:

Das bei dieser Reaktion gebildete Addukt hat an beiden Enden Hydroxylgruppen. Es ist also wiederum ein Diol, das mit weiterem Diisocyanat reagieren kann und dabei die Polyadduktkette verlängert.

Bei einer Polyaddition werden – im Gegensatz zu einer Polykondensation – keine kleinen Moleküle wie z. B. Wasser abgespalten. Das bei der Herstellung von Polyurethan-Schaumstoffen entstehende Kohlenstoffdioxid, das den Kunststoff aufschäumt, entsteht in einer Nebenreaktion durch Hydrolyse des Isocyanats mit geringen Mengen Wasser, die gezielt zugesetzt werden.

3.2 Bei der elektrophilen aromatischen Substitution beeinflussen Substituenten, die sich

bereits am aromatischen Ring befinden, durch elektronische Effekte den Ort und die Reaktivität von Folgesubstitutionen. Bei den elektronischen Effekten unterscheidet man zwischen

Induktiver Effekt: wirkt entlang der σ-Bindung zwischen Substituent und Aromaten-Kohlenstoff aufgrund der Elektronegativitätsdifferenz und der tatsächlichen Ladung. Ein +I-Effekt bedeutet, dass der Substituent Elektronen liefert und den Ring aktiviert. Bei einem –I-Effekt zieht der Substituent Elektronendichte aus dem Ring und deaktiviert ihn.

Mesomerer Effekt: wirkt entlang der π-Bindung zwischen Substituent und Aromaten-Kohlenstoff. Es lassen sich sinnvolle mesomere Grenzformen finden, die eine Ladungsübertragung beschreiben. Ein +M-Effekt bedeutet, dass der Substituent Elektronen liefert, den Ring aktiviert und eine Folgesubstitution in ortho- oder para-Stellung dirigiert. Bei einem –M-Effekt zieht der Substituent Elektronendichte aus dem Ring, deaktiviert ihn und dirigiert eine Folgesubstitution in meta-Stellung.

In dieser Aufgabe müssen die elektronischen Effekte der Substituenten Aminogruppe und Carboxylgruppe beschrieben werden und es muss untersucht werden, inwieweit sich diese überlagern.

Die Aminogruppe übt einen (schwachen) –I-Effekt aus, da Stickstoff elektronegativer ist als Kohlenstoff. Gleichzeitig übt sie einen (starken) +M-Effekt aus, bei der das freie Elektronenpaar des Stickstoffs mit herangezogen wird. Insgesamt wirkt die Aminogruppe also schwach aktivierend und stark ortho-/para-dirigierend.

Die Carboxylgruppe übt einen schwachen –I-Effekt aus, da der Kohlenstoff der Carboxylgruppe durch die elektronenziehenden Sauerstoffatome positiv polarisiert ist im Vergleich zum Ring-Kohlenstoff. Zusätzlich übt sie einen (schwachen) -M-Effekt aus, bei


der ein Carboxyl-Sauerstoff negative Ladung aus dem Ring übernimmt. Insgesamt wirkt die Cargoxylgruppe also deaktivierend und stark meta-dirigierend.

Bei der 4-Aminobenzolcarbonsäure wirken die dirigierenden Effekte der beiden Substituenten also zusammen. Eine Bromierung wird in 3- und 5-Position erfolgen. Die Reaktivität wird etwa vergleichbar mit der von unsubstituiertem Benzol sein.

Man kann zur Erklärung der dirigierenden Wirkung Grenzstrukturformeln aufstellen. Dabei kann man entweder das Edukt betrachten und argumentieren, dass die Substitution am leichtesten dort erfolgt, wo durch Überlagerung der mesomeren Grenzformen insgesamt am meisten negative Ladungsdichte entsteht. Man kann auch die Zwischenstufe der Reaktion, den σ-Komplex, betrachten und argumentieren, dass eine stabilere Zwischenstufe über eine niedrigere Aktivierungsenergie erreicht wird.

Einige signifikante Grenzstrukturformeln des Edukts:

Hierbei sind die zweite und die dritte Grenzform ausschlaggebend für die Position der Bromierung.

Einige signifikante Grenzstrukturformeln des σ-Komplexes:

Hierbei trägt die zweite Grenzform maßgeblich zur Stabilisierung des σ-Komplexes bei. Für eine Bromierung in 2- oder 6-Position lassen sich keine entsprechend stabilen Grenzformen finden.


Die hier abgedruckten Lösungsvorschläge sind nicht die amtlichen Lösungen des zuständigen Kultusministeriums. Impressum: Alle Rechte vorbehalten. Nachdruck, auch auszugsweise, vorbehaltlich der Rechte die sich aus den Schranken des UrhG ergeben, nicht gestattet. © Dudenverlag, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim 2008 Redaktion: Heike Krüger-Beer, Christa Becker, Dr. Angelika Fallert-Müller

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