Aufgabenblock — AFB III
Zehn Aufgaben zum Beurteilen, Planen und Entwickeln: Stoffe experimentell unterscheiden, Synthesen und Reaktionsführung optimieren, Mechanismen mit Befunden prüfen und Regeln kritisch fassen. Zu jeder Aufgabe gibt es Strategie, Lösungsskizze und eine Musterlösung.
Drei unbeschriftete Flaschen enthalten Cyclohexan, Cyclohexen und Benzol. Zur Verfügung stehen Bromwasser, eine Lampe, Alufolie, feuchtes Indikatorpapier und Eisen(III)-bromid. Planen Sie eine Versuchsfolge, mit der sich die drei Stoffe eindeutig zuordnen lassen, und begründen Sie jede Beobachtung.
Hinweis: Überlegen Sie, bei welchen Bedingungen jeweils nur ein Reaktionstyp möglich ist.
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Musterlösung: Versuch 1 (alle drei Proben, Bromwasser, im Dunkeln schütteln, Blindprobe daneben): Nur Cyclohexen entfärbt sofort — elektrophile Addition an die C=C-Bindung zu 1,2-Dibromcyclohexan. Bei den beiden anderen färbt sich nur die obere organische Phase orange (Extraktion, keine Reaktion). Versuch 2 (beide übrigen Proben mit Brom, belichten, feuchtes Indikatorpapier über die Öffnung): Cyclohexan entfärbt langsam, das Papier wird rot — radikalische Substitution, Nebenprodukt HBr. Benzol reagiert im Licht praktisch nicht (die Addition würde das aromatische System zerstören). Kontrolle: Benzol mit Brom und FeBr₃ reagiert unter HBr-Bildung zu Brombenzol — Substitution, das aromatische Sextett bleibt erhalten. Wichtig: gleiche Mengen, Blindprobe, Versuch 1 wirklich im Dunkeln, sonst reagiert auch Cyclohexan. Abzug und Schutzhandschuhe (Brom, Benzol krebserregend — im Schulversuch durch Lehrkraft oder mit Ersatzstoff).
Ein Schüler behauptet: „Je polarer die C–X-Bindung, desto höher siedet das Halogenalkan. Außerdem sieden Isomere immer gleich, weil sie dieselbe Masse haben.“ Beurteilen Sie beide Aussagen mit den Siedetemperaturen Fluormethan (−78 °C), Iodmethan (42 °C), cis-1,2-Dichlorethen (60 °C), trans-1,2-Dichlorethen (48 °C), Butan (−0,5 °C) und 2-Methylpropan (−12 °C).
Hinweis: Unterscheiden Sie Bindungsdipol, Moleküldipol und Polarisierbarkeit.
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Musterlösung: Aussage 1 ist falsch. Die C–F-Bindung ist am polarsten, Fluormethan siedet trotzdem 120 °C tiefer als Iodmethan. Iod hat viel mehr Elektronen, ist groß und leicht polarisierbar → deutlich stärkere Van-der-Waals-Kräfte, die bei Halogenalkanen dominieren. Aussage 2 ist ebenfalls falsch, obwohl die Molekülmassen gleich sind. cis-1,2-Dichlorethen ist ein Dipolmolekül (beide C–Cl-Dipole auf einer Seite), im symmetrischen trans-Isomer heben sie sich auf → zusätzliche Dipol-Dipol-Kräfte beim cis-Isomer, 12 °C höhere Siedetemperatur. Butan und 2-Methylpropan sind unpolar; das kugeligere 2-Methylpropan hat eine kleinere Kontaktfläche und damit schwächere Van-der-Waals-Kräfte. Richtig wäre: Die Siedetemperatur hängt von der Summe der zwischenmolekularen Kräfte ab — Elektronenzahl, Molekülgestalt und Gesamtdipol, nicht die Polarität einer einzelnen Bindung.
Butan-2-ylethanoat (sec-Butylacetat) ist ein Lösemittel für Lacke. Verfügbar sind But-1-en, Ethanol und alle anorganischen Reagenzien. Entwickeln Sie einen Syntheseweg (Retrosynthese und Hinweg mit Reagenzien, Bedingungen und Reaktionstypen) und beurteilen Sie den Vorschlag, den Alkoholbaustein stattdessen durch Chlorierung von Butan und anschließende Substitution herzustellen.
Hinweis: Zu jedem Pfeil gehören Edukt, Produkt, Reagenz, Bedingungen und Reaktionstyp.
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Musterlösung: Retrosynthese: Butan-2-ylethanoat ⇒ Ethansäure + Butan-2-ol. Butan-2-ol ⇒ But-1-en + H₂O. Ethansäure ⇒ Ethanal ⇒ Ethanol. Hinweg: (1) But-1-en + H₂O, H⁺ als Katalysator: elektrophile Addition; nach Markownikow entsteht über das sekundäre Carbokation Butan-2-ol. (2) Ethanol mit Oxidationsmittel im Überschuss (z. B. angesäuerte Dichromat- oder Permanganatlösung) über Ethanal zur Ethansäure (Oxidation). (3) Ethansäure + Butan-2-ol, konz. Schwefelsäure, Rückfluss: Kondensation (Veresterung, Gleichgewicht) — Ausbeute steigern durch Säureüberschuss und Wasserentzug. Beurteilung des Alternativwegs: Die radikalische Chlorierung von Butan ist unselektiv: etwa 28 % 1-Chlorbutan neben 72 % 2-Chlorbutan, dazu Mehrfachprodukte; es folgen Trennung und eine Substitution mit OH⁻, bei der für das sekundäre Halogenalkan Eliminierung zu Butenen konkurriert. Mehr Stufen, schlechtere Atomökonomie, Chlor und HCl als Gefahrstoffe → ungünstiger. Die Addition an But-1-en ist selektiv und atomökonomisch (100 %).