Vorschlag B – Fette

Fette sind wichtige Bestandteile unserer Ernährung. Neben Energie liefern sie uns auch wichtige essentielle Fettsäuren und Vitamine. Hauptbestandteil von Fetten sind Triglyceride, die alle einen grundlegend gleichen Aufbau haben. Material 1 zeigt ein Beispiel für ein Triglycerid. Versetzt man dieses Triglycerid unter Lichtausschluss mit elementarem Brom, so stellt man eine Entfärbung fest.
Bei zu starkem Erhitzen von Fetten, wie beispielsweise beim Frittieren, kann Acrolein (Prop-2-enal, Material 2) als unerwünschtes Produkt entstehen.

Elaidinsäure ist eine Fettsäure, die unter anderem als Baustein von Triglyceriden in Milchfett vorkommt, Ölsäure ist ein häufiger Bestandteil von Triglyceriden in Olivenöl. Die beiden zueinander isomeren Fettsäuren Elaidinsäure und Ölsäure (Material 3) haben unterschiedliche Schmelztemperaturen.

Die bei der Aufspaltung von Triglyceriden gewonnenen Fettsäuren sind Ausgangsstoffe für die Herstellung von waschaktiven Substanzen. Dabei stellt man bei der Synthese aus den freien Fettsäuren zunächst die jeweiligen sogenannten Fettalkohole her. Diese Fettalkohole wiederum sind Ausgangsstoffe für die Synthese der waschaktiven Substanzen.

2.1

Beschreibe detailliert den Aufbau des in Material 1 angegebenen Triglycerid-Moleküls.
Bestimme alle für eine Reaktion mit Brom unter Lichtausschluss geeigneten Teilbereiche des Moleküls.

Formuliere, beschreibe und benenne den Reaktionsmechanismus für die unter Lichtausschluss stattfindende Reaktion von Brom mit einem geeigneten Teilbereich des Triglycerid-Moleküls aus Material 1.

Hinweis
Für den Reaktionsmechanismus nicht relevante Molekülteile können mit „ $R_1$ “, „ $R_2$ “ usw. abgekürzt werden.

(14 BE)

2.2

Erwärmt man ein Fett längere Zeit mit Natronlauge, so erhält man Propan-1,2,3-triol (Glycerin) und die Natrium-Salze der jeweiligen Fettsäure-Moleküle.

Formuliere exemplarisch für ein Triglycerid-Molekül an einer funktionellen Gruppe den Reaktionsmechanismus und gib für jeden Teilschritt eine fachlich aussagekräftige Überschrift an.

Hinweis
Für den Reaktionsmechanismus nicht relevante Molekülteile können mit „ $R_1$ “, „ $R_2$ “ usw. abgekürzt werden.

(9 BE)

2.3

Beim Erhitzen von Fetten wird ebenfalls Propan-1,2,3-triol gebildet, das bei zu hohen Temperaturen zu dem giftigen Acrolein (Prop-2-enal, Material 2) weiterreagieren kann.

Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Propan-1,2,3-triol zu Acrolein (Prop-2-enal) und Wasser.

Bestimme bei allen Kohlenstoff-Atomen in Propan-1,2,3-triol und Prop-2-enal die jeweilige Oxidationszahl und zeige, dass es sich um eine Redoxreaktion handelt.

(7 BE)

2.4

Prop-2-enal (Acrolein, Material 2) kann mithilfe der Fehling-Probe nachgewiesen werden.

Nenne die wesentliche Beobachtung bei einer Fehling-Probe, die positiv verläuft.

Formuliere die Reaktionsgleichung für die Fehling-Probe von Prop-2-enal (Acrolein).

(5 BE)

2.5

Material 3 zeigt die jeweilige Strukturformel der beiden zueinander isomeren Fettsäuren Elaidinsäure und Ölsäure sowie deren jeweilige Schmelztemperatur.

Bestimme die Art der Isomerie hinsichtlich der beiden Fettsäuren.

Erkläre die unterschiedlichen Schmelztemperaturen der beiden Fettsäuren unter Verwendung der Strukturformeln (Material 3).

(6 BE)

2.6

Material 4 zeigt, ausgehend von Dodecansäure, einen Überblick über die mehrstufige Synthese der waschaktiven Substanz Natriumdodecylsulfat.

Formuliere in Strukturformeln die beiden Reaktionsgleichungen zur Reaktion von Dodecansäure zu Dodecan-1-ol (Material 4, Schritte 1 und 2).

Entwickle mit Hilfe von Material 4 (Schritte 3 und 4) sowie von Material 5 die beiden Reaktionsgleichungen zur Synthese von Natriumdodecylsulfat.

Hinweis
Für die Reaktionsgleichung nicht relevante Molekülteile können mit „ $R_1$ “, „ $R_2$ “ usw. abgekürzt werden.

(9 BE)

(50 BE)

Material 1

Triglycerid

Material 2

Prop-2-enal

Material 3

Fettsäuren: Elaidinsäure und Ölsäure

Elaidinsäure (Schmelztemperatur: ca. 47 °C)

hessen chemie abi gk 2021 aufgabe 2 abbildung 5 ölsäure

Ölsäure (Schmelztemperatur: 16 °C)

Material 4

Synthese von Natriumdodecylsulfat

Schritt 1:
Die Fettsäure Dodecansäure $CH _3-\left( CH _2\right)_{10}- COOH$ reagiert mit Methanol zu einem Ester und Wasser.

Schritt 2:
Der Ester aus Schritt 1 reagiert mit Wasserstoff zu dem sogenannten Fettalkohol Dodecan-1-ol und Methanol.

Schritt 3:
Anschließend erfolgt die Reaktion von Dodecan-1-ol mit Schwefelsäure $\left( H _2 SO _4\right)$ zum Schwefelsäuredodecanyl-Ester (Material 5). Dabei handelt es sich um eine Kondensationsreaktion.

Schritt 4:
Schwefelsäuredodecanyl-Ester reagiert in einer Säure-Base-Reaktion mit Natronlauge zur gewünschten waschaktiven Substanz Natriumdodecylsulfat.

Material 5

Schwefelsäuredodecanyl-Ester

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2.1

Aufbau des Triglycerid-Moleküls

Es handelt sich um ein Triglyceridester. Hierbei sind drei langkettige Fettsäuren jeweils mit Propan-1,2,3-triol (Glycerin) verestert.
Es lassen sich eine gesättigte Hexadecansäure, eine ungesättigte (eine Doppelbindung) und eine mehrfach ungesättigte Fettsäure (mehrere Doppelbindungen) identifizieren.
Die einfach ungesättigte Fettsäure ist mit der ersten Hydroxy-Gruppe es Glycerins verestert. Es handelt sich um (9Z)-Octandec-9-ensäure
$\rightarrow$ natürliche Fettsäuren sind immer cis konfiguriert, deswegen (Z).
Die mehrfach ungesättigte Fettsäure ist mit der mittleren Hydroxy-Gruppe verestert und es handelt sich um (9Z, 12Z)-Octadec-9,12-diensäure.

Für die Reaktion mit Brom unter Lichtausschluss sind ungesättigte $C-C$ -Doppelbindungen geeignet, die unter dem Mechanismus der elektrophilen Addition ablaufen.

Reaktionsmechanismus der elekrophilen Addition

Aus Darstellungszwecken werden die Fettsäuren mit $R_1$ und $R_2$ abgekürzt:

hessen chemie abi gk 2021 loesung a2 abb 5

Es ergibt sich folgender Mechanismus:

hessen chemie abi gk 2021 loesung a2 abb 1

Die Reaktion verläuft nach dem Mechanismus der elektrophilen Addition. Hierbei werden Halogene an die elektronenreiche Doppelbindung addiert. Dies kann bereits bei Raumtemperatur ablaufen.
Als Erstes kommt es zur Wechselwirkung zwischen einem elektrophilen Teilchen, wie hier das Brom-Molekül, und den $\pi$ -Elektronen der Doppelbindung. Das ist der sogenannte elektrophile Kontakt.
Daraufhin entsteht ein $\pi$ -Komplex – ein Übergangszustand. Dabei wird das Brom polarisiert, da die Doppelbindung mit ihrer hohen Elektronendichte zu einer Verschiebung der bindenden Elektronen und einer positiven bzw. negativen Partialladung führt.
Im nächsten Schritt greifen die $\pi$ -Elektronen nucleophil am Bromatom mit der positiven Partialladung an, wodurch das Brom-Molekül heterolytisch gespalten wird.
Das dadurch entstandene Bromid-Ion spaltet sich als Abgangsgruppe ab, während das positiv geladene Bromatom zyklisch an die beiden $C$ -Atome bindet.
Die mesomeren Grenzformeln zeigen zum einen das weniger wichtige und nicht zyklische Carbokation und zum anderen das relevante zyklische Bromonium-Ion.
Durch einen nucleophilen Rückseitenangriff kann die zyklische Form angegriffen werden und es bildet sich das Reaktionsprodukt.

2.2

Reaktionsmechanismus der alkalischen Esterhydrolyse

1. Teilschritt:
Das Hydroxid-Ion greift nucleophil am Carbonyl-Kohlenstoffatom der Estergruppe an.

hessen chemie abi gk 2021 loesung a2 abb 2

2. Teilschritt:
Es spaltet sich ein Alkoholat-Ion ab.

hessen chemie abi gk 2021 loesung a2 abb 3

3. Teilschritt:
Zwischen der Carbonsäure und dem Alkoholat-Ion wird ein Proton übertragen $\rightarrow$ Protolyse.
Dieser Schritt ist irreversibel, womit das Gleichgewicht auf Produktseite liegt.

hessen chemie abi gk 2021 loesung a2 abb 4

2.3

Reaktionsgleichung für die Bildung von Acrolein

hessen chemie abi gk 2021 loesung a2 abb 6

Nebenreaktion durch starkes Erhitzen von Propan-1,2,3-triol

Redoxreaktion

Die in der Reaktionsgleichung gekennzeichneten Oxidationszahlen zeigen eine Veränderung, womit es sich um eine Redoxreaktion handelt.
$C_1$ wird reduziert und nimmt ein Elektron auf: -I $\rightarrow$ -II.
$C_2$ wird auch reduziert und nimmt ebenfalls ein Elektron auf: +/-0 $\rightarrow$ -I.
$C_3$ wird oxidiert und gibt zwei Elektronen ab, welche die anderen beiden $C$ -Atome aufnehmen: -I $\rightarrow$ +I.

2.4

Reaktionsgleichung für die FEHLING-Probe

Bei der FEHLING-Probe werden leicht oxidierbare Aldehyd-Gruppen nachgewiesen. Dabei wird die Analysesubstanz mit Fehling-I-Reagenz (Kupfer $(\text{II})$ -sulfat-Lösung) und Fehling-II-Reagenz (alkalisch, tatrathaltig) vermischt, wodurch eine tiefblaue $Cu(\text{II})$ -Ionen-haltige Lösung entsteht. Der positive Nachweis basiert auf der Entstehung von Kupfer $(\text{II})$ -oxid, welches rotbraunen Niederschlag bildet.

hessen chemie abi gk 2021 loesung a2 abb 7

2.5

Art der Isomerie

An den in Material 3 gezeigten Strukturen ist zu erkennen, dass Ölsäure und Elaidinsäure die gleiche Summenformel besitzen: $C_{18}H_{34}O_2.$
Beide enthalten eine Doppelbindung an derselben Position (zwischen C9 und C10).
Der Unterschied liegt in der räumlichen Anordnung der Substituenten an der Doppelbindung:
- Ölsäure hat die cis- (Z-)Konfiguration → Substituenten auf derselben Seite
- Elaidinsäure hat die trans- (E-)Konfiguration → Substituenten auf gegenüberliegenden Seiten
Es handelt sich also um cis-trans-Isomerie (geometrische Isomerie).

Erklärung der unterschiedlichen Schmelztemperaturen

In beiden Fettsäuren wirken durch die Alkylgruppen VAN-DER-WAALS-Kräfte. Aufgrund der unterschiedlichen Strukturen, wirken diese aber unterschiedlich stark, woraus differente Schmelztemperaturen entstehen.
Die Struktur der Elaidinsäure zeigt ein lang gestrecktes Molekül, welches eher geradlinig verläuft. Es können also zwischen Elaidinsäure-Molekülen viele VAN-DER-WAALS-Kräfte ausgebildet werden, da eine große Kontaktfläche vorhanden ist.
Die Struktur der Ölsäure zeigt hingegen eine "Knick", da die Doppelbindung cis konfiguriert ist. Es herrschen somit weniger wirksame Kontaktflächen zwischen den gleichartigen Molekülen, wodurch auch weniger VAN-DER-WAALS-Kräfte wirken können. Daraus resultiert, dass weniger thermische Energie benötigt wird, um die Kräfte zu überwinden und damit den Stoff zu schmelzen. Daher besitzt die Ölsäure eine geringere Schmelztemperatur.

2.6

Reaktionsgleichungen

Schritt 1:

hessen chemie abi gk 2021 loesung a2 abb 8

Schritt 2:

hessen chemie abi gk 2021 loesung a2 abb 9

Schritt 3:

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Schritt 4:

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