Abitraining Chemie Klausur Leistungskurs 1
Thema: „Gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester
Orientierungen zur Lösung
Aufgabe 1: Erläutern Sie mithilfe von Oxidationszahlen, bei welchem der ersten beiden Schritte der Oxalsäuredichlorid-Herstellung eine Redoxreaktion vorliegt. Wenden Sie die Säure-Base-Theorie nach Brönsted auf die Protonenübertragung zwischen Schwefelsäure und Oxalat-Ionen an. Geben Sie eine mögliche Reaktionsgleichung für die Bildung von Oxalsäuredichlorid aus Oxalsäure und den dazugehörigen Reaktionstyp an.
Teil 1) mithilfe von Oxidationszahlen erläutern, bei welchem der ersten beiden Schritte der Oxalsäuredichlorid-Herstellung eine Redoxreaktion vorliegt:
Reaktion (I):
– Die Oxidationszahl der Kohlenstoff-Atome erhöht sich von +II ⇒ +III. (Oxidation)
– Die Oxidationszahl der Wasserstoff-Atome verringert sich von +I ⇒ 0. (Reduktion)
Reaktion (II): die Oxidationszahlen bleiben unverändert.
⇒ Nur bei Reaktion (I) liegt eine Redoxreaktion vor.
Teil 2) die Säure-Base-Theorie nach Brönsted auf die Protonenübertragung zwischen Schwefelsäure und Oxalat-Ionen anwenden:
Oxalat-Ion: Base (Protonenakzeptor)
Schwefelsäure-Molekül: Säure (Protonendonator)
Oxalsäure-Molekül: konjugierte Säure (Protonendonator)
Sulfat-Ion: konjugierte Base (Protonenakzeptor)
Teil 3) eine mögliche Reaktionsgleichung für die Bildung von Oxalsäuredichlorid aus Oxalsäure und den dazugehörigen Reaktionstyp angeben:
Es handelt sich hierbei um eine Substitutionsreaktion.
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Aufgabe 2: Erläutern Sie die Synthese eines Makromoleküls aus Oxalsäuredichlorid und Diethylstilbestrol (DES) unter Angabe einer Reaktionsgleichung. Erläutern Sie die Eignung von 1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM) zur Verringerung des Wirkstoffanteils im Molekül durch einen Vergleich der Molekülstrukturen und Stoffeigenschaften von DES und CHDM. Zeichnen Sie einen repräsentativen Makromolekülausschnitt des Produktes aus Oxalsäuredichlorid, DES und CHDM.
Teil 1) die Synthese eines Makromoleküls aus Oxalsäuredichlorid und Diethylstilbestrol (DES) unter Angabe einer Reaktionsgleichung erläutern:
Es liegt eine Kondensationsreaktion bzw. Veresterung vor, da die funktionelle Gruppe des jeweiligen Carbonsäurechlorids mit der funktionellen Gruppe des reagierenden Alkohols unter Abspaltung eines Chlorwasserstoffmoleküls reagiert bzw. eine Estergruppe entsteht. Da die Monomere jeweils zwei funktionelle Gruppen enthalten, werden diese zu Makromolekülen verknüpft. Es handelt sich daher bei der Synthese des Polyesters aus Oxalsäuredichlorid und DES um eine Polykondensation bzw. um eine Polyesterbildung.
Teil 2) die Eignung von 1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM) zur Verringerung des Wirkstoffanteils im Molekül durch einen Vergleich der Molekülstrukturen und Stoffeigenschaften von DES und CHDM erläutern:
DES enthält zwei Hydroxygruppen, zwei aromatische Ringe und eine Doppelbindung. CHDM enthält zwei Hydroxygruppen und einen gesättigten Sechsring. Da für die Polykondensation lediglich die beiden Hydroxygruppen benötigten werden, kann man bei der Herstellung des Polyesters DES durch CHDM ersetzen. CHDM ist ungiftig. Ein höherer Anteil an CHDM verringert den Wirkstoffanteil im Molekül.
Teil 3) einen repräsentativen Makromolekülausschnitt des Produktes aus Oxalsäuredichlorid, DES und CHDM zeichnen:
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Aufgabe 3: Erklären Sie mithilfe von Fachbegriffen den ersten Schritt zum Abbau des Nano-Polyesters (siehe Abbildung 3). Übertragen Sie diesen mithilfe von kommentierten Reaktionsgleichungen auf den Ablauf der 1,2-Dioxetandionbildung. Entwickeln Sie eine Hypothese, die den Zerfall eines 1,2-Dioxetandionmoleküls in zwei Kohlenstoffdioxidmoleküle erklärt.
Teil 1) mithilfe von Fachbegriffen den ersten Schritt zum Abbau des Nano-Polyesters erklären:
Ein Proton bindet an ein Sauerstoff-Atom der Estergruppe und erhöht die positive Polarisierung / Reaktivität des Kohlenstoff-Atoms. Das Wasserstoffperoxid verbindet sich nach einem nucleophilen Angriff mit diesem Kohlenstoff-Atom und das angreifende Sauerstoff-Atom ist danach positiv geladen. Das Molekül zerfällt in ein (organisches) Peroxid und einen Alkohol. Ein Proton wird dabei abgespalten.
Teil 2) diesen Schritt mithilfe von kommentierten Reaktionsgleichungen auf den Ablauf der 1,2-Dioxetandionbildung übertragen:
Ein Proton bindet an einem Sauerstoff-Atom der Estergruppe und erhöht die positive Polarisierung des Kohlenstoff-Atoms. Die Peroxidgruppe verbindet sich nach einem nucleophilen Angriff mit diesem Kohlenstoff-Atom und das angreifende Sauerstoff-Atom ist danach positiv geladen. Das Molekül zerfällt in 1,2-Dioxetandion und einen Alkohol. Ein Proton wird dabei abgespalten.
Teil 3) eine Hypothese entwickeln, die den Zerfall eines 1,2-Dioxetandionmoleküls in zwei Kohlenstoffdioxidmoleküle erklärt:
In einem Ring aus vier Atomen sind die Bindungswinkel nicht ideal, es liegt eine hohe Ringspannung vor, die das Molekül destabilisiert. Die Einfachbindung zwischen den beiden Sauerstoffatomen ist aufgrund der hohen Elektronegativität der Atome nicht sehr stark und neigt zu einer homolytischen Spaltung.
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Aufgabe 4: Beschreiben Sie die Ergebnisse der Untersuchung der PVAX-Mikropartikel. Untersuchen Sie den Ausschnitt des PVAX-Moleküls unter Angabe der Strukturformeln der eingesetzten Monomere hinsichtlich des verwendeten Wirkstoffs. Erläutern Sie, inwiefern „gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester möglich ist.
Teil 1) die Ergebnisse der Untersuchung der PVAX-Mikropartikel beschreiben:
PVAX-Mikropartikel verändern ihre Struktur in reinem Wasser nicht. In der Wasserstoffperoxidlösung (c = 0,01 mol/L) kommt es zu einer deutlichen, mit der Zeit fortschreitenden Zersetzung der Kugeln.
Teil 2) den Ausschnitt des PVAX-Moleküls untersuchen unter Angabe der Strukturformeln der eingesetzten Monomere hinsichtlich des verwendeten Wirkstoffs:
PVAX wurde aus den folgenden drei Molekülen gebildet:
Da Oxalsäuredichlorid bzw. Oxalsäure und 1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM) im ersten Polyester vorhanden sind, aber nicht den Wirkstoff bilden, muss die neue unbekannte Substanz der Wirkstoff sein.
Teil 3) erläutern, inwiefern „gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester möglich ist:
Der Wirkstoff wird nur in erkrankten Zellen freigesetzt. Er bildet sich nicht in einer reinen Wasserumgebung. In Wasserstoffperoxidlösung läuft die Abbaureaktion schnell ab. Dies ist in den Bildern 2 und 3 zu erkennen. Es bildet sich hierbei der Wirkstoff. Durch die Zusammensetzung des Makromoleküls lässt sich die Wirkstoffmenge im Medikament genau festlegen.