Opgaver til A3.2

Opgaverne hører til afsnit A3.2 Funktionelle grupper i naturstoffer. Prøv selv, før du åbner hjælpen under opgaven.

Opgave A3.2.1: Funktionel gruppe og stofklasse

Tabellen viser strukturformlen for ni små molekyler med tre carbonatomer.

Strukturformel Funktionel gruppe Stofklasse
A CH3CH2CH2OH
B CH3CH2CHO
C CH3COCH3
D CH3CH2COOH
E CH3COOCH3
F CH3OCH2CH3
G CH3CH2CH2NH2
H CH3CH2CONH2
I CH3CH=CH2
  1. Skriv navnet på den funktionelle gruppe og navnet på stofklassen for hvert af de ni molekyler.
  2. Molekyle B og molekyle C har den samme funktionelle gruppe. Forklar, hvorfor B og C alligevel hører til hver sin stofklasse.
  3. Forklar forskellen på ordene funktionel gruppe og stofklasse. Brug molekyle A som eksempel.

Den funktionelle gruppe er den lille gruppe af atomer, der sidder på carbonskelettet. Stofklassen er den familie af stoffer, som gruppen placerer molekylet i. Find i hver strukturformel de atomer, der ikke er carbon eller hydrogen, og se, hvad de sidder sammen med. I molekyle I er den funktionelle gruppe dobbeltbindingen mellem to carbonatomer.

Sidder et oxygenatom eller et nitrogenatom lige ved siden af en C=O, hører de sammen i én funktionel gruppe. Molekyle E kan skrives CH3−CO−O−CH3, og molekyle H kan skrives CH3CH2−CO−NH2. I molekyle F, CH3−O−CH2CH3, sidder oxygenatomet mellem to carbonatomer, og der er ingen C=O.

En carbonylgruppe, C=O, kan sidde i enden af en carbonkæde eller midt i en carbonkæde. De to pladser giver hver sin stofklasse. Du kan begynde forklaringen i spørgsmål b sådan: “I molekyle B sidder carbonylgruppen …, og derfor er B … I molekyle C sidder carbonylgruppen …”

  1. Grupperne og stofklasserne er
Strukturformel Funktionel gruppe Stofklasse Stoffets navn
A CH3CH2CH2OH hydroxygruppe, −OH alkohol propan-1-ol
B CH3CH2CHO carbonylgruppe, C=O, i enden af kæden aldehyd propanal
C CH3COCH3 carbonylgruppe, C=O, midt i kæden keton propanon
D CH3CH2COOH carboxylgruppe, −COOH carboxylsyre propansyre
E CH3COOCH3 estergruppe, −COO− ester methylethanoat
F CH3OCH2CH3 ethergruppe, C−O−C ether ethylmethylether
G CH3CH2CH2NH2 aminogruppe, −NH2 amin propylamin
H CH3CH2CONH2 amidgruppe, −CO−NH2 amid propanamid
I CH3CH=CH2 dobbeltbinding, C=C alken propen

  1. Molekyle B og molekyle C har begge en carbonylgruppe, C=O. I molekyle B sidder carbonylgruppen i enden af carbonkæden, så carbonatomet i gruppen også binder et hydrogenatom. Det giver et aldehyd. I molekyle C sidder carbonylgruppen midt i carbonkæden mellem to carbonatomer. Det giver en keton. Stofklassen afhænger altså af, hvor carbonylgruppen sidder.

  2. Den funktionelle gruppe er selve atomgruppen. Stofklassen er den familie af stoffer, som atomgruppen placerer molekylet i. I molekyle A er den funktionelle gruppe hydroxygruppen, −OH. Hydroxygruppen sidder på en carbonkæde, og derfor hører molekyle A til stofklassen alkoholer. Man siger altså, at propan-1-ol har en hydroxygruppe og er en alkohol.

Opgave A3.2.2: Phenol eller alkohol, ester eller ether, amid eller amin

Figur 1 viser seks stoffer, som alle har en benzenring. Stofferne ligner hinanden to og to.

Figur 1: Seks stoffer med en benzenring. Stofferne er mærket A til F.
  1. Stof A og stof B har begge en hydroxygruppe. Angiv stofklassen for A og for B, og begrund svaret.
  2. Stof C og stof D har begge et oxygenatom mellem to carbonatomer. Angiv den funktionelle gruppe og stofklassen for C og for D, og begrund svaret.
  3. Stof E og stof F har begge et nitrogenatom. Angiv den funktionelle gruppe og stofklassen for E og for F, og begrund svaret.

Se på, hvad hydroxygruppen sidder på i stof A og i stof B. Sidder hydroxygruppen direkte på benzenringen, er stoffet en phenol. Sidder hydroxygruppen på et carbonatom i en kæde, er stoffet en alkohol.

I stof C til F skal du se på nabo-carbonatomerne til oxygenatomet eller nitrogenatomet. Sidder der en C=O lige ved siden af oxygenatomet i kæden, er gruppen en estergruppe. Sidder der ingen C=O, er det en ethergruppe. Sidder der en C=O lige ved siden af nitrogenatomet, er gruppen en amidgruppe. Sidder der ingen C=O, er det en aminogruppe.

Du kan begynde begrundelserne sådan: “I stof A sidder hydroxygruppen på …, og derfor er stof A en …”

Stof Funktionel gruppe Stofklasse Begrundelse
A hydroxygruppe alkohol Hydroxygruppen sidder på et carbonatom i sidekæden og ikke direkte på benzenringen.
B hydroxygruppe phenol Hydroxygruppen sidder direkte på et carbonatom i benzenringen.
C estergruppe ester Oxygenatomet i kæden har en C=O som nabo, så de to hører sammen i gruppen −CO−O−.
D ethergruppe ether Oxygenatomet sidder mellem to carbonatomer, og ingen af de to carbonatomer har en dobbeltbinding til oxygen.
E amidgruppe amid Nitrogenatomet har en C=O som nabo, så de to hører sammen i gruppen −CO−NH−.
F aminogruppe amin Nitrogenatomet sidder mellem to carbonatomer, og ingen af de to carbonatomer har en dobbeltbinding til oxygen.

  1. Stof A er en alkohol, og stof B er en phenol. Begge har en hydroxygruppe, men kun i stof B sidder hydroxygruppen direkte på benzenringen.

  2. Stof C har en estergruppe og er en ester. Stof D har en ethergruppe og er en ether. Forskellen er carbonylgruppen, C=O, som sidder lige ved siden af oxygenatomet i stof C, men mangler i stof D.

  3. Stof E har en amidgruppe og er et amid. Stof F har en aminogruppe og er en amin. Forskellen er carbonylgruppen, C=O, som sidder lige ved siden af nitrogenatomet i stof E, men mangler i stof F.

Opgave A3.2.3: Grupperne i eugenol

Eugenol giver kryddernellike sin duft. Tandlæger har brugt stoffet i mange år, fordi eugenol dæmper smerte og hæmmer bakterier. Figur 2 viser strukturen.

Figur 2: Strukturen af eugenol fra kryddernellike.
  1. Eugenol har to oxygenatomer. Angiv den funktionelle gruppe, som hvert af de to oxygenatomer hører til.
  2. Eugenol har også en funktionel gruppe uden oxygen. Angiv den funktionelle gruppe.
  3. Angiv stofklassen for hver af de tre funktionelle grupper i eugenol.
  4. En elev skriver: “Eugenol har en alkoholgruppe på benzenringen.” Forklar de to fejl i elevens sætning.

Følg fremgangsmåden fra afsnit A3.2. Find først de to oxygenatomer i eugenol, og se på naboerne. Det ene oxygenatom binder et hydrogenatom. Det andet oxygenatom sidder mellem to carbonatomer. Der er ingen C=O i eugenol.

Find derefter dobbeltbindinger mellem carbonatomer uden for benzenringen i eugenol. Dobbeltbindingerne i selve benzenringen tæller ikke som alkener.

Til spørgsmål d: tænk på forskellen mellem en funktionel gruppe og en stofklasse, og på hvad hydroxygruppen i eugenol sidder på. Du kan begynde sådan: “Ordet alkohol er navnet på en … og ikke på en … Hydroxygruppen i eugenol sidder på …, og derfor er stofklassen …”

a., b. og c. Eugenol har tre funktionelle grupper:

Funktionel gruppe i eugenol Stofklasse
hydroxygruppe, −OH, på benzenringen phenol
ethergruppe, −O−CH3, på benzenringen ether
dobbeltbinding mellem to carbonatomer i sidekæden alken

Det ene oxygenatom i eugenol binder et hydrogenatom og hører til en hydroxygruppe. Det andet oxygenatom sidder mellem et carbonatom i benzenringen og carbonatomet i en methylgruppe og hører til en ethergruppe. Dobbeltbindingen i sidekæden er den funktionelle gruppe uden oxygen. De tre dobbeltbindinger i benzenringen tæller ikke som alkener.

  1. Den første fejl er ordet alkoholgruppe. Alkohol er en stofklasse og ikke en funktionel gruppe. Den funktionelle gruppe hedder en hydroxygruppe. Den anden fejl er stofklassen. Hydroxygruppen i eugenol sidder direkte på benzenringen, og så er stofklassen phenol og ikke alkohol. Den rigtige sætning er: “Eugenol har en hydroxygruppe på benzenringen og er en phenol.”

Opgave A3.2.4: Ladet eller uladet ved pH 7

Nogle funktionelle grupper afgiver eller optager en hydron i vand. Brug de typiske værdier for pKs fra afsnit A3.2: 4 til 5 for en carboxylgruppe, omkring 10 for hydroxygruppen i en phenol og 9 til 11 for den korresponderende syre til en aminogruppe.

Stof Strukturformel
ethansyre CH3COOH
ethanol CH3CH2OH
ethylamin CH3CH2NH2
ethanamid CH3CONH2
phenol C6H5OH
mælkesyre CH3CH(OH)COOH
alanin CH3CH(NH2)COOH
  1. Angiv for hver funktionel gruppe i de syv stoffer, om gruppen er en syre, en base eller ingen af delene i vand.
  2. Skriv formlen for den form, hvert af de syv stoffer har ved pH 7, og angiv stoffets samlede ladning.
  3. Phenol er uladet ved pH 7. Ved hvilke pH-værdier er phenol overvejende på formen C6H5O−?

En carboxylgruppe er en syre, og hydroxygruppen i en phenol er en svag syre. En aminogruppe er en base. En amidgruppe og hydroxygruppen i en alkohol er ingen af delene. Mælkesyre og alanin har to funktionelle grupper hver.

Brug reglen fra afsnit A1.7 på hver gruppe for sig: er pH lavere end pKs, sidder hydronen på gruppen. Er pH højere end pKs, er hydronen afgivet.

For carboxylgruppen i ethansyre er pH 7 højere end pKs på 4 til 5, så hydronen er afgivet, og gruppen er −COO−. For aminogruppen i ethylamin er pH 7 lavere end pKs på 9 til 11 for den korresponderende syre, så hydronen sidder på, og gruppen er −NH3+.

  1. og b.
Stof Funktionelle grupper Form ved pH 7 Samlet ladning
ethansyre carboxylgruppe: syre CH3COO− −1
ethanol hydroxygruppe i en alkohol: ingen af delene CH3CH2OH 0
ethylamin aminogruppe: base CH3CH2NH3+ +1
ethanamid amidgruppe: ingen af delene CH3CONH2 0
phenol hydroxygruppe i en phenol: svag syre C6H5OH 0
mælkesyre carboxylgruppe: syre. Hydroxygruppe i en alkohol: ingen af delene CH3CH(OH)COO− −1
alanin carboxylgruppe: syre. Aminogruppe: base CH3CH(NH3+)COO− 0

Ved pH 7 har carboxylgrupperne i ethansyre, mælkesyre og alanin afgivet en hydron, fordi pH er højere end pKs på 4 til 5. Aminogrupperne i ethylamin og alanin har optaget en hydron, fordi pH er lavere end pKs på 9 til 11 for den korresponderende syre. Phenol er en svag syre med pKs omkring 10. Ved pH 7 er pH lavere end pKs, så hydronen sidder stadig på hydroxygruppen i phenol. Alanin har både en negativ og en positiv gruppe ved pH 7. Den samlede ladning er 0, og alanin er en amfoion.

  1. Phenol er overvejende på formen C6H5O−, når pH er højere end pKs, altså ved pH over omkring 10.

Opgave A3.2.5: Bindinger mellem molekyler

De funktionelle grupper bestemmer, hvilke bindinger der er mellem molekylerne i et stof. De fire slags er londonbindinger, dipol-dipolbindinger, hydrogenbindinger og ion-ionbindinger.

Stof Strukturformel
A pentan CH3CH2CH2CH2CH3
B propanon CH3COCH3
C ethanol CH3CH2OH
D alanin ved pH 7 CH3CH(NH3+)COO−
  1. Angiv, hvilke af de fire slags bindinger der er mellem molekylerne i hvert af de fire stoffer, A til D.
  2. Pentan, propanon og ethanol er væsker ved stuetemperatur. Alanin er et fast stof, som skal varmes op til omkring 300 °C, før det smelter. Forklar forskellen.
  3. Se på strukturen af eugenol i Figur 2. Angiv, hvilke grupper i eugenol der kan danne hydrogenbindinger til vandmolekyler, og hvilken af grupperne der selv kan afgive et hydrogenatom til en hydrogenbinding.

Londonbindinger findes mellem alle molekyler. Dipol-dipolbindinger kræver polære bindinger som C=O og C−O. En hydrogenbinding kræver et hydrogenatom, der er bundet til O eller N, og et O eller N at binde til. Ion-ionbindinger kræver ladede grupper.

I propanon er alle hydrogenatomer bundet til carbon. Propanon har derfor ikke noget hydrogenatom, der kan indgå i en hydrogenbinding mellem to molekyler propanon.

Du kan begynde forklaringen i spørgsmål b sådan: “Alanin er en amfoion med grupperne … og … Mellem molekylerne i alanin er der derfor …, som er den stærkeste af de fire slags bindinger.”

I eugenol skal du se på de to oxygenatomer. Kun det ene oxygenatom binder et hydrogenatom.

  1. Bindingerne mellem molekylerne er
Stof Londonbindinger Dipol-dipolbindinger Hydrogenbindinger Ion-ionbindinger
A pentan ja nej nej nej
B propanon ja ja nej nej
C ethanol ja ja ja nej
D alanin ved pH 7 ja ja ja ja

Pentan har kun upolære bindinger, C−C og C−H, så mellem molekylerne i pentan er der kun londonbindinger. Propanon har en polær carbonylgruppe, C=O, men intet hydrogenatom på O eller N, så propanon har dipol-dipolbindinger, men ingen hydrogenbindinger mellem sine molekyler. Ethanol har en hydroxygruppe, −OH, og kan danne hydrogenbindinger. Alanin har de ladede grupper −NH3+ og −COO− og kan danne ion-ionbindinger.

  1. Alanin er en amfoion ved pH 7 og også i det faste stof. Gruppen −NH3+ på ét molekyle alanin tiltrækker gruppen −COO− på et andet molekyle alanin. Mellem molekylerne i alanin er der derfor ion-ionbindinger, som er den stærkeste af de fire slags bindinger. Det kræver meget energi at skille molekylerne fra hinanden, og alanin smelter først ved en høj temperatur. Mellem molekylerne i pentan, propanon og ethanol er der kun svagere bindinger: londonbindinger, dipol-dipolbindinger og hydrogenbindinger. De tre stoffer er derfor væsker ved stuetemperatur.

  2. Eugenol kan danne hydrogenbindinger til vandmolekyler med hydroxygruppen, −OH, og med ethergruppen, −O−CH3. Kun hydroxygruppen i eugenol kan selv afgive et hydrogenatom til en hydrogenbinding, fordi den har et hydrogenatom bundet til oxygen. Oxygenatomet i ethergruppen har ikke noget hydrogenatom. Det kan kun tage imod en hydrogenbinding fra et hydrogenatom i et vandmolekyle. Benzenringen og sidekæden med tre carbonatomer i eugenol er upolære og danner kun londonbindinger.

Opgave A3.2.6: Asymmetriske carbonatomer

Figur 3 viser mælkesyre fra yoghurt, linalool fra lavendel og efedrin fra planten Ephedra. Nogle af carbonatomerne har fået numre, så de er lette at henvise til.

Figur 3: Mælkesyre, linalool og efedrin med numre på nogle af carbonatomerne.
  1. Mælkesyre har ét asymmetrisk carbonatom. Angiv carbonatomets nummer, og skriv de fire forskellige grupper, der sidder på carbonatomet.
  2. Linalool har ét asymmetrisk carbonatom, og efedrin har to. Angiv numrene på de tre carbonatomer, og skriv de fire grupper på hvert af dem.
  3. Hvor mange stereoisomerer kan der højst være af mælkesyre, af linalool og af efedrin?
  4. Forklar, hvorfor carbonatom 1 og carbonatom 3 i mælkesyre ikke er asymmetriske.

Et asymmetrisk carbonatom har fire enkeltbindinger til fire forskellige grupper. Begynd med at stryge alle carbonatomer, der har en dobbeltbinding, og alle carbonatomer, der binder to eller tre hydrogenatomer. De kan ikke være asymmetriske. Husk de hydrogenatomer, som ikke er tegnet i zigzagformlen.

Skriv de fire grupper op for hvert carbonatom, der er tilbage. En gruppe er hele den del af molekylet, der sidder i den retning, ikke bare det nærmeste atom. I linalool sidder der to kæder på carbonatom 3. De begynder forskelligt, så de er to forskellige grupper.

Med n asymmetriske carbonatomer kan der højst være 2n stereoisomerer.

Du kan begynde forklaringen i spørgsmål d sådan: “Carbonatom 1 i mælkesyre har en dobbeltbinding til …, så det binder kun … grupper. Carbonatom 3 i mælkesyre binder tre …”

  1. I mælkesyre er carbonatom 2 asymmetrisk. De fire grupper på carbonatom 2 er et hydrogenatom, −H, en hydroxygruppe, −OH, en methylgruppe, −CH3, og en carboxylgruppe, −COOH.

  2. I linalool er carbonatom 3 asymmetrisk. De fire grupper på carbonatom 3 er en hydroxygruppe, −OH, en methylgruppe, −CH3, gruppen −CH=CH2 med carbonatom 2 og 1 og kæden −CH2−CH2−CH=C(CH3)2 med carbonatom 4 til 8.

I efedrin er carbonatom 1 og carbonatom 2 asymmetriske.

Carbonatom i efedrin De fire grupper
1 −H, −OH, benzenringen og kæden −CH(CH3)−NH−CH3
2 −H, −CH3, −NH−CH3 og gruppen −CH(OH)−C6H5 med carbonatom 1 og benzenringen

  1. Mælkesyre har ét asymmetrisk carbonatom, så der er 21 = 2 stereoisomerer. Linalool har også ét, så der er 2 stereoisomerer af linalool. Efedrin har to asymmetriske carbonatomer, så der kan højst være 22 = 4 stereoisomerer af efedrin.

  2. Carbonatom 1 i mælkesyre er carbonatomet i carboxylgruppen. Det har en dobbeltbinding til oxygen og binder derfor kun tre grupper. Carbonatom 3 i mælkesyre er carbonatomet i methylgruppen. Det binder tre hydrogenatomer, så tre af de fire grupper er ens. Ingen af de to carbonatomer har fire forskellige grupper.

Opgave A3.2.7: Cis eller trans

Anethol giver anis og fennikel den søde smag, som minder om lakrids. Figur 4 viser de to cis-trans-isomerer af anethol. Planterne danner næsten kun trans-formen.

Figur 4: De to cis-trans-isomerer af anethol, A og B.
  1. Angiv, hvilken af de to strukturer, A og B, der viser trans-formen af anethol. Begrund svaret.
  2. Skriv de to grupper, der sidder på hvert af de to carbonatomer i dobbeltbindingen i sidekæden i anethol. Forklar ud fra grupperne, hvorfor anethol har cis-trans-isomeri.
  3. Eugenol i Figur 2 har en dobbeltbinding mellem to carbonatomer i sidekæden. Forklar, hvorfor eugenol ikke har cis-trans-isomeri.
  4. Linalool i Figur 3 har to dobbeltbindinger mellem carbonatomer. Undersøg, om nogen af de to dobbeltbindinger i linalool giver cis-trans-isomeri.

Cis-trans-isomeri kræver en dobbeltbinding, hvor hvert af de to carbonatomer har to forskellige grupper. I trans-formen sidder de to store grupper på hver sin side af dobbeltbindingen, og kæden fortsætter i zigzag hen over dobbeltbindingen. I cis-formen sidder de to store grupper på samme side.

Husk hydrogenatomerne, som ikke er tegnet. I anethol binder hvert af de to carbonatomer i dobbeltbindingen ét hydrogenatom og én større gruppe.

Har ét af de to carbonatomer i en dobbeltbinding to ens grupper, fx to hydrogenatomer eller to methylgrupper, er der ingen cis-trans-isomeri. Se på det yderste carbonatom i sidekæden i eugenol, og se på carbonatom 1 og carbonatom 7 i linalool.

Du kan begynde begrundelsen i spørgsmål a sådan: “I struktur … sidder benzenringen og methylgruppen på … side af dobbeltbindingen, og derfor er det …-formen af anethol.” Du kan begynde forklaringen i spørgsmål c sådan: “Det yderste carbonatom i sidekæden i eugenol binder …, og derfor …”

  1. Struktur A viser trans-formen af anethol. I struktur A sidder benzenringen og methylgruppen på hver sin side af dobbeltbindingen, og kæden fortsætter i zigzag hen over dobbeltbindingen. I struktur B sidder benzenringen og methylgruppen på samme side af dobbeltbindingen, så struktur B er cis-formen.

  2. De to carbonatomer i dobbeltbindingen i anethol har disse grupper:

Carbonatom i dobbeltbindingen De to grupper
carbonatomet nærmest benzenringen et hydrogenatom og benzenringen
carbonatomet længst fra benzenringen et hydrogenatom og en methylgruppe, −CH3

Hvert af de to carbonatomer har to forskellige grupper, og der er ingen fri drejning om en dobbeltbinding. Derfor findes anethol i to former: en cis-form og en trans-form.

  1. Dobbeltbindingen i eugenol sidder yderst i sidekæden, −CH2−CH=CH2. Det yderste carbonatom binder to hydrogenatomer, altså to ens grupper. Det er derfor ligegyldigt, hvilket af de to hydrogenatomer der sidder på hvilken side, og eugenol har ikke cis-trans-isomeri.

  2. Ingen af de to dobbeltbindinger i linalool giver cis-trans-isomeri. I dobbeltbindingen mellem carbonatom 1 og 2 binder carbonatom 1 to hydrogenatomer. I dobbeltbindingen mellem carbonatom 6 og 7 binder carbonatom 7 to methylgrupper. I begge dobbeltbindinger har det ene carbonatom altså to ens grupper.

Opgave A3.2.8: Tyrosin i ost

Tyrosin er en aminosyre. Navnet kommer af det græske ord for ost, tyros, fordi stoffet første gang blev fundet i ost. De små hvide krystaller, der knaser i en vellagret ost, er ofte tyrosin. Figur 5 viser strukturen.

Figur 5: Strukturen af tyrosin.
  1. Angiv de funktionelle grupper i tyrosin og de stofklasser, grupperne placerer tyrosin i.
  2. Angiv, hvilke grupper i tyrosin der er ladede ved pH 7, og bestem molekylets samlede ladning.
  3. Angiv de bindinger, tyrosin kan danne til andre molekyler ved pH 7.
  4. Undersøg, om tyrosin har spejlbilledisomeri og cis-trans-isomeri, og angiv, hvor mange stereoisomerer der højst kan være.

Find alle oxygenatomer og nitrogenatomer i tyrosin, og se på naboerne. Tyrosin har tre funktionelle grupper. Se efter, om hydroxygruppen sidder på benzenringen eller på en carbonkæde.

Brug de typiske værdier for pKs fra afsnit A3.2: 4 til 5 for en carboxylgruppe, omkring 10 for hydroxygruppen i en phenol og 9 til 11 for den korresponderende syre til en aminogruppe.

Ved pH 7 gælder reglen for hver gruppe i tyrosin for sig: er pH lavere end pKs, sidder hydronen på. Er pH højere, er den afgivet.

Til spørgsmål d: led efter et carbonatom med fire forskellige grupper og efter en dobbeltbinding mellem to carbonatomer uden for benzenringen. Du kan begynde sådan: “Carbonatomet, der binder aminogruppen i tyrosin, har de fire grupper …”

  1. Tyrosin har tre funktionelle grupper:
Funktionel gruppe i tyrosin Stofklasse
hydroxygruppe, −OH, på benzenringen phenol
aminogruppe, −NH2 amin
carboxylgruppe, −COOH carboxylsyre

Et stof med både en aminogruppe og en carboxylgruppe kaldes en aminosyre.

  1. Ved pH 7 er to af de tre grupper i tyrosin ladede:
Gruppe i tyrosin Typisk pKs Form ved pH 7
carboxylgruppe 4 til 5 −COO−, fordi pH er højere end pKs
aminogruppe 9 til 11 for den korresponderende syre −NH3+, fordi pH er lavere end pKs
hydroxygruppe på benzenringen omkring 10 −OH, fordi pH er lavere end pKs

Tyrosin har én negativ og én positiv gruppe ved pH 7. Den samlede ladning er 0, og tyrosin er en amfoion.

  1. Ved pH 7 kan tyrosin danne alle fire slags bindinger til andre molekyler. De ladede grupper, −NH3+ og −COO−, kan danne ion-ionbindinger til grupper med modsat ladning. Hydroxygruppen på benzenringen, gruppen −NH3+ og gruppen −COO− kan danne hydrogenbindinger. De polære bindinger C−O og C−N giver dipol-dipolbindinger. Benzenringen er upolær og danner londonbindinger.

  2. Tyrosin har spejlbilledisomeri. Carbonatomet, der binder aminogruppen, er asymmetrisk. De fire grupper på carbonatomet er et hydrogenatom, −H, aminogruppen, −NH2, carboxylgruppen, −COOH, og gruppen −CH2−C6H4−OH med benzenringen. Der er ét asymmetrisk carbonatom, så der kan højst være 21 = 2 stereoisomerer af tyrosin. De to er spejlbilleder af hinanden.

Tyrosin har ikke cis-trans-isomeri. De eneste dobbeltbindinger mellem carbonatomer i tyrosin sidder i benzenringen, og der er ingen dobbeltbinding mellem to carbonatomer i sidekæden.

Opgaver i eksamensstil

Opgaverne ligner delopgaverne i den skriftlige prøve i kemi A. Skriv svarene, som du ville gøre til prøven: med de konkrete atomer, bindinger og grupper, med beregninger med enheder og med en konklusion.

Opgave A3.2.eks.1: Kaffesyre

Kaffesyre findes i kaffebønner og i mange frugter og grøntsager. Navnet til trods er kaffesyre ikke i familie med koffein. Kaffesyre er en antioxidant. Figur 6 viser strukturen.

Figur 6: Strukturen af kaffesyre.
  1. Angiv de funktionelle grupper i kaffesyre og de stofklasser, grupperne placerer kaffesyre i.
  2. Argumentér for, at kaffesyre har cis-trans-isomeri, og angiv, om figuren viser cis-formen eller trans-formen.
  3. Carboxylgruppen i kaffesyre har pKs = 4,6, og hydroxygrupperne på benzenringen har pKs omkring 9 eller højere. Bestem ladningen af kaffesyre i mavesækken, hvor pH er 2, og i blodet, hvor pH er 7,4. Begrund svaret.
  4. Kaffesyre har molekylformlen C9H8O4. Beregn antallet af dobbeltbindingsækvivalenter, og vis, at tallet passer med strukturen i figuren.

Kaffesyre har fire oxygenatomer. To af dem sidder i hver sin hydroxygruppe på benzenringen, og to sidder i en gruppe i enden af sidekæden. Kaffesyre har også en dobbeltbinding mellem to carbonatomer i sidekæden.

Cis-trans-isomeri kræver, at hvert af de to carbonatomer i dobbeltbindingen har to forskellige grupper. Skriv grupperne op for hvert carbonatom i dobbeltbindingen i kaffesyre. Husk hydrogenatomerne, som ikke er tegnet.

Brug reglen fra afsnit A1.7 på hver gruppe i kaffesyre for sig: er pH lavere end pKs, sidder hydronen på gruppen. Er pH højere, er den afgivet.

Antallet af dobbeltbindingsækvivalenter beregnes med formlen fra afsnit A3.1, DBE = (2 · C + 2 + N − H) / 2. I strukturen tæller benzenringen 4 og hver dobbeltbinding uden for benzenringen 1.

Du kan begynde svaret på spørgsmål b sådan: “Carbonatomet nærmest benzenringen binder … og … Det andet carbonatom i dobbeltbindingen binder … og …” Du kan begynde begrundelsen i spørgsmål c sådan: “I mavesækken er pH lavere end pKs for carboxylgruppen i kaffesyre, så carboxylgruppen …”

  1. Kaffesyre har fire funktionelle grupper: to hydroxygrupper, en dobbeltbinding mellem to carbonatomer og en carboxylgruppe. Grupperne placerer kaffesyre i tre stofklasser:
Funktionel gruppe i kaffesyre Stofklasse
to hydroxygrupper, −OH, på benzenringen phenol
dobbeltbinding mellem to carbonatomer i sidekæden alken
carboxylgruppe, −COOH, i enden af sidekæden carboxylsyre

De to hydroxygrupper sidder direkte på benzenringen, så kaffesyre er en phenol og ikke en alkohol.

  1. Dobbeltbindingen i sidekæden i kaffesyre sidder mellem to carbonatomer. Carbonatomet nærmest benzenringen binder et hydrogenatom og benzenringen. Det andet carbonatom i dobbeltbindingen binder et hydrogenatom og carboxylgruppen, −COOH. Hvert af de to carbonatomer har altså to forskellige grupper, og der er ingen fri drejning om dobbeltbindingen. Derfor har kaffesyre cis-trans-isomeri.

Figuren viser trans-formen af kaffesyre. Benzenringen og carboxylgruppen sidder på hver sin side af dobbeltbindingen, og kæden fortsætter i zigzag hen over dobbeltbindingen.

  1. I mavesækken er pH 2. Det er lavere end pKs = 4,6 for carboxylgruppen, så hydronen sidder på, og gruppen er −COOH. pH 2 er også lavere end pKs for hydroxygrupperne på benzenringen, så de er −OH. Ingen grupper er ladede, og kaffesyre har ladningen 0 i mavesækken.

I blodet er pH 7,4. Det er højere end pKs = 4,6 for carboxylgruppen, så hydronen er afgivet, og gruppen er −COO−. pH 7,4 er stadig lavere end pKs for hydroxygrupperne på benzenringen, så de er uladede. Kaffesyre har derfor ladningen −1 i blodet.

  1. For kaffesyre, C9H8O4, er

\[ \mathrm{DBE} = \frac{2 \cdot 9 + 2 + 0 - 8}{2} = 6 \]

I strukturen af kaffesyre tæller benzenringen 4, fordi den er én ring og tre dobbeltbindinger. Dobbeltbindingen mellem de to carbonatomer i sidekæden tæller 1, og dobbeltbindingen mellem carbon og oxygen i carboxylgruppen tæller 1. I alt er det 6 dobbeltbindingsækvivalenter, og det passer med beregningen ud fra molekylformlen.

Opgave A3.2.eks.2: Adrenalin

Adrenalin er et hormon, som binyrerne sender ud i blodet, når du bliver bange. Hjertet slår hurtigere, og luftvejene udvider sig. Adrenalin bruges også som lægemiddel i den pen, som mennesker med svær allergi har med sig. Figur 7 viser strukturen.

Figur 7: Strukturen af adrenalin.
  1. Angiv de funktionelle grupper i adrenalin og de stofklasser, grupperne placerer adrenalin i.
  2. Forklar, hvorfor de tre hydroxygrupper i adrenalin ikke hører til den samme stofklasse, og hvad forskellen betyder for gruppernes syreegenskaber.
  3. Argumentér for, at adrenalin findes i to stereoisomere former.
  4. I blodet er pH 7,4. Den korresponderende syre til aminogruppen i adrenalin har pKs omkring 9, og hydroxygrupperne på benzenringen har pKs omkring 10. Bindingslommen i receptoren for adrenalin har blandt andet en gruppe −COO−, en hydroxygruppe og en benzenring. Angiv ladningen af adrenalin i blodet, og foreslå, hvilke bindinger adrenalin kan danne til de tre grupper i bindingslommen.

Adrenalin har tre oxygenatomer og ét nitrogenatom. Se for hver hydroxygruppe, om den sidder direkte på benzenringen eller på et carbonatom i sidekæden. Se efter, om der sidder en C=O ved siden af nitrogenatomet.

Et asymmetrisk carbonatom har fire forskellige grupper. Led i sidekæden i adrenalin, og husk de hydrogenatomer, der ikke er tegnet.

Brug reglen fra afsnit A1.7 på hver gruppe i adrenalin: er pH lavere end pKs, sidder hydronen på gruppen. En aminogruppe med en hydron på er positivt ladet.

En positivt ladet gruppe og en negativt ladet gruppe kan danne en ion-ionbinding. En hydrogenbinding kræver et hydrogenatom bundet til O eller N og et O eller N at binde til. To upolære benzenringe holder kun sammen med londonbindinger.

Du kan begynde forklaringen i spørgsmål b sådan: “To af hydroxygrupperne i adrenalin sidder på …, og den tredje sidder på …” Du kan begynde svaret på spørgsmål c sådan: “Carbonatomet i sidekæden, der binder hydroxygruppen, har de fire grupper …”

  1. Adrenalin har fire funktionelle grupper: tre hydroxygrupper og en aminogruppe. Grupperne placerer adrenalin i tre stofklasser:
Funktionel gruppe i adrenalin Stofklasse
to hydroxygrupper, −OH, på benzenringen phenol
hydroxygruppe, −OH, på et carbonatom i sidekæden alkohol
aminogruppe, −NH−, i sidekæden amin

Nitrogenatomet i adrenalin sidder mellem to carbonatomer, og ingen af dem har en dobbeltbinding til oxygen. Gruppen er derfor en aminogruppe og ikke en amidgruppe.

  1. To af hydroxygrupperne i adrenalin sidder direkte på benzenringen, så de giver stofklassen phenol. Den tredje hydroxygruppe sidder på et carbonatom i sidekæden, så den giver stofklassen alkohol. Forskellen betyder noget for syreegenskaberne. Hydroxygrupperne på benzenringen er svage syrer med pKs omkring 10, fordi benzenringen hjælper med at bære den negative ladning, når hydronen er afgivet. Hydroxygruppen i sidekæden er ikke en syre i vand.

  2. Adrenalin har ét asymmetrisk carbonatom. Det er carbonatomet i sidekæden, der binder hydroxygruppen. De fire grupper på carbonatomet er et hydrogenatom, −H, hydroxygruppen, −OH, benzenringen med de to hydroxygrupper og kæden −CH2−NH−CH3. De fire grupper er forskellige. Med ét asymmetrisk carbonatom er der 21 = 2 stereoisomerer, og de to former af adrenalin er spejlbilleder af hinanden. Ingen andre carbonatomer i adrenalin har fire forskellige grupper: carbonatomerne i benzenringen har kun tre naboer, og de to andre carbonatomer i sidekæden binder to eller tre hydrogenatomer.

  3. I blodet er pH 7,4. Det er lavere end pKs omkring 9 for den korresponderende syre til aminogruppen, så aminogruppen i adrenalin har optaget en hydron og er på formen −NH2+−. pH 7,4 er også lavere end pKs omkring 10 for hydroxygrupperne på benzenringen, så de har stadig deres hydron og er uladede. Hydroxygruppen i sidekæden er uladet ved alle pH-værdier i vand. Adrenalin har derfor ladningen +1 i blodet.

Adrenalin kan danne disse bindinger til de tre grupper i bindingslommen:

Gruppe i bindingslommen Gruppe i adrenalin Binding
−COO− den positivt ladede aminogruppe, −NH2+− ion-ionbinding
hydroxygruppe, −OH hydroxygrupperne, −OH hydrogenbinding
benzenring benzenringen londonbinding

Ion-ionbindingen mellem aminogruppen i adrenalin og gruppen −COO− i bindingslommen er den stærkeste af de tre bindinger.

Opgave A3.2.eks.3: Aspartam

Aspartam er et kunstigt sødestof, som bruges i sodavand og tyggegummi uden sukker. På varedeklarationen står stoffet som E 951. Aspartam er omkring 200 gange så sødt som sukker. Figur 8 viser strukturen.

Figur 8: Strukturen af aspartam.
  1. Angiv de fire funktionelle grupper med oxygen eller nitrogen i aspartam og de stofklasser, grupperne placerer aspartam i.
  2. Aspartam har to nitrogenatomer. Forklar, hvorfor kun det ene nitrogenatom i aspartam er en base.
  3. Carboxylgruppen i aspartam har pKs = 3,1, og den korresponderende syre til aminogruppen har pKs = 7,9. Bestem ladningen af aspartam i mavesækken, hvor pH er 2, og i tyndtarmen, hvor pH er omkring 6,5. Begrund svaret.
  4. Kun én af stereoisomererne af aspartam smager sødt. Argumentér for, at aspartam kan findes i fire stereoisomere former.

Find alle oxygenatomer og nitrogenatomer i aspartam, og se på naboerne. Sidder der en C=O lige ved siden af et oxygenatom i kæden eller et nitrogenatom, hører de sammen i én gruppe. Aspartam har to grupper med nitrogen og to grupper med en C=O, der sidder ved siden af et oxygenatom.

Et amid er hverken syre eller base i vand, fordi carbonylgruppen trækker i nitrogenatomets ledige elektronpar. Du kan begynde forklaringen i spørgsmål b sådan: “Det ene nitrogenatom i aspartam sidder i en …, hvor nabo-carbonatomet ikke har … Det andet nitrogenatom sidder i en …, lige ved siden af …”

Brug reglen fra afsnit A1.7 på carboxylgruppen og aminogruppen i aspartam hver for sig: er pH lavere end pKs, sidder hydronen på gruppen. Er pH højere, er den afgivet. Amidgruppen og estergruppen i aspartam er uladede ved alle pH-værdier.

Antallet af stereoisomerer er højst 2n, hvor n er antallet af asymmetriske carbonatomer. Du kan begynde sådan: “Carbonatomet, der binder aminogruppen i aspartam, har de fire grupper …”

  1. Aspartam har fire funktionelle grupper med oxygen eller nitrogen:
Funktionel gruppe i aspartam Stofklasse
carboxylgruppe, −COOH carboxylsyre
aminogruppe, −NH2 amin
amidgruppe, −CO−NH− amid
estergruppe, −CO−O−CH3 ester

I carboxylgruppen sidder en C=O ved siden af en −OH. I estergruppen sidder en C=O ved siden af et oxygenatom, der binder en methylgruppe. I amidgruppen sidder en C=O ved siden af et nitrogenatom.

  1. Det ene nitrogenatom i aspartam sidder i aminogruppen, −NH2. Nabo-carbonatomet har ingen dobbeltbinding til oxygen, så nitrogenatomet har sit ledige elektronpar til rådighed og kan optage en hydron. Aminogruppen er en base. Det andet nitrogenatom i aspartam sidder i amidgruppen, −CO−NH−, lige ved siden af en carbonylgruppe. Carbonylgruppen trækker i nitrogenatomets ledige elektronpar, så nitrogenatomet i amidgruppen ikke optager en hydron i vand. Amidgruppen er hverken syre eller base.

  2. I mavesækken er pH 2. Det er lavere end pKs = 3,1 for carboxylgruppen i aspartam, så hydronen sidder på, og gruppen er −COOH. pH 2 er også lavere end pKs = 7,9 for den korresponderende syre til aminogruppen, så aminogruppen har optaget en hydron og er −NH3+. Amidgruppen og estergruppen er uladede. Aspartam har derfor ladningen +1 i mavesækken.

I tyndtarmen er pH omkring 6,5. Det er højere end pKs = 3,1 for carboxylgruppen, så hydronen er afgivet, og gruppen er −COO−. pH 6,5 er stadig lavere end pKs = 7,9, så aminogruppen er −NH3+. Aspartam har altså én negativ og én positiv gruppe i tyndtarmen. Den samlede ladning er 0, og aspartam er en amfoion.

  1. Aspartam har to asymmetriske carbonatomer.
Asymmetrisk carbonatom i aspartam De fire grupper
carbonatomet, der binder aminogruppen −H, −NH2, −CH2−COOH og carbonylgruppen i amidgruppen med resten af molekylet
carbonatomet, der binder nitrogenatomet i amidgruppen −H, −NH− i amidgruppen med resten af molekylet, −CH2−C6H5 og estergruppen, −CO−O−CH3

Hvert af de to carbonatomer har fire forskellige grupper. Med to asymmetriske carbonatomer kan der højst være 22 = 4 stereoisomerer. Aspartam kan derfor findes i fire stereoisomere former, og kun den ene af dem smager sødt.