Chinone – Struktur

Chinone – Struktur Übung

• Entscheide, ob es sich bei den Verbindungen um Chinone handelt.

  Tipps

  Die Moleküle der Chinone besitzen zwei Carbonylgruppen.

  In Chinonmolekülen findet man mindestens einen Ring.

  Die sogenannte chinoide Struktur bildet ein vollständig konjugiertes System.

  Lösung

  Ein Chinon besitzt immer zwei Carbonylgruppen und es befindet sich ein Ring im System.

  • Die Ketogruppen (Carbonylgruppen) sind in den Chinonmolekülen in den Stellungen 1,2 (ortho) und 1,4 (para) angeordnet.
  • Die Chinone sind demzufolge ortho-Chinon, para-Chinon.
  • Die beiden Carbonylgruppen sitzen einmal an einer Einheit aus zwei Ringen und einmal an einer Einheit mit drei Ringen. Es handelt sich also um Naphthachinon und Anthrachinon.
  • Die übrigen Verbindungen sind keine Chinone.

• Bestimme die Anzahl der $\pi$-Elektronen in folgenden Verbindungen.

  Tipps

  $\pi$-Elektronen sind nur dort, wo es Doppelbindungen gibt.

  Die aromatischen $\pi$-Elektronen sind überall dort, wo es Benzolringe gibt

  Lösung

  Folgende Anzahlen sind korrekt:

  1.$~$Naphthachinon

  • $\pi$-Elektronen, gesamt = 12
  • $\pi$-Elektronen, aromatisch = 6

  Wir zählen sechs Doppelbindungen und damit insgesamt zwölf $\pi$-Elektronen. Der eine Benzolring enthält sechs aromatische $\pi$-Elektronen.

  2.$~$Anthrachinon

  • $\pi$-Elektronen, gesamt = 16
  • $\pi$-Elektronen, aromatisch = 12

  Zwei Benzolringe bedeutet zwölf aromatische $\pi$-Elektronen. Dazu kommen die vier $\pi$-Elektronen aus den Carbonylgruppen.

  3.$~$Hydrochinon

  • $\pi$-Elektronen, gesamt = 6
  • $\pi$-Elektronen, aromatisch = 6

  $\pi$-Elektronen liefert nur der aromatische Benzolring.

  4.$~$m-Benzochinon

  • Diese Verbindung kann nicht existieren.

  5.$~$Cyclohexan-1,3-dion

  • $\pi$-Elektronen, gesamt = 4
  • $\pi$-Elektronen, aromatisch = 0

  Die vier $\pi$-Elektronen kommen aus den beiden Carbonylgruppen, sie sind nicht aromatisch.

• Ermittle die Funktion der Ubichinone in der Atmungskette.

  Tipps

  Edukte und Produkte der Atmung werden nicht übertragen.

  Denke an die Redoxreaktion zwischen Hydrochinon und p-Benzochinon.

  Lösung

  Eine wichtige Reaktion von Chinonen ist die Reduktion zum Hydroxychinon. Diese Reaktion nutzt auch das Ubichinon in der Atmungskette. Bei der Redoxreaktion werden Elektronen übertragen. Außerdem werden auch Protonen bei dieser Reaktion übertragen, um aus der Carbonylgruppe eine Hydroxygruppe zu machen. Kohlenstoffdioxid, Wasser und Sauerstoff werden also nicht übertragen.

• Beschreibe den Vorgang der Farbgebung für Juglon durch weißes Licht.

  Tipps

  Erinnere dich an den Farbkreis.

  Vergegenwärtige dir die einzelnen Bestandteile des Lichtes bei der Farbgebung.

  Finde heraus, was mit den anderen Lichtsorten passiert, wenn du das reflektierte Licht kennst.

  Lösung

  Farbigkeit gibt es nur mit weißem Licht. Die Sonne liefert weißes Licht, nicht die Milchstraße. Beim Sonnenlicht handelt es sich um ein Lichtgemisch und kein einfarbiges Licht.

  Bei Kontakt mit einem Körper liefert weißes Licht drei Komponenten:

  • Ein Teil durchdringt den Körper.
  • Ein Teil wird absorbiert.
  • Ein dritter Teil wird reflektiert.

  Das reflektierte Licht bestimmt die Farbe des Körpers. Der Farbkreis teilt uns mit: Die Komplementärfarbe zu Gelb ist Blau. Das blaue Licht ist der absorbierte Anteil. Daher ist Juglon Gelb.

• Erkläre die Existenz von Benzochinonen.

  Tipps

  Zeichne die drei zur Diskussion gestellten Benzochinone.

  Stelle fest, in welchen Fällen du eine durchgängig konjugierte Struktur darstellen kannst.

  Nun kannst du entscheiden, welche Benzochinone stabil sind und welche nicht.

  Lösung

  Wenn du dir die Strukturen der Benzochinone anschaust, so stellst du fest, dass zwei der möglichen Benzochinone durchgängig konjugierte Strukturen aufweisen.

  • Demnach sind die Moleküle o-Benzochinon und p-Benzochinon durchgängig konjugierte Systeme.
  • Die Moleküle des m-Benzochinons sind nicht durchgängig konjugiert.
  • Daher sind o-Benzochinon und p-Benzochin relativ stabil, während m-Benzochinon nicht existiert.

• Interpretiere die Redoxreaktion zwischen Hydrochinon und Chinon.

  Tipps

  Zähle, um wie viel und welche Atome sich die Verbindungen zu beiden Seiten der Reaktionsgleichung unterscheiden.

  Oxidation erfolgt in die Richtung der höheren Oxidationszahl. Reduktion erfolgt in die Richtung der niederen Oxidationszahl.

  Für die Bestimmung der Oxidationszahlen kappt man gedanklich die Bindung des Kohlenstoffatoms zu den benachbarten Kohlenstoffatomen. Die Summe der Oxidationszahlen des so isolierten Fragments muss null sein.

  Überlege einmal, ob Benzol gegenüber gewöhnlichen ungesättigten Verbindungen stabilisiert oder destabilisiert ist.

  Lösung

  Die beiden Partner sollten klar sein. para bedeutet 1,4 -.

  • Die reduzierte Form ist Hydrochinon.
  • Die oxidierte Form ist 1,4-Benzochinon.

  In der Wortgleichung müssen die Protonen und Elektronen, die entstehen, beachtet werden.

  • Hydrochinon $\:\longrightarrow\:$ 1,4-Benzochinon + zwei Protonen + zwei Elektronen

  Laut Definition im erweiterten Sinn ist Oxidation Elektronenabgabe und Reduktion Elektronenaufnahme. Bei der Oxidation werden Elektronen also abgegeben. Bei der Reduktion werden die Elektronen aufgenommen.

  Nun können die Oxidationszahlen bestimmt werden. Für Hydrochinon schneidet man zwei Fragmente (C-O-H) heraus. Die bekannten Oxidationszahlen sind -2 (O) und +1 (H). Der Rest ist klar, da die Summe null sein muss. Für das Benzochinon und (C=O) verfährt man analog. Die C(-O)-Kohlenstoffatome im Hydrochinon-Molekül haben jeweils die Oxidationszahl +1. Die C(=O)-Kohlenstoffatome im Hydrochinon-Molekül haben jeweils die Oxidationszahl +2.

  Hydrochinon ist aromatisch stabilisiert. Zwar ist das Benzochinon durch das konjugierte System etwas stabilisiert. Die Krosskonjugation verdirbt aber wieder einen Teil dieses Effektes. Hydrochinon und das Benzochinon sind verschieden stabil. Das Diphenol wird durch den aromatischen Ring stärker stabilisiert als die Diketo-Verbindung.