Bachelor's Thesis - Cheatsheet.pdf

Substitution, Addition und Eliminierung in der organischen Chemie

Definition:

Substitutions-, Additions- und Eliminierungsreaktionen umfassen wesentliche Mechanismen der organischen Chemie, bei denen Moleküle durch den Austausch, die Addition oder die Entfernung von Atomen oder Gruppen verändert werden.

Details:

• Substitution: Ersatz eines Atoms oder einer Gruppe durch ein anderes. Typen:
  • S_N1: unimolekulare nukleophile Substitution
  • S_N2: bimolekulare nukleophile Substitution
• Addition: Anlagerung von Atomen oder Gruppen an Mehrfachbindungen. Typen:
  • Elektrophile Addition: Addition von Elektrophilen (z.B. H₂O + H₂SO₄)
  • Nukleophile Addition: Addition von Nukleophilen (z.B. Aldolreaktion)
• Eliminierung: Entfernung von Atomen oder Gruppen, meist zur Bildung von Mehrfachbindungen. Typen:
  • E1: unimolekulare Eliminierung
  • E2: bimolekulare Eliminierung

NMR-, IR- und MS-Charakterisierungsmethoden

Definition:

NMR (Kernspinresonanzspektroskopie), IR (Infrarotspektroskopie) und MS (Massenspektrometrie) sind analytische Methoden zur Strukturaufklärung und Identifizierung von chemischen Verbindungen.

Details:

• NMR: Interaktion von Kernspin und Magnetfeld zur Bestimmung der Molekülstruktur.
• Wichtige Formeln: \[ \text{NMR} = \frac{\tau}{\text{MHz}} \]
• IR: Absorption von Infrarotstrahlung führt zu Schwingungen in Molekülbindungen.
• Hauptregel: \[ u = \frac{\bar{c}}{\bar{u}} \]
• MS: Bestimmung des Massen-zu-Ladungsverhältnisses (m/z) von Ionen zur Molekülidentifizierung und -bestimmung.
• Wichtige Formel: \[ \text{m/z} = \frac{m}{z} \]

Bindungstheorien: Ionen-, kovalente und Metallbindung

Definition:

Bindungstheorien beschreiben, wie Atome durch Ionen-, kovalente und Metallbindungen zusammengehalten werden.

Details:

• Ionenbindung: Atome tauschen Elektronen aus, um Ionen zu bilden, die sich durch elektrostatische Anziehungskräfte binden.
  • Formel: \[ \text{Na} + \text{Cl} \rightarrow \text{Na}^+ + \text{Cl}^- \]
• Kovalente Bindung: Atome teilen sich Elektronenpaare, um die Oktettregel zu erfüllen.
  • Formel für Einfachbindung: \[ \text{H}_2: \text{H} + \text{H} \rightarrow \text{H} - \text{H} \]
  • Formel für Doppelbindung: \[\text{ O}_2: \text{O} + \text{O} \rightarrow \text{O} = \text{O}\]
• Metallbindung: Valenzelektronen werden delokalisiert und bilden ein Elektronengas, das positiv geladene Metallionen zusammenhält.
  • Modell: Elektronengasmodell

Chemische Kinetik und Reaktionsmechanismen

Definition:

Studie der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen und der Einzelschritte, aus denen sie bestehen.

Details:

• Reaktionsgeschwindigkeit: Änderungsrate der Konzentration von Reaktanten/Produkten
• Reaktionsordnung: Summe der Exponenten in der Geschwindigkeitsgleichung
• Geschwindigkeitsgesetz: \( r = k [A]^m [B]^n \)
• Arrhenius-Gleichung: \( k = A e^{-E_a/RT} \)
• Reaktionsmechanismus: detaillierte Abfolge von Elementarschritten
• Übergangszustand: Zustand höchster Energie entlang des Reaktionswegs

Chromatographische Techniken: GC, HPLC

Definition:

Verwendung von GC und HPLC zur Trennung und Analyse von Substanzen.

Details:

• GC: Gaschromatographie, mobile Phase ist ein Gas, geeignet für flüchtige und thermisch stabile Verbindungen.
• HPLC: Hochleistungsflüssigkeitschromatographie, mobile Phase ist eine Flüssigkeit, geeignet für nicht-flüchtige und thermisch labile Verbindungen.
• GC: Detektoren wie FID (Flammenionisationsdetektor) und MS (Massenspektrometrie).
• HPLC: Detektoren wie UV-Vis, Fluoreszenz und MS.
• GC: Trennsäulen oft mit flüssigen Phasen (stationäre Phasen) beschichtet.
• HPLC: Trennsäulen gefüllt mit festen Materialien (oft Kieselgel).
• GC: Oft für petrochemische, Umwelt- und Lebensmittelanalysen.
• HPLC: Vielfältige Anwendungen in Pharmazeutik, Biochemie und Umweltanalyse.

Grundlagen der Thermodynamik und deren Anwendungen

Definition:

Thermodynamik ist die Lehre von Energie, Wärme und Arbeit und deren Umwandlung. Grundgesetze: Erster Hauptsatz (Energieerhaltung), Zweiter Hauptsatz (Entropie), Dritter Hauptsatz (Entropie nahe null bei absolutem Nullpunkt).

Details:

• Erster Hauptsatz: ΔU = Q - W (innere Energie, Wärme, Arbeit)
• Zweiter Hauptsatz: ΔS ≥ 0 (Entropie wächst)
• Dritter Hauptsatz: S → 0 (bei T → 0 K)
• Wichtige Zustandsgrößen: Temperatur (T), Druck (p), Volumen (V), innere Energie (U), Entropie (S), Enthalpie (H), freie Energie (F), freie Enthalpie (G)
• Anwendungen: Wärmekraftmaschinen, Kältetechnik, chemische Reaktionen, Materialwissenschaften

Redoxreaktionen und Elektrochemie

Definition:

Oxidations- und Reduktionsprozesse, bei denen Elektronen ausgetauscht werden, und ihre Anwendung in elektrochemischen Zellen.

Details:

• Redoxreaktionen: Oxidation (Elektronenabgabe), Reduktion (Elektronenaufnahme)
• Oxidationszahl zur Bestimmung von Oxidations-/Reduktionsvorgängen
• Galvanische Zellen: spontane Redoxprozesse, erzeugen elektrische Energie
• Elektrolysezellen: elektrische Energie treibt nicht-spontane Redoxprozesse
• Nernst-Gleichung: \[ E=E^0- \frac{RT}{nF}lnQ \]
• Wichtig für Batterien, Korrosion, industrielle Elektrolyse