Fortgeschrittene Arbeitsmethoden: Anwendungsorientierte Präparate - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Du untersuchst eine Substanz mittels NMR-Spektroskopie (Nuclear Magnetic Resonance) und sollst ihre Struktur aufklären. Dabei nutzt Du die präzisen Methoden und Prinzipien der NMR-Spektroskopie, die auf den magnetischen Eigenschaften von Atomkernen basieren. Für Deine Analyse steht Dir ein ^1H-NMR- und ein ^13C-NMR-Spektrum der Substanz zur Verfügung. Im Folgenden wirst Du verschiedene Aspekte der NMR-Spektroskopie anwenden und interpretieren.

• Prinzip: Atomkerne in einem Magnetfeld absorbieren und re-emittieren Radiowellen; Resonanzfrequenz abhängig von Umgebung.
• Ablauf: Probe in starkes Magnetfeld, Einstrahlung von Radiowellen, Aufzeichnung der Resonanz.
• Anwendungen: Identifizierung von Molekülstrukturen, Bestimmung von Konformationen, Untersuchung dynamischer Prozesse.
• Spektreninterpretation: Chemische Verschiebung (\textit{δ}), Kopplungskonstanten (\textit{J}), Intensitäten.
• Vorteile: Nicht-destruktiv, detaillierte Informationen, anwendbar auf Feststoffe und Lösungen.
• Typen: ^1H-NMR, ^13C-NMR, ^31P-NMR, multidimensional.

a)

Du hast das ^1H-NMR-Spektrum der Substanz aufgenommen. Das Spektrum zeigt unter anderem Signale bei 7,2 ppm, 3,7 ppm und 1,2 ppm. Analysiere die chemischen Verschiebungen und ordne sie den entsprechenden Umgebungen der Protonen zu. Gehe dabei auf die Struktur des Moleküls ein.

Lösung:

Hier ist eine detaillierte Analyse der chemischen Verschiebungen im ^1H-NMR-Spektrum Deiner Substanz. Zunächst wirst Du die chemischen Verschiebungen untersuchen und anschließend die entsprechenden Umgebungen identifizieren:

• Signal bei 7,2 ppm: Diese Verschiebung liegt im Bereich, der typisch für aromatische Protonen ist. Protonen in aromatischen Ringen, wie z.B. in einem Benzolring, erscheinen normalerweise in diesem Bereich der chemischen Verschiebung. Dies deutet also auf das Vorhandensein eines aromatischen Systems hin, wahrscheinlich ein Benzolring oder eine ähnliche Struktur.
• Signal bei 3,7 ppm: Signale in diesem Bereich sind charakteristisch für Protonen, die an Kohlenstoffatome gebunden sind, die wiederum an elektronenziehende Gruppen oder Heteroatome gebunden sind, z.B. -OH, -O- oder -Cl. Eine mögliche exemplarische Struktur könnte ein Proton sein, das an ein Kohlenstoffatom gebunden ist, welches an eine Hydroxygruppe (-OH) oder eine Methoxygruppe (-OCH₃) gebunden ist.
• Signal bei 1,2 ppm: Protonen in diesem Bereich der chemischen Verschiebung sind typischerweise alkylische Protonen, d.h. sie sind in gesättigten Ketten wie in Methylgruppen (-CH₃) oder Methylen-Gruppen (-CH₂-) zu finden. Diese Protonen sind also wahrscheinlich in einer einfachen alkylischen Umgebung, weit entfernt von stark elektronenziehenden Gruppen oder aromatischen Ringen.

Die Zusammensetzung dieser Verschiebungen deutet auf eine Molekülstruktur hin, die aus aromatischen, alkoxylischen oder hydroxylischen und alkylischen Strukturen besteht:

• Aromatische Einheiten: Protonen bei 7,2 ppm könnten von einem aromatischen Ring wie Benzol stammen.
• Alkoholische oder Methoxylische Einheiten: Protonen bei 3,7 ppm könnten von einer Struktur wie -O-CH₃ herrühren.
• Aliphatische Einheiten: Protonen bei 1,2 ppm stammen wahrscheinlich aus Alkylketten wie -CH₃ oder -CH₂-Gruppen.

Die nächste Stufe in der Strukturaufklärung wäre die Untersuchung der Kopplungskonstanten und der Integrale der Signale, um die Anzahl der Protonen in den jeweiligen Umgebungen und deren Kopplungspartner zu bestimmen.

b)

Das ^13C-NMR-Spektrum der Substanz zeigt Signale bei 150 ppm, 120 ppm, 70 ppm und 15 ppm. Erkläre die Beobachtungen und nutze die chemischen Verschiebungen, um die Kohlenstoffatome einem möglichen Strukturfragment zuzuordnen.

Lösung:

Hier ist eine detaillierte Analyse der chemischen Verschiebungen im ^13C-NMR-Spektrum Deiner Substanz. Du wirst die chemischen Verschiebungen untersuchen und die entsprechenden Kohlenstoffatome möglichen Strukturfragmenten zuordnen:

• Signal bei 150 ppm: Diese chemische Verschiebung liegt im Bereich, der typisch für Kohlenstoffatome in aromatischen Systemen und speziell für Kohlenstoffatome, die an elektronenziehende Gruppen gebunden sind, ist. Ein typisches Beispiel wäre ein Kohlenstoffatom in einem aromatischen Ring, das an eine Carbonylgruppe (C=O) oder eine Hydroxygruppe (-OH) gebunden ist.
• Signal bei 120 ppm: Dies ist ebenfalls typisch für aromatische Kohlenstoffatome, jedoch ohne so starke elektronische Effekte wie bei 150 ppm. Diese Kohlenstoffatome könnten also Teil eines Benzolrings oder eines anderen aromatischen Systems sein.
• Signal bei 70 ppm: Dieser Bereich der chemischen Verschiebung ist charakteristisch für Kohlenstoffatome, die an Heteroatome wie Sauerstoff oder Chlor gebunden sind. Ein Beispiel könnte ein Kohlenstoffatom in einer Alkoholverbindung (-CH₂OH) oder einem Ether (-CH₂-O-) sein.
• Signal bei 15 ppm: Diese Verschiebung ist typisch für aliphatische Kohlenstoffatome, wie sie in Methylgruppen (-CH₃) oder Methylen-Gruppen (-CH₂-) zu finden sind. Solche Kohlenstoffatome sind weit entfernt von starken elektronenziehenden Gruppen.

Die Zusammensetzung dieser Verschiebungen deutet auf eine Molekülstruktur hin, die aus aromatischen, alkoxylischen und aliphatischen Strukturen besteht:

• Aromatische Einheiten: Kohlenstoffatome bei 150 ppm und 120 ppm könnten Teil eines aromatischen Rings wie Benzol sein; das bei 150 ppm könnte zusätzlich eine elektronenziehende Gruppe tragen.
• Alkoxy- oder Hydroxy-Einheiten: Kohlenstoffatome bei 70 ppm könnten auf eine Alkohol (z.B. -CH₂OH) oder Ether (z.B. -CH₂-O-) Gruppe hinweisen.
• Aliphatische Einheiten: Kohlenstoffatome bei 15 ppm stammen wahrscheinlich von Alkylketten wie -CH₃ oder -CH₂-Gruppen.

Die nächste Stufe in der Strukturaufklärung besteht darin, weitere spektroskopische Informationen wie die ^1H-NMR-Daten zu nutzen, um die vollständige Struktur des Moleküls abzuleiten. Weiterhin sind die Kopplungskonstanten und Integrale wichtig, um die Anzahl der jeweiligen Atome und deren Kopplungspartner zu bestimmen.

c)

Die 1H-1H-Kopplung im ^1H-NMR-Spektrum zeigt ein Dublett mit einer Kopplungskonstante (\textit{J}) von 7 Hz. Erkläre die Kopplung unter Berücksichtigung der Nachbarprotonen und interpretiere die mögliche atomare Anordnung im betreffenden Molekülsegment.

Lösung:

Die Beobachtung eines Dubletts im ^1H-NMR-Spektrum mit einer Kopplungskonstante (\textit{J}) von 7 Hz weist auf eine 1H-1H-Kopplung zwischen benachbarten Protonen hin. Diese Kopplung ist typisch für Nachbarprotonen in einem ethylenartigen Fragment oder einer aliphatischen Kette.

Analyse der Kopplung

• Dublett: Ein Dublett entsteht, wenn ein Proton durch ein benachbartes Proton beeinflusst wird. Dies ist charakteristisch für zwei gekoppelte Protonen mit einer einfachen 1:1 Kopplung.
• Kopplungskonstante (J = 7 Hz): Diese Kopplungskonstante ist typisch für vicinale (drei-bindig) Kopplungen in aliphatischen Systemen. Solche Kopplungskonstanten treten häufig in einfachen aliphatischen Ketten auf.

Zur weiteren Interpretation betrachten wir die mögliche atomare Anordnung im betreffenden Molekülsegment:

Mögliche Strukturfragmente

• Ethylenartige Fragmente: In einem ethylenartigen Fragment (z.B. -CH₂-CH₃) würde das -CH₂-Proton ein Dublett zeigen, wenn es nur ein -CH₃-Nachbarproton hat, und umgekehrt könnte das -CH₃-Gruppe ebenfalls ein Dublett zeigen.
• Einfach aliphatische Ketten: In einfachen aliphatischen Ketten (z.B. -CH₂-CH₂-), können die Protonen der Methylen-Gruppen (CH₂) ebenfalls als Dubletts erscheinen, wenn sie nur ein direkt benachbartes Proton haben.

Eine typische Anordnung wäre also:

• Ein Alkylsegment wie -CH2-CH3, wobei das -CH₂-Proton (etwa bei 1 ppm) und das -CH₃-Proton (etwa bei 1,2 ppm) als Dublett erscheinen und eine Kopplungskonstante von 7 Hz aufweisen könnten.

Insgesamt deutet die Kopplung mit einer Konstante von 7 Hz und die Existenz eines Dubletts darauf hin, dass die Protonen sich in einem einfachen aliphatischen oder ethylenartigen Segment befinden, was typisch für benachbarte Kohlenstoffatome mit jeweils einem Proton ist.

d)

Berechne das Verhältnis der Signalintensitäten eines Triplets zu einem Quartetts unter der Annahme, dass beide Signale von 1H-NMR-Spektren stammen, in denen die jeweiligen Protonen Kopplungs-Partner sind. Erläutere Deine Herangehensweise und berücksichtigte Prinzipien.

Lösung:

Um das Verhältnis der Signalintensitäten eines Triplets zu einem Quartetts im ^1H-NMR-Spektrum zu berechnen, bedienen wir uns der Binomialverteilung, die für die Signalintensitäten aufgrund der Spin-Spin-Kopplung verantwortlich ist.

Herangehensweise:

Ein Triplet (T) und ein Quartett (Q) entstehen durch die Kopplung zwischen benachbarten Protonen. Ein Triplet entsteht durch Kopplung mit zwei äquivalenten Nachbarprotonen (n=2), und ein Quartett entsteht durch die Kopplung mit drei äquivalenten Nachbarprotonen (n=3).

Berechnung der Intensitäten:

• Triplet: Ein Triplet folgt dem Verhältnis (1:2:1), da es durch die Kopplung von einem Proton mit zwei äquivalenten Nachbarprotonen entsteht. Jedes der drei Linien des Triplets hat folgende relative Intensitäten: - Erste Linie: 1 - Zweite Linie: 2 - Dritte Linie: 1
• Quartett: Ein Quartett folgt dem Verhältnis (1:3:3:1), da es durch die Kopplung von einem Proton mit drei äquivalenten Nachbarprotonen entsteht. Jedes der vier Linien des Quartetts hat folgende relative Intensitäten: - Erste Linie: 1 - Zweite Linie: 3 - Dritte Linie: 3 - Vierte Linie: 1

Verhältnis der Gesamtintensitäten:

Um das Verhältnis der gesamten Signalintensitäten von Triplet (T) und Quartett (Q) zu berechnen, summieren wir die relativen Intensitäten:

• Gesamtintensität Triplet (T): - 1 + 2 + 1 = 4
• Gesamtintensität Quartett (Q): - 1 + 3 + 3 + 1 = 8

Ergebnis:

Das Verhältnis der Signalintensitäten eines Triplets zu einem Quartett ist demnach 4:8 oder 1:2.

Zusammenfassung:

Um das Verhältnis der Signalintensitäten zwischen einem Triplet und einem Quartett zu berechnen, nutzen wir die Binomialverteilung der relativen Signalintensitäten aufgrund der Anzahl der äquivalenten Nachbarprotonen. Das Verhältnis ergibt sich zu 1:2, was bedeutet, dass das Quartett zweifach intensiver ist als das Triplet.

Aufgabe 3)

Gegeben: Eine unbekannte Verbindung wurde mittels Massenspektrometrie untersucht. Es wurden folgende Techniken verwendet: Elektronenspray-Ionisierung (ESI) und Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS). Das Massenspektrum zeigt einen starken Peak bei m/z = 285.3 und mehrere Fragmentpeaks bei niedrigeren m/z-Werten. Verwende die bereitgestellten Techniken und Formeln zur Interpretation der Daten.

a)

Analysiere die Technik der Elektronenspray-Ionisierung (ESI). Beschreibe die grundlegenden Prinzipien und den Ablauf dieses Verfahrens. Welche Vor- und Nachteile bringt ESI im Vergleich zu anderen Ionisierungstechniken mit sich?

Lösung:

Analysiere die Technik der Elektronenspray-Ionisierung (ESI)

• Grundlegende Prinzipien und Ablauf:

• Eine Flüssigkeitsprobe wird in einer Lösung (meist ein Lösungsmittel wie Wasser oder Methanol) in einen dünnen Kapillar gebracht.
• Es wird eine hohe Spannung (mehrere kV) an den Kapillar angelegt, was dazu führt, dass die Lösung an der Spitze des Kapillars in einen feinen Nebel von geladenen Tröpfchen zerstäubt wird.
• Diese geladenen Tröpfchen verdampfen weiter im Vakuum der Massenspektrometerkammer, wobei immer kleinere und stärker geladene Tröpfchen entstehen, bis schließlich gasförmige Ionen entstehen.

• Vor- und Nachteile von Elektronenspray-Ionisierung (ESI):

• Vorteile:
  • ESI ermöglicht die Ionisierung großer und thermisch labiler Moleküle, wie Proteine und Polymere, ohne diese zu zerbrechen.
  • Sie bietet eine hohe Empfindlichkeit und kann sehr niedrige Probenmengen nachweisen.
  • ESI ist kompatibel mit Flüssigchromatographie (LC), was eine hohe Trennleistung und Analysekomplexität ermöglicht.
• Nachteile:
  • Die Technik ist empfindlich gegenüber Verunreinigungen in der Probe und Lösungsmittel sowie gegenüber Salzbildung.
  • Es kann zur Bildung von Multiladungszuständen kommen, die das Massenspektrum komplex machen können und eine sorgfältige Dateninterpretation erfordern.
  • Die Ionisierungsleistung kann stark von der chemischen Beschaffenheit der Analyten und dem Lösungmittel abhängen.

b)

Mit dem erhaltenen Massenspektrum (starker Peak bei m/z = 285.3) soll die Summenformel der unbekannten Verbindung ermittelt werden. Welche weiteren Informationen werden benötigt, um die Summenformel zu bestimmen, und wie können diese im Spektrum identifiziert werden?

Lösung:

Ermittlung der Summenformel der unbekannten Verbindung anhand des Massenspektrums

• Erforderliche Informationen:

• Isotopenverteilung: Die Analyse der Isotopenverteilung im Spektrum kann Aufschluss über die Anzahl und Art der Atomen geben.
• Fragmentionen: Die Identifikation und Analyse der Fragmentpeaks kann Hinweise auf die Struktur und die Zusammensetzung der Verbindung liefern.
• Genauigkeit der Massenmessung: Eine hochauflösende Massenspektrometrie (HRMS) kann erforderlich sein, um die exakte Masse und damit die Elementarzusammensetzung der Verbindung zu bestimmen.
• Vergleich mit Datenbanken: Der Abgleich des erhaltenen Massenspektrums mit bestehenden Datenbanken kann die Identifikation der Verbindung unterstützen.

• Schritte zur Identifikation der Summenformel im Spektrum:

• Analyse des Peaks bei m/z = 285.3:
  • Berechne die genaue Masse des Hauptions und vergleiche sie mit möglichen Summenformeln unter Berücksichtigung der möglichen Addukte (z.B. [M+H]+ für ESI).
  • Nutze Datenbanken und Software zur Berechnung möglicher Summenformeln basierend auf der gemessenen Masse.
• Isotopenmusteranalyse:
  • Untersuche das Isotopenmuster des Peaks bei m/z = 285.3, um die Anzahl von Atomen wie Kohlenstoff, Stickstoff, Chlor, Brom etc. zu bestimmen.
  • Vergleiche das experimentelle Isotopenmuster mit theoretischen Mustern.
• Identifikation und Analyse der Fragmentionen:
  • Bestimme die m/z-Werte der Fragmentpeaks und ihre Abstände zum Hauptpeak.
  • Nutze diese Informationen, um strukturelle Fragmente der Verbindung zu identifizieren.
• Hochauflösende Massenspektrometrie (falls verfügbar):
  • Ermittle die exakte Masse des Hauptions und vergleiche sie mit theoretischen Massen möglicher Summenformeln.
  • Nutzt die hohe Massenauflösung, um Isotope und mögliche Kombinationen von Elementen präziser zu bestimmen.
• Datenbankabgleich:
  • Verwende Massenspektrendatenbanken, um das experimentelle Spektrum mit bekannten Spektren abzugleichen.
  • Identifiziere mögliche Kandidaten basierend auf Übereinstimmungen in der Masse und Fragmentation.

d)

Zu den Fragmentpeaks gehören Peaks bei m/z = 150.2, 121.1 und 91.1. Interpretiere diese Peaks im Kontext der Struktur der Verbindung. Welche strukturellen Informationen können durch die Analyse dieser Fragmentpeaks gewonnen werden?

Lösung:

Interpretation der Fragmentpeaks im Kontext der Struktur der VerbindungZur Verfügung stehen die folgenden Fragmentpeaks: m/z = 150.2, 121.1 und 91.1. Die Analyse dieser Peaks kann wertvolle Hinweise auf die Struktur der unbekannten Verbindung geben.

• m/z = 150.2:Dieser Fragmentpeak deutet auf ein beträchtliches Fragment der ursprünglichen Verbindung hin. Um weitere Klarheit zu gewinnen, sollte die genaue Masse von 150.2 mit bekannten Fragmenten oder Strukturgruppen verglichen werden. Ein möglicher Ansatz ist die Suche nach häufig vorkommenden Fragmenten, wie aromatische Ringe oder größere aliphatische Ketten, die solche Massenwerte aufweisen könnten. Es könnte sich auch um eine Gruppe mit mehreren kleineren funktionellen Gruppen handeln.
• m/z = 121.1:Dieser Peak kann ein Hinweis auf eine spezifische funktionelle Gruppe oder eine stabilere Teilstruktur der Verbindung sein. Eine Masse von etwa 121.1 u könnte auf ein aromatisches System hinweisen, das eine Stabilität aufweist, die typischerweise in Massenspektren beobachtet wird. Beispiele für solche Systeme könnten phthalimid-basierte Strukturen oder andere substituierte aromatische Systeme sein.
• m/z = 91.1:Der Peak bei m/z = 91.1 ist charakteristisch für einen Tropilium-Ion (\text{C}_7\text{H}_7^+), was häufig in der Massenspektrometrie von aromatischen Verbindungen beobachtet wird, insbesondere bei Alkylbenzolen und ähnlichen Verbindungen. Dies deutet darauf hin, dass die ursprüngliche Verbindung ein aromatisches System mit Alkyl-Substituenten enthalten könnte.

• Vergleich der Fragmente und Strukturinformation:
Die Kombination dieser Informationen kann helfen, die Struktur der unbekannten Verbindung zu bestimmen. Zum Beispiel:

• Die Anwesenheit eines Tropilium-Ions (m/z = 91.1) deutet auf ein aromatisches System, möglicherweise ein Benzolring mit Alkylsubstitution, hin.
• Der Peak bei m/z = 121.1 könnte eine weitere funktionelle Gruppe oder Substitution am aromatischen Ring darstellen.
• Der Peak bei m/z = 150.2 könnte auf eine größere Stabilität der Struktur hinweisen, möglicherweise eine Kombination aus mehreren funktionellen Gruppen.
• Fazit: Basierend auf den Fragmentpeaks kann man auf eine Struktur schließen, die zumindest ein aromatisches System mit speziellen funktionellen Gruppen oder Substitutionen enthält. Weitere Analysen, z.B. durch Vergleich mit Referenzspektren oder durch NMR-Analyse, könnten erforderlich sein, um die genaue Struktur der Verbindung zu bestätigen.

Aufgabe 4)

Organische Synthesemethoden und SchutzgruppenstrategienTechniken und Strategien zur Durchführung chemischer Reaktionen, um gezielte organische Moleküle zu synthetisieren, wobei Schutzgruppen zur Steuerung der Reaktivität spezifischer funktioneller Gruppen verwendet werden. Schutzgruppen dienen zum vorübergehenden Schutz reaktiver Zentren und ermöglichen den gezielten Aufbau komplexer Moleküle durch eine Sequenz chemischer Reaktionen. Beispiele für Schutzgruppen sind:

• Hydroxyl-Gruppen: TBDMS, THP
• Amino-Gruppen: Boc, Fmoc
Das orthogonale Schutzgruppenkonzept ermöglicht die Wahl von Schutzgruppen, deren Entfernungsbedingungen sich nicht überschneiden. Wichtige Reaktionstypen in der organischen Synthese umfassen:
• elektrophile und nukleophile Substitution
• Additions- und Eliminierungsreaktionen
• Cross-Coupling-Reaktionen (z.B. Suzuki, Heck)
• Cyclisierungen

a)

Beschreibe detailliert den Mechanismus der elektrophilen Substitution am Benzolring. Wie beeinflusst die Anwesenheit einer Methoxygruppe (\text{-OCH3}) am Benzolring die Reaktion? Diskutiere die elektronischen Effekte und die resultierenden Positionen der Substitution.

Lösung:

Mechanismus der Elektrophilen Substitution am Benzolring

Einführung:

Die elektrophile aromatische Substitution (EAS) ist eine zentrale Reaktion in der organischen Chemie, bei der ein Wasserstoffatom am Benzolring durch ein Elektrophil (\(E^+\)) ersetzt wird. Diese Reaktion erfolgt in zwei Hauptschritten:

• Bildung des Arenium-Ions (σ-Komplex): Dabei greift das Elektrophil den Benzolring an und bildet einen intermediären σ-Komplex, auch als Arenium-Ion bekannt. Dies führt zu einem Verlust der Aromatizität.
• Regenerierung der Aromatizität: In diesem Schritt verliert der intermediäre σ-Komplex ein Proton (\(H^+\)), wodurch die Aromatizität wiederhergestellt wird.
Schritte des Mechanismus:

1. Initiierung durch Elektrophil-Angriff: Das Elektrophil greift den Benzolring an und bildet einen intermediären σ-Komplex. Dieser Schritt ist geschwindigkeitsbestimmend und erfordert hohe Aktivierungsenergie.
2. Formation des σ-Komplexes: Das Electrophil bindet an den Benzolring und erzeugt einen positiv geladenen intermediären Komplex (Arenium-Ion).
3. Eliminierung des Protons: Ein Proton (\(H^+\)) wird vom Arenium-Ion entfernt, was zur Wiederherstellung der Aromatizität und zur Bildung des substituierten Benzolrings führt.

Einfluss der Methoxygruppe (\(\text{-OCH3}\)) auf den Benzolring

Die Methoxygruppe (\(\text{-OCH3}\)) ist eine Elektronendonatorgruppe, die die Elektronendichte am Benzolring durch Mesomerie und Induktion beeinflusst. Diese Effekte werden als +M (mesomerer Effekt) und +I (induktiver Effekt) bezeichnet.

• Die Elektronenpaare am Sauerstoffatom der Methoxygruppe werden in das π-System des Benzolrings delokalisiert, was die Elektronendichte erhöht.
• Diese Delokalisierung erhöht hauptsächlich die Elektronendichte an den ortho- und para-Positionen des Benzolrings.

• Der Elektronenschub durch die Methoxygruppe hat einen schwachen positiven induktiven Effekt (+I) und erhöht somit die Elektronendichte des Benzolrings.

Resultierende Positionen der Substitution

Aufgrund der elektronischen Effekte der Methoxygruppe wird die elektrophile Substitution bevorzugt an den ortho- und para-Positionen erfolgen. Die durch den mesomeren Effekt erhöhte Elektronendichte an diesen Positionen macht sie reaktiver gegenüber einem elektrophilen Angriff.

• Die Methoxygruppe steigert die Reaktivität des Benzolrings bei der elektrophilen Substitution.
• Substitutionen finden bevorzugt an den ortho- und para-Positionen statt.
• Der +M-Effekt der Methoxygruppe ist entscheidend für die Bestimmung der Reaktionspositionen.

b)

Angenommen, Du möchtest ein Molekül synthetisieren, das eine Hydroxylgruppe und eine Aminogruppe enthält. Skizziere eine Syntheseroute unter Verwendung von Schutzgruppen. Welche Schutzgruppen würdest Du wählen und warum? Beschreibe die einzelnen Schritte und Reaktionsbedingungen.

Lösung:

Synthese eines Moleküls mit Hydroxyl- und Aminogruppe unter Verwendung von Schutzgruppen

Um ein Molekül zu synthetisieren, das sowohl eine Hydroxylgruppe als auch eine Aminogruppe enthält, müssen geeignete Schutzgruppen verwendet werden, um die Reaktivität dieser funktionellen Gruppen während der Reaktion zu steuern. Dazu wählen wir Schutzgruppen, die leicht einführbar und entfernbar sind und deren Entfernungsbedingungen sich nicht überschneiden (orthogonales Schutzgruppenkonzept).

• Hydroxyl-Gruppen: TBDMS (tert-Butyldimethylsilyl), da es stabil in saurem und leicht basischem Medium ist und unter milden Bedingungen (Fluoridquelle wie TBAF) entfernt werden kann.
• Amino-Gruppen: Boc (tert-Butoxycarbonyl), da es stabil in neutralem und basischem Medium ist und durch milde saure Bedingungen (z.B. TFA) entfernt werden kann.

Syntheseroute

Hier ist eine detaillierte Syntheseroute zur Herstellung des gewünschten Moleküls:

1. Schutz der Aminogruppe:
   • Ausgangsmaterial: Aminkomponente (R-NH2)
   • Schritt: Aminogruppe mit Boc-Anhydrid (Boc2O) und einer Basis (z.B. Triethylamin, TEA) in Dichlormethan (DCM) reagieren.
   • Produkt: Geschützte Aminogruppe (R-NH-Boc)
   • Reaktionsbedingungen: Raumtemperatur, ca. 2-4 Stunden.
2. Schutz der Hydroxylgruppe:
   • Ausgangsmaterial: Hydroxylkomponente (R'-OH)
   • Schritt: Hydroxylgruppe mit TBDMS-Chlorid (TBDMSCl) und einer Basis (z.B. Imidazol) in DCM oder THF reagieren.
   • Produkt: Geschützte Hydroxylgruppe (R'-OTBDMS)
   • Reaktionsbedingungen: Raumtemperatur, ca. 2-4 Stunden.
3. Kopplung der geschützten Funktionen:
   • Schritt: Verwendung einer geeigneten Reaktion (z.B. Amidbildung oder Esterbildung), um die beiden geschützten Komponenten (R-NH-Boc und R'-OTBDMS) zu koppeln.
   • Reaktionsbedingungen: Je nach gewählter Reaktion können Bedingungen variieren. Beispiel: DCC (Dicyclohexylcarbodiimid) als Kupplungsmittel bei der Amidbildung, Raumtemperatur oder leicht erhöhter Temperatur.
4. Entfernung der Schutzgruppen:
   • Schritt 1: Boc-Gruppe durch Behandlung mit TFA (Trifluoressigsäure) in DCM entfernen.
   • Reaktionsbedingungen: Raumtemperatur, ca. 30 Minuten bis 1 Stunde.
   • Schritt 2: TBDMS-Gruppe durch Behandlung mit einer Fluoridquelle (z.B. Tetrabutylammoniumfluorid, TBAF) in THF entfernen.
   • Reaktionsbedingungen: Raumtemperatur, ca. 1-2 Stunden.

• Wir wählen die Boc-Gruppe für die Aminogruppe und TBDMS für die Hydroxylgruppe aufgrund der orthogonalen Schutzgruppenkonzeptes.
• Die Syntheseroute umfasst den Schutz beider funktioneller Gruppen, die Kopplung der geschützten Einheiten und die anschließende Entfernung der Schutzgruppen, um das gewünschte Molekül zu erhalten.

c)

Erkläre, wie das orthogonale Schutzgruppenkonzept die Planung einer Synthese vereinfacht. Nenne ein Beispiel für die Anwendung dieses Konzepts in einer Synthesesequenz. Wie unterscheidet sich dieses Konzept von nicht-orthogonalen Schutzgruppenstrategien?

Lösung:

Das orthogonale Schutzgruppenkonzept in der organischen Synthese

Das orthogonale Schutzgruppenkonzept vereinfacht die Syntheseplanung erheblich, indem es die Auswahl von Schutzgruppen ermöglicht, deren Entfernungsbedingungen sich nicht überschneiden. Dies bedeutet, dass die Entfernung einer Schutzgruppe unter spezifischen Bedingungen durchgeführt werden kann, ohne andere Schutzgruppen im Molekül zu beeinträchtigen.

Vorteile des orthogonalen Schutzgruppenkonzepts

• Selektive Entfernung: Erlaubt die gezielte Entfernung einer Schutzgruppe ohne Beeinträchtigung anderer Schutzgruppen.
• Erhöhte Flexibilität: Ermöglicht die Durchführung mehrerer Reaktionsschritte in beliebiger Reihenfolge.
• Minimierung von Seiteneffekten: Reduziert das Risiko unerwünschter Nebenreaktionen.
• Effizientere Syntheseplanung: Erlaubt ein planvolles Vorgehen bei der schrittweisen Synthese komplexer Moleküle.

Beispiel für die Anwendung des orthogonalen Schutzgruppenkonzepts

Betrachten wir eine Synthese, bei der ein Molekül sowohl eine geschützte Hydroxylgruppe als auch eine geschützte Aminogruppe enthält:

1. Schutz der Hydroxylgruppe:
   • Schutzgruppe: TBDMS (tert-Butyldimethylsilyl)
   • Reaktion: Hydroxylgruppe (R-OH) mit TBDMS-Chlorid (TBDMSCl) in Gegenwart einer Base (z.B. Imidazol) in Dichlormethan (DCM) oder Tetrahydrofuran (THF) reagieren.
   • Produktt: R-OTBDMS
2. Schutz der Aminogruppe:
   • Schutzgruppe: Boc (tert-Butoxycarbonyl)
   • Reaktion: Aminogruppe (R-NH2) mit Boc-Anhydrid (Boc2O) und einer Base (z.B. Triethylamin, TEA) in DCM.
   • Produktt: R-NH-Boc
3. Durchführung der gewünschten Reaktionen:
   • Mit beiden Schutzgruppen in Position können verschiedene Reaktionen wie Veresterungen, Amidbildungen oder Substitutionen effizient durchgeführt werden, ohne dass die Schutzgruppen beeinträchtigt werden.
4. Entfernung der Schutzgruppen:
   • Schritt 1: Entfernung der Boc-Gruppe durch Behandlung mit Trifluoressigsäure (TFA) in DCM.
   • Reaktionsbedingungen: Raumtemperatur, ca. 30 Minuten bis 1 Stunde.
   • Schritt 2: Entfernung der TBDMS-Gruppe durch Behandlung mit einer Fluoridquelle (z.B. Tetrabutylammoniumfluorid, TBAF) in THF.
   • Reaktionsbedingungen: Raumtemperatur, ca. 1-2 Stunden.

Bei nicht-orthogonalen Schutzgruppenstrategien besteht oft die Gefahr, dass die Entfernungsbedingungen für eine Schutzgruppe ebenfalls andere Schutzgruppen im Molekül beeinträchtigen, was zu unerwünschten Nebenreaktionen führen kann. Dies schränkt die Flexibilität in der Syntheseplanung ein und macht die Synthese komplexer Moleküle schwieriger und weniger effizient. Das orthogonale Schutzgruppenkonzept eliminiert diese Probleme, indem spezifische und sanfte Entfernungsbedingungen gewählt werden, die nur die jeweilige Schutzgruppe betreffen.

Zusammenfassung:

• Das orthogonale Schutzgruppenkonzept steigert die Effizienz und Flexibilität der Syntheseplanung.
• Es ermöglicht die selektive und sanfte Entfernung von Schutzgruppen.
• Durch die Anwendung dieses Konzepts werden unerwünschte Nebenreaktionen minimiert und die Synthese komplexer Moleküle wird erleichtert.

d)

Ein Chemiker führt eine Suzuki-Kupplungsreaktion durch. Die verwendeten Reagenzien sind ein Bromaromat und ein Boronsäureester. Der Chemiker erhält jedoch eine geringe Ausbeute. Welche Faktoren könnten zu dieser geringen Ausbeute führen? Besprich mögliche Gründe und Lösungen, um die Ausbeute zu verbessern.

Lösung:

Gründe für die geringe Ausbeute bei der Suzuki-Kupplungsreaktion und mögliche Lösungen

Die Suzuki-Kupplungsreaktion ist eine weitverbreitete Methode zur Bildung von C-C-Bindungen zwischen einem Bromaromat (Arylhalogenid) und einem Boronsäureester. Eine geringe Ausbeute kann auf verschiedene Faktoren zurückzuführen sein. Unten sind die häufigsten Gründe und mögliche Lösungen aufgeführt.

Mögliche Gründe für die geringe Ausbeute:

• Unreine oder ineffektive Reagenzien: Das Arylhalogenid oder der Boronsäureester könnten Verunreinigungen enthalten oder von schlechter Qualität sein.
• Ungeeignetes Lösungsmittel: Ein nicht geeignetes Lösungsmittel kann die Reaktionseffizienz beeinträchtigen.
• Unzureichende Aktivität des Katalysators: Die Aktivität des Palladiumkatalysators kann unzureichend sein, z.B. durch Alterung oder Kontamination.
• Falsches Verhältnis der Reagenzien: Ein nicht optimales Verhältnis der Reagenzien kann die Reaktionsausbeute verringern.
• Inkompatible Basen: Die Basis könnte nicht gut mit anderen Reaktionsbedingungen kompatibel sein.
• Ungeeignete Temperatur: Eine zu niedrige oder zu hohe Reaktionstemperatur kann die Reaktionseffizienz beeinträchtigen.
• Fehlende Entwässerung: Wasser kann die Reaktion negativ beeinflussen, insbesondere bei der Handhabung empfindlicher Reagenzien und Katalysatoren.

Mögliche Lösungen:

• Überprüfung und Einsatz reiner Reagenzien: Sicherstellen, dass sowohl das Arylhalogenid als auch der Boronsäureester rein und von hoher Qualität sind.
• Wahl des geeigneten Lösungsmittels: Häufig wird Toluol, Tetrahydrofuran (THF) oder Dimethylformamid (DMF) verwendet. DMF ist für viele Suzuki-Reaktionen besonders gut geeignet.
• Katalysator optimieren: Die Verwendung von frischem und hochreinem Palladiumkatalysator (z.B. Pd(PPh3)4) kann die Reaktionsausbeute verbessern. Alternativ können präparierte Palladium-Nanopartikel oder Palladium-Nanokatalysatoren verwendet werden.
• Optimierung des Reagenzienverhältnisses: Ermittlungen des optimalen Verhältnisses führen häufig zu erhöhten Ausbeuten. Ein leichtes Überschuss von Boronsäureester kann vorteilhaft sein.
• Verwendung kompatibler Basen: Häufig werden Basen wie Kaliumcarbonat (K2CO3), Natriumcarbonat (Na2CO3) oder Kaliumphosphat (K3PO4) verwendet. Es ist wichtig, eine Basis zu wählen, die gut mit den anderen vorhandenen Bedingungen funktioniert.
• Temperaturanpassung: Die Optimierung der Reaktionstemperatur kann die Ausbeute verbessern. Eine moderate Erhitzung (z.B. 60-80 °C) ist oft geeignet.
• Entwässerung vor der Reaktion: Durch die Entfernung von Wasser aus dem Reaktionsgemisch (z.B. durch Einleiten von Argon oder Verwendung von Trockenmitteln) kann die Reaktionsqualität verbessert werden.

Zusammenfassung:

• Eine geringe Ausbeute bei der Suzuki-Kupplungsreaktion kann auf verschiedene Faktoren zurückgeführt werden, wie z.B. die Reinheit der Reagenzien, das Lösungsmittel, die Temperatur und den Katalysator.
• Durch die gezielte Optimierung der genannten Faktoren kann die Reaktionsausbeute verbessert werden.
• Die Wahl der richtigen Reaktionsbedingungen (Reinheit von Reagenzien, geeignetes Lösungsmittel, Aktivität des Katalysators, Basen und Temperatur) ist entscheidend für den Erfolg der Reaktion.