Reaktivität organischer Verbindungen - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Additionsreaktionen und EliminationenAdditionsreaktionen: Ein Molekül fügt sich an eine Mehrfachbindung an (z.B. Hydrohalogenierung, Hydrierung). Eliminationen: Ein Molekül wird entfernt, meist unter Bildung einer Mehrfachbindung (z.B. Dehydrohalogenierung).

• Additionsreaktionen: Elektrophil, Nukleophil, radikalische Mechanismen
• Beispiel: Ethen + HCl → Ethylchlorid
• Eliminationen: E1, E2 Mechanismen
• Beispiel: Ethanol → Ethen + H₂O

a)

Beschreibe den elektrophilen Additionsmechanismus unter Verwendung von Ethen und HCl. Zeichne den Reaktionsverlauf und erkläre jeden Schritt detailliert. Achte darauf, Zwischenstufen und Übergangszustände zu markieren.

Lösung:

Elektrophiler Additionsmechanismus von Ethen mit HCl

Um die elektrophile Addition von Ethen (C₂H₄) mit Salzsäure (HCl) zu erklären, gehen wir schrittweise vor. Diese Reaktion führt zur Bildung von Ethylchlorid (C₂H₅Cl). Wir beschreiben den Mechanismus detailliert und markieren alle Zwischenstufen und Übergangszustände.

• Schritt 1: Bildung des Elektrophils HCl ist ein polarisiertes Molekül, wobei das Cl-Atom eine höhere Elektronegativität besitzt. Das H-Atom trägt eine partielle positive Ladung (\text{δ+}). Das Ethen-Molekül ist eine kohlenstoffhaltige Verbindung mit einer Doppelbindung, welche eine hohe Elektronendichte aufweist.
• Schritt 2: Angriff des Elektrophils Das H-Atom (als Elektrophil) wird von dem Elektronenpaar der π-Bindung der C=C-Doppelbindung von Ethen angezogen. Dieser Schritt führt zur Bildung eines Übergangszustands, bei dem das H-Atom an eines der beiden Kohlenstoffatome addiert wird. Dies führt zur Bildung eines Carbokations (ein Kohlenstoffatom trägt eine positive Ladung).Übergangszustand: Zwischenstufe: CH₃CH⁺
• Schritt 3: Angriff des Nukleophils Das Cl^--Ion (welches in Schritt 1 freigesetzt wurde) wirkt als Nukleophil und greift das positiv geladene Kohlenstoffatom (Carbokation) an, um das Endprodukt Ethylchlorid zu bilden.Endprodukt: CH₃CH₂Cl

Hier ist der Reaktionsverlauf Schritt für Schritt grafisch dargestellt:

1. Anfangszustand:

H₂C=CH₂ + HCl

2. Zwischenstufe/Übergangszustand:

 H₂C-CH₂⁺ + Cl⁻ 

3. Endprodukt:

 H₃C-CH₂Cl 

Zusammenfassend beschreibt die elektrophile Addition von Ethen und HCl eine Reaktion, bei der das H-Atom der HCl an das Ethen addiert wird, ein Carbokation als Zwischenprodukt gebildet wird, und schließlich das Cl^--Ion das Carbokation angreift, um das Endprodukt Ethylchlorid zu bilden.

b)

Vergleiche die Mechanismen der E1- und E2-Eliminierung. Welche Faktoren (z.B. Substratstruktur, Basenstärke, Lösungsmittel) beeinflussen die Reaktionswege? Illustriere Deine Antwort mit geeigneten Beispielen.

Lösung:

Vergleich der E1- und E2-Eliminierungsmechanismen

E1- und E2-Eliminierungen sind zwei verschiedene Wege, auf denen Eliminationen in organischen Molekülen stattfinden können. Beide Mechanismen führen zur Bildung einer Doppelbindung, jedoch unterscheidet sich die Kinetik und die Bedingungen, unter denen diese Reaktionen bevorzugt ablaufen.

E1-Eliminierung (unimolekulare Eliminierung)

• Mechanismus: Die E1-Reaktion erfolgt in zwei Schritten: Zuerst wird eine Abgangsgruppe abgespalten, wodurch ein Carbokation entsteht. Im zweiten Schritt wird ein Proton von einem benachbarten Kohlenstoffatom entfernt, um eine Doppelbindung zu bilden.
• Substratstruktur: E1-Reaktionen bevorzugen tertiäre Substrate, da die Stabilisierung des Carbokations entscheidend ist. Sekundäre Substrate können auch reagieren, während primäre Substrate selten E1-Reaktionen eingehen.
• Basenstärke: Schwache Basen können E1-Eliminierungen fördern. Die Abspaltung der Abgangsgruppe ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt, und es erfordert keine starke Base.
• Lösungsmittel: Polar protische Lösungsmittel fördern E1-Reaktionen, da sie das Carbokation stabilisieren können.
• Beispiel: 2-Brom-2-methylpropan in Wasser: (CH₃)₃CBr + H₂O → (CH₃)₂C=CH₂ + HBr

E2-Eliminierung (bimolekulare Eliminierung)

• Mechanismus: Die E2-Reaktion erfolgt in einem einzigen Schritt, bei dem simultan ein Proton von einem Kohlenstoffatom entfernt wird und die Abgangsgruppe abgespalten wird. Dies führt direkt zur Bildung der Doppelbindung.
• Substratstruktur: E2-Reaktionen können mit primären, sekundären oder tertiären Substraten erfolgen, wobei die Konformation so sein sollte, dass das Proton trans zur Abgangsgruppe steht (anti-periplanar).
• Basenstärke: Starke Basen sind erforderlich für E2-Reaktionen, da die Base gleichzeitig ein Proton abstrahiert, während die Abgangsgruppe abgeht.
• Lösungsmittel: Polar aprotische Lösungsmittel fördern E2-Reaktionen, da sie die Base weniger solvatieren und sie somit reaktiver machen.
• Beispiel: 2-Brombutan mit starker Base: CH₃CHBrCH₂CH₃ + NaOCH₂CH₃ → CH₃CH=CHCH₃ + NaBr + HOCH₂CH₃

Faktoren, die die Reaktionswege beeinflussen

• Substratstruktur: Tertiäre Substrate bevorzugen E1 wegen der Stabilität des Carbokations; primäre und sekundäre Substrate können eher E2 durchlaufen.
• Basenstärke: Starke Basen fördern E2-Reaktionen, während schwache Basen E1-Reaktionen begünstigen.
• Lösungsmittel: E1 wird durch polar protische Lösungsmittel gefördert, die das Carbokation stabilisieren können; E2 wird durch polar aprotische Lösungsmittel gefördert, die die Base weniger solvatieren und sie reaktiver machen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Wahl des Reaktionsweges von mehreren Faktoren abhängt, einschließlich Substratstruktur, Basenstärke und verwendeten Lösungsmitteln. Diese Faktoren bestimmen, ob eine E1- oder E2-Reaktion bevorzugt wird und somit den Mechanismus der Elimination.

Aufgabe 2)

Bindungsbruch und BindungsbildungBindungsbruch und Bindungsbildung sind fundamentale Konzepte in der organischen Chemie, die beschreiben, wie chemische Bindungen gebrochen und neue Bindungen gebildet werden.

• Bindungsbruch:
  • Homolytischer Bindungsbruch: Hierbei werden die Elektronenpaare einer Bindung gleichmäßig zwischen den beiden Atomen aufgeteilt, was zur Bildung von Radikalen führt.
  • Heterolytischer Bindungsbruch: Dies geschieht, wenn die Elektronenpaare einer Bindung vollständig auf eines der beiden Atome übergehen. Dies führt zur Bildung von Ionen.
• Bindungsbildung: Dies erfolgt durch die Bildung von Elektronenpaaren zwischen Atomen.
• Übergangszustände und Reaktionsmechanismen spielen eine wesentliche Rolle bei der Bindungsbildung und Bindungsbruch.

a)

Beschreibe den Unterschied zwischen homolytischem und heterolytischem Bindungsbruch. Nenne jeweils ein Beispiel einer chemischen Reaktion, bei der diese Bindungsbrüche auftreten.

Lösung:

Unterschied zwischen homolytischem und heterolytischem Bindungsbruch

• Homolytischer Bindungsbruch:
  • Bei einem homolytischen Bindungsbruch werden die Elektronen einer chemischen Bindung gleichmäßig zwischen den beiden Atompartnern aufgeteilt. Dies führt zur Bildung zweier Radikale, also Atome oder Moleküle mit jeweils einem ungepaarten Elektron.
  • Beispiel: Ein typisches Beispiel für einen homolytischen Bindungsbruch ist die Spaltung von Chlor-Molekülen (Cl₂) unter Einfluss von UV-Licht: Cl₂ → 2Cl•Hierbei entsteht aus dem Chlor-Molekül zwei Chlor-Radikale.
• Heterolytischer Bindungsbruch:
  • Bei einem heterolytischen Bindungsbruch gehen die Bindungselektronen vollständig auf eines der beiden Atome über, die ursprünglich durch die Bindung verbunden waren. Dies führt zur Bildung von Ionen, wobei ein Atom ein Elektronenpaar erhält und somit ein Anion wird, während das andere Atom ein Kation wird.
  • Beispiel: Ein bekanntes Beispiel für einen heterolytischen Bindungsbruch ist die Reaktion von Chlorwasserstoff (HCl) in Wasser: HCl → H⁺ + Cl^-Hierbei zerfällt das HCl-Molekül in ein Proton (H⁺) und ein Chlorid-Ion (Cl^-).

b)

Erkläre den Mechanismus der Bindung von Brom zu einem Alken. Zeichne dabei die Übergangszustände und beschreibe die wesentlichen Zwischenprodukte, die während des Reaktionsprozesses gebildet werden.

Lösung:

Mechanismus der Addition von Brom zu einem Alken

Die Addition von Brom (Br₂) zu einem Alken ist ein Beispiel für eine elektrophile Addition. Diese Reaktion verläuft in mehreren Schritten und beinhaltet spezifische Übergangszustände und Zwischenprodukte. Wir nehmen als Beispiel die Addition von Brom zu Ethylen (C₂H₄):

• Schritt 1: Polarisierung und Angriff des AlkenDas Brom-Molekül (Br₂) wird durch das π-Elektronensystem des Alkens polarisiert:

                            δ+  δ-     H2C=CH2 + Br2 → H2C-CH2                             |              |                          Br             Br 

  Das π-Elektronensystem des Alkens greift das brompositiv polarisiert an, wobei ein Übergangszustand entsteht. Das Brom-Molekül spaltet sich heterolytisch, wobei das Bromid-Ion (Br^-) frei wird.
• Übergangszustand:

                         δ+                                H2C=CH2 + Br     Br→ H2C-CH2                             \brδ-        Br                          Br+   

  Dieser Übergangszustand führt zur Bildung eines Bromonium-Ions.
• Schritt 2: Bildung des Bromonium-Ions

     H2C               CH2             |                 |              -Br+ → H2C-CH2       |                 |             Br              

  Das Bromonium-Ion ist ein cyclisches Kation. Hierbei wird das Br⁺ an beide Kohlenstoffatome gebunden.
• Schritt 3: Anlagerung des Bromid-IonsDas Bromid-Ion (Br^-), das in Schritt 1 freigesetzt wurde, greift das positiv geladenen Kohlenstoffatom im Bromonium-Ion an, was zur Auflösung des Rings und zur Bildung des Endprodukts führt:

   H2C                 CH2       |        |       Br-    Br                

  Die resultierende Verbindung ist 1,2-Dibromethan (C₂H₄Br₂).

c)

Ein Radikal R• reagiert in einer Reaktionslösung mit einem Alkan RH. Schreibe die Reaktionsgleichung und beschreibe den Mechanismus dieser Reaktion. Berechne die Energiedifferenz, wenn die Bindungsdissoziationsenergie der C-H-Bindung 410 kJ/mol und die Bindungsdissoziationsenergie der neu gebildeten R-H-Bindung 360 kJ/mol beträgt.

Lösung:

Reaktion eines Radikals R• mit einem Alkan RH

Reaktionsgleichung:

R• + RH → R-H + R•

Mechanismus:

• Schritt 1: Abstraktion eines Wasserstoffatoms:Das Radikal R• reagiert mit dem Alkan RH, indem es ein Wasserstoffatom vom Alkan abstrahiert. Dies führt zur Bildung eines neuen Radikals am Alkan (R•) und einer neuen R-H-Bindung:

  R• + H-R → R-H + R•

Energieberechnung:

Um die Energiedifferenz der Reaktion zu berechnen, vergleichen wir die Bindungsdissoziationsenergien der gebrochenen und gebildeten Bindungen:

• Die Bindungsdissoziationsenergie der C-H-Bindung (gebrochen) beträgt 410 kJ/mol.
• Die Bindungsdissoziationsenergie der R-H-Bindung (gebildet) beträgt 360 kJ/mol.

Berechnung der Energiedifferenz:

Die Energiedifferenz (∆E) der Reaktion ist die Differenz zwischen der Energie, die benötigt wird, um die C-H-Bindung zu brechen, und der Energie, die frei wird, wenn die R-H-Bindung gebildet wird:

ΔE = E(C-H-Bindung) - E(R-H-Bindung)ΔE = 410 kJ/mol - 360 kJ/molΔE = 50 kJ/mol

Die resultierende Energiedifferenz der Reaktion beträgt also 50 kJ/mol. Dies bedeutet, dass die Reaktion exotherm ist und 50 kJ/mol an Energie freisetzt.

d)

Diskutiere den Einfluss von Übergangszuständen auf die Reaktionsgeschwindigkeit von Bindungsbrüchen und Bindungsbildungen. Beziehe dabei die Konzepte der Aktivierungsenergie und des Reaktionskoordinaten-Diagramms ein.

Lösung:

Der Einfluss von Übergangszuständen auf die Reaktionsgeschwindigkeit

Übergangszustände spielen eine entscheidende Rolle bei chemischen Reaktionen, insbesondere bei Bindungsbrüchen und Bindungsbildungen. Diese Zustände bestimmen oft die Reaktionsgeschwindigkeit und können durch das Verständnis der Konzepte der Aktivierungsenergie und des Reaktionskoordinaten-Diagramms besser erklärt werden.

Konzepte:

• Übergangszustand:Ein Übergangszustand ist ein kurzlebiger Zustand während einer chemischen Reaktion, in dem die Reaktanten zu den Produkten übergehen. In diesem Zustand wird das Maximum an potentieller Energie erreicht.
• Aktivierungsenergie (E_a):Die Aktivierungsenergie ist die Energiemenge, die benötigt wird, um die Reaktanten in den Übergangszustand zu bringen. Diese Energiebarriere muss überwunden werden, damit die Reaktion stattfinden kann.
• Reaktionskoordinaten-Diagramm:Ein Reaktionskoordinaten-Diagramm zeigt den Energieverlauf einer Reaktion von den Reaktanten über den Übergangszustand zu den Produkten:

Reaktionskoordinaten-Diagramm:

a  |                ∆E   |                |                         |                |  |    ________<        {Übergangszustand}  |   /        \_  |  /            \Reaktanten --}-- Produkte

• Hier repräsentiert der höchste Punkt den Übergangszustand. Die Differenz zwischen der Energie der Reaktanten und dem höchsten Punkt ist die Aktivierungsenergie (E_a).

Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit:

• Hohe Aktivierungsenergie:Falls die Aktivierungsenergie hoch ist, kommt es selten vor, dass Reaktanten diese Energiebarriere überwinden. Dadurch ist die Reaktionsgeschwindigkeit langsamer.
• Niedrige Aktivierungsenergie:Wenn die Aktivierungsenergie niedrig ist, ist es für die Reaktanten einfacher, den Übergangszustand zu erreichen. Dies führt zu einer schnelleren Reaktionsgeschwindigkeit.
• Katalysatoren:Katalysatoren verringern die Aktivierungsenergie einer Reaktion, indem sie alternative Reaktionswege mit niedrigeren Übergangszuständen anbieten. Dadurch wird die Reaktion beschleunigt, ohne dass der Katalysator selbst verbraucht wird.

Schlussfolgerung:

Die Übergangszustände und die damit verbundene Aktivierungsenergie sind kritisch für das Verständnis der Reaktionsgeschwindigkeit. Ein niedrigerer Übergangszustand führt zu einer geringeren Aktivierungsenergie, was die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht. Diese Konzepte helfen Chemikern, Reaktionen zu steuern und zu optimieren, indem sie Bedingungen schaffen, die den Übergangszustand und die Aktivierungsenergie beeinflussen.

Aufgabe 3)

Untersuche die Reaktion von Methylbromid (CH₃Br) und Hydroxid-Ionen (OH^-) unter Berücksichtigung von Nucleophilität und Electrophilität.Du betrachtest eine Reaktion, bei der Methylbromid als Substrat und Hydroxid-Ionen als Reagenz agieren. Im ersten Schritt wird das elektrophile Kohlenstoffatom von dem nucleophilen Hydroxid-Ion angegriffen. Dies führt zu einem Übergangszustand, wobei das Bromid-Ion als Abgangsgruppe eliminiert wird. Beachte für diese Transformation die Konzepte der Nucleophilität und der Electrophilität ausführlich.

a)

Beschreibe ausführlich den Reaktionsmechanismus der genannten Reaktion. Zeichne den Übergangszustand und das Zwischenprodukt, und erkläre die Rolle von Nucleophil und Electrophil in jedem Schritt.

Lösung:

Reaktionsmechanismus der Reaktion von Methylbromid (CH₃Br) und Hydroxid-Ionen (OH^-)

• Schritt 1: Angreifen des elektrophilen KohlenstoffatomsDas Hydroxid-Ion (OH^-) fungiert als Nucleophil aufgrund seines freien Elektronenpaars. Es greift das elektrophile Kohlenstoffatom im Methylbromid (CH₃Br) an. Das Kohlenstoffatom im Methylbromid ist elektrophil, weil es durch das stark elektronegative Bromatom partiell positiv geladen ist.
• Schritt 2: Bildung des ÜbergangszustandsWährend das Hydroxid-Ion das Kohlenstoffatom angreift, bilden sich kurzzeitig neue Bindungen und brechen alte Bindungen. Der Übergangszustand kann durch folgendes Diagramm dargestellt werden:Im Übergangszustand sind sowohl das Hydroxid-Ion als auch das Bromid am Kohlenstoffatom gebunden. Diese Konfiguration ist jedoch hochenergetisch und instabil.
• Schritt 3: Bildung des Zwischenprodukts und Austritt des Bromid-IonsIm nächsten Schritt wird das Bromid-Ion (Br^-) als Abgangsgruppe eliminiert und es bildet sich ein stabiles Zwischenprodukt:Das Produkt dieser Reaktion ist Methanol (CH₃OH).

Erklärung der Rolle von Nucleophil und Electrophil:

• Nucleophil: Das Hydroxid-Ion (OH^-) ist das Nucleophil. Es hat ein freies Elektronenpaar, das es benutzen kann, um eine kovalente Bindung zu einem elektrophilen Zentrum zu formen.
• Electrophil: Das Kohlenstoffatom im Methylbromid (CH₃Br) ist das Elektrophil. Es wird durch das stark elektronegative Bromatom partiell positiv geladen, was es anfällig für den Angriff durch das Nucleophil macht.

b)

Berechne die freien Energien der Reaktanten, des Übergangszustandes und der Produkte unter der Annahme, dass die Energien folgendermaßen sind:

• Freie Energie von CH₃Br: 155 kJ/mol
• Freie Energie von OH^-: -157 kJ/mol
• Freie Energie des Übergangszustands: 50 kJ/mol
• Freie Energie des Produkts (CH₃OH): -100 kJ/mol und Bromid-Ion (Br^-): -140 kJ/mol

Berechne die allgemeine Reaktionsenthalpie und zeichne ein Energiediagramm, das die Reaktion beschreibt. Zeige alle kritischen Punkte und Übergangszustände.

Lösung:

Berechnung der freien Energien und der allgemeinen Reaktionsenthalpie

• Freie Energie der Reaktanten:- Freie Energie von CH₃Br: 155 kJ/mol- Freie Energie von OH^-: -157 kJ/mol- Gesamte freie Energie der Reaktanten: 155 kJ/mol + (-157 kJ/mol) = -2 kJ/mol
• Freie Energie des Übergangszustands:- Freie Energie des Übergangszustands: 50 kJ/mol
• Freie Energie der Produkte:- Freie Energie von CH₃OH: -100 kJ/mol- Freie Energie von Br^-: -140 kJ/mol- Gesamte freie Energie der Produkte: -100 kJ/mol + (-140 kJ/mol) = -240 kJ/mol

Berechnung der Reaktionsenthalpie

Die allgemeine Reaktionsenthalpie (\(\Delta H\)) kann durch die Differenz der freien Energien der Produkte und der Reaktanten berechnet werden:

• \(\Delta H = \) Energie der Produkte - Energie der Reaktanten
• \(\Delta H = -240\ kJ/mol - (-2\ kJ/mol)\)
• \(\Delta H = -240\ kJ/mol + 2\ kJ/mol\)
• \(\Delta H = -238\ kJ/mol\)

Energiediagramm

Das Energiediagramm zeigt die freien Energien der Reaktanten, den Übergangszustand und die Produkte:

• Reaktanten: -2 kJ/mol
• Übergangszustand: 50 kJ/mol
• Produkte: -240 kJ/mol

Das Diagramm zeigt deutlich, dass die Reaktion exergonisch ist und eine negative Reaktionsenthalpie aufweist. Dies bedeutet, dass während der Reaktion Energie freigesetzt wird. Der Übergangszustand hat die höchste Energie in dieser Reaktion.

Aufgabe 4)

Retrosynthetische Analyse Die retrosynthetische Analyse ist eine Planungstechnik, um komplexe Verbindungen durch die stufenweise Zerlegung in einfachere Vorläufermoleküle herzustellen. Dies ist besonders nützlich in der organischen Synthese, bei der komplexe Wirkstoffmoleküle oder Naturstoffe aus einfacheren Chemikalien synthetisiert werden. Dabei werden strategische Bindungen gebrochen (Disconnection), Syntheseäquivalente identifiziert und kritische Reaktionen sowie Reagenzien festgelegt, um einen effizienten und selektiven Syntheseweg zu entwickeln.

a)

• 1. Wähle eine komplexe organische Verbindung aus, wie zum Beispiel das Molekül Propacetamol und führe eine vollständige retrosynthetische Analyse durch. Beginne mit dem fertigen Produkt und zerlege die Verbindung Schritt für Schritt rückwärts in ihre einfacheren Vorläufer.

Lösung:

Retrosynthetische Analyse von Propacetamol

• 1. Wähle eine komplexe organische Verbindung aus: Propacetamol

Propacetamol ist ein Prodrug von Paracetamol, das eine effizientere Verabreichungsform von Paracetamol darstellt. Die Struktur von Propacetamol besteht aus zwei Hauptteilen: der Paracetamol-Gruppe und einer zusätzlichen Ester-Seitenkette. Um eine retrosynthetische Analyse durchzuführen, müssen wir die Verbindung schrittweise in einfachere Vorläufermoleküle zerlegen.

• Schritt 1: Identifizierung des fertigen Produkts Das Ausgangsprodukt ist Propacetamol, dessen Strukturformel wie folgt aussieht: Es besteht aus einer Paracetamoleinheit, die durch einen Ester mit einer Isopropylgruppe verbunden ist.
• Schritt 2: Disconnection des Esters Der erste Schritt in der retrosynthetischen Analyse ist das Brechen der Esterbindung zwischen der Isopropylgruppe und der Paracetamoleinheit. Dies führt zu zwei Vorläufermolekülen:
  • Paracetamol (4-Acetamidophenol)
  • Isopropylchloroformiat
  Die Reaktion kann wie folgt dargestellt werden:
• Schritt 3: Synthese der VorläufermoleküleDie weiteren Schritte beinhalten die Synthese der beiden Vorläufermoleküle:
  • Paracetamol (4-Acetamidophenol) kann aus p-Aminophenol und Essigsäureanhydrid durch eine Acetylierungsreaktion hergestellt werden:
  
  • Isopropylchloroformiat kann durch die Reaktion von Isopropanol mit Phosgen hergestellt werden:
  

Zusammenfassung:In der retrosynthetischen Analyse von Propacetamol haben wir das Molekül rückwärts in seine einfacheren Vorläufermoleküle zerlegt: Paracetamol und Isopropylchloroformiat. Diese Vorläufer können durch bekannte Reaktionen aus noch einfacheren Ausgangsmaterialien synthetisiert werden. Durch diese systematische und schrittweise Zerlegung können wir einen effizienten Syntheseweg planen, der es ermöglicht, das Zielmolekül auf einfache Weise herzustellen.

b)

• 2. Bestimme die Syntheseäquivalente und nötigen Schutzgruppen für die Synthese des ausgewählten Moleküls. Bei Propacetamol wären dies unter anderem die Acetylgruppe und die Aminogruppe der Paracetamol-Stuktur. Erkläre, wie diese Gruppen während des Syntheseprozesses geschützt und später wieder freigelegt werden.

Lösung:

Bestimmung der Syntheseäquivalente und Schutzgruppen für die Synthese von PropacetamolIn der Synthese von Propacetamol sind zwei wichtige funktionelle Gruppen vorhanden, die während des Syntheseprozesses eventuell geschützt und später wieder freigelegt werden müssen: die Acetylgruppe und die Aminogruppe der Paracetamol-Struktur.

• Syntheseäquivalente:Paracetamol (4-Acetamidophenol) besteht aus einer Amino- und einer Acetylgruppe:

1. AcetylgruppeDie Acetylgruppe im Paracetamol kann aus Essigsäureanhydrid abgeleitet werden. 2. AminogruppeDie Aminogruppe kann aus p-Aminophenol abgeleitet werden.

• Schutzgruppen:Während der Synthese könnten manche Reaktionen die funktionellen Gruppen beschädigen oder verändern, sodass Schutzgruppen verwendet werden, um diese zu schützen:

• Schutz der Acetylgruppe: Die Acetylgruppe in Paracetamol ist relativ stabil und benötigt während der Synthese meistens keinen besonderen Schutz.
• Schutz der Aminogruppe: Die Aminogruppe kann während der Syntheseprozesse empfindlich sein. Man kann sie schützen, indem man sie in eine Carbamat-Gruppe (z.B. Boc-Schutzgruppe) umwandelt:

Schutz der Aminogruppe:

• Zur Einführung der Boc-Schutzgruppe wird das p-Aminophenol mit Di-tert-butyl-dicarbonat (Boc₂O) reagiert:

Boc₂O + H₂N-C₆H₄-OH → Boc-NH-C₆H₄-OH

Die Reaktion sieht wie folgt aus:

• Freilegung der Aminogruppe: Nach Abschluss der gewünschten Reaktionen wird die Boc-Schutzgruppe durch Säurebehandlung (z.B. TFA - Trifluoressigsäure) entfernt:

H⁺ + Boc-NH-C₆H₄-OH → H₂N-C₆H₄-OH + CO₂ + C₄H₈

Die Reaktion sieht wie folgt aus:

• Zusammenfassung:In der Synthese von Propacetamol sind die wichtigen Syntheseäquivalente die Acetylgruppe und die Aminogruppe. Die Acetylgruppe benötigt meistens keinen Schutz, während die Aminogruppe durch die Einführung und Entfernung der Boc-Schutzgruppe geschützt werden kann. Durch das gezielte Schützen und Freilegen dieser Gruppen kann die Synthese effizient und selektiv durchgeführt werden.

c)

• 3. Entwickle einen Syntheseweg, einschließlich der Schlüsselschritte und benötigten Reagenzien, um das ausgewählte Molekül Propacetamol aus einfacheren Ausgangsverbindungen herzustellen. Berechne dabei auch die theoretische Ausbeute jeder Reaktionsstufe. Wenn zum Beispiel die erste Reaktion eine 80%ige Ausbeute hat und die zweite Reaktion 90%, bestimme die Gesamtwirtschaftlichkeit des Prozesses.
• Hinweis: Formel zur Berechnung der Gesamtwirtschaftlichkeit: \ [ \text{Gesamtausbeute} = \text{Ausbeute}_1 \times \text{Ausbeute}_2 \times \text{...} \ ]

Lösung:

Syntheseweg für PropacetamolHier ist ein detaillierter Syntheseweg für Propacetamol, einschließlich der Schlüsselschritte und benötigten Reagenzien sowie der Berechnung der theoretischen Ausbeute.

• Schritt 1: Synthese von Paracetamol (4-Acetamidophenol) Ausgangsverbindungen: p-Aminophenol und Essigsäureanhydrid Reaktion: Acetylierung

   p-Aminophenol + Ac₂O → Paracetamol + Essigsäure 

  Reagenzien: p-Aminophenol, Essigsäureanhydrid (Ac₂O) Theoretische Ausbeute: 90%
• Schritt 2: Synthese von Isopropylchloroformiat Ausgangsverbindungen: Isopropanol und Phosgen (COCl₂) Reaktion: Veresterung

   i-PrOH + COCl₂ → i-PrOCOCl + HCl 

  Reagenzien: Isopropanol, Phosgen Theoretische Ausbeute: 85%
• Schritt 3: Veresterung zur Herstellung von Propacetamol Ausgangsverbindungen: Paracetamol und Isopropylchloroformiat Reaktion: Veresterung

   Paracetamol + i-PrOCOCl → Propacetamol + HCl 

  Reagenzien: Paracetamol, Isopropylchloroformiat Theoretische Ausbeute: 80%
• Berechnung der GesamtwirtschaftlichkeitDie Gesamtausbeute einer mehrstufigen Synthese wird berechnet, indem man die Ausbeuten der einzelnen Schritte multipliziert.
  • Schritt 1: 90% oder 0.90
  • Schritt 2: 85% oder 0.85
  • Schritt 3: 80% oder 0.80
  Gesamtausbeute:
  • \text\{Gesamtausbeute\} = 0.90 \times 0.85 \times 0.80
  • Gesamtausbeute = 0.612 oder 61.2%
  Also beträgt die theoretische Gesamtausbeute für den Syntheseprozess von Propacetamol 61.2%. Zusammenfassung: Durch die Anwendung der Schlüsselreaktionen und deren Reagenzien, in Kombination mit sorgfältiger Planung und Schutmaßnahmen für funktionelle Gruppen, kann Propacetamol effektiv synthetisiert werden. Die theoretische Gesamtausbeute für diesen Syntheseweg beträgt 61.2% unter Berücksichtigung der einzelnen Reaktionsausbeuten.