Organische Chemie - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Kovalente Bindungen und BindungslängenStarke Bindungen zwischen Atomen durch gemeinsame Elektronenpaare:

• Einfachbindung, Doppelbindung, Dreifachbindung
• Bindungslänge: Abstand zwischen den Kernen
• Bindungslänge und -stärke: inverse Beziehung
• Typische Bindungslängen, z.B. C-C: 154 pm, C=C: 134 pm, C≡C: 120 pm
• Energetisch günstiger Zustand: Oktettregel
• Elektronegativität beeinflusst Bindungspolarität
• Resonanzstrukturen können Bindungslängen beeinflussen

a)

a) Bestimme die Bindungslänge einer Molekülbindung mit einer Einfachbindung, Doppelbindung und Dreifachbindung, basierend auf den typischen Bindungslängen für C-C, C=C und C≡C. Erkläre, warum die Bindungslängen unterschiedlich sind.

Lösung:

a) Bestimme die Bindungslänge einer Molekülbindung mit einer Einfachbindung, Doppelbindung und Dreifachbindung, basierend auf den typischen Bindungslängen für C-C, C=C und C≡C. Erkläre, warum die Bindungslängen unterschiedlich sind.

Lösung:

• Typische Bindungslänge für eine C-C Einfachbindung: 154 pm
• Typische Bindungslänge für eine C=C Doppelbindung: 134 pm
• Typische Bindungslänge für eine C≡C Dreifachbindung: 120 pm

Die Bindungslängen sind unterschiedlich, weil die Anzahl der gemeinsamen Elektronenpaare die Stärke und Länge der Bindung beeinflusst:

• Einfachbindung: Eine Einfachbindung besteht aus einem gemeinsamen Elektronenpaar. Diese Bindung ist die schwächste der drei, da weniger Elektronenpaare zur Anziehung zwischen den Atomen beitragen. Daher ist die Bindungslänge am größten.
• Doppelbindung: Eine Doppelbindung besteht aus zwei gemeinsamen Elektronenpaaren. Die zusätzliche Elektronendichte führt zu einer stärkeren Anziehung zwischen den Atomen, was die Bindung kürzer macht als eine Einfachbindung.
• Dreifachbindung: Eine Dreifachbindung enthält drei gemeinsame Elektronenpaare. Diese Elektronendichte resultiert in einer sehr starken Anziehungskraft zwischen den Atomen, was die Bindungslänge am kürzesten macht.

Insgesamt gibt es eine inverse Beziehung zwischen Bindungslänge und Bindungsstärke. Je mehr Elektronenpaare an der Bindung beteiligt sind, desto stärker ist die Bindung und desto kürzer wird die Bindungslänge.

b)

b) Berechne die theoretische Bindungslänge eines Moleküls, das Kohlenstoff- und Sauerstoffatome enthält, wenn die Bindung zwischen ihnen als C=O-Doppelbindung vorliegt. Verwende die typische Bindungslänge der C=C-Bindung (134 pm) und berücksichtige die Elektronegativitätsunterschiede.

Lösung:

b) Berechne die theoretische Bindungslänge eines Moleküls, das Kohlenstoff- und Sauerstoffatome enthält, wenn die Bindung zwischen ihnen als C=O-Doppelbindung vorliegt. Verwende die typische Bindungslänge der C=C-Bindung (134 pm) und berücksichtige die Elektronegativitätsunterschiede.

Lösung:

• Typische Bindungslänge für eine C=C Doppelbindung: 134 pm

Die Bindungslänge zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff in einer C=O-Doppelbindung kann jedoch nicht direkt mit der C=C-Doppelbindung verglichen werden, ohne den Einfluss der Elektronegativitätsunterschiede zu berücksichtigen:

Kohlenstoff (EN ≈ 2,5) und Sauerstoff (EN ≈ 3,5) haben einen deutlichen Unterschied in ihrer Elektronegativität. Dies führt zu einer Polarisierung der C=O Bindung, wo Sauerstoff eine leicht negative Ladung und Kohlenstoff eine leicht positive Ladung trägt. Diese Polarisierung zieht die beiden Atome näher zusammen und verkürzt somit die Bindungslänge im Vergleich zu einer nicht polaren C=C-Doppelbindung.

Die typische Bindungslänge einer C=O-Doppelbindung liegt bei etwa 120 pm. Das ist kürzer als die C=C-Doppelbindung, da die größere Elektronegativität von Sauerstoff eine stärkere Anziehungskraft auf das Elektronenpaar ausübt, was die Bindungslänge verkürzt.

Zusammenfassung:

• Typische Bindungslänge für eine C=O-Doppelbindung: etwa 120 pm
• Diese Verkürzung ist auf den Elektronegativitätsunterschied zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff zurückzuführen, der die Bindung stärker anzieht und dadurch kürzer macht.

c)

c) Diskutiere den Einfluss der Resonanzstrukturen auf die Bindungslängen in Benzol. Zeichne die Resonanzstrukturen und erkläre, wie sie zu einer mittleren Bindungslänge führen.

Lösung:

c) Diskutiere den Einfluss der Resonanzstrukturen auf die Bindungslängen in Benzol. Zeichne die Resonanzstrukturen und erkläre, wie sie zu einer mittleren Bindungslänge führen.

Lösung:

Resonanzstrukturen in Benzol:

Benzol (C₆H₆) ist ein aromatisches Molekül mit einem sechseckigen Kohlenstoffring, in dem sich die Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen abwechseln. Im Standard-Lewis-Modell von Benzol gibt es zwei Resonanzstrukturen:

In diesen beiden Resonanzstrukturen tauschen sich die Doppelbindungen und Einfachbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen ab.

Einfluss der Resonanzstrukturen:

Die tatsächliche Bindungslänge in Benzol unterscheidet sich jedoch von den typischen Einfach- und Doppelbindungen. Durch die Resonanz werden die Elektronen der Doppelbindungen delokalisiert und über die gesamte Struktur des Rings verteilt. Dies führt zu folgenden Effekten:

• Gleichmäßige Verteilung der Bindungselektronen: Die Elektronen sind nicht nur zwischen zwei spezifischen Atomen lokalisiert, sondern über alle sechs Kohlenstoffatome verteilt.
• Mittlere Bindungslänge: Aufgrund der delokalisierten Elektronen haben alle Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Benzol die gleiche Länge. Diese Bindungslänge ist kürzer als eine typische C-C Einfachbindung (154 pm) und länger als eine C=C Doppelbindung (134 pm).
• Energieverteilung: Die delokalisierten Bindungen führen zu einer Stabilisierung des Moleküls, da die Energie gleichmäßig über das gesamte System verteilt ist.

Die mittlere C-C Bindungslänge in Benzol beträgt ungefähr 139 pm. Dies ist ein Kompromiss zwischen den Längen typischer Einfach- und Doppelbindungen, was durch die Resonanz (Delokalisierung) der Elektronen verursacht wird.

Zusammenfassung:

• Resonanzstrukturen in Benzol führen zu einer gleichmäßigen Verteilung der Bindungselektronen.
• Dies resultiert in einer mittleren C-C Bindungslänge von etwa 139 pm.
• Die Resonanzstrukturen tragen zur Stabilisierung des Benzolmoleküls bei, weil die Bindungen energetisch gleichwertig und delokalisiert sind.

d)

d) Die Bindungspolarität wird durch die Elektronegativität der beteiligten Atome beeinflusst. Vergleiche die Bindungspolarität von HF und HCl, und erkläre, wie die Bindungslänge und -stärke dadurch beeinflusst werden.

Lösung:

d) Die Bindungspolarität wird durch die Elektronegativität der beteiligten Atome beeinflusst. Vergleiche die Bindungspolarität von HF und HCl, und erkläre, wie die Bindungslänge und -stärke dadurch beeinflusst werden.

Lösung:

Um die Bindungspolarität von HF und HCl zu vergleichen, betrachten wir zunächst die Elektronegativitätswerte der beteiligten Atome:

• Wasserstoff (H): EN ≈ 2,1
• Fluor (F): EN ≈ 4,0
• Chlor (Cl): EN ≈ 3,0

Vergleich der Bindungspolarität:

• HF: Der Unterschied in der Elektronegativität zwischen Wasserstoff (2,1) und Fluor (4,0) beträgt 1,9. Dieser große Unterschied führt zu einer stark polaren Bindung. Fluor zieht die Bindungselektronen viel stärker zu sich, was zu einer deutlichen negativen Partialladung auf Fluor und einer positiven Partialladung auf Wasserstoff führt.
• HCl: Der Unterschied in der Elektronegativität zwischen Wasserstoff (2,1) und Chlor (3,0) beträgt 0,9. Diese Bindung ist auch polar, aber weniger stark als die HF-Bindung. Chlor zieht die Bindungselektronen weniger stark an als Fluor, daher ist die Polarisierung der Bindung hier weniger ausgeprägt.

Einfluss auf die Bindungslänge:

• HF: Aufgrund der starken Polarisierung und des hohen Elektronegativitätsunterschieds ist die HF-Bindung relativ kurz (typisch ca. 92 pm). Die starke Anziehungskraft zwischen den partiell positiven und negativen Ladungen führt zu einer kürzeren Bindung.
• HCl: Die geringere Polarisierung und der geringere Elektronegativitätsunterschied führen zu einer längeren HCl-Bindung (typisch ca. 127 pm). Die Anziehungskraft zwischen den partiell positiven und negativen Ladungen ist schwächer als in HF, was zu einer längeren Bindung führt.

Einfluss auf die Bindungsstärke:

• HF: Die starke Polarisierung und die hohe Elektronegativität von Fluor tragen zu einer stärkeren Bindung bei. Die Bindungsdissoziationsenergie von HF ist relativ hoch (ca. 570 kJ/mol), was auf die starke Anziehung zwischen Wasserstoff und Fluor zurückzuführen ist.
• HCl: Aufgrund der geringeren Polarisierung und des niedrigeren Elektronegativitätsunterschieds ist die Bindung in HCl schwächer als in HF. Die Bindungsdissoziationsenergie von HCl ist niedriger (ca. 431 kJ/mol), was auf die geringere Anziehungskraft zwischen Wasserstoff und Chlor hinweist.

Zusammenfassung:

• Die Bindungspolarität von HF ist höher als die von HCl wegen des größeren Elektronegativitätsunterschieds.
• HF hat eine kürzere und stärkere Bindung im Vergleich zu HCl aufgrund der stärkeren Polarisierung.
• HCl hat eine längere und schwächere Bindung als HF, was auf den geringeren Elektronegativitätsunterschied und die geringere Polarisierung zurückzuführen ist.

Aufgabe 2)

Elektrophile und nukleophile Reaktionen:Elektrophile und nukleophile Reaktionen sind zentrale Konzepte der organischen Chemie, die den Mechanismus beschreiben, wie chemische Bindungen in Reaktionen gebildet und gebrochen werden.

• Elektrophile: Elektronenarme Spezies, die Elektronen von nukleophilen Reaktanten aufnehmen.
• Nukleophile: Elektronenreiche Spezies, die Elektronenpaare an elektrophile Reaktanten abgeben.
• Reaktionstypen:
• Elektrophile Addition (Additionsreaktionen): Elektrophil greift Pi-Bindung an.
• Nukleophile Substitution (S_N1 und S_N2): Nukleophil ersetzt eine Abgangsgruppe.

a)

Benenne und beschreibe den Mechanismus der elektrophilen Addition einer Bromwasserstoffsäure (HBr) an ein Alken, wie zum Beispiel Ethen. Zeichne die Reaktionsgleichung und benenne alle Zwischenprodukte.

Lösung:

Elektrophile Addition von Bromwasserstoffsäure (HBr) an ein Alken, exemplifiziert durch Ethen:

Beim Mechanismus der elektrophilen Addition einer Bromwasserstoffsäure (HBr) an ein Alken, wie Ethen, wird das Pi-Elektronensystem der Doppelbindung durch das Elektrophil (HBr) angegriffen. Dieses Verfahren umfasst mehrere Schritte, die im Detail wie folgt beschrieben werden:

• 1. Polarisierung des HBr-Moleküls: Das HBr-Molekül ist polar, wobei das Brom-Atom (Br) eine partielle negative Ladung (\( \delta^- \)) und das Wasserstoff-Atom (H) eine partielle positive Ladung (\( \delta^+ \)) besitzt.

• 2. Bildung des Carbokation-Zwischenproduktes: Die Pi-Elektronen der Doppelbindung in Ethen greifen das elektrophile Wasserstoff-Atom (\( H^+ \)) von HBr an, was zur Bildung eines Ethyl-Carbokations führt und Bromid (\( Br^- \)) als Anion freisetzt.

• 3. Angriff des Nukleophils: Das freigesetzte Bromid-Ion (\( Br^- \)), welches ein Nukleophil ist, greift das positiv geladene Ethyl-Carbokation an. Dies resultiert in der Bildung von Bromethan (\( C_2H_5Br \)).

Reaktionsgleichung:

CH_2=CH_2 + HBr \rightarrow CH_3-CH_2Br

Zwischenprodukte benannt und erläutert:

• Polarisierung und Angriff: Ethen (\( CH_2=CH_2 \)) reagiert mit \( HBr \) unter Bildung eines Ethyl-Carbokations (\( CH_3-CH_2^+ \)) und eines Bromid-Ions (\( Br^- \)).

• Kationische Zwischenprodukt und finale Addition: Das Carbokation (\( CH_3-CH_2^+ \)) wird anschließend von dem Bromid-Ion (\( Br^- \)) angegriffen, um schlussendlich Bromethan (\( CH_3-CH_2Br \)) zu bilden.

Durch diese Schritte wird der Mechanismus der elektrophilen Addition deutlich, wobei die Pi-Elektronen der Doppelbindung die Reaktivität initiieren und letztlich zur Bildung der gesättigten Verbindung Bromethan führen.

b)

Vergleiche die Mechanismen der nukleophilen Substitution S_N1 und S_N2. Erkläre die Unterschiede in Bezug auf Reaktionsmechanismus, Kinetik, sowie die Art der bevorzugten Substrate und Lösungsmittel.

Lösung:

Vergleich der Mechanismen der nukleophilen Substitution S_N1 und S_N2:

Nukleophile Substitutionen, sowohl vom Typ S_N1 als auch S_N2, sind zentrale Reaktionen in der organischen Chemie. Diese Mechanismen unterscheiden sich grundlegend in ihren Reaktionswegen, der Kinetik sowie in den bevorzugten Substraten und Lösungsmitteln.

• S_N1-Mechanismus (Substitution nucleophil unimolekular):

• Reaktionsmechanismus: Der S_N1-Mechanismus findet in zwei Schritten statt:
• 1. Formation des Carbokations: Zuerst spaltet sich die Abgangsgruppe vom Substrat ab, wodurch ein Carbokation entsteht. Dies ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt.
• 2. Nukleophiler Angriff: Das entstandene Carbokation wird dann von einem Nukleophil angegriffen.
• Kinetik: Die Reaktionsgeschwindigkeit ist nur von der Konzentration des Substrats abhängig und folgt einer Reaktionskinetik erster Ordnung: \(\text{Rate} = k[\text{Substrat}]\).
• Art der bevorzugten Substrate: Stabile Carbokationen werden bevorzugt, daher reagieren tertiäre Halogenalkane am besten, gefolgt von sekundären. Primäre Halogenalkane und Methylhalogenide sind in der Regel ungeeignet.
• Lösungsmittel: Polare, protische Lösungsmittel, die die Stabilisierung des Carbokations durch Solvatisierung unterstützen (z. B. Wasser, Alkohole).

• S_N2-Mechanismus (Substitution nucleophil bimolekular):

• Reaktionsmechanismus: Der S_N2-Mechanismus verläuft in einem einzigen Schritt:
• Das Nukleophil greift das Substrat von der entgegengesetzten Seite zur Abgangsgruppe an, wodurch ein Übergangszustand mit fünf Bindungen entsteht. Dies führt direkt zur Ablösung der Abgangsgruppe und zur Bildung des Substitutionsprodukts.
• Kinetik: Die Reaktionsgeschwindigkeit ist von der Konzentration sowohl des Substrats als auch des Nukleophils abhängig und folgt einer Reaktionskinetik zweiter Ordnung: \(\text{Rate} = k[\text{Substrat}][\text{Nukleophil}]\).
• Art der bevorzugten Substrate: Weniger sterisch gehinderte Substrate reagieren am besten, daher sind primäre Halogenalkane bevorzugt, gefolgt von sekundären. Tertiäre Halogenalkane sind wegen sterischer Hinderung ungeeignet.
• Lösungsmittel: Polare, aprotische Lösungsmittel, die das Nukleophil nicht stark solvatisieren und somit reaktiver lassen (z. B. DMSO, Aceton).

Zusammenfassung:

• Der S_N1-Mechanismus ist ein zweistufiger Prozess, der über die Bildung eines Carbokations verläuft und bevorzugt mit tertiären Halogenalkanen und polaren, protischen Lösungsmitteln durchgeführt wird.
• Der S_N2-Mechanismus ist ein einstufiger Prozess, der über einen Übergangszustand verläuft und bevorzugt mit primären Halogenalkanen und polaren, aprotischen Lösungsmitteln durchgeführt wird.

c)

Berechne die Rate der S_N2-Reaktion. Gegeben sei die Reaktion des Methyliodids (CH₃I) mit Natriumsulfid (Na₂S). Die Geschwindigkeitskonstante k ist 0,1 L/(mol·s), und die Konzentrationen der Reaktanten sind [CH₃I] = 0,5 mol/L und [Na₂S] = 0,2 mol/L. Bestimme die Reaktionsgeschwindigkeit v der S_N2-Reaktion.

Lösung:

Berechnung der Rate der S_N2-Reaktion:

Die gegebene Reaktion ist die Reaktion von Methyliodid (CH₃I) mit Natriumsulfid (Na₂S). Für diese S_N2-Reaktion sind folgende Daten vorgegeben:

• Geschwindigkeitskonstante, k: 0,1 L/(mol·s)
• Konzentration von Methyliodid [CH₃I]: 0,5 mol/L
• Konzentration von Natriumsulfid [Na₂S]: 0,2 mol/L

Die Reaktionsgeschwindigkeit v der S_N2-Reaktion wird durch die Reaktionsgeschwindigkeit-Gleichung zweiter Ordnung beschrieben:

\( v = k \times [\text{CH}_3\text{I}] \times [\text{Na}_2\text{S}] \)

Wir setzen die gegebenen Werte in die Gleichung ein:

\( v = 0,1 \, \text{L/(mol·s)} \times 0,5 \, \text{mol/L} \times 0,2 \, \text{mol/L} \)

Berechnen wir nun die Reaktionsgeschwindigkeit:

\( v = 0,1 \times 0,5 \times 0,2 \)

\( v = 0,01 \, \text{mol/(L·s)} \)

Die Reaktionsgeschwindigkeit v der S_N2-Reaktion beträgt also 0,01 mol/(L·s).

Aufgabe 3)

Chiralität und optische Aktivität sind zentrale Konzepte in der organischen Chemie. Chirale Moleküle sind solche, deren Spiegelbilder nicht deckungsgleich sind. Ein chirales Zentrum ist ein Atom, das vier verschiedene Substituenten hat. Enantiomere sind Paare von chiralen Molekülen und ihren Spiegelbildern. Die R/S-Notation wird verwendet, um Enantiomere zu benennen. Optische Aktivität wird als Drehwinkel \theta gemessen.

a)

Du hast ein chirales Molekül mit einem Kohlenstoffatom, das vier verschiedene Substituenten (A, B, C, und D) trägt. Nimm an, dass die Prioritäten der Substituenten nach den Cahn-Ingold-Prelog-Regeln A > B > C > D sind.

• Zeichne das Molekül und sein Spiegelbild und ordne die Konfigurationen als R oder S zu.
• Erkläre den Unterschied in der optischen Aktivität zwischen den beiden Enantiomeren und berechne die spezifische Drehung, wenn das Molekül in einer Konzentration von 0,5 g/mL in einem 1 dm langen Polarimeterrohr einen Drehwinkel von +20 Grad hat.

Lösung:

Hauptkontext:Chiralität und optische Aktivität sind zentrale Konzepte in der organischen Chemie. Chirale Moleküle sind solche, deren Spiegelbilder nicht deckungsgleich sind. Ein chirales Zentrum ist ein Atom, das vier verschiedene Substituenten hat. Enantiomere sind Paare von chiralen Molekülen und ihren Spiegelbildern. Die R/S-Notation wird verwendet, um Enantiomere zu benennen. Optische Aktivität wird als Drehwinkel \( \theta \) gemessen.Teilaufgabe:Du hast ein chirales Molekül mit einem Kohlenstoffatom, das vier verschiedene Substituenten (A, B, C, und D) trägt. Nimm an, dass die Prioritäten der Substituenten nach den Cahn-Ingold-Prelog-Regeln A > B > C > D sind.

• Zeichne das Molekül und sein Spiegelbild und ordne die Konfigurationen als R oder S zu.
• Erkläre den Unterschied in der optischen Aktivität zwischen den beiden Enantiomeren und berechne die spezifische Drehung, wenn das Molekül in einer Konzentration von 0,5 g/mL in einem 1 dm langen Polarimeterrohr einen Drehwinkel von +20 Grad hat.

• Zeichnen des Moleküls und seines Spiegelbildes:Das chirale Kohlenstoffatom, das vier verschiedene Substituenten (A, B, C und D) trägt, kann wie folgt dargestellt werden: Molekül (R):

          A         |    B--C--D         |        C

  Spiegelbild (S):

          A         |    D--C--B         |        C

  Zur Bestimmung der R/S-Konfiguration verwenden wir die Cahn-Ingold-Prelog-Regeln:1. Substituenten nach Priorität ordnen: A > B > C > D2. Betrachte das Molekül so, dass der Substituent mit der niedrigsten Priorität (D) nach hinten zeigt.3. Prüfe die Reihenfolge der restlichen Substituenten (A, B, C).Für die R-Konfiguration bewegt sich die Reihenfolge A -> B -> C im Uhrzeigersinn.Für die S-Konfiguration bewegt sich die Reihenfolge A -> B -> C gegen den Uhrzeigersinn.
• Unterschied in der optischen Aktivität:Enantiomere drehen polarisiertes Licht in entgegengesetzte Richtungen. Wenn ein Enantiomer das Licht im Uhrzeigersinn dreht (positive Drehung), dann dreht sein Spiegelbild das Licht gegen den Uhrzeigersinn (negative Drehung) um den gleichen Betrag.Berechnung der spezifischen Drehung:Die spezifische Drehung \( [\alpha] \) kann mit der Formel berechnet werden:\([\alpha] = \frac{\theta}{{c \cdot l}}\)Wobei \( \theta \) der gemessene Drehwinkel ist, \( c \) die Konzentration der Lösung in g/mL und \( l \) die Länge des Polarimeterrohres in dm.Hier sind die gegebenen Werte:\( \theta = +20 \text{ Grad} \)\( c = 0,5 \text{ g/mL} \)\( l = 1 \text{ dm} \)Setze die Werte in die Formel ein:\([\alpha] = \frac{20}{{0,5 \cdot 1}}\)\([\alpha] = \frac{20}{0,5}\)\([\alpha] = 40 \text{ Grad} \cdot \text{mL} \cdot \text{g}^{-1} \cdot \text{dm}^{-1} \)Die spezifische Drehung des Moleküls beträgt also 40 Grad.

b)

Dir wird ein zweites Molekül gegeben, das zwei chirale Zentren enthält. Die Konfigurationen der beiden Zentren sind (2R, 3S).

• Zeichne dieses Molekül und seine drei anderen möglichen Stereoisomere. Welche Beziehung bestehen zwischen diesen Stereoisomeren (z.B. Enantiomere, Diastereomere)?
• Erkläre, wie sich die optische Aktivität der Diastereomere von der der Enantiomere unterschiedet und warum.

Lösung:

Hauptkontext:Chiralität und optische Aktivität sind zentrale Konzepte in der organischen Chemie. Chirale Moleküle sind solche, deren Spiegelbilder nicht deckungsgleich sind. Ein chirales Zentrum ist ein Atom, das vier verschiedene Substituenten hat. Enantiomere sind Paare von chiralen Molekülen und ihren Spiegelbildern. Die R/S-Notation wird verwendet, um Enantiomere zu benennen. Optische Aktivität wird als Drehwinkel \( \theta \) gemessen.Teilaufgabe:Dir wird ein zweites Molekül gegeben, das zwei chirale Zentren enthält. Die Konfigurationen der beiden Zentren sind (2R, 3S).

• Zeichne dieses Molekül und seine drei anderen möglichen Stereoisomere. Welche Beziehung bestehen zwischen diesen Stereoisomeren (z.B. Enantiomere, Diastereomere)?
• Erkläre, wie sich die optische Aktivität der Diastereomere von der der Enantiomere unterscheidet und warum.

• Zeichnen des Moleküls und seiner Stereoisomere:Ein Molekül mit zwei chiralen Zentren (2R, 3S) könnte wie folgt aussehen:(2R, 3S) Isomer:

      H  OH     |  |  --C--C--     |  |    CH3 H

  Die anderen drei möglichen Stereoisomere wären:(2S, 3R) Isomer:

      OH  H     |  |  --C--C--     |  |    H  CH3 

  (2R, 3R) Isomer:

      H  H     |  |  --C--C--     |  |    CH3 OH

  (2S, 3S) Isomer:

      OH  OH     |  |  --C--C--     |  |    H  CH3

  Die Beziehungen zwischen den Stereoisomeren sind:
  • (2R, 3S) und (2S, 3R) sind Enantiomere (Spiegelbilder).
  • (2R, 3R) und (2S, 3S) sind Enantiomere.
  • Alle anderen Paare sind Diastereomere (nicht spiegelbildliche Stereoisomere).
• Unterschied in der optischen Aktivität:Enantiomere drehen das Licht um den gleichen Betrag, jedoch in entgegengesetzte Richtungen. Beispielsweise, wenn das Enantiomer A das Licht um +20 Grad dreht, würde sein Spiegelbild Enantiomer B das Licht um -20 Grad drehen. Das Ergebnis ist, dass ein 1:1-Gemisch (Racemat) der beiden Enantiomere ein optisch inaktives Gemisch ergibt.Diastereomere hingegen drehen das Licht in verschiedenen Beträgen und möglicherweise auch in verschiedenen Richtungen. Das bedeutet, dass sie nicht die gleiche, aber eine unterschiedliche optische Aktivität haben.Zusammengefasst:
  • Enantiomere: gleiche Größe der Drehung aber entgegengesetzte Richtung (optische Aktivität hebt sich im Racemat auf).
  • Diastereomere: unterschiedliche Größen der Drehung und möglicherweise unterschiedliche Richtungen (keine gegenseitige Aufhebung der optischen Aktivität).

Aufgabe 4)

In der organischen Chemie ist die Oxidation und Reduktion von Alkoholen ein grundlegendes Thema. Primäre Alkohole können zu Aldehyden und weiter zu Carbonsäuren oxidiert werden, sekundäre Alkohole zu Ketonen und tertiäre Alkohole sind unter milden Bedingungen nicht oxidierbar. Für die Reduktion von Aldehyden und Ketonen zu Primär- und Sekundäralkoholen werden Hydrierung oder Reduktionsmittel wie NaBH_4 und LiAlH_4 verwendet.

a)

Erläutere den Oxidationsprozess von Ethanol zu Essigsäure. Stelle dabei alle intermediären Schritte und Reaktionsprodukte dar.

Lösung:

Oxidationsprozess von Ethanol zu Essigsäure

Der Oxidationsprozess von Ethanol (C₂H₅OH) zu Essigsäure (CH₃COOH) verläuft in mehreren Schritten, wobei sowohl Zwischenschritte als auch Zwischenprodukte eine Rolle spielen.

Schritt 1: Oxidation von Ethanol zu Acetaldehyd

Im ersten Schritt wird Ethanol zu Acetaldehyd (CH₃CHO) oxidiert. Dies kann durch verschiedene Oxidationsmittel, wie z.B. Chromsäure oder Permanganat, erreicht werden:

C2H5OH + [O] → CH3CHO + H2O

Hierbei steht [O] für das Oxidationsmittel.

Schritt 2: Oxidation von Acetaldehyd zu Essigsäure

Im zweiten Schritt wird Acetaldehyd weiter zu Essigsäure oxidiert. Auch dieser Schritt erfordert ein Oxidationsmittel wie Chromsäure:

CH3CHO + [O] → CH3COOH

Gesamtreaktion

Die Gesamtreaktion der Oxidation von Ethanol zu Essigsäure lässt sich somit wie folgt darstellen:

C2H5OH + 2[O] → CH3COOH + H2O

• Startprodukt: Ethanol (C₂H₅OH)
• Zwischenprodukt: Acetaldehyd (CH₃CHO)
• Endprodukt: Essigsäure (CH₃COOH)

b)

Beschreibe die Oxidation von Isopropanol. Welche Produkte entstehen und welche Oxidationsstufen durchläuft das Molekül?

Lösung:

Oxidation von Isopropanol

Isopropanol (auch als 2-Propanol oder Isopropylalkohol bekannt) gehört zu den sekundären Alkoholen. Die Oxidation von sekundären Alkoholen führt zu Ketonen. Im Fall von Isopropanol entsteht Aceton (Propanon) als Produkt.

Oxidationsprozess

Der chemische Prozess der Oxidation von Isopropanol zu Aceton kann durch verschiedene Oxidationsmittel, wie Chromsäure oder Permanganat, durchgeführt werden:

CH3-CH(OH)-CH3 + [O] → CH3-CO-CH3 + H2O

Hierbei steht [O] für das Oxidationsmittel.

Produkte und Oxidationsstufen

Im Detail:

• Startprodukt: Isopropanol (CH₃-CH(OH)-CH₃)
• Zwischenprodukt: Bei der Oxidation von sekundären Alkoholen wie Isopropanol gibt es kein stabiles Zwischenprodukt. Der Alkohol wird direkt zum Keton oxidiert.
• Endprodukt: Aceton (CH₃-CO-CH₃)

Oxidationsstufen

Während der Oxidation durchläuft das Molekül folgende Oxidationsstufen:

• Die Hydroxylgruppe (-OH) des Isopropanols wird durch eine Carbonylgruppe (>C=O) ersetzt.
• Isopropanol beginnt als sekundärer Alkohol, in welchem das zentrale Kohlenstoffatom zwei Wasserstoffatome und eine OH-Gruppe trägt.
• Durch die Oxidation wird ein Wasserstoffatom entfernt und eine Doppelbindung zwischen dem Kohlenstoff und dem Sauerstoff gebildet, was zur Bildung des Ketons (Aceton) führt.

Zusammengefasst wird Isopropanol zu Aceton oxidiert, wobei das zentrale Kohlenstoffatom eine höhere Oxidationsstufe erreicht.

c)

Warum sind tertiäre Alkohole unter milden Bedingungen nicht oxidierbar? Begründe dies anhand der chemischen Struktur und Bindungsverhältnisse.

Lösung:

Warum sind tertiäre Alkohole unter milden Bedingungen nicht oxidierbar?

Um zu verstehen, warum tertiäre Alkohole unter milden Bedingungen nicht oxidierbar sind, müssen wir ihre chemische Struktur und Bindungsverhältnisse genauer betrachten.

Chemische Struktur von tertiären Alkoholen

Ein tertiärer Alkohol hat die allgemeine Strukturformel R₃COH, wobei R für eine Alkyl- oder Arylgruppe steht. Das zentrale Kohlenstoffatom, das die Hydroxylgruppe (-OH) trägt, ist an drei andere Kohlenstoffatome gebunden. Ein Beispiel für einen tertiären Alkohol ist tert-Butanol (2-Methyl-2-propanol), dessen Struktur wie folgt aussieht:

     CH3      |CH3-C-OH      |     CH3

Bindungsverhältnisse

Im Vergleich zu primären und sekundären Alkoholen haben tertiäre Alkohole keine Wasserstoffatome am zentralen Kohlenstoffatom, die oxidierbar wären.Obwohl primäre Alkohole in zwei Schritten (Aldehyd, dann Carbonsäure) und sekundäre Alkohole in einem Schritt (Keton) oxidiert werden können, fehlen tertiären Alkoholen diese oxidierbaren Wasserstoffatome direkt am kohlenstoff, der die hydroxygruppe besitzt.

Fehlende Wasserstoffatome

Bei der Oxidation von Alkoholen wird im Allgemeinen ein Wasserstoffatom vom Kohlenstoff entfernt, das die Hydroxylgruppe (–OH) trägt, sowie eine aus der Hydroxylgruppe selbst. Dies führt zur Bildung einer Doppelbindung zwischen dem Kohlenstoff und dem Sauerstoff, wodurch entweder ein Aldehyd (bei primären Alkoholen) oder ein Keton (bei sekundären Alkoholen) entsteht. Bei tertiären Alkoholen sind keine Wasserstoffatome am zentralen Kohlenstoff vorhanden, die entfernt werden könnten, um diese Doppelbindung zu bilden.

Fazit

Aufgrund der fehlenden Wasserstoffatome am zentralen Kohlenstoffatom können tertiäre Alkohole unter milden Bedingungen nicht oxidiert werden. Sie haben eine stabile Struktur, die intensive Bedingungen erfordert, um irgendwelche strukturellen Veränderungen zu durchlaufen. Unter milden Bedingungen haben tertiäre Alkohole eine hohe Stabilität und neigen nicht zur Oxidation.

d)

Berechne die molare Masse von Aceton (C3H6O) und beschreibe einen möglichen Reduktionsprozess dieses Ketons zu einem Alkohol. Gib alle notwendigen Reaktionsschritte und verwendeten Reagenzien an.

Lösung:

Molare Masse von Aceton berechnen

Um die molare Masse von Aceton (C₃H₆O) zu berechnen, addieren wir die molare Masse aller Atome im Molekül:

• Kohlenstoff (C): 12,01 g/mol
• Wasserstoff (H): 1,01 g/mol
• Sauerstoff (O): 16,00 g/mol

Die molare Masse von Aceton ergibt sich dann wie folgt:

(3 × 12,01) + (6 × 1,01) + (1 × 16,00) = 36,03 + 6,06 + 16,00 = 58,09 g/mol

Die molare Masse von Aceton beträgt daher 58,09 g/mol.

Reduktionsprozess von Aceton zu einem Alkohol

Aceton (C₃H₆O) ist ein Keton und kann zu einem sekundären Alkohol reduziert werden. Ein geeignetes Reduktionsmittel für diesen Prozess ist Natriumborhydrid (NaBH₄) oder Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH₄). Hier verwenden wir NaBH₄ als Beispiel.

Reaktionsschritte

Der Reduktionsprozess kann wie folgt beschrieben werden:

1. Das Reduktionsmittel NaBH₄ gibt ein Hydrid-Ion (H⁻) ab, das an das positiv polarisierte Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe (C=O) addiert wird:

CH3-CO-CH3 + [H−] → CH3-CH(OH)-CH3

2. Ein Proton (H⁺) aus dem wässrigen Medium oder aus einem sauren Work-up (z.B. H₂O oder H₃O⁺) wird zur Vervollständigung der Reaktion hinzugefügt:

CH3-CH(OH)-CH3 + H2O → CH3-CH(OH)-CH3

Endprodukt

Das Endprodukt dieser Reaktion ist Isopropanol (2-Propanol), ein sekundärer Alkohol:

Aceton (CH3COCH3) → Isopropanol (CH3-CH(OH)-CH3)

Zusammengefasst

• Startprodukt: Aceton (C₃H₆O)
• Reduktionsmittel: NaBH₄
• Endprodukt: Isopropanol (2-Propanol, C₃H₈O)