Grundlagen organische Chemie - Cheatsheet

Hybridisierung von Kohlenstoffatomen

Definition:

Kohlenstoff hybridisiert seine Atomorbitale, um Bindungen mit anderen Atomen zu bilden. Dies ermöglicht die Bildung von stabilen Molekülstrukturen in der organischen Chemie.

Details:

• 4 Elektronen auf äußere Schale
• Sp3 (tetraedrisch, 109,5°): ein s- und drei p-Orbitale, z.B. Methan
• Sp2 (trigonal planar, 120°): ein s- und zwei p-Orbitale, z.B. Ethen
• Sp (linear, 180°): ein s- und ein p-Orbital, z.B. Ethin
• Formel zur Bestimmung der Hybridisierung:
• Gesamtzahl der Orbitale muss gleich der Anzahl der Hybridorbitale sein

Substitutionsreaktionen (SN1 und SN2)

Definition:

Substitutionsreaktionen sind basierend auf dem Mechanismus in zwei Typen unterteilt: SN1 (nukleophile Substitution erster Ordnung) und SN2 (nukleophile Substitution zweiter Ordnung). Unterscheidbar durch die Kinetik und intermediäre Zustände der Reaktion.

Details:

• SN1: zweistufiger Mechanismus, Geschwindigkeitsbestimmender Zerfall des Substrats in ein Carbokation, anschließender Angriff des Nukleophils
• Geschwindigkeit: \[ \text{Rate} = k[\text{Substrat}] \]
• Bevorzugt in tertiären Halogeniden
• SN2: einstufiger Mechanismus, simultaner Angriff des Nukleophils und Abgang der Abgangsgruppe
• Geschwindigkeit: \[ \text{Rate} = k[\text{Substrat}][\text{Nukleophil}] \]
• Bevorzugt in primären Halogeniden
• Beide Typen sind wichtiger Bestandteil der organischen Synthese

Elektrophile aromatische Substitution (EAS)

Definition:

Definiton/Erklärung von Elektrophile aromatische Substitution (EAS) in der Vorlesung Grundlagen organische Chemie. Hilfreich für Tum-BWL Studierende an der TU München.

Details:

• Aromatischer Ring: Elektronenreicher, daher anfällig für nucleophile Angriffe.
• Elektrophil: Elektronenarmer Reaktionspartner, der Elektronen vom Ring anzieht.
• Mechanismus: 1. Bildung eines Sigma-Komplexes, 2. Wiederherstellung der Aromatizität durch Abspaltung eines Protons.
• Beispiele: Halogenierung, Nitration, Sulfonierung, Alkylierung, Acylierung.
• Regiochemie: Direktive Effekte der Substituenten (Ortho/Para oder Meta steuernd).

Retrosynthetische Analyse

Definition:

Technik zur Planung der organischen Synthese, indem ein Zielmolekül in einfachere Vorläufermoleküle zerlegt wird.

Details:

• Ziel: Weg zur Synthese von komplexen Molekülen finden
• Analysemethode basiert auf Disconnection-Ansätzen
• Identifikation von strategischen Bindungsspaltungen
• Transformationen werden rückwärts geplant
• Nutzen: Effizientere Syntheserouten entdecken
• Häufig verwendet in der pharmazeutischen und Materialchemie
• Typischerweise mit Syntheseregeln und Reaktionsdatenbanken unterstützt
• Wichtige Konzepte: Synthones, Retrone, und Schutzgruppen

Schutzgruppen und selektive Reaktionen

Definition:

Schutzgruppen werden in der organischen Chemie verwendet, um bestimmte funktionelle Gruppen vorübergehend zu maskieren, um selektive Reaktionen an anderen Stellen des Moleküls zu ermöglichen.

Details:

• Schutzgruppen müssen leicht eingeführt und leicht entfernt werden können.
• Häufig verwendete Schutzgruppen: TMS (Trimethylsilyl), Boc (tert-Butoxycarbonyl), Fmoc (Fluorenylmethoxycarbonyl).
• Einführung: \[ R-OH + (TMS-Cl) \rightarrow R-O-TMS + HCl \]
• Entfernung: \[ R-O-TMS + H_2O \rightarrow R-OH + TMS-OH \]
• Selektive Reaktionen erfordern spezifische Reagenzien und Reaktionsbedingungen, um nur gewünschte funktionelle Gruppen zu beeinflussen.
• Beispiel selektiver Reaktion: \[ R-CHO + NH_2-R' \rightarrow R-CH=NR' + H_2O \]

Nomenklatur und Strukturformeln

Definition:

Systematische Benennung und zeichnerische Darstellung organischer Moleküle.

Details:

• IUPAC-Nomenklatur: Standard zur eindeutigen Benennung von Molekülen
• Wichtige Regeln: Längste Kette, niedrigste Lokanten, funktionelle Gruppen
• Strukturformeln: Darstellungsmethoden wie Lewis-Struktur, Keil-Strich-Formel, Skelettformel
• Kurzzeichen: Methan (CH₄), Ethan (C₂H₆), Benzol (C₆H₆)

Radikalische und kationische Mechanismen

Definition:

Radikalische und kationische Mechanismen sind grundlegende Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie, bei denen Moleküle entweder über freie Radikale oder Kationen reagieren.

Details:

• Radikalische Mechanismen: Ablauf über Zwischenstadien mit ungepaarten Elektronen (Radikale).
• Initiierung: Bildung von Radikalen z. B. durch thermische oder photochemische Spaltung.
• Propagation: Radikale reagieren weiter, um neue Radikale zu bilden.
• Terminierung: Zwei Radikale reagieren zu einem stabilen Molekül.
• Kationische Mechanismen: Abfolge über elektrophile Zwischenstufen (Kationen).
• Start: Bildung von Kationen durch Protonierung oder Abspaltung einer Abgangsgruppe.
• Progression: Kation reagiert mit anderen Molekülen als Elektrophil.
• Ende: Stabilisierung des Kations durch Reaktion mit Nucleophilen.
• Wichtige Reaktionsarten: Addition, Substitution und Eliminierung.
• Beispielreaktionen: Radikalische Substitution (Halogenierung von Alkanen), kationische Polymerisation (Polymerisation von Isobutylen).

Grignard-Reaktionen und Organolithium-Reagenzien

Definition:

Grignard- und Organolithium-Verbindungen sind starke Nukleophile, die zur Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in der organischen Synthese verwendet werden.

Details:

• Grignard-Reagenzien: RMgX (R=Alkyl/Aryl, X=Halogen)
• Organolithium-Reagenzien: RLi
• Reaktion mit Elektrophilen z.B. Aldehyden und Ketonen: Bildung von Alkoholen
• Grignard: R-MgX + RR'C=O → RR'R'C-OH
• Organolithium: R-Li + RR'C=O → RR'R'C-OH
• Unsereile: Thf, Ether für Grignard, Hexan für Organolithium
• Lithium bevorzugt in aprotischen Lösungsmitteln