Organische Chemie 3 - Cheatsheet

Kinetik und Thermodynamik von Reaktionen

Definition:

Untersuche Geschwindigkeiten (Kinetik) und energetische Zustände (Thermodynamik) chemischer Reaktionen, Kriterien für freiwilliges Ablaufen und Gleichgewichtslagen.

Details:

• Reaktionsgeschwindigkeit: Abhängig von Temperatur, Konzentration, Katalysatoren.
• Arrhenius-Gleichung: \(k = A \, e^{-\frac{E_a}{RT}}\)
• Freie Enthalpie \(\Delta G\): Spontaneität, \(\Delta G = \Delta H - T \Delta S\)
• Aktivierungsenergie \(E_a\): Energiebarriere für Reaktionsbeginn
• Gleichgewichtskonstante \((K)\): Verhältnis von Produkten zu Edukten im chemischen Gleichgewicht
• Exotherm vs. Endotherm: \(\Delta H < 0\) vs. \(\Delta H > 0\)

Radikalische Reaktionen

Definition:

Reaktionen, die über Radikale, also Atome oder Moleküle mit ungepaarten Elektronen, ablaufen.

Details:

• Kettenreaktionen: Initiierung, Propagierung, Termination
• Beispiele: Halogenierung von Alkanen, Polymerisation
• Initiator: z.B. AIBN, Peroxide
• Wichtige Mechanismen: Homolytische Bindungsspaltung
• Beachtung von Stabilität der Radikale: tertiär > sekundär > primär > Methyl
• Wichtige Reaktivitäten: Addition, Substitution
• Notwendigkeit von Wärme oder Licht zur Bildung der Radikale

Nukleophile und elektrophile Addition

Definition:

Nukleophile und elektrophile Addition sind grundlegende Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie, bei denen ein Nukleophil oder Elektrophil an eine Mehrfachbindung addiert wird.

Details:

• Nukleophile Addition: Addition eines Nukleophils an eine polarisierte Mehrfachbindung (z.B. Carbonylgruppen).
• Elektrophile Addition: Addition eines Elektrophils an eine ungesättigte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung (z.B. Alkene).
• Nukleophil: Elektronenreiches Teilchen, das Elektronenpaare spendet.
• Elektrophil: Elektronenarmes Teilchen, das Elektronenpaare aufnimmt.
• Allgemeiner Mechanismus der nukleophilen Addition: \[ Nu^- + R_2C=O \rightarrow [R_2C-O^-]Nu \rightarrow R_2C(OH)Nu \]
• Allgemeiner Mechanismus der elektrophilen Addition: \[ R_2C=CR_2 + E^+ \rightarrow [R_2C-CR_2]^+E^- \rightarrow R_2C(-E)CR_2 \]

NMR-Spektroskopie (Kernspinresonanz)

Definition:

NMR-Spektroskopie: Bestimmung der Struktur von Molekülen durch Untersuchung der Wechselwirkung von Atomkernen in einem Magnetfeld mit Hochfrequenzstrahlung.

Details:

• Nutze starke Magnetfelder und Radiofrequenzstrahlung.
• Kerne mit ungerader Protonenzahl (z.B. ¹H, ¹³C) relevant.
• Schildung (\textit{chemical shift}, \(\text{\delta~ppm}\)).
• Kopplungskonstanten (\textit{J-Kopplung}).
• Relaxationszeiten (T₁, T₂).
• Einsatz: Molekülstruktur, Dynamik, Konformation.
• Spektren: Peaks als Indikatoren für verschiedene Umgebungen der Kerne.

Massenspektrometrie

Definition:

Analytische Methode zur Bestimmung der Molekülmasse und Struktur durch Ionisierung und Messung der Masse-zu-Ladung-Verhältnisse (m/z) der Ionen.

Details:

• Ionisierungsverfahren: EI, CI, ESI, MALDI
• m/z-Bereich: Verhältnis von Masse zu Ladung
• MS-Spektren: Darstellung als Intensität vs. m/z
• Anwendung: Strukturaufklärung, Identifikation, Quantifizierung
• Fragmentierung: Zerlegung von Ionen für Strukturinformationen
• Doppel- und Mehrfachladung: Bestimmung höherer Masse
• Massengenauigkeit: Hohe Präzision für verlässliche Ergebnisse
• Instrumente: Quadrupol, Time-of-Flight (TOF), Ion-Trap, Orbitrap
• MS/MS (Tandem-MS): Sequenzierung und detaillierte Strukturaufklärung

Retrosynthetische Analyse

Definition:

Methode zur Planung der Synthese von organischen Verbindungen durch Zerlegung in einfachere Ausgangsstoffe.

Details:

• Zielmolekül rückblickend in Bausteine zerlegen
• Identifikation von Synthonen
• Strategische Dissoziation
• Retrosynthesepfeil: \rightarrow
• Wichtige Konzepte: FGI, Disconnection, Reagentien

Woodward-Hoffmann-Regeln

Definition:

Woodward-Hoffmann-Regeln beschreiben die Stereochemie chemischer Reaktionen, insbesondere pericyclischer Reaktionen, basierend auf Symmetrieeigenschaften der Molekülorbitale.

Details:

• Regeln basieren auf Erhaltung der Orbitalsymmetrie
• Unterscheidung zwischen thermisch und photochemisch
• Thermisch: Nur Reaktionen mit Symmetrieerhalt sind erlaubt
• Photochemisch: Symmetrieumkehr erlaubt bestimmte Reaktionen
• Für cycloadditionen, sigmatrope Umlagerungen, und elektrocyclische Reaktionen anwendbar
• Eine pericyclische Reaktion ist erlaubt, wenn die Gesamtzahl der (4n + 2) π-Elektronen an einem aromatischen Übergangszustand beteiligt sind (Hückel Regel)

Cycloadditionen

Definition:

Cycloadditionen sind chemische Reaktionen, bei denen zwei oder mehr ungesättigte Moleküle (oder Teile eines Moleküls) zu einem Ringmolekül kombiniert werden.

Details:

• Verschiedene Typen: [2+2]-Cycloadditionen, [4+2]-Cycloadditionen (Diels-Alder-Reaktion), etc.
• Reaktionsmechanismus: Überlappung von π-Orbitalen
• Regioselektivität und Stereoselektivität sind oft relevant
• Thermische und photochemische Bedingungen können unterschiedliche Produkte liefern
• Beispiel für Diels-Alder-Reaktion: \[ \text{Cyclopentadien} + \text{Ethylen} \rightarrow \text{Norbornen} \]