Organische Chemie vertieft - Exam

Aufgabe 1)

Betrachte folgende nukleophile Substitutionsreaktion eines Alkylhalogenids mit einem Hydroxidion:

• Reaktanten: 2-Brompropan und Hydroxidion (\text{OH}^-)
• Produkte: Propanol und Bromidion (\text{Br}^-)

a)

Beschreibe den möglichen Reaktionsweg für die oben genannten Reaktanten unter dem Sn2-Mechanismus. Beziehe hierbei auch die Rolle des Übergangszustandes sowie sterische Faktoren mit ein.

Lösung:

Betrachte folgende nukleophile Substitutionsreaktion eines Alkylhalogenids mit einem Hydroxidion:

• Reaktanten: 2-Brompropan und Hydroxidion (\(\text{OH}^-\))
• Produkte: Propanol und Bromidion (\(\text{Br}^-\))

Reaktionsweg unter dem Sn2-Mechanismus:

• Der Sn2-Mechanismus (bimolekulare nukleophile Substitution) beschreibt eine Reaktion, bei der der geschwindigkeitsbestimmende Schritt gleichzeitig einen Nukleophilangriff und die Abspaltung der Abgangsgruppe umfasst.
• Für den gegebenen Fall von 2-Brompropan (ein sekundäres Alkylhalogenid) reagiert das Hydroxidion (\(\text{OH}^-\)) als Nukleophil, indem es das Kohlenstoffatom von der Seite angreift, die der Abgangsgruppe (Bromidion, \(\text{Br}^-\)) entgegengesetzt ist.
• Während dieses Nukleophilangriffs bildet sich ein Übergangszustand, der als trigonal bipyramidale Struktur beschrieben werden kann. In diesem Zustand ist das zentrale Kohlenstoffatom gleichzeitig schwach an das Nukleophil (\(\text{OH}^-\)) und die Abgangsgruppe (\(\text{Br}^-\)) gebunden.
• Dieser Übergangszustand ist energetisch hoch, da die Bindungen zwischen dem Kohlenstoffatom und den beiden anderen Atomen schwach und gestresst sind.
• Sterische Faktoren spielen eine wesentliche Rolle im Sn2-Mechanismus. Da es sich um ein sekundäres Halogenid handelt, ist eine gewisse sterische Hinderung vorhanden, jedoch nicht so stark wie bei tertiären Halogeniden, was den Sn2-Mechanismus ermöglicht.
• Da der Angriff des Nukleophils von der entgegengesetzten Seite der Abgangsgruppe erfolgt, führt dies zur Inversion der Konfiguration am Kohlenstoffatom. In unserem Fall bildet sich Propanol mit einer entgegengesetzten Stereochemie zum 2-Brompropan.

Zusammenfassung:

Beim Sn2-Mechanismus für die Reaktion von 2-Brompropan mit Hydroxidion (\(\text{OH}^-\)) erfolgt die Substitution in einem einzigen Schritt, wobei das Nukleophil (\(\text{OH}^-\)) das Kohlenstoffzentrum angreift und gleichzeitig die Abgangsgruppe (\(\text{Br}^-\)) freigesetzt wird. Der Übergangszustand ist trigonal bipyramidal und führt zu einer Inversion der Stereochemie, was zur Bildung von Propanol und Bromidion (\(\text{Br}^-\)) führt.

b)

Analysiere die Reaktionsgeschwindigkeit und die Bevorzugung des Reaktionsweges für die oben genannten Reaktanten unter dem Sn1-Mechanismus. Bestimme, ob die Reaktion unter Sn1-Bedingungen wahrscheinlich ist, und erkläre Deine Schlussfolgerung auf Basis der Molekülstruktur.

Lösung:

Betrachte folgende nukleophile Substitutionsreaktion eines Alkylhalogenids mit einem Hydroxidion:

• Reaktanten: 2-Brompropan und Hydroxidion (\(\text{OH}^-\))
• Produkte: Propanol und Bromidion (\(\text{Br}^-\))

Reaktionsgeschwindigkeit und Bevorzugung des Reaktionsweges unter dem Sn1-Mechanismus:

• Der Sn1-Mechanismus (unimolekulare nukleophile Substitution) verläuft in zwei Schritten. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist die Bildung des Carbokations nach dem Abgang der Abgangsgruppe (Bromidion, \(\text{Br}^-\)).
• Für 2-Brompropan, ein sekundäres Alkylhalogenid, wäre der erste Schritt die Abspaltung des Bromidions, wodurch ein sekundäres Carbokation entsteht.
• Die Stabilität des entstehenden Carbokations spielt eine entscheidende Rolle für die Geschwindigkeit der Reaktion. Sekundäre Carbokationen sind weniger stabil als tertiäre Carbokationen, aber stabiler als primäre Carbokationen. Dies bedeutet, dass die Sn1-Reaktion zwar möglich, aber nicht sehr bevorzugt sein könnte.
• Anschließend greift das Hydroxidion (\(\text{OH}^-\)) das Carbokation an, um das Produkt (Propanol) zu bilden.

Faktoren und Wahrscheinlichkeit der Sn1-Reaktion:

• Da 2-Brompropan ein sekundäres Carbokation bildet, ist die Wahrscheinlichkeit der Sn1-Reaktion moderat. Sekundäre Carbokationen können eine Sn1-Reaktion eingehen, sind aber nicht so reaktiv wie tertiäre Carbokationen.
• Die Abspaltung des Bromidions (\(\text{Br}^-\)) ist jedoch entscheidend, da sie genügend Stabilität im entstehenden Carbokation bieten muss.
• Ein weiterer wichtiger Faktor ist das Medium bzw. das Lösungsmittel. Polar protische Lösungsmittel (wie Wasser oder Alkohole) stabilisieren das Carbokation effektiv, was die Wahrscheinlichkeit einer Sn1-Reaktion erhöht.

Schlussfolgerung:

Die Reaktion von 2-Brompropan mit Hydroxidion (\(\text{OH}^-\)) über den Sn1-Mechanismus ist möglich, jedoch nicht stark bevorzugt. Sekundäre Carbokationen bieten eine moderate Stabilität, was bedeutet, dass die Reaktion unter geeigneten Bedingungen und in polar protischen Lösungsmitteln wahrscheinlicher ist. Aber aufgrund der Konkurrenz mit dem Sn2-Mechanismus, der bei sekundären Alkylhalogeniden oft bevorzugt wird, ist die Sn1-Reaktion weniger wahrscheinlich und könnte langsamer ablaufen.

Aufgabe 2)

Du erhältst die chemische Struktur von Molekül A, welches ein komplexes organisches Molekül ist. Dein Ziel ist es, dieses Molekül retrosynthetisch zu analysieren und dadurch potentielle Vorläufermoleküle und Reaktionspfade zu identifizieren. Molekül A besitzt zwei funktionelle Gruppen: eine Hydroxylgruppe und eine Carbonylgruppe. Die Synthese sollte möglichst effizient, kostengünstig und umweltfreundlich sein. Bitte berücksichtige dies bei Deinen Antworten.

a)

Teilaufgabe 1: Führe eine retrosynthetische Analyse des Moleküls A durch, indem Du zwei Disconnection-Schritte anwendest. Zeichne die resultierenden Vorläufermoleküle und benenne die angewendeten Trennungen.

Lösung:

Teilaufgabe 1: Retrosynthetische Analyse des Moleküls A

In dieser Aufgabe geht es darum, das komplexe Molekül A retrosynthetisch zu analysieren, um potentielle Vorläufermoleküle zu identifizieren. Im Folgenden werden zwei Disconnection-Schritte durchgeführt:

• Schritt 1: Trennung der Hydroxylgruppe

Durch die Disconnection an der Bindung zur Hydroxylgruppe erhalten wir ein Molekül mit einer Carbonylgruppe und ein weiteres Molekül (R-HO). Wir bezeichnen den Disconnection-Typ als Oxygen-Heteroatom Disconnection.

• Schritt 2: Trennung der Carbonylgruppe

Durch die zweite Disconnection an der Bindung zur Carbonylgruppe erhalten wir ein Molekül mit einer Hydroxylgruppe und ein weiteres Molekül (R'-CO). Diese Disconnection ist vom Typ Carbon-Heteroatom Disconnection.

Die resultierenden Vorläufermoleküle sind:

• R-HO (Alkohol)
• R'-CO (Keton oder Aldehyd)

Zusammengefasst wurden die folgenden Trennungen angewendet:

• Oxygen-Heteroatom Disconnection (bei der Hydroxylgruppe)
• Carbon-Heteroatom Disconnection (bei der Carbonylgruppe)

Diese Disconnection-Schritte sollen einfache und verständliche Reaktionswege aufzeigen, die zur Synthese von Molekül A führen können.

b)

Teilaufgabe 2: Wähle eines der Vorläufermoleküle und beschreibe, wie Du durch Functional Group Interconversion (FGI) eine Umwandlung der funktionellen Gruppen durchführen würdest. Welche Reagenzien und Bedingungen würdest Du verwenden?

Lösung:

Teilaufgabe 2: Functional Group Interconversion (FGI)

Für diese Aufgabe wähle ich das Vorläufermolekül mit der Carbonylgruppe (R'-CO), das in der vorherigen retrosynthetischen Analyse identifiziert wurde. Ich werde beschreiben, wie ich diese Carbonylgruppe durch Functional Group Interconversion (FGI) in eine andere funktionelle Gruppe umwandele.

Vorläufermolekül: R'-CO (Keton oder Aldehyd)

Geplante Umwandlung: Die Carbonylgruppe soll in eine Hydroxylgruppe umgewandelt werden, um ein Alkoholmolekül zu erhalten.

Vorgehensweise:

• Dieser Prozess kann durch die Reduktion der Carbonylgruppe in einen Alkohol durchgeführt werden.
• Ich werde Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH₄) als Reduktionsmittel verwenden.

Schritte der Umwandlung:

1. Reduktion der Carbonylgruppe: Das Vorläufermolekül R'-CO wird mit zwei Äquivalenten LiAlH₄ in trockenem Ethylether bei niedriger Temperatur (0°C bis Raumtemperatur) behandelt.
2. Nach der Reaktion wird Wasser oder verdünnte Säure hinzugegeben, um das Reaktionsgemisch zu hydrolysieren und das Produkt, den Alkohol, zu isolieren.

Reaktionsgleichung:

 R'-CO + 2 LiAlH4  →  R'-CH2-OH + 2 LiAlH3 + H2O 

Reagenzien und Bedingungen:

• Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH₄) in trockenem Ethylether
• Wassert oder verdünnte Säure zur Hydrolyse des Reaktionsgemisches
• Temperatur: 0°C bis Raumtemperatur

Diese Reduktionsreaktion ist effizient und ermöglicht eine selektive Umwandlung der Carbonylgruppe in eine Hydroxylgruppe, was zur Gewinnung des gewünschten Alkohols führt.

c)

Teilaufgabe 3: Identifiziere die Synthoner (hypothetische Fragmente), die durch die Disconnection und FGI in den vorherigen Schritten entstanden sind. Erkläre, warum diese Synthoner für die tatsächliche Synthese von Bedeutung sind.

Lösung:

Teilaufgabe 3: Identifikation und Bedeutung der Synthoner

In den vorherigen Schritten haben wir die retrosynthetische Analyse des Moleküls A durchgeführt und eine Functional Group Interconversion (FGI) angewendet. Jetzt sollen die entstandenen Synthoner (hypothetische Fragmente) identifiziert und deren Bedeutung für die tatsächliche Synthese erklärt werden.

Entstandene Synthoner durch Disconnection:

• Hydroxysynthon: R-HO
• Carbonylsynthon: R'-CO

Entstandene Synthoner durch FGI:

• Hydroxy-Synthon (durch Reduktion des Carbonylsynthon): R'-CH₂-OH

Bedeutung der Synthoner für die tatsächliche Synthese:

• Hydroxysynthon (R-HO): Dieses Fragment stellt eine funktionelle Gruppe dar, die in einer Vielzahl von chemischen Reaktionen leicht zugänglich und umwandelbar ist. Es kann durch direkten Einsatz oder durch einfache Modifikationen in weiteren Reaktionsschritten genutzt werden.
• Carbonylsynthon (R'-CO): Die Carbonylgruppe ist eine reaktive funktionelle Gruppe, die als Ausgangspunkt für viele Umwandlungen dient. Sie kann durch Reaktionen wie Reduktion oder nukleophile Addition in andere funktionelle Gruppen umgewandelt werden.
• Hydroxy-Synthon (R'-CH₂-OH): Dieses Fragment, das durch die Reduktion des Carbonylsynthon entstanden ist, stellt ein Alkohol vor. Alkohole sind vielseitige Synthesebausteine, die in unterschiedlichen Synthesestrategien verwendet werden können. Dies eröffnet verschiedene Möglichkeiten für die Verknüpfung und Modifikation während der Synthese von Molekül A.

Die Identifikation dieser Synthoner ist für die tatsächliche Synthese von Molekül A von entscheidender Bedeutung, da sie als Bausteine dienen, die zielgerichtet zu spezifischen Vorläufern und letztlich zum Zielmolekül führen. Die Synthoner ermöglichen eine systematische Planung der Syntheseroute und tragen zur Effizienz, Kostensenkung und Umweltfreundlichkeit bei.

Aufgabe 4)

Übergangsmetall-Katalyse spielt eine zentrale Rolle in der modernen organischen Chemie, insbesondere bei der Beschleunigung von Reaktionen und der Erhöhung der Selektivität. Dabei kommen häufig Metalle wie Pd, Pt, Ni und Rh zum Einsatz. Die Mechanismen umfassen oxidative Addition, reduktive Eliminierung und Insertionsreaktionen. Zu den typischen Beispielen gehören die Suzuki-Kupplung, die Heck-Reaktion und die Hydroformylierung. Zu den Vorteilen zählen erhöhte Reaktionsraten, milde Reaktionsbedingungen und hohe Selektivität. Übergangsmetalle können sowohl in stöchiometrischen als auch in katalytischen Mengen verwendet werden.

a)

1. Erläutere den Mechanismus der Suzuki-Kupplung. Gehe dabei auf die Rolle des Palladium-Katalysators ein und erkläre die grundlegenden Schritte wie oxidative Addition, Transmetallierung und reduktive Eliminierung. Verwende geeignete Reaktionsschemata und Reaktionsgleichungen, um Deine Ausführungen zu unterstützen.

Lösung:

Die Suzuki-Kupplung ist eine wichtige Kreuzkupplungsreaktion in der organischen Chemie, die häufig zur Bildung von Biarylverbindungen verwendet wird. Bei dieser Reaktion wird normalerweise ein Aryl- oder Vinylboronsäurederivat mit einem Aryl- oder Vinylhalogenid kombiniert, um eine neue C-C-Bindung zu bilden. Ein Palladium-Katalysator spielt hierbei eine zentrale Rolle. Der Mechanismus der Suzuki-Kupplung umfasst folgende Schritte:

• Oxidative Addition: Beim ersten Schritt des Mechanismus addiert sich der Palladium(0)-Katalysator an das Aryl- oder Vinylhalogenid. Dies führt zu einer oxidative Addition, bei der der Palladiumkomplex von Pd(0) zu Pd(II) oxidiert wird und ein Pd(II)-Komplex entsteht.

Pd(0) + R-X → R-Pd(II)-X

• Transmetallierung: Im nächsten Schritt findet die Transmetallierung statt, bei der eine Boronsäure oder ihr Derivat (meist ein Boronat) mit dem Palladiumkomplex reagiert. Dadurch wird die Organo-Rest von Bor auf Palladium übertragen.

R-Pd(II)-X + R'-B(OH)2 → R-Pd(II)-R' + X-B(OH)2

• Reduktive Eliminierung: Der letzte Schritt ist die reduktive Eliminierung, bei der die Bildung der C-C-Bindung erfolgt, und der Palladiumkatalysator wird in seine Pd(0)-Form zurückgeführt. Der katalytische Zyklus kann somit von Neuem beginnen.

R-Pd(II)-R' → R-R' + Pd(0)

Zusammengefasst sind die Hauptschritte der Suzuki-Kupplung:

• Oxidative Addition von Pd(0) an das Halogenid.
• Transmetallierung mit der Boronsäure.
• Reduktive Eliminierung zur Bildung der neuen C-C-Bindung und Rückgewinnung des Pd(0)-Katalysators.

Die Suzuki-Kupplung bietet mehrere Vorteile, darunter hohe Effizienz, milde Reaktionsbedingungen und ausgezeichnete Selektivität, was sie zu einem wertvollen Werkzeug in der organischen Synthese macht.

b)

2. Berechne die theoretische Ausbeute einer Hydroformylierungsreaktion. Angenommen, Du startest mit 1 mol eines Alkens und verwendest ein Rhodium-Katalysatorsystem. Die Reaktionsgleichung lautet:

\[\text{Alken} + \text{CO} + \text{H}_2 \rightarrow \text{Aldehyd}\]

Gehe davon aus, dass die Reaktion unter idealen Bedingungen abläuft und keine Nebenprodukte entstehen. Bestimme die Produktmengen und erkläre, wie die Experimentbedingungen die Ausbeute beeinflussen könnten.

Lösung:

Um die theoretische Ausbeute einer Hydroformylierungsreaktion zu berechnen, nehmen wir folgende idealisierte Reaktionsgleichung an:

\text{Alken} + \text{CO} + \text{H}_2 → \text{Aldehyd}

Angenommen, Du startest mit 1 mol eines Alkens und verwendest ein Rhodium-Katalysatorsystem. Unter idealen Bedingungen, bei denen keine Nebenprodukte entstehen und die Reaktion vollständig abläuft, bedeutet das Folgendes:

• 1 mol Alken reagiert vollständig mit 1 mol Kohlenmonoxid (CO) und 1 mol Wasserstoff (H\textsubscript{2}), um 1 mol des gewünschten Aldehyds zu produzieren.

Die theoretische Ausbeute beträgt daher:

1 mol Alken → 1 mol Aldehyd

• Dies bedeutet, dass die Produktmenge (Aldehyd) unter idealen Bedingungen 1 mol beträgt.

Die Experimentbedingungen können jedoch die Ausbeute beeinflussen:

• Katalysatoraktivität: Die Aktivität und Stabilität des Rhodium-Katalysators beeinflusst maßgeblich die Effizienz der Reaktion. Niedrige Katalysatoraktivität kann zu einer geringeren Ausbeute führen.
• Reaktionstemperatur und -druck: Optimale Temperatur und Druckbedingungen sind notwendig, um die Reaktion vollständig abzuschließen. Abweichungen von diesen Bedingungen können eine unvollständige Reaktion und somit eine geringere Ausbeute zur Folge haben.
• Konzentration der Reaktanten: Die Konzentrationsverhältnisse von Alken, CO und H\textsubscript{2} müssen so angepasst sein, dass sie die Reaktion fördern. Ein Überschuss oder Mangel eines Reaktanten kann die Ausbeute negativ beeinflussen.
• Reaktionszeit: Eine nicht ausreichende Reaktionszeit kann ebenfalls zu unvollständiger Konversion des Alkens führen. Die Ausbeute hängt daher auch davon ab, wie lange die Reaktion durchgeführt wird.
• Lösungsmittel: Das verwendete Lösungsmittel kann die Reaktionsrate und Ausbeute beeinflussen. Es muss kompatibel mit allen Reaktanten und dem Katalysator sein.

Zusammengefasst ist die theoretische Ausbeute der Hydroformylierungsreaktion unter idealen Bedingungen 1 mol des Aldehyds pro 1 mol Alken. Experimentelle Bedingungen und Faktoren wie Katalysatoraktivität, Reaktionstemperatur und -druck, Reaktantenkonzentrationen, Reaktionszeit und Lösungsmittelwahl können jedoch die tatsächliche Ausbeute beeinflussen.