Forschungsmodul Organic Chemistry - Cheatsheet

Fortgeschrittene Reaktionsmechanismen

Definition:

Erweiterte Konzepte und Anwendungen von organischen Reaktionsmechanismen, um die komplexen Mechanismen besser zu verstehen und vorherzusagen.

Details:

• Übergangszustände: Verständnis der Zwischenschritte einer Reaktion durch Darstellung der Energiekurven und Barrieren.
• Reaktionsprofile: Energieniveaus der Reaktanten, Produkte und Übergangszustände.
• Thermodynamik und Kinetik: Die Beziehung zwischen diesen Konzepten und deren Einfluss auf den Reaktionsverlauf.
• Orbitalinteraktionen: HOMO und LUMO-Analysen, z.B. in Pericyclischen Reaktionen (Woodward-Hoffmann-Regeln).
• Radikalische und ionische Mechanismen im Detail: Stabilität, Bildung und Reaktionen von Radikalen und Ionen.
• Substitutions- und Eliminierungsreaktionen: S_N1, S_N2, E1, E2 Mechanismen und deren Beeinflussung durch verschiedene Faktoren wie Lösungsmittel, Temperatur.
• Steuerung der Stereochemie: Einfluss von räumlichen Faktoren und der Lenkung der Reaktionswege.
• Spezielle Reaktionen: Diels-Alder, Claisen-Umlagerung und andere typische Beispiele für fortgeschrittene Mechanismen.
• Computergestützte Methoden zur Untersuchung von Reaktionsmechanismen.

Katalytische Verfahren (Palladium-Katalyse, Metathese)

Definition:

Katalytische Verfahren in der Organischen Chemie, speziell Palladium-Katalyse und Metathese, sind Methoden zur Förderung und Steuerung chemischer Reaktionen mittels Katalysatoren.

Details:

• Palladium-Katalyse: Einsatz von Palladium-Verbindungen als Katalysatoren in Reaktionen wie der Suzuki-Kupplung oder der Heck-Reaktion.
• Metathese: Katalytische Reaktion, bei der Doppelbindungen in Alkenen ausgetauscht werden, häufig unter Verwendung von Ruthenium- oder Molybdän-Komplexen.
• Allgemeine Gleichung der Metathese: \[ R_1-CH=CH-R_2 + R_3-CH=CH-R_4 \rightarrow R_1-CH=CH-R_3 + R_2-CH=CH-R_4 \]
• Vorteile: Hohe Selektivität, Effizienz, oft mildere Reaktionsbedingungen.

Asymmetrische Synthesemethoden (Sharpless-Epoxidierung)

Definition:

Sharpless-Epoxidierung: Asymmetrische Synthesemethode zur Herstellung optisch aktiver Epoxide aus cis-Allylalkoholen unter Verwendung von Sharpless-Katalysatoren (Ti(OiPr)4, (-)-Diethyl-D-tartrat, tert-Butylhydroperoxid).

Details:

• Reagenzien: Ti(OiPr)₄, (-)-DET, t-BuOOH
• Stereoselektivität: Enantiomerenüberschuss (ee) bis zu > 90%
• Komplexbildung: Ti(OiPr)₄ mit (-)-DET
• Zugang zu enantiomerenreinen Epoxiden
• Anwendung: Synthese von Naturstoffen, Pharmazeutika

Mehrstufige Synthesestrategien und Retrosyntheseanalyse

Definition:

Mehrstufige Synthesestrategien beinhalten die Planung und Durchführung mehrerer chemischer Reaktionen, um ein gewünschtes Zielmolekül herzustellen. Retrosyntheseanalyse ist eine Methode, bei der das Zielmolekül gedanklich in einfachere Vorstufen zerlegt wird, um einen effizienten Syntheseweg zu finden.

Details:

• Mehrstufige Synthesestrategien: Systematische Planung mehrerer Schritte zur Synthese komplexer Verbindungen.
• Analyse von Zwischenprodukten und möglichen Syntheserouten.
• Retrosynthese: Zerlegung des Zielmoleküls in einfachere Ausgangsverbindungen.
• Identifizierung disconnections und Synthone.
• Verwendung von Fehérs Ansatz und Synthons.
• Jede Reaktion oder Schritt wird basierend auf Reagenzien, Lösungsmitteln und Bedingungen evaluiert.
• Ziel: Finden eines effizienten und skalierbaren Synthesewegs.

NMR-Spektroskopie (2D-NMR, DEPT)

Definition:

Kernspins oder Wechselwirkungen in 2D-Spektren. DEPT zur Differenzierung von CH, CH2 und CH3-Gruppen.

Details:

• 2D-NMR-Spektroskopie: Korrelation zwischen verschiedenen NMR-spektroskopischen Dimensionen.
• Häufige 2D-Techniken: COSY (H-1, H-1), HSQC (H-1, C-13), HMBC (H-1, C-13 Langbereich).
• DEPT (Distortionless Enhancement by Polarization Transfer): Unterscheidung zwischen CH, CH2 und CH3-Gruppen in C-13 Spektren.
• DEPT-45: zeigt CH, CH2 und CH3.
• DEPT-90: nur CH-Gruppen.
• DEPT-135: CH und CH3 positiv, CH2 negativ.

Massenspektrometrie (HRMS, Tandem-MS)

Definition:

Analytische Methode zur Bestimmung der Molekülmasse und Struktur von Verbindungen.

Details:

• HRMS (Hochauflösende Massenspektrometrie): Präzise Bestimmung der exakten Masse und molekularen Zusammensetzung.
• Tandem-MS (MS/MS): Zwei hintereinander geschaltete Massenspektrometer ermöglichen Strukturaufklärung durch Fragmentierung.
• Ionisationsmethoden: ESI (Elektrospray-Ionisation), MALDI (Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation).
• Hauptgleichung: \[ m/z = \frac{m}{z} \] (Masse-zu-Ladung-Verhältnis).
• Wichtige Parameter: Auflösung, Genauigkeit, Scan-Modus.

Literaturrecherche und Syntheseroutenplanung

Definition:

Literaturrecherche dient zur Informationsbeschaffung über chemische Verbindungen und Methoden, Syntheseroutenplanung zur gezielten Erstellung von Synthesewegen.

Details:

• Basisdatenbanken: SciFinder, Reaxys, ChemSpider
• Suchstrategien: Stichwortsuche, Struktur-/Reaktionssuche
• Auswertung: Relevanz, Aktualität, Vollständigkeit
• Syntheseroutenplanung: retrosynthetische Analyse, Selektionsrichtungen, Schutzgruppenstrategie, Reaktivitätsüberlegungen
• Optimierung: Ausbeute, Selektivität, Kosten

Sicherheit und Fehleranalyse im Chemielabor

Definition:

Sicherheit und Fehleranalyse im Chemielabor umfasst Maßnahmen zur Vermeidung von Unfällen und die systematische Untersuchung von Fehlerquellen.

Details:

• Immer persönliche Schutzausrüstung tragen (Schutzbrille, Laborkittel, Handschuhe).
• Verhalten bei Notfällen kennen (Notdusche, Augendusche, Feuerlöscher).
• Alle Chemikalien kennzeichnen und Sicherheitsdatenblatt (SDB) lesen.
• Regelmäßige Sicherheitsunterweisungen und -übungen durchführen.
• Fehleranalyse: Ursachen von Laborunfällen systematisch untersuchen (z.B. retrospektive Unfallberichterstattung).
• Fehlermöglichkeiten minimieren: Standardarbeitsanweisungen (SOPs) einhalten.
• Notfalltelefonnummern und Erste-Hilfe-Maßnahmen griffbereit halten.