Forschungsmodul Organic Chemistry - Exam

Aufgabe 1)

Betrachte die nucleophile Substitution eines primären Alkylhalogenids (z.B. Brommethan) in einer polaren aprotischen Lösung im Detail. Diskutiere die verschiedenen Reaktionsmechanismen (S_N1 und S_N2), die dabei in Frage kommen, und welche Faktoren den bevorzugten Mechanismus beeinflussen könnten. Lege außerdem besonderen Fokus auf die Übergangszustände und deren energetische Profile.

a)

• Reaktionsmechanismen: Erkläre detailliert den Unterschied zwischen S_N1- und S_N2-Mechanismen. Gehe auf die jeweilige Kinetik, den Mechanismus selbst und die Rolle des Lösungsmittels ein. Welche dieser beiden Mechanismen ist wahrscheinlicher bei der Reaktion von Brommethan in polaren aprotischen Lösungsmitteln? Begründe deine Antwort.

Lösung:

• Reaktionsmechanismen: Im Folgenden werden die S_N1- und S_N2-Mechanismen detailliert erklärt. Es wird auf die Kinetik, den Mechanismus und die Rolle des Lösungsmittels eingegangen. Abschließend diskutieren wir, welcher Mechanismus bei der Reaktion von Brommethan in polaren aprotischen Lösungsmitteln wahrscheinlicher ist.

• S_N1-Mechanismus:
  • Kinetik: Der S_N1-Mechanismus folgt einer Kinetik erster Ordnung. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt nur von der Konzentration des Alkylhalogenids ab. Mathematisch ausgedrückt: \[ \text{Geschwindigkeit} = k[ \text{Alkylhalogenid} ] \]
  • Mechanismus: Der S_N1-Mechanismus verläuft in zwei Schritten:
    • Schritt 1: Das Abgangsgruppenmolekül (z.B. Br^-) verlässt das Alkylhalogenid und bildet ein Carbokation. \[ \text{CH}_3\text{Br} \rightarrow \text{CH}_3^+ + \text{Br}^- \]
    • Schritt 2: Ein nucleophiles Molekül greift das Carbokation an und bildet das Endprodukt. \[ \text{CH}_3^+ + \text{Nu}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{Nu} \]
  • Rolle des Lösungsmittels: Polare, protische Lösungsmittel (z.B. Wasser, Alkohole) stabilisieren das Carbokation und die Abgangsgruppe durch Solvatation, was die Bildung des Carbokations erleichtert.
• S_N2-Mechanismus:
  • Kinetik: Der S_N2-Mechanismus folgt einer Kinetik zweiter Ordnung. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt sowohl von der Konzentration des Alkylhalogenids als auch vom Nucleophil ab. Mathematisch ausgedrückt: \[ \text{Geschwindigkeit} = k[ \text{Alkylhalogenid} ][ \text{Nucleophil} ] \]
  • Mechanismus: Der S_N2-Mechanismus verläuft in einem einzigen konzertierten Schritt, in dem das Nucleophil das Alkylhalogenid gleichzeitig angreift, während die Abgangsgruppe das Molekül verlässt. Dies führt zu einem Übergangszustand mit fünf Atomen um das zentrale Kohlenstoffatom. \[ \text{CH}_3\text{Br} + \text{Nu}^- \rightarrow [\text{CH}_3\text{---Br---Nu}]^\ddagger \rightarrow \text{CH}_3\text{Nu} + \text{Br}^- \]
  • Rolle des Lösungsmittels: Polare aprotische Lösungsmittel (z.B. Aceton, DMSO) erhöhen die Nukleophilie (Reaktivität) des Nucleophils, da sie die starke Solvatisierung des Nucleophils verhindern und so die direkte Wechselwirkung mit dem Alkylhalogenid erleichtern.

• Bevorzugter Mechanismus für Brommethan in polaren aprotischen Lösungsmitteln: Bei der Reaktion von Brommethan (ein primäres Alkylhalogenid) in einem polaren aprotischen Lösungsmittel ist der S_N2-Mechanismus wahrscheinlicher. Dafür gibt es mehrere Gründe:
  • Sterische Hinderung: Brommethan hat eine geringe sterische Hinderung um das zentrale Kohlenstoffatom, was den konzertierten Angriff des Nucleophils im S_N2-Mechanismus erleichtert.
  • Lösungsmittelwirkung: In einem polaren aprotischen Lösungsmittel werden Nucleophile wenig bis gar nicht solvatisiert, was ihre Effektivität erhöht. Dies begünstigt den S_N2-Mechanismus, da das Nucleophil die zentrale Rolle spielt.
  • Reaktivität: Die Bildung eines Carbokations (erforderlich für den S_N1-Mechanismus) ist bei primären Alkylhalogeniden wie Brommethan ungünstig, da primäre Carbokationen instabil sind.
  Durch diese Faktoren ist der S_N2-Mechanismus für die Reaktion von Brommethan in polaren aprotischen Lösungsmitteln bevorzugt.

b)

• Übergangszustände und Energiekurven: Zeichne die Energiekurven für beide Mechanismen (S_N1 und S_N2) und beschreibe die wesentlichen Merkmale der Übergangszustände in beiden Fällen. Wie unterscheiden sich die Aktivierungsenergien der beiden Mechanismen und was bedeutet dies für die Reaktionsgeschwindigkeit?

Lösung:

• Übergangszustände und Energiekurven: Im Folgenden werden die Energiekurven für die S_N1- und S_N2-Mechanismen gezeichnet und die wesentlichen Merkmale der Übergangszustände beschrieben. Es wird diskutiert, wie sich die Aktivierungsenergien der beiden Mechanismen unterscheiden und was dies für die Reaktionsgeschwindigkeit bedeutet.

• S_N1-Mechanismus:
  • Energiekurve:
    • Im S_N1-Mechanismus verläuft die Reaktionskoordinate über zwei Energiegipfel. Der erste Gipfel repräsentiert die Aktivierungsenergie für die Bildung des Carbokations, der zweite Gipfel die Aktivierungsenergie für die Anlagerung des Nucleophils an das Carbokation.
    • Zwischen diesen beiden Gipfeln liegt das reaktive Intermediat, das Carbokation, welches ein Energieminimum darstellt.
    
  • Übergangszustand:
    • Erster Übergangszustand: Die Abgangsgruppe entfernt sich vom Alkylhalogenid, und es bildet sich das Carbokation.
    • Zweiter Übergangszustand: Das Nucleophil nähert sich dem Carbokation und bildet schließlich die neue Bindung.
  • Aktivierungsenergie:
    • Die erste Aktivierungsenergie (E_a) ist typischerweise hoch, da die Bildung eines Carbokations energetisch ungünstig ist.
    • Die zweite Aktivierungsenergie ist niedriger, da das Carbokation eine hohe Reaktivität aufweist und leicht vom Nucleophil angegriffen wird.
• S_N2-Mechanismus:
  • Energiekurve:
    • Die Energiekurve für den S_N2-Mechanismus zeigt einen einzigen, gut definierten Energiegipfel, der den Übergangszustand darstellt.
    • Der Übergangszustand repräsentiert eine simultane Bindung des Nucleophils und das Verlassen der Abgangsgruppe, was zu einem pentavalenten Übergangszustand führt.
    
  • Übergangszustand:
    • Im einzigen Übergangszustand des S_N2-Mechanismus befinden sich sowohl das Nucleophil als auch die Abgangsgruppe in unmittelbarer Nähe des zentralen Kohlenstoffatoms.
    • Die Bindungen zu beiden Gruppen sind teilweise gebrochen und gebildet, was zu einer erhöhten Spannung und einem energetischen Maximum führt.
  • Aktivierungsenergie:
    • Die Aktivierungsenergie des S_N2-Mechanismus ist durch die Notwendigkeit bestimmt, sowohl die Bindung des Nucleophils zu formen als auch die Abgangsgruppe zu trennen.
    • Da beide Prozesse simultan ablaufen, ist die Aktivierungsenergie in der Regel niedriger als die Summe der Aktivierungsenergien beim S_N1-Mechanismus.

• Vergleich der Aktivierungsenergien und Reaktionsgeschwindigkeit:

• Der S_N1-Mechanismus hat typischerweise eine höhere Aktivierungsenergie für den ersten Schritt (Carbokation-Bildung) im Vergleich zum S_N2-Mechanismus. Daher verläuft die Reaktion langsamer, wenn es um primäre Alkylhalogenide geht, die nicht leicht Carbokationen bilden.
• Der S_N2-Mechanismus hat eine niedrigere und einzelne Aktivierungsenergie, die nur von der sterischen Hinderung und der Fähigkeit des Nucleophils abhängt, den Übergangszustand zu erreichen.
• Da Brommethan ein primäres Alkylhalogenid ist und polare aprotische Lösungsmittel die Reaktivität des Nucleophils fördern, ist der S_N2-Mechanismus schneller und bevorzugt.

c)

• Thermodynamik und Kinetik: Diskutiere, wie thermodynamische und kinetische Faktoren den Reaktionsweg der nucleophilen Substitution beeinflussen. Was sind die Unterschiede in Bezug auf die Stabilität der Übergangszustände und Intermediatverbindungen (falls vorhanden) zwischen den beiden Mechanismen?

Lösung:

• Thermodynamik und Kinetik: Im Folgenden wird diskutiert, wie thermodynamische und kinetische Faktoren den Reaktionsweg der nucleophilen Substitution beeinflussen. Unterschiede in Bezug auf die Stabilität der Übergangszustände und Intermediatverbindungen (falls vorhanden) zwischen den beiden Mechanismen werden ebenfalls thematisiert.

• S_N1-Mechanismus:
  • Kinetische Faktoren:
    • Der S_N1-Mechanismus ist eine reaktionserste Ordnung, die Geschwindigkeit hängt nur von der Konzentration des Alkylhalogenids ab.
    • Die Geschwindigkeit wird hauptsächlich durch die Stabilität des intermediären Carbokations bestimmt. Stabile Carbokationen (z.B. tertiär, benzylich) führen zu schnelleren Reaktionen.
  • Thermodynamische Faktoren:
    • Der erste Schritt (Bildung des Carbokations) ist endotherm und hat eine hohe Aktivierungsenergie.
    • Die Stabilität des Carbokations beeinflusst die Reaktionsenthalpie. Stabilere Carbokationen sind thermodynamisch günstiger.
  • Stabilität der Übergangszustände und Intermediate:
    • Im ersten Schritt entsteht ein Carbokation, das als Intermediat fungiert und dessen Stabilität die Reaktionsgeschwindigkeit stark beeinflusst.
    • Der Übergangszustand des ersten Schritts ist energieintensiv, da die Bindung zur Abgangsgruppe (z.B. Br^-) vollständig aufgebrochen wird.
    • Nach der Bildung des Carbokations hat der Übergangszustand des zweiten Schritts eine geringere Aktivierungsenergie, da das Carbokation sehr reaktiv ist.
• S_N2-Mechanismus:
  • Kinetische Faktoren:
    • Der S_N2-Mechanismus ist eine Reaktion zweiter Ordnung, die Geschwindigkeit hängt sowohl von der Konzentration des Alkylhalogenids als auch des Nucleophils ab.
    • Die Geschwindigkeit wird durch sterische Faktoren und die Nukleophilie des angreifenden Nucleophils beeinflusst. Weniger sterisch gehinderte Alkylhalogenide und starke Nucleophile führen zu schnelleren Reaktionen.
  • Thermodynamische Faktoren:
    • Der S_N2-Mechanismus hat eine niedrigere Aktivierungsenergie als der S_N1-Mechanismus, was oft zu einer schnelleren Reaktion führt.
    • Die Reaktionsenthalpie wird durch die Stabilität des Übergangszustands beeinflusst, wobei eine geringere sterische Hinderung einen günstigeren Übergangszustand schafft.
  • Stabilität der Übergangszustände:
    • Es gibt kein stabiles Intermediat im S_N2-Mechanismus; der Übergangszustand ist das einzige energetische Maximum.
    • Der Übergangszustand hat eine trigonal-bipyramidale Struktur mit beiden Gruppen (Nucleophil und Abgangsgruppe) teilweise gebunden an das zentrale Kohlenstoffatom.
    • Die Stabilität des Übergangszustands hängt von den sterischen Faktoren ab. Je weniger sterisch behindert, desto stabiler ist der Übergangszustand.

• Zusammenfassung:
  • Kinetik: S_N1 ist erster Ordnung (nur Alkylhalogenid) und wird durch die Stabilität des Carbokations bestimmt. S_N2 ist zweiter Ordnung (Alkylhalogenid und Nucleophil) und wird durch sterische Faktoren und Nukleophilie beeinflusst.
  • Thermodynamik: S_N1 hat eine höhere Aktivierungsenergie aufgrund der Carbokation-Bildung. S_N2 hat eine niedrigere Aktivierungsenergie, da der Übergangszustand weniger hinderlich ist.
  • Stabilität: S_N1 hat ein intermediäres Carbokation, dessen Stabilität entscheidend ist. S_N2 hat nur einen Übergangszustand, dessen Stabilität durch sterische Hinderung beeinflusst wird.

Diese Unterschiede erklären, warum primäre Alkylhalogenide wie Brommethan in polaren aprotischen Lösungsmitteln typischerweise dem S_N2-Mechanismus folgen, da dieser Mechanismus weniger auf die Stabilität eines intermediären Carbokations angewiesen ist und durch die geringere sterische Hinderung sowie die erhöhte Reaktivität des Nucleophils begünstigt wird.

d)

• Computergestützte Methoden: Erläutere, wie computergestützte Methoden genutzt werden können, um die Übergangszustände und Energieprofile der nucleophilen Substitution zu untersuchen. Welche Art von Daten und Analysen können solche Methoden liefern, und wie könnten diese dein Verständnis der Reaktionsmechanismen vertiefen?

Lösung:

• Computergestützte Methoden: Im Folgenden wird erläutert, wie computergestützte Methoden genutzt werden können, um die Übergangszustände und Energieprofile der nucleophilen Substitution zu untersuchen. Es wird beschrieben, welche Art von Daten und Analysen solche Methoden liefern können und wie diese das Verständnis der Reaktionsmechanismen vertiefen können.

• Computergestützte Methoden und ihre Anwendung:
  • Ab-initio- und DFT-Methoden:
    • Diese Methoden basieren auf den Prinzipien der Quantenmechanik und ermöglichen die Berechnung der elektronischen Struktur von Molekülen. Sie können verwendet werden, um die Geometrie von Übergangszuständen zu optimieren und die Energieprofile der Reaktion zu bestimmen.
    • Ab-initio-Methoden wie die Hartree-Fock-Theorie und post-Hartree-Fock-Methoden (z.B. MP2, CCSD(T)) liefern sehr genaue Ergebnisse, sind jedoch rechenaufwendig.
    • Dichtefunktionaltheorie (DFT) bietet eine gute Balance zwischen Genauigkeit und Rechenaufwand und ist daher häufig die bevorzugte Methode für die Untersuchung von Reaktionsmechanismen.
  • Molekulardynamik (MD) Simulationen:
    • MD-Simulationen ermöglichen die Untersuchung der Bewegung von Atomen und Molekülen über die Zeit. Sie können verwendet werden, um die dynamische Entwicklung und die Energiebarrieren während der Reaktion zu beobachten.
    • Mit MD-Simulationen können statistische Daten über die Häufigkeit und Verteilung von Übergangszuständen gesammelt werden.
  • Überblick der Übergangszustände und Energieprofile:
    • Energieprofile:
      • Computergestützte Methoden berechnen die Energieänderungen entlang der Reaktionskoordinate und erstellen Energieprofile. Diese Profile zeigen die Energiebarrieren und Minima, die den verschiedenen Stadien der Reaktion entsprechen.
    • Übergangszustände:
      • Die Geometrien der Übergangszustände können optimiert und visualisiert werden, um Einblick in die Struktur und Bindungslängen der Atome im kritischen Punkt der Reaktion zu geben.
      • Die Frequenzanalyse der Übergangszustände liefert Informationen zu den Eigenschaften der imaginären Frequenzen, die bestätigen, dass der gefundene Übergangszustand tatsächlich zum gewünschten Reaktionspfad gehört.
• Erhaltene Daten und Analysen:
  • Energiebarrieren: Energiebarrieren für die verschiedenen Schritte der Reaktion können berechnet werden. Diese Werte helfen, die kinetische Zugänglichkeit der Reaktionen zu beurteilen.
  • Geometrieoptimierungen: Die optimierten Geometrien der Reaktanten, Produkte, Übergangszustände und Zwischenstufen liefern Strukturinformationen, die für eine detaillierte mechanistische Analyse nützlich sind.
  • Reaktionsenthalpien und -entropien: Die thermodynamischen Parameter (Enthalpie, Entropie, Gibbs freie Energie) können bestimmt werden, um die thermodynamische Stabilität der Reaktion zu analysieren.
  • Elektronenverteilung: Die Verteilung der Elektronendichte in den verschiedenen Reaktionsstadien kann analysiert werden, um zu verstehen, wie Ladungen und Orbitale während der Reaktion verschoben werden.
  • Vibrationsanalysen: Die Analyse der Vibrationsmodi der Übergangszustände hilft zu bestätigen, dass die berechneten Strukturen tatsächlich Übergangszustände sind und gibt Aufschluss über die Natur der Reaktionskoordinate.

• Vertiefendes Verständnis der Reaktionsmechanismen:
  • Durch die Verwendung computergestützter Methoden können chemische Mechanismen auf atomarer und molekularer Ebene detailliert analysiert werden.
  • Die erhaltenen Energieprofile und Übergangszustände helfen, die kinetischen und thermodynamischen Eigenschaften der Reaktionen zu verstehen, was zur Vorhersage von Reaktivitäten und Selektivitäten führt.
  • Visuelle Darstellungen der Übergangszustände und Energieprofile fördern ein tieferes Verständnis der mechanistischen Details und erleichtern die Kommunikation komplexer chemischer Konzepte.

Aufgabe 2)

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

• 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: []
• Vorteile: Hohe Selektivität, Effizienz, oft mildere Reaktionsbedingungen.

a)

Beschreibe den Mechanismus der Suzuki-Kupplung unter Verwendung eines Palladium-Katalysators. Gehe dabei auf die einzelnen Schritte der Reaktion ein und erläutere die Rolle des Katalysators.

Lösung:

Die Suzuki-Kupplung ist eine weit verbreitete Methode in der organischen Chemie, bei der Palladium-Katalysatoren verwendet werden, um aromatische Boronsäuren mit Halogeniden zu verknüpfen. Diese Reaktion verläuft in mehreren Schritten:

• 1. Oxidative Addition: In einem ersten Schritt bindet sich eine Palladium(0)-Spezies an das organische Halogenid (R-X) und bildet ein Palladium(II)-Komplex. Dieser Schritt wird als oxidative Addition bezeichnet, da das Palladium von der Oxidationsstufe 0 in die Oxidationsstufe +2 übergeht.

   Pd(0) + R-X → R-Pd(II)-X 

• 2. Transmetallierung: In diesem Schritt wird der organische Rest von der Boronsäure (R'-B(OH)2) auf das Palladium übertragen. Dies erfolgt durch Austausch der Liganden am Palladium-Zentrum, was zur Bildung eines Palladium-Bor-Komplexes führt.

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

• 3. Reduktive Eliminierung: Schließlich wird der neue Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung (R-R') durch einen Prozess namens Reduktive Eliminierung gebildet. Das Palladium kehrt damit in seine ursprüngliche Oxidationsstufe 0 zurück und der organische Produkt wird freigesetzt.

   R-Pd(II)-R' → R-R' + Pd(0) 

Rolle des Katalysators: Der Palladium-Katalysator ist entscheidend für jede der oben genannten Stufen. In der oxidativen Addition aktiviert es das Halogenid. Während der Transmetallierung erleichtert es die Übertragung der organischen Gruppe von der Boronsäure auf das Palladium. In der Reduktiven Eliminierung ermöglicht es die Bildung der neuen Bindung und wird zurück in den katalytisch aktiven Zustand versetzt. Insgesamt ermöglicht der Katalysator das Fortlaufen des zyklischen Prozesses, wodurch nur geringe Mengen benötigt werden, um große Mengen an Produkt zu erzeugen.

b)

Gegeben ist die allgemeine Gleichung der Metathese-Reaktion: \[R_1-CH=CH-R_2 + R_3-CH=CH-R_4 \rightarrow R_1-CH=CH-R_3 + R_2-CH=CH-R_4\] Stelle für folgende Ausgangsverbindungen die Produkte der Metathese auf: \( R_1=CH_3, R_2=C_6H_5, R_3=C_2H_5, R_4=CH_2OH \).

Lösung:

Gegeben ist die allgemeine Gleichung der Metathese-Reaktion:

• \[R_1-CH=CH-R_2 + R_3-CH=CH-R_4 \rightarrow R_1-CH=CH-R_3 + R_2-CH=CH-R_4\]

Setzen wir nun die gegebenen Verbindungen ein:

• \(R_1 = CH_3\)
• \(R_2 = C_6H_5\)
• \(R_3 = C_2H_5\)
• \(R_4 = CH_2OH\)

Ersetzen wir die R-Gruppen in der allgemeinen Gleichung, erhalten wir:

• \[CH_3-CH=CH-C_6H_5 + C_2H_5-CH=CH-CH_2OH \rightarrow CH_3-CH=CH-C_2H_5 + C_6H_5-CH=CH-CH_2OH\]

Die Produkte der Metathese-Reaktion für die angegebenen Ausgangsverbindungen sind also:

• \(CH_3-CH=CH-C_2H_5\)
• \(C_6H_5-CH=CH-CH_2OH\)

Diese Produkte entstehen durch den Austausch der Doppelbindungen zwischen den Alkenen.

c)

Erläutere die Vorteile katalytischer Verfahren in der Organischen Chemie im Vergleich zu konventionellen Reaktionsmethoden. Erwähne dabei die Selektivität und Effizienz der Prozesse.

Lösung:

Katalytische Verfahren in der Organischen Chemie bieten zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen Reaktionsmethoden. Diese Vorteile lassen sich hauptsächlich auf die Selektivität und Effizienz der katalytischen Prozesse zurückführen:

• Hohe Selektivität: Katalytische Prozesse sind bekannt für ihre hohe Selektivität, was bedeutet, dass sie spezifische Reaktionen bevorzugen und unerwünschte Nebenreaktionen minimieren. Diese Selektivität ermöglicht die gezielte Synthese von Verbindungen mit hoher Reinheit und vermindert die Notwendigkeit aufwändiger Reinigungsverfahren.
  • Beispiel: In der Suzuki-Kupplung ermöglicht der Palladium-Katalysator eine selektive Kreuzkupplung zwischen Arylhalogeniden und Boronsäuren, ohne dass viele Nebenprodukte entstehen.
• Hohe Effizienz: Katalytische Reaktionen verlaufen oft bei niedrigeren Temperaturen und Drücken im Vergleich zu konventionellen Methoden, was zu Energieeinsparungen führt. Außerdem können Katalysatoren mehrmals verwendet werden, was die Menge der benötigten Reagenzien reduziert und die Kosten senkt.
  • Beispiel: Bei Metathese-Reaktionen ermöglicht der Einsatz von Ruthenium- oder Molybdän-Katalysatoren, Doppelbindungen in Alkenen effizient umzusetzen, ohne dass hohe Temperaturen oder Drücke erforderlich sind.
• Mildere Reaktionsbedingungen: Katalysatoren ermöglichen oft Reaktionen unter milderen Bedingungen (z.B. bei niedrigerer Temperatur und in Gegenwart von weniger aggressiven Chemikalien), was die Handhabung erleichtert und sicherer macht.
  • Beispiel: Viele Palladium-katalysierte Reaktionen, wie die Heck- oder Suzuki-Kupplung, können bei Umgebungstemperatur oder leicht erhöhter Temperatur durchgeführt werden.
• Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit: Durch die Reduktion der benötigten Reagenzien, die Möglichkeit der Katalysator-Wiederverwendung und die Verringerung von Nebenprodukten tragen katalytische Verfahren zu einer nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Chemie bei.
  • Beispiel: Die Verwendung von homogenen oder heterogenen Katalysatoren in Reaktionen reduziert oft die Umweltbelastung, da weniger Abfälle und weniger toxische Nebenprodukte entstehen.

Zusammenfassend bieten katalytische Verfahren erhebliche Vorteile in der Organischen Chemie durch ihre hohe Selektivität, Effizienz, Möglichkeit für mildere Reaktionsbedingungen und ihren Beitrag zur Nachhaltigkeit. Dies führt zu kostengünstigeren, sichereren und umweltfreundlicheren chemischen Prozessen.

d)

Berechne die Ausbeute einer Heck-Reaktion, bei der 10 g einer Arylhalogenidverbindung (Molmasse = 200 g/mol) und ein Überschuss von Alkenderivat (Molmasse = 100 g/mol) eingesetzt wurden, wenn 8,5 g Produkt erhalten wurden. Zeige alle Berechnungen und berechne die Ausbeute als Prozentsatz.

Lösung:

Um die Ausbeute der Heck-Reaktion zu berechnen, müssen wir die theoretische Menge des Produkts ermitteln und dann die tatsächliche Menge des Produkts in Bezug setzen. Die folgenden Schritte führen zur Berechnung:

• Berechnung der Molmenge des Arylhalogenids (Eingesetzte Verbindung): Die Masse der Arylhalogenidverbindung beträgt 10 g, und ihre Molmasse beträgt 200 g/mol. Daher berechnen wir die Molmenge () wie folgt:
  • \[n = \frac{{\text{Masse}}}{\text{Molmasse}} = \frac{{10 \text{g}}}{200 \text{g/mol}} = 0,05 \text{mol}\]
• Stöchiometrie der Heck-Reaktion: In einer Heck-Reaktion reagieren 1 Mol Arylhalogenid mit 1 Mol Alkenderivat, um 1 Mol Produkt zu bilden. Da der Alkenderivat im Überschuss vorliegt, ist das Arylhalogenid der limitierende Reaktand. Daher erwarten wir, dass 0,05 Mol des Produkts gebildet werden.
• Theoretische Masse des Produkts: Um die theoretische Masse des Produkts zu berechnen, verwenden wir die Molmasse des Produkts, die wir basierend auf den Reaktanten abschätzen müssen. Da sowohl das Arylhalogenid (200 g/mol) als auch das Alkenderivat (100 g/mol) beteiligt sind, können wir die Molmasse des Produkts vernachlässigen, weil sie in vielen Fällen mit die Ausgangverbindungen zusammen gerechnet werden kann. Da keine Angaben darüber gemacht werden, vereinfachen wir die Berechnung und verwenden immer noch das sind gleiche Ausgangverbindungen, dann: Molmasse des Produkts: ungefähr 300 g/mol
  • \[\text{Theoretische Masse} = n \times \text{Molmasse des Produkts} = 0,05 \text{mol} \times 300 \text{g/mol} = 15 \text{g}\]
• Berechnung der Ausbeute als Prozentsatz: Die tatsächliche Masse des erhaltenen Produkts beträgt 8,5 g. Daher berechnen wir den Prozentsatz der Ausbeute wie folgt:
  • \[\text{Ausbeute} = \frac{{\text{Tatsächliche Masse}}}{\text{Theoretische Masse}} \times 100 = \frac{{8,5 \text{g}}}{15 \text{g}} \times 100 = 56,67\text{\tiny{%}}\]

Die Ausbeute der Heck-Reaktion beträgt also 56,67\text{\tiny{%}}.

Aufgabe 3)

Die Sharpless-Epoxidierung ist eine wichtige asymmetrische Synthesemethode zur Herstellung optisch aktiver Epoxide aus cis-Allylalkoholen. Diese Methode nutzt Sharpless-Katalysatoren, wie Titan-(IV)-isopropoxid (Ti(OiPr)₄), (-)-Diethyl-D-tartrat (DET) und tert-Butylhydroperoxid (t-BuOOH), um hohe Enantiomerenüberschüsse (ee) von bis zu 90 % oder mehr zu erzielen. Die asymmetrische Katalyse erfolgt durch die Bildung eines Komplexes zwischen Ti(OiPr)₄ und (-)-DET, wodurch enantiomerenreine Epoxide zugänglich werden, die häufig in der Synthese von Naturstoffen und Pharmazeutika Anwendung finden.

a)

Beschreibe den Mechanismus der Sharpless-Epoxidierung im Detail. Gehe dabei auf die Rolle jedes Reagenzes (Ti(OiPr)₄, (-)-DET, t-BuOOH) ein und erkläre, wie der enantiomerenreine Komplex zur hohen Enantioselektivität führt.

Lösung:

Mechanismus der Sharpless-Epoxidierung

• Bildung des katalytischen Komplexes: Die Sharpless-Epoxidierung beginnt mit der Bildung eines Komplexes zwischen Titan-(IV)-isopropoxid (Ti(OiPr)₄) und (-)-Diethyl-D-tartrat (DET). Das DET koordiniert an das Titanzentrum, wodurch der Komplex eine spezifische chirale Umgebung erhält. Dies ist entscheidend für die nachfolgende Enantioselektivität.
• Einführung des Oxidationsmittels: Nach der Bildung des Titan-Det-Komplexes wird tert-Butylhydroperoxid (t-BuOOH) hinzugefügt. Das t-BuOOH fungiert als Oxidationsmittel und überträgt seinen Sauerstoff auf das Allylalkohol-Substrat. Der Sauerstoff wird dabei vom Titan-Det-Komplex auf das Substrat vermittelt, wodurch ein chirales Epoxid entsteht.
• Koordination des Allylalkohols: Der cis-Allylalkohol koordiniert an das Titanzentrum des erzeugten chiralen Komplexes. Die enantioselektive Epoxidierung tritt ein, da der Substratkomplex in einer spezifischen Orientierung am chiralen Katalysator positioniert wird. Diese Orientierung zwingt den Angriff des Oxidationsmittels, t-BuOOH, von einer bestimmten Seite des Doppelbindungssystems, was zur Bildung eines bestimmten Enantiomers des Epoxides führt.
• Abspaltung und Produktbildung: Nach der Epoxidierung wird das Epoxidprodukt vom Titan-Det-Komplex abgespalten, und der Katalysator wird regeneriert. Der enantiomerenreine Komplex des Titan-(IV)-isopropoxid und (-)-Diethyl-D-tartrat gewährleistet, dass der Prozess mit hoher Enantioselektivität abläuft und ein hoher Enantiomerenüberschuss (ee) von bis zu 90 % oder mehr erreicht wird.

Zusammengefasst, führt die spezifische Bildung und Ordnung des Titan-Det-Komplexes dazu, dass die Epoxidierung sehr selektiv verläuft und ein Produkt mit einem hohen Anteil an einem bestimmten Enantiomer entsteht. Jede Reagenzkomponente (Ti(OiPr)₄, (-)-DET, t-BuOOH) spielt dabei eine klare und entscheidende Rolle in dieser hochspezifischen Reaktion.

b)

Du wirst gebeten, die optische Reinheit eines hergestellten Epoxids zu bestimmen. Du erhältst folgende Daten: Der gemessene Drehwinkel des Epoxids beträgt +50°, und die molare Drehung des reinen (R)-Epoxids beträgt +100°. Berechne den Enantiomerenüberschuss (ee) des hergestellten Epoxids und erkläre, welche Bedeutung der Enantiomerenüberschuss für die Qualität der Synthese hat.

Verwende die Formel zur Berechnung des ee:

\text{ee} = \frac{\text{gemessener Drehwinkel}}{\text{Drehwinkel des reinen Enantiomers}} \times 100%

Lösung:

Um den Enantiomerenüberschuss (ee) des hergestellten Epoxids zu berechnen, verwenden wir die gegebene Formel:

\( \text{ee} = \frac{\text{gemessener Drehwinkel}}{\text{Drehwinkel des reinen Enantiomers}} \times 100 \% \)

Wir haben folgende Daten:

• Gemessener Drehwinkel des Epoxids: +50°
• Drehwinkel des reinen (R)-Epoxids: +100°

Setze diese Daten in die Formel ein:

\( \text{ee} = \frac{+50°}{+100°} \times 100 \% = 50 \% \)

Der Enantiomerenüberschuss (ee) des hergestellten Epoxids beträgt also 50%.

Bedeutung des Enantiomerenüberschusses:

• Der Enantiomerenüberschuss (ee) gibt die Reinheit eines chiralen Produktes an und ist ein Maß für die relative Menge des bevorzugten Enantiomers gegenüber seinem Spiegelbild.
• Ein hoher Enantiomerenüberschuss bedeutet eine hohe Selektivität der asymmetrischen Synthese, was insbesondere in der Herstellung von Pharmazeutika und Naturstoffen von großer Bedeutung ist. Unterschiedliche Enantiomere können unterschiedliche biologische Aktivitäten und Eigenschaften haben, weshalb die Kontrolle der Enantiomerenreinheit entscheidend für die Wirksamkeit und Sicherheit eines Produkts ist.
• Ein Enantiomerenüberschuss von 50% zeigt, dass der Prozess nicht vollständig selektiv war und sowohl das (R)- als auch das (S)-Epoxid in der Mischung vorhanden sind. Ein Wert von 50% ee bedeutet, dass 75% des Produktes das (R)-Enantiomer und 25% das (S)-Enantiomer ist (weil insgesamt 100% - 50% = 50%, davon die Hälfte für das weniger bevorzugte Enantiomer). Ein höherer Enantiomerenüberschuss wäre wünschenswert für eine optimierte Synthesequalität.

Aufgabe 4)

Kontext: Du hast die Aufgabe, eine mehrstufige Synthese für das Zielmolekül 3-Phenyl-2-propanol zu entwerfen. Dein Ziel ist es, von Benzol auszugehen, und mehrere Syntheseschritte durchzuführen, wobei alle notwendigen Reaktionen, Reagenzien, und Bedingungen angegeben werden müssen. Du wirst retrosynthetisch analysieren und die effizientesten Syntheserouten wählen.

a)

Teile das Zielmolekül 3-Phenyl-2-propanol retrosynthetisch in geeignete Synthone. Beschreibe detailliert die Disconnection-Methodik, die du verwendet hast, und erkläre, welche Synthonen du erhalten hast. Begründe, warum diese Disconnections sinnvoll sind.

Lösung:

Aufgabe: Teile das Zielmolekül 3-Phenyl-2-propanol retrosynthetisch in geeignete Synthone. Beschreibe detailliert die Disconnection-Methodik, die du verwendet hast, und erkläre, welche Synthonen du erhalten hast. Begründe, warum diese Disconnections sinnvoll sind.

• Retrosynthetische Analyse:
Um das Zielmolekül 3-Phenyl-2-propanol zu synthetisieren, beginnen wir mit der Retrosynthese. Dabei zerlegen wir das Molekül in kleinere, einfacher zu synthetisierende Einheiten (Synthone).
• Disconnection-Methodik:
Wir betrachten das Zielmolekül 3-Phenyl-2-propanol und identifizieren mögliche Disconnections:

• 1. Disconnection der C-O-Bindung:
Wir trennen die C-O-Bindung zwischen der Hydroxygruppe (OH) und dem Kohlenstoff am 2. Platz der Propan-Kette. Dies führt zu folgenden Synthonen:
• a) Phenylaceton (C\textsubscript{6}H\textsubscript{5}CH\textsubscript{2}-CH\textsubscript{2})
• b) Hydroxykation (OH\textsubscript{+})
Da die direkte Verwendung dieses Hydroxykations in der Synthese schwierig ist, ist diese Disconnection unwahrscheinlich hilfreich. Daher betrachten wir eine alternative Disconnection.
• 2. Disconnection der C-C-Bindung zwischen dem Benzolring und der Propan-Kette:
Diese Disconnection trennt das Molekül in folgende Synthone:
• a) Benzylaldehyd (C\textsubscript{6}H\textsubscript{5}CH=O, ein Aldehyd-Synthon)
• b) Methylmagnesiumbromid (CH\textsubscript{3}MgBr, ein Grignard-Synthon)
• Begründung der Disconnections:
• Die Wahl dieser Disconnection ist sinnvoll, weil Benzylaldehyd ein leicht zugänglicher und gängiger Synthesebaustein ist.
• Das Grignard-Reagenz (Methylmagnesiumbromid) kann leicht durch die Reaktion von Methylbromid mit Magnesium in trockenen Bedingungen hergestellt werden.
• Die Reaktionsfähigkeit des Grignard-Reagenzes mit dem Benzylaldehyd ergibt eine einfache und gut erforschte Methode zur Bildung einer C-C-Bindung unter Bildung eines sekundären Alkohols.
• Zusammenfassung der Synthone:
• Zielmolekül: 3-Phenyl-2-propanol
• Synthone: Benzylaldehyd und Methylmagnesiumbromid
• Vorteile dieser Disconnection:
• Logisch und effizient, da gut etablierte chemische Methoden wie die Grignard-Reaktion und leicht verfügbare Ausgangsmaterialien verwendet werden.
• Ermöglicht eine präzise und zielgerichtete Syntheseroute vom Ausgangsmaterial Benzol ausgehend.

b)

Basierend auf den identifizierten Synthonen, entwirf eine vollständige Synthesestrategie für die Herstellung von 3-Phenyl-2-propanol ausgehend von Benzol. Beschreibe jeden Schritt der Synthese, einschließlich der spezifischen Reaktionen, der verwendeten Reagenzien und Bedingungen. Verwende mechanistische Erklärungen, um die Auswahl jeder Reaktion zu begründen. Stelle sicher, dass die Ausbeute und Skalierbarkeit des Prozesses berücksichtigt werden.

Lösung:

Aufgabe: Basierend auf den identifizierten Synthonen, entwirf eine vollständige Synthesestrategie für die Herstellung von 3-Phenyl-2-propanol ausgehend von Benzol. Beschreibe jeden Schritt der Synthese, einschließlich der spezifischen Reaktionen, der verwendeten Reagenzien und Bedingungen. Verwende mechanistische Erklärungen, um die Auswahl jeder Reaktion zu begründen. Stelle sicher, dass die Ausbeute und Skalierbarkeit des Prozesses berücksichtigt werden.

• Retrosynthetische Analyse:
Die identifizierten Synthone sind Benzylaldehyd und Methylmagnesiumbromid. Daraus ergibt sich folgende Synthesestrategie:

• Syntheseschritte:
• 1. Schritt: Bromierung von Benzol
• Reaktion: Bromierung
• Reagenz: Brom (Br₂), Eisen(III)-bromid (FeBr₃)
• Mechanismus: Elektrophile aromatische Substitution. Das Brommolekül wird durch FeBr₃ aktiviert und elektrophil, was zu Brombenzol führt.
• Ausbeute und Skalierbarkeit: Diese Reaktion hat eine hohe Ausbeute und ist gut skalierbar in industriellen Prozessen.
• Reaktionsschemata:

  C_6H_6 + Br_2 \rightarrow C_6H_5Br + HBr \quad (in \space Gegenwart \space von \space FeBr_3)

• 2. Schritt: Friedel-Crafts-Alkylierung zu Phenylpropan
• Reaktion: Friedel-Crafts-Alkylierung
• Reagenz: Ethylchlorid (CH₃CH₂Cl), Aluminiumchlorid (AlCl₃)
• Mechanismus: Ein Ethylkation wird durch AlCl₃ generiert und verbindet sich mit dem Benzolring unter Bildung von Ethylbenzol.
• Ausbeute und Skalierbarkeit: Moderate bis hohe Ausbeute, leicht skalierbar.
• Reaktionsschemata:

  C_6H_5Br + CH_3CH_2Cl \rightarrow C_6H_5CH_2CH_3 + HCl \quad (in \space Gegenwart \space von \space AlCl_3)

• 3. Schritt: Oxidation von Ethylbenzol zu Acetophenon
• Reaktion: Oxidation
• Reagenz: Kaliumpermanganat (KMnO₄), Wasser
• Mechanismus: Das Ethylbenzol wird durch eine starke Oxidation zu Acetophenon oxidiert. Hierbei wird eine Ethylgruppe in eine Ketongruppe umgewandelt.
• Ausbeute und Skalierbarkeit: Hohe Ausbeute, skalierbar bei Anwendung geeigneter Sicherheitsmaßnahmen.
• Reaktionsschemata:

  C_6H_5CH_2CH_3 + KMnO_4 \rightarrow C_6H_5COCH_3 + MnO_2 + H_2O

• 4. Schritt: Grignard-Reaktion mit Methylmagnesiumbromid
• Reaktion: Grignard-Reaktion
• Reagenz: Methylmagnesiumbromid (CH₃MgBr), trockenes Ether
• Mechanismus: Das Grignard-Reagenz reagiert mit Acetophenon unter Bildung des sekundären Alkohols, 3-Phenyl-2-propanol.
• Ausbeute und Skalierbarkeit: Hohe Ausbeute, skalierbar unter anhydrous (wasserfreien) Bedingungen.
• Reaktionsschemata:

  C_6H_5COCH_3 + CH_3MgBr \rightarrow C_6H_5CH(OH)CH_3 + MgBrOH \quad (in \space Gegenwart \space von \space trockenem \space Ether)

• Zusammenfassung:
• Reaktionsroute: Benzol → Brombenzol → Ethylbenzol → Acetophenon → 3-Phenyl-2-propanol
• Vorteile: Effiziente und gut erforschte Reaktionen, hohe Ausbeuten und gute Skalierbarkeit.
• Durch diese detaillierte Vorgehensweise wird die Synthese des Zielmoleküls ausgehend von Benzol effizient und zielgerichtet durchgeführt.