Organic Chemistry laboratory - Exam

Aufgabe 1)

Im Rahmen des Laborkurses für Organische Chemie sollst Du ein unbekanntes organisches Molekül identifizieren. Dafür stehen Dir verschiedene Funktionstests und analytische Methoden zur Verfügung. Das Molekül enthält höchstens vier funktionelle Gruppen der oben genannten Klassifizierungen. Die Substanz weist eine geringe Wasserlöslichkeit, aber eine hohe Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln auf. Bei der Extraktion mit einer verdünnten Natronlauge (NaOH) wird eine klare wässrige Phase erhalten.

a)

Bestimme anhand der oben beschriebenen Eigenschaften und Reaktionen die möglichen funktionellen Gruppen, die in der unbekannten Substanz enthalten sein könnten. Begründe Deine Auswahl mit chemischen Erkenntnissen und logischen Schlussfolgerungen.

Lösung:

Bestimmung der möglichen funktionellen Gruppen:Um die möglichen funktionellen Gruppen der unbekannten Substanz zu bestimmen, analysieren wir die gegebenen Informationen im Detail:

• Geringe Wasserlöslichkeit, aber hohe Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln:Dies deutet darauf hin, dass das Molekül überwiegend unpolare oder schwach polare funktionelle Gruppen enthalten könnte. Unpolare Gruppen wie Alkane, Alkene, Alkine und aromatische Ringe sind bekannt dafür, in organischen Lösungsmitteln gut löslich zu sein, aber nicht in Wasser.
• Extraktion mit verdünnter Natronlauge (NaOH):Die Bildung einer klaren wässrigen Phase nach der Extraktion mit verdünnter NaOH zeigt, dass die Substanz eine funktionelle Gruppe besitzt, die deprotoniert werden kann. Dies deutet auf säurehaltige Gruppen wie Carbonsäuren oder Phenole hin, die in einer basischen Lösung (wie NaOH) in ihre Anionenform übergehen und dadurch wasserlöslich werden.

Folgerung der möglichen funktionellen Gruppen:1. Carbonsäuren (–COOH):Carbonsäuren sind in wässriger Lösung teilweise dissoziiert, und ihre saure Eigenschaft ermöglicht die Reaktion mit NaOH zur Bildung eines Carboxylatanions, das in Wasser löslich ist.2. Phenole (–OH an einem aromatischen Ring):Phenole enthalten eine Hydroxylgruppe an einem aromatischen Ring und können mit NaOH reagieren, um Phenolate zu bilden, die wasserlöslich sind.3. Enole und vinyloge Carbonsäuren:Diese Verbindungen haben die Strukturformel \text{>C=CH–OH}, die ebenfalls in der Lage sind, mit NaOH zu reagieren und eine deprotonierteForm zu bilden, die in Wasser löslich ist.Auf Basis dieser chemischen Erkenntnisse und logischen Schlussfolgerungen könnten die in der unbekannten Substanz enthaltenen funktionellen Gruppen also Carbonsäuren, Phenole oder Enole (vinyloge Carbonsäuren) sein. Zusätzliche analytische Methoden wie Infrarotspektroskopie (IR), Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) oder Massenspektrometrie (MS) könnten zur weiteren Verifizierung und genauen Identifizierung der funktionellen Gruppen verwendet werden.

b)

Die wässrige Phase nach der Extraktion mit Natronlauge wird titrimetrisch untersucht und weist einen Verbrauch von 25.00 mL einer 0.100 M Salzsäure (HCl) Lösung auf. Berechne die Anzahl der zugehörigen funktionellen Gruppen in dem Molekül und gib die entsprechende Gleichung an, die diesen Zusammenhang beschreibt. Nutze die folgende Reaktionsgleichung: \(R-COOH + NaOH \rightarrow R-COONa + H_2O\)

Lösung:

Berechnung der Anzahl der funktionellen Gruppen (Carboxylgruppen) im Molekül:Um die Anzahl der Carboxylgruppen im unbekannten Molekül zu bestimmen, verwenden wir die Daten aus der Titration und die vorgegebene Reaktionsgleichung. Folgende Schritte sind notwendig:1. Gegebene Daten:

• Volumen der verbrauchten HCl-Lösung: 25,00 mL = 0,025 L
• Konzentration der HCl-Lösung: 0,100 M

2. Berechnung der Stoffmenge von HCl:Berechnung der Anzahl der Mol HCl, die verbraucht wurden, um die wässrige Phase zu titrieren:

• Die Formel lautet: \( n_{HCl} = c_{HCl} \times V_{HCl} \)
• Anzahl der Mol HCl: \( n_{HCl} = 0,100 \text{ M} \times 0,025 \text{ L} = 0,0025 \text{ Mol} \)

3. Analyse der Reaktionsgleichung:Die gegebene Reaktionsgleichung lautet:R-COOH + NaOH \rightarrow R-COONa + H_2ODiese Gleichung zeigt, dass ein Mol Carbonsäure (R-COOH) mit einem Mol Natronlauge (NaOH) reagiert, um ein Mol Carboxylat (R-COONa) und Wasser (H_2O) zu bilden.4. Bestimmung der Menge an NaOH:Da HCl die gleiche Menge an NaOH neutralisiert hat, bedeutet dies, dass die Anzahl der Mol NaOH der Anzahl der Mol HCl entspricht:

• Anzahl der Mol NaOH: \ n_{NaOH} = 0,0025 \text{ Mol} \

5. Bestimmung der Anzahl der Carboxylgruppen:Weil jede Carboxylgruppe (R-COOH) in der Substanz eine äquivalente Menge an NaOH neutralisiert hat, ist die Anzahl der Mol NaOH gleich der Anzahl der Carboxylgruppen in der Probe.

• Anzahl der Mol Carboxylgruppen (R-COOH): \ n_{R-COOH} = 0,0025 \text{ Mol} \

6. Zusammenfassung:Die unbekannte Substanz enthält somit 0,0025 Mol Carboxylgruppen.Also, die Anzahl der Carboxylgruppen (R-COOH) im unbekannten Molekül beträgt 0,0025 Mol.

Aufgabe 2)

In einem organischen Laboratorium sollen verschiedenen unbekannten Substanzen auf ihre funktionellen Gruppen untersucht werden. Folgendes Reagenzien und Tests stehen zur Verfügung:

• 2,4-Dinitrophenylhydrazin
• Lucas-Reagenz
• Chromsäure
• Ninhydrin
• Fehling-Lösung
• Tollens-Reagenz
• Bromwasser
• Natronlauge (NaOH)
• Zusätzlich ist bekannt, dass die Substanzen keine Gemische sind, sondern reine chemische Verbindungen.

a)

Aldehyde und Ketone: Du hast eine unbekannte Substanz, die du mit 2,4-Dinitrophenylhydrazin testen möchtest. Beschreibe den Ablauf des Experiments und welche Beobachtungen du machst, wenn die Substanz ein Aldehyd oder Keton ist. Warum ist dieser Test spezifisch für Aldehyde und Ketone?

Lösung:

Aldehyde und Ketone: Du hast eine unbekannte Substanz, die du mit 2,4-Dinitrophenylhydrazin testen möchtest. Beschreibe den Ablauf des Experiments und welche Beobachtungen du machst, wenn die Substanz ein Aldehyd oder Keton ist. Warum ist dieser Test spezifisch für Aldehyde und Ketone?

Um den Test mit 2,4-Dinitrophenylhydrazin durchzuführen, gehe wie folgt vor:

• Bereite eine Lösung der unbekannten Substanz in einem geeigneten Lösungsmittel (z.B. Ethanol oder Wasser) vor.
• Gib eine kleine Menge der 2,4-Dinitrophenylhydrazin-Reagenzlösung zu der Probe hinzu.
• Mische die Lösung gründlich und beobachte die Veränderungen.

Beobachtungen:

• Wenn die unbekannte Substanz ein Aldehyd oder Keton ist, entsteht ein gelber, orangener oder roter Niederschlag (das Dinitrophenylhydrazon).
• Dieser Farbumschlag tritt auf, weil 2,4-Dinitrophenylhydrazin mit der Carbonylgruppe (-C=O) der Aldehyde und Ketone reagiert und ein Hydrazon bildet, das farbig ist.

Erklärung:

Der Test ist spezifisch für Aldehyde und Ketone, weil 2,4-Dinitrophenylhydrazin spezifisch mit der Carbonylgruppe dieser Verbindungen reagiert. Andere funktionelle Gruppen wie Alkohole, Ester, oder Amine haben diese Carbonylgruppe nicht und reagieren daher nicht auf die gleiche Weise, wodurch keine farbige Reaktion beobachtet wird.

b)

Alkohole: Ein anderer Testkandidat ist ein Alkohol. Du entscheidest dich, sowohl den Lucas-Test als auch den Chromsäure-Test durchzuführen. Beschreibe die erwarteten Beobachtungen für primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole bei beiden Tests. Wie unterscheiden sich die Ergebnisse und was bedeuten sie?

Zusatzfrage: Berechne die Molmasse eines primären Alkohols (Methanol) und eines tertiären Alkohols (tert-Butanol). Zeige deine Berechnungsschritte.

Lösung:

Alkohole: Ein anderer Testkandidat ist ein Alkohol. Du entscheidest dich, sowohl den Lucas-Test als auch den Chromsäure-Test durchzuführen. Beschreibe die erwarteten Beobachtungen für primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole bei beiden Tests. Wie unterscheiden sich die Ergebnisse und was bedeuten sie?

Lucas-Test

Der Lucas-Test verwendet das Lucas-Reagenz (eine Mischung aus konz. HCl und ZnCl₂), um die Reaktivität von Alkoholen zu testen.

• Primäre Alkohole: Reagieren sehr langsam oder gar nicht mit dem Lucas-Reagenz. Es tritt keine Trübung auf.
• Sekundäre Alkohole: Reagieren mäßig schnell und bilden innerhalb von 5 bis 10 Minuten eine Trübung oder Emulsion.
• Tertiäre Alkohole: Reagieren sofort und bilden eine sofortige Trübung oder Emulsion.

Chromsäure-Test

Der Chromsäure-Test verwendet Chromsäure (H₂CrO₄, oft als Kali dichromat in Schwefelsäure gelöst), um Alkohole zu oxidieren.

• Primäre Alkohole: Werden zu Aldehyden oxidiert und weiter zu Carbonsäuren. Die orangene Chromsäurelösung wird grün (Chrom(III)-ionen).
• Sekundäre Alkohole: Werden zu Ketonen oxidiert. Die orangene Chromsäurelösung wird grün (Chrom(III)-ionen).
• Tertiäre Alkohole: Reagieren nicht mit Chromsäure, da tertiäre Alkohole nicht weiter oxidiert werden können. Die Farbe der Lösung bleibt unverändert (orange).

Zusatzfrage: Berechnung der Molmasse

Methanol (CH₃OH)

• C: 1 × 12.01 g/mol
• H: 4 × 1.01 g/mol
• O: 1 × 16.00 g/mol
• Molmasse: 12.01 + 4.04 + 16.00 = 32.05 g/mol

tert-Butanol ((CH₃)₃COH)

• C: 4 × 12.01 g/mol
• H: 10 × 1.01 g/mol
• O: 1 × 16.00 g/mol
• Molmasse: 48.04 + 10.10 + 16.00 = 74.14 g/mol

Die Molmassen von Methanol und tert-Butanol sind somit 32.05 g/mol und 74.14 g/mol.

Aufgabe 3)

Radikalische Substitution und AdditionRadikalische Substitution: Ein Wasserstoffatom oder eine funktionelle Gruppe in einem Molekül wird durch ein Radikal ersetzt. Radikalische Addition: Ein Radikal wird an ein Molekül mit einer Doppel- oder Dreifachbindung angefügt.

• Initiation: Erzeugung von Radikalen durch homolytische Spaltung eines Reagenz (z.B. UV-Licht).
• Propagation: Kettenreaktion, bei der Radikale die Substitution oder Addition anregen.
• Termination: Zwei Radikale kombinieren und beenden die Kettenreaktion.
• Beispiel Substitution: Chlorierung von Methan
• Beispiel Addition: Addition von HBr an Ethylen
• Reaktionsgleichung Substitution:\[ \text{CH}_4 + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{CH}_3\text{Cl} + \text{HCl} \]
• Reaktionsgleichung Addition:\[ \text{C}_2\text{H}_4 + \text{HBr} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Br} \]

a)

Beschreibe die drei Schritte der Chlorierung von Methan im Detail (Initiation, Propagation, Termination). Welche Rolle spielt das UV-Licht in der Initiation?

Lösung:

Beschreibung der drei Schritte der Chlorierung von Methan im DetailChlorierung von Methan ist ein Beispiel für radikalische Substitution, die in drei Schritten abläuft: Initiation, Propagation und Termination.

• Initiation: In diesem Schritt werden Radikale erzeugt. Das passiert durch die homolytische Spaltung eines Reagenz, häufig ausgelöst durch UV-Licht. Hierbei spaltet sich ein Chlormolekül (\text{Cl}_2) in zwei Chlor-Radikale (\text{Cl}·) auf. Das UV-Licht liefert die benötigte Energie, um die molekularen Bindungen zu brechen.Die Reaktion lautet: \text{Cl}_2 \rightarrow 2 \text{Cl}·
• Propagation: In der Propagationsphase findet eine Kettenreaktion statt, bei der die Radikale fortlaufend weitere Reaktionen auslösen. Zwei Hauptschritte sind hier zu beachten:1. Ein Chlor-Radikal reagiert mit einem Methanmolekül (\text{CH}_4), wobei ein Methyl-Radikal (\text{CH}_3·) und Chlorwasserstoff (\text{HCl}) entstehen.Die Reaktion lautet:\text{CH}_4 + \text{Cl}· \rightarrow \text{CH}_3· + \text{HCl}2. Das Methyl-Radikal reagiert dann mit einem weiteren Chlormolekül (\text{Cl}_2), wobei Chlormethan (\text{CH}_3\text{Cl}) und ein weiteres Chlor-Radikal (\text{Cl}·) entstehen. Die Reaktion lautet:\text{CH}_3· + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{CH}_3\text{Cl} + \text{Cl}·Diese beiden Reaktionen setzen sich fort, bis die Radikale aufgebraucht sind oder ein Terminationsschritt eintritt.
• Termination: Bei der Termination kombinieren zwei Radikale miteinander und beenden die Kettenreaktion, indem sie stabile Produkte bilden. Es gibt mehrere mögliche Terminationsreaktionen:1. Zwei Chlor-Radikale können sich gegenseitig neutralisieren und Chlormoleküle (\text{Cl}_2) bilden.Die Reaktion lautet:2 \text{Cl}· \rightarrow \text{Cl}_22. Zwei Methyl-Radikale können sich verbinden und Ethan (\text{C}_2\text{H}_6) bilden.Die Reaktion lautet:2 \text{CH}_3· \rightarrow \text{C}_2\text{H}_63. Ein Methyl-Radikal und ein Chlor-Radikal können sich verbinden und Chlormethan (\text{CH}_3\text{Cl}) bilden.Die Reaktion lautet:\text{CH}_3· + \text{Cl}· \rightarrow \text{CH}_3\text{Cl}

Rolle des UV-Lichts in der Initiation:Das UV-Licht spielt eine entscheidende Rolle in der Initiationsphase, indem es die Energie bereitstellt, die benötigt wird, um die Bindungen im Chlormolekül (\text{Cl}_2) zu brechen. Durch die Absorption von UV-Licht wird das Chlormolekül in zwei reaktive Chlor-Radikale gespalten. Ohne dieses Licht und die dadurch zugeführte Energie würde die Reaktion nicht starten können.

b)

Berechne die theoretische Ausbeute an Bromethan (\( \text{C}_2\text{H}_5\text{Br} \)) in Gramm, wenn 1 Mol Ethylen (\( \text{C}_2\text{H}_4 \)) mit einem Überschuss an HBr reagiert. Verwende die molare Masse von Ethylen (\( \text{C}_2\text{H}_4 \): 28 g/mol) und Bromethan (\( \text{C}_2\text{H}_5\text{Br} \): 109 g/mol).

Lösung:

Berechnung der theoretischen Ausbeute an Bromethan (\(\mathrm{C_2H_5Br}\))Um die theoretische Ausbeute an Bromethan in Gramm zu berechnen, können wir die folgenden Schritte ausführen:

• Die gegebene Reaktionsgleichung für die radikalische Addition lautet:\( \mathrm{C_2H_4 + HBr \rightarrow C_2H_5Br} \)
• In dieser Reaktion reagiert 1 Mol Ethylen (\(\mathrm{C_2H_4}\)) mit einem Überschuss an HBr zu 1 Mol Bromethan (\(\mathrm{C_2H_5Br}\)). Das bedeutet, dass 1 Mol Ethylen vollständig zu 1 Mol Bromethan umgewandelt wird.
• Die molare Masse von Ethylen (\(\mathrm{C_2H_4}\)) beträgt 28 g/mol, und die molare Masse von Bromethan (\(\mathrm{C_2H_5Br}\)) beträgt 109 g/mol.
• Da 1 Mol Ethylen in 1 Mol Bromethan umgewandelt wird, beträgt die theoretische Ausbeute an Bromethan:\[ \text{theoretische Ausbeute an Bromethan} = (1 \text{ Mol}) \times (109 \mathrm{\frac{g}{mol}}) = 109 \text{ g} \]

Also beträgt die theoretische Ausbeute an Bromethan 109 Gramm, wenn 1 Mol Ethylen mit einem Überschuss an HBr reagiert.

Aufgabe 4)

Nukleophile Substitution und EliminationNukleophile Substitution (S_N1, S_N2) und Elimination (E1, E2) sind wichtige Reaktionstypen in der organischen Chemie, die den Austausch von Atomen oder Atomgruppen (Substitution) oder die Entfernung von Atomen oder Atomgruppen (Elimination) betreffen.

• S_N1: einstufig; Geschwindigkeitsbestimmender Schritt ist die Bildung eines Carbokations
• S_N2: zweistufig; nukleophiler Angriff und Austritt der Abgangsgruppe erfolgen gleichzeitig
• E1: zweistufig; Zuerst Bildung eines Carbokations, dann Deprotonierung zur Bildung der Doppelbindung
• E2: einstufig; gleichzeitig auftretende Deprotonierung und Austritt der Abgangsgruppe
• Reaktionsgeschwindigkeit S_N1 und E1 hängt nur von der Konzentration des Substrats ab
• Reaktionsgeschwindigkeit S_N2 und E2 hängt von der Konzentration des Substrats und des Nukleophils bzw. Base ab
• Polare, protische Lösungsmittel stabilisieren Carbokationen und begünstigen S_N1 und E1
• Polare, aprotische Lösungsmittel begünstigen S_N2 und E2

a)

Führe eine detaillierte mechanistische Analyse der folgenden Reaktion durch: Substitution von tert-butyl-bromid mit WasserZeichne den Reaktionsmechanismus und erkläre, warum die Reaktion nach einem S_N1-Mechanismus verläuft. Welche Rolle spielt das Lösungsmittel in dieser Reaktion?

Lösung:

Substitution von tert-butyl-bromid mit Wasser: Eine detaillierte mechanistische Analyse

• Einführung:

Bei der Reaktion von tert-butyl-bromid mit Wasser handelt es sich um eine nukleophile Substitution (S_N1). Diese Art von Reaktion verläuft in mehreren Schritten. Hier sind die Schritte detailliert beschrieben, warum es zu einem S_N1-Mechanismus kommt und welche Rolle das Lösungsmittel spielt.

• 1. Bildung des Carbokations:

Zunächst verlässt die Abgangsgruppe (Bromid-Ion) das tert-Butyl-Bromid-Molekül und bildet ein stabilisiertes Carbokation. Der tertiäre Kohlenstoff, an den das Brom gebunden ist, bildet ein tertiäres Carbokation, da es von drei Alkylgruppen stabilisiert wird.

• Reaktionsmechanismus:

     Br                  + Br-     |    C+ --- C(CH3)3  ----> (CH3)3C+ --- Br     |   (CH3)3

• 2. Angriff des Nukleophils (Wasser):

Im zweiten Schritt greift das Wassermolekül als Nukleophil das Carbokation an. Das Sauerstoffatom des Wassers hat freies Elektronenpaar, das es nutzt, um eine Bindung mit dem positiv geladenen Kohlenstoff zu bilden.

• Reaktionsmechanismus:

     H2O      |+    C- OH2+ (CH3)3C+ ---> (CH3)3C+ --- OH2       |   (CH3)3

• 3. Deprotonierung:

Im letzten Schritt gibt das gebundene Wassermolekül ein Proton ab, um das Endprodukt, das tert-Butanol, zu bilden. Das Proton wird von einer Basis im Lösungsmittel aufgenommen.

• Reaktionsmechanismus:

     H+      |    C- OH (CH3)3C NOSUP ---> (CH3)3C --- OH + H+      |   (CH3)3

• Rolle des Lösungsmittels:

• Polare, protische Lösungsmittel:

In diesem Fall spielt Wasser sowohl die Rolle des Nukleophils als auch des Lösungsmittels. Da S_N1-Reaktionen über ein Carbokation vermittelt werden, sind polare, protische Lösungsmittel vorteilhaft. Sie stabilisieren die Zwischenstufe des Carbokations durch Solvatisierung und erleichtern so die Bildung und Stabilisierung des Carbokations. Wasser ist ein polares, protisches Lösungsmittel, das diese Funktion gut erfüllt.Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Substitution von tert-butyl-bromid mit Wasser nach einem S_N1-Mechanismus verläuft. Der zweistufige Mechanismus (Bildung des Carbokations und nukleophiler Angriff) und die Rolle des polaren, protischen Lösungsmittels (Wasser) sind entscheidend für den Reaktionsverlauf.

b)

Berechne die Reaktionsgeschwindigkeit für die folgende E2-Reaktion:Eliminierung von 2-Bromopropan mit Kaliumhydroxid in DMSODie Konzentration von 2-Bromopropan beträgt 0,1 M und die Konzentration von KOH beträgt 0,05 M. Der Geschwindigkeitskoeffizient k für diese Reaktion ist 0,02 s^-1. Verwende die Rate-Gleichung und berechne die Geschwindigkeit der Reaktion.

Lösung:

Berechnung der Reaktionsgeschwindigkeit für die E2-Reaktion: Eliminierung von 2-Brompropan mit Kaliumhydroxid in DMSO

• Einführung:

Die E2-Reaktion (eliminative bimolekulare Reaktion) ist ein einstufiger Prozess, bei dem die Deprotonierung durch eine Base und der Austritt der Abgangsgruppe gleichzeitig erfolgen. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt sowohl von der Konzentration des Substrats als auch von der Konzentration der Base ab.

• Gegebene Daten:

• Konzentration von 2-Brompropan, \([C_2H_5Br] = 0,1 \text{ M}\)
• Konzentration von KOH, \([KOH] = 0,05 \text{ M}\)
• Geschwindigkeitskoeffizient, \(\text{k} = 0,02 \text{s}^{-1}\)

• Rate-Gleichung für die E2-Reaktion:

Die allgemeine Rate-Gleichung für eine E2-Reaktion ist:\[ \text{Rate} = \text{k} [\text{Substrat}] [\text{Base}] \]

• Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit:

Nun setzen wir die gegebenen Konzentrationen in die Rate-Gleichung ein:\[ \text{Rate} = 0,02 \text{s}^{-1} \times 0,1 \text{ M} \times 0,05 \text{ M} \]\[ \text{Rate} = 0,02 \text{s}^{-1} \times 0,005 \text{ M}^2 \]\[ \text{Rate} = 0,0001 \text{M s}^{-1} \]Die Reaktionsgeschwindigkeit für die Eliminierung von 2-Brompropan mit Kaliumhydroxid in DMSO beträgt \(0,0001 \text{M s}^{-1}\)

c)

Vergleiche die möglichen Produkte und deren prozentuale Verteilungen für eine E1- und eine E2-Reaktion von 2-Methyl-2-butan mit H₂SO₄ als Lösungsmittel. Welche Reaktion führt zur Bildung welches Hauptprodukt? Begründe Deine Antwort basierend auf der Stabilität der Zwischenprodukte.

Lösung:

Vergleich der möglichen Produkte und deren Verteilungen bei E1- und E2-Reaktionen von 2-Methyl-2-butan mit H₂SO₄ als Lösungsmittel

Einführung:Nukleophile Substitution und Eliminierungen sind zentrale Themen in der organischen Chemie. Bei der Reaktion von 2-Methyl-2-butan (auch tert-Butylmethan genannt) mit Schwefelsäure (H₂SO₄) können sowohl E1- als auch E2-Reaktionen ablaufen, jedoch führen sie zu unterschiedlichen Produkten und Verteilungen.

• E1-Reaktion

Die E1-Reaktion (eliminative unimolekulare Reaktion) erfolgt in zwei Schritten: zunächst die Bildung eines Carbokations (langsamer, geschwindigkeitsbestimmender Schritt), gefolgt von der Deprotonierung zur Bildung einer Doppelbindung.Mechanismus:1. Abgang der Abgangsgruppe (z.B. Bromid) und Bildung eines stabilen tertiären Carbokations:

     (CH3)3C-Br  → (CH3)3C+ + Br-

2. Deprotonierung durch H₂SO₄ (oder durch Basen im Lösungsmittel) und Bildung der Doppelbindung:

     (CH3)3C+  → (CH3)2C=CH2 + H+(2-Methyl-2-buten)

Die Stabilität des tertiären Carbokations fördert die Bildung des stabileren Alkens, 2-Methyl-2-buten.

• E2-Reaktion

Die E2-Reaktion (eliminative bimolekulare Reaktion) ist ein einstufiger Prozess, bei dem die Deprotonierung durch die Base und der Austritt der Abgangsgruppe gleichzeitig erfolgen.Mechanismus:1. Simultane Deprotonierung und Abgang der Abgangsgruppe:

     (CH3)3C-Br + HSO4- → (CH3)2C=CH2 + HBr + H2SO4

Die E2-Reaktion bildet ebenfalls vorzugsweise 2-Methyl-2-buten als Hauptprodukt, da dieses Alken stabiler ist als 2-Methyl-1-buten aufgrund der höheren Substitution an der Doppelbindung.

• Vergleich der Produkte und deren Verteilung:

Beide Mechanismen begünstigen die Bildung von 2-Methyl-2-buten als Hauptprodukt.

• E1-Reaktion:

• Hauptprodukt: 2-Methyl-2-buten (wegen der Stabilität des tertiären Carbokations)• Nebeprodukte: Sehr gering oder vernachlässigbar

• E2-Reaktion:

• Hauptprodukt: 2-Methyl-2-buten (wegen der Stabilität der höher substituierten Doppelbindung)• Nebenprodukte: 2-Methyl-1-buten (geringere Menge, da weniger stabil)

• Schlussfolgerung:

• Für die E1-Reaktion: Da das tertiäre Carbokation sehr stabil ist, ist 2-Methyl-2-buten das Hauptprodukt.• Für die E2-Reaktion: Hier hängt die Produktverteilung von der Base ab, aber auch hier ist 2-Methyl-2-buten das bevorzugte Produkt aufgrund der höheren Stabilität der mehr substituierten Doppelbindung.Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl E1- als auch E2-Reaktionen 2-Methyl-2-buten als Hauptprodukt produzieren, wobei die E1-Reaktion einen einfacheren Zugang durch die Stabilität des Carbokations bietet.

d)

Diskutiere die Auswirkung der Verwendung polarer, aprotischer Lösungsmittel auf die Reaktionsgeschwindigkeit und selektivität der folgenden S_N2-Reaktion:Reaktion von Chloracetat mit Natriumazid in AcetonitrilWie würde sich die Geschwindigkeit der Reaktion und das Produkt ändern, wenn ein polares, protisches Lösungsmittel verwendet würde?

Lösung:

Auswirkung polarer, aprotischer Lösungsmittel auf die Reaktionsgeschwindigkeit und Selektivität der S_N2-Reaktion:

Reaktion von Chloracetat mit Natriumazid in Acetonitril

• Bei einer S_N2-Reaktion handelt es sich um einen bimolekularen Substitutionsmechanismus.
• Der nukleophile Angriff und der Austritt der Abgangsgruppe erfolgen gleichzeitig und in einem Schritt.

• Gegebene Reaktion:

Chloracetat reagiert mit Natriumazid (NaN₃) in einem polaren, aprotischen Lösungsmittel wie Acetonitril (CH₃CN).

 Cl-CH2-COO- + NaN3 → N3-CH2-COO- + NaCl 

• Auswirkung eines polaren, aprotischen Lösungsmittels:

Polare, aprotische Lösungsmittel wie Acetonitril stabilisieren das geladenen Reaktionszentrum und erhöhen die Nukleophilie des azide Anions (N₃^-), da sie nicht an Wasserstoffbindungen an nukleophile Zentren beteiligt sind.1. Reaktionsgeschwindigkeit:Das polare, aprotische Lösungsmittel stabilisiert den Übergangszustand der S_N2-Reaktion. • Die starke Stabilisierung des Übergangszustands erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit. • Erhöhter Zugang des chloracetaten Ions erhöht die Reaktivität des nukleophiles (N₃^-).2. Selektivität und Produktbildung:• Erhöhte Selektivität für S_N2-Mechanismus: Das zusätzliche mechanische und elektronische Stabilität verringert Rückreaktionen erheblich und führt zur bevorzugten Bildung von N₃-CH₂-COO^-.• In polaren, aprotische Lösungsmittel werden keine Nebenreaktionen wie Eliminationsreaktionen bevorzugt.

• Verwendung eines polarer, protischer Lösungsmittels:

Wenn das Lösungsmittel in eine polare, protische Substanz (z.B. Wasser oder Methanol) ändert, ändern sich die Eigenschaften der Reaktionsumgebung beträchtlich.1. Reaktionsgeschwindigkeit: • Polare, protische Lösungsmittel verringern Stück Stabilität des nukleophen Übergangszustands, da sie in Wasserstoffbindungen eingeschlossen werden. • Die Reaktionsgeschwindigkeit verlangsamt und führt zu verminderten Reaktivität.2. Selektivität und Produktbildung:• S_N1-Mechanismus wird begünstigt durch Stabilisierung diesen polaren Protischer Übergangszustand.• Verminderte Bildung der gewünschten Produkte (N₃-CH₂-COO^-).• Erhöhte Rate von potentiellen unerwünschten byproducts begünstigt selektive RéacRéactions.Zusammenfassung:• Polare, aprotische Lösungsmittel wie Acetonitril erhöhen die Hottransaktionsgeschwindigkeit und die Selektivität einer S_N2-Reaktion, da sie den Übergangszustand stabilisieren, während die kombinierte nukleophile Reaktivität verstärkt.• Polare, protische Lösungsmittel wie Wasser verhindern möglicherweise optimaler stabilisiert fördern, werden dann alternative Mechanismen bevorzugt trotz ihrer bechirte Reaktivität und Produktform.