Organic Chemistry - Cheatsheet

Reaktionsmechanismen: Übergangszustände und Zwischenprodukte

Definition:

Reaktionsmechanismen beschreiben die Schritt-für-Schritt-Abfolge chemischer Reaktionen. Übergangszustände sind energiehohe, kurzlebige Zustände auf dem Reaktionsweg. Zwischenprodukte (Intermediate) sind isolierbare chemische Spezies zwischen Anfangs- und Endprodukten.

Details:

• Übergangszustände (TS) sind auf Potentialflächen als lokale Maxima zu finden.
• TS: Symbolisiert durch eckige Klammern und Doppeldolch (\texttt{[TS]}).
• Aktivierungsenergie (\texttt{E_a}): Energiebarriere von Edukten zu TS.
• Zwischenprodukte können oft isoliert oder charakterisiert werden.
• Mehrstufige Reaktionen beinhalten meist mehrere TS und Intermediate.
• Potentialenergieprofil: Diagramm, das Energieänderungen der Reaktion zeigt.
• Hammond-Postulat: Ähnlichkeit von TS und nahegelegenen Strukturen bemessen an deren Energieniveaus.

Organische Synthese: Schutzgruppen und ihre Verwendung

Definition:

Schutzgruppen: Temporäre Schutzmechanismen für funktionelle Gruppen während Syntheseprozessen.

Details:

• Schutzgruppen verhindern unerwünschte Reaktionen an empfindlichen Stellen.
• Beispiele: Acetals für Alkohole, Boc-Gruppe für Amine.
• Schutzgruppen müssen einfach einführ- und abspaltbar sein.
• Standardreaktionen: Einführung, Spaltung, Regio-/Chemoselektivität.
• Beispiele für Spaltungsbedingungen: Sauer (H\textsubscript{3}O\textsuperscript{+}), Basis (OH\textsuperscript{-}), Reduktiv (H\textsubscript{2}/Pd).

Spektroskopie: Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) Analyse und Interpretation

Definition:

NMR: Analysemethode zur Bestimmung der Molekülstruktur durch Untersuchung der Wechselwirkungen von Atomkernen in einem Magnetfeld.

Details:

• Grundprinzip: Kernspins in einem Magnetfeld absorbieren RF-Strahlung und geben ein Signal
• Spektrometer: Magnet, RF-Sender/-Empfänger, Detektor
• Chemische Verschiebung \(\text{\textdelta}\): Position eines Signals relativ zu TMS (Referenz)
• \(\text{\textdelta} = \frac{u_{\text{Probe}} - u_{\text{TMS}}}{u_{\text{spektrum}}} \times 10^6 \)
• Kopplungskonstanten (J-Kopplung): Mehrfachaufspaltung von Signalen durch benachbarte Kerne
• Integration: Flächenverhältnisse der Signale entsprechen den Protonenanzahlen
• Multiplizität: Singulett, Dublett, Triplett, Quartett etc.
• Shifts: Abschirmung durch Elektronenumgebung beeinflusst die Lage der Signale
• Interpretation: Zusammensetzen von chemischen Verschiebungen, Kopplungen und Integrationen zur Strukturentschlüsselung
• 1H-NMR & 13C-NMR: Häufigste Arten, Protonen- und Kohlenstoff-Analyse
• DEPT, COSY, NOESY, HSQC: Erweiterte Techniken zur weitergehenden Strukturaufklärung

Stereochemie: Chiralität und Enantiomere

Definition:

Stereochemie befasst sich mit der räumlichen Anordnung von Atomen in Molekülen. Chiralität: Moleküle, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten und nicht zur Deckung gebracht werden können. Solche Moleküle besitzen ein asymmetrisches Kohlenstoffatom. Enantiomere: Stereoisomere, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten.

Details:

• Ein chirales Molekül enthält ein asymmetrisches Kohlenstoffatom (Stereozentrum).
• Enantiomere besitzen identische physikalische Eigenschaften (Schmelzpunkt, Siedepunkt), außer optische Aktivität (Drehung der polarisierten Lichtes um denselben Betrag, aber in entgegengesetzter Richtung).
• Fischer-Projektion: Methode zur Darstellung chiraler Moleküle.
• Wichtig für die biologische Aktivität von Molekülen (z.B. Arzneimittelwirkungen).
• R/S-Nomenklatur: System zur Benennung der Konfiguration von Chiralitätszentren.

Organische Synthese: C-C-Bindungsknüpfungsreaktionen

Definition:

Knüpfung von C-C-Bindungen in der organischen Synthese zur Herstellung komplexer Moleküle.

Details:

• Crucial Methoden: Aldolreaktion, Wittig-Reaktion, Mukayama-Aldolreaktion, Heck-Reaktion
• Aldolreaktion: : Addition eines Enolates an ein Aldehyd/Keton
• Wittig-Reaktion: : Reaktion von Phosphoryliden und Aldehyden/Ketonen zur Herstellung von Alkenen
• Mukayama-Aldolreaktion: : Siloxylenolether-Reaktion mit Aldehyden/Ketonen
• Heck-Reaktion: : Palladium-katalysierte Kupplung von Alkenen und Alkylhalogeniden
• Spezifische Bedingungen und Katalysatoren beeinflussen die Stereoselektivität und Ausbeute.

Stereochemie: Diastereomere und meso-Verbindungen

Definition:

Diastereomere sind Stereoisomere, die keine Enantiomere sind. Meso-Verbindungen haben trotz Stereozentren keine Chiralität wegen einer internen Spiegelebene.

Details:

• Diastereomere: Stereoisomere, die sich nicht wie Bild und Spiegelbild verhalten
• Unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften
• Meso-Verbindungen: Besitzen Stereozentren, aber sind achiral
• Interne Spiegelebene gleicht Chiralität aus
• z.B. 2,3-Butandiol, cis-Form ist meso, trans-Form sind Diastereomere
• Für Diastereomere mit n Stereozentren: Maximal mögliche Anzahl: $ 2^n $
• Meso-Verbindungen reduzieren diese Anzahl

Biomoleküle: Strukturen und Eigenschaften von Aminosäuren und Proteinen

Definition:

Bedeutung von Aminosäuren und Proteinen in biologischen Prozessen und ihre chemischen Eigenschaften.

Details:

• Aminosäuren: Grundbausteine von Proteinen, zwitterionische Natur
• Struktur der Aminosäuren: Zentrales Kohlenstoffatom (\textbf{C}\textsubscript{\textalpha}), an das eine Aminogruppe (\textbf{-NH}\textsubscript{2}), eine Carboxylgruppe (\textbf{-COOH}), ein Wasserstoffatom (\textbf{-H}) und eine variable Seitenkette (\textbf{R}) gebunden sind
• Isoelektrischer Punkt: pH-Wert, bei dem die Aminosäure elektrisch neutral ist
• Peptidbindung: Verknüpfung zweier Aminosäuren durch Kondensationsreaktion, Bildung von \textbf{C-N}-Bindung
• Proteinstrukturen: Primär (Aminosäuresequenz), Sekundär (alpha-Helices, beta-Faltblätter), Tertiär (3D-Anordnung), Quartär (Anordnung mehrerer Polypeptidketten)
• Eigenschaften: Löslichkeit, elektrische Ladung, Wasserstoffbrückenbindungen, van-der-Waals-Kräfte, hydrophobe Wechselwirkungen

Reaktionsmechanismen: Kinetische vs. thermodynamische Kontrolle

Definition:

kinetische Kontrolle: Produktbildung hängt von Reaktionsgeschwindigkeit ab; thermodynamische Kontrolle: Produktstabilität bestimmt das Gleichgewicht

Details:

• Bei kinetischer Kontrolle dominiert das schneller gebildete Produkt, oft unabhängig von dessen Stabilität
• Bei thermodynamischer Kontrolle dominiert das stabile Produkt, Gleichgewichtszustand wird erreicht
• Übergangszustände und Aktivierungsenergien relevant für kinetische Kontrolle
• Temperatur kann beeinflussen, ob kinetische oder thermodynamische Kontrolle vorherrscht
• Beispiel: Addition von HBr an 1,3-Butadien:
• kinetische Produkt: 3-Brom-1-butene (bei niedriger Temperatur),thermodynamische Produkt: 1-Brom-2-butene (bei höherer Temperatur)