Organic Chemistry - Exam

Aufgabe 1)

Reaktionsmechanismen beschreiben die Schritt-für-Schritt-Abfolge chemischer Reaktionen, wobei Übergangszustände (TS) und Zwischenprodukte (Intermediate) eine wesentliche Rolle spielen. Übergangszustände sind energiehohe, kurzlebige Zustände auf dem Reaktionsweg und werden als lokale Maxima auf Potentialflächen dargestellt. Zwischenprodukte sind isolierbare chemische Spezies zwischen Anfangs- und Endprodukten. Ein Potentialenergieprofil veranschaulicht die Energieänderungen während der Reaktion und das Hammond-Postulat besagt, dass ein Übergangszustand der Struktur energetisch nahegelegener Spezies ähnelt.

a)

(a) Zeichne und erkläre das Potentialenergieprofil für die Reaktion von A zu B, die über zwei Zwischenprodukte verläuft. Markiere auf dem Diagramm die Übergangszustände und benenne die Aktivierungsenergie (\texttt{E_a}) für jeden Reaktionsschritt.

Lösung:

(a) Zeichne und erkläre das Potentialenergieprofil für die Reaktion von A zu B, die über zwei Zwischenprodukte verläuft. Markiere auf dem Diagramm die Übergangszustände und benenne die Aktivierungsenergie (E_a) für jeden Reaktionsschritt.Um das Potentialenergieprofil zu zeichnen, folge diesen Schritten:

• Achsen zeichnen: Zeichne zwei Achsen: Die vertikale Achse repräsentiert die Energie und die horizontale Achse den Reaktionsfortschritt.
• Startpunkt und Endpunkt: Markiere den Anfangszustand (A) und den Endzustand (B) auf der linken bzw. rechten Seite der horizontalen Achse.
• Zwischenprodukte: Zeichne zwei lokale Minima zwischen A und B, die die beiden Zwischenprodukte darstellen. Zwischen jedem Zwischenprodukt gibt es lokale Maxima, die die Übergangszustände (TS1 und TS2) darstellen.
• Übergangszustände kennzeichnen: Markiere die hohen Punkte als Übergangszustände (TS1 und TS2).
• Aktivierungsenergien benennen: Benenne die Aktivierungsenergien (E_a1 und E_a2) für die jeweiligen Reaktionsschritte. Diese sind die Energiedifferenzen zwischen den Zwischenprodukten und den Übergangszuständen.

Das Diagramm könnte wie folgt aussehen:

\r        Energie\r          ^\r          |                                     TS2\r          |                                    /\r  Ea1  |                   TS1         /  \r          |                  /  \ /    \r  ------|-----A----/       \----Intermediate 2 \r          |                /                \r  Ea2  |       /                    \r          |      /                       \r  ------|Intermediate 1                  --- B\r          |\r          -----------------------------------> Reaktionsfortschritt\r

• Der Startpunkt (A) repräsentiert die Ausgangsstoffe.
• Die beiden lokalen Minima repräsentieren die Zwischenprodukte.
• Die hohen Punkte (TS1 und TS2) sind die Übergangszustände.
• Die Endpunkte (B) repräsentieren die Endprodukte.
• Die horizontalen Differenzen zwischen den Anfangszuständen und den Übergangszuständen sind die Aktivierungsenergien (E_a1 und E_a2).

b)

(b) Beschreibe das Hammond-Postulat und erkläre, wie es auf die Übergangszustände in der eben gezeichneten Reaktion angewendet werden kann.

Lösung:

(b) Beschreibe das Hammond-Postulat und erkläre, wie es auf die Übergangszustände in der eben gezeichneten Reaktion angewendet werden kann.

• Hammond-Postulat: Das Hammond-Postulat besagt, dass der Übergangszustand einer chemischen Reaktion der Struktur jener Spezies ähnelt, die ihm energetisch am nächsten liegt. Dies bedeutet, dass für exergonische Reaktionen (Reaktionen, die Energie freisetzen) der Übergangszustand eher den Reaktanten ähnelt, während für endergonische Reaktionen (Reaktionen, die Energie benötigen) der Übergangszustand eher den Produkten ähnelt.
• Anwendung auf die gezeichnete Reaktion: In der gezeichneten Reaktion von A zu B, die über zwei Zwischenprodukte verläuft, bedeutet dies:
• Übergangszustand 1 (TS1): Die Struktur von TS1 wird jener des ersten Zwischenprodukts näher sein, wenn der erste Reaktionsschritt exergonisch ist. Andernfalls wird TS1 der Struktur von A näher sein, wenn der Schritt endergonisch ist.
• Übergangszustand 2 (TS2): Die Struktur von TS2 wird jener des zweiten Zwischenprodukts oder der Endprodukte (B) näher sein, abhängig davon, ob der zweite Reaktionsschritt exergonisch oder endergonisch ist.
• Beispiel: Wenn der erste Schritt der Reaktion (von A zum ersten Zwischenprodukt) stark exergonisch ist, wird der Übergangszustand TS1 ähnlich der Struktur von A sein. Wenn aber der zweite Schritt (zum zweiten Zwischenprodukt oder zu B) endergonisch ist, wird TS2 eher der Struktur des zweiten Zwischenprodukts oder der Endprodukte (B) ähneln.

Das Hammond-Postulat hilft uns also, eine Vorstellung davon zu bekommen, wie die Übergangszustände strukturell aussehen könnten, basierend auf der energetischen Nähe zu den Reaktanten oder Produkten in den jeweiligen Reaktionsschritten.

c)

(c) Berechne die Gesamtänderung der Gibbs-Energie (\texttt{ΔG}) für die Reaktion von A zu B, wenn die Gibbs-Energie der Zwischenprodukte und die Aktivierungsenergien zu den Übergangszuständen gegeben sind. Betrachte die Annahme, dass jede Zwischenstufe ähnlich stabil ist.

Lösung:

(c) Berechne die Gesamtänderung der Gibbs-Energie (\(ΔG\)) für die Reaktion von A zu B, wenn die Gibbs-Energie der Zwischenprodukte und die Aktivierungsenergien zu den Übergangszuständen gegeben sind. Betrachte die Annahme, dass jede Zwischenstufe ähnlich stabil ist.Um die Gesamtänderung der Gibbs-Energie (\(ΔG\)) für die Reaktion von A zu B zu berechnen, wenn die Gibbs-Energien (\(G\)) der Zwischenprodukte und die Aktivierungsenergien (\(E_a\)) zu den Übergangszuständen gegeben sind, folgen hier die Schritte:

• Gegebene Informationen: Wir haben folgende Werte:
• \(G(A)\): Gibbs-Energie der Anfangssubstanz A
• \(G(I_1)\): Gibbs-Energie des ersten Zwischenprodukts I₁
• \(G(I_2)\): Gibbs-Energie des zweiten Zwischenprodukts I₂
• \(G(B)\): Gibbs-Energie der Endprodukte B
• \(E_{a1}\): Aktivierungsenergie für den Übergang von A zu I₁ (über TS1)
• \(E_{a2}\): Aktivierungsenergie für den Übergang von I₁ zu I₂ (über TS2)
• \(E_{a3}\): Aktivierungsenergie für den Übergang von I₂ zu B (über TS3)
• Gibbs-Energieänderungen berechnen:
  • Für den ersten Schritt von A zu I₁:\[ΔG_1 = G(I_1) - G(A)\]
  • Für den zweiten Schritt von I₁ zu I₂:\[ΔG_2 = G(I_2) - G(I_1)\]
  • Für den dritten Schritt von I₂ zu B: \[ΔG_3 = G(B) - G(I_2)\]
• Gesamtänderung der Gibbs-Energie: Die Gesamtänderung der Gibbs-Energie für die gesamte Reaktion von A zu B setzt sich aus den Gibbs-Energieänderungen der einzelnen Schritte zusammen:\[ΔG = ΔG_1 + ΔG_2 + ΔG_3\]Das ergibt:\[ΔG = (G(I_1) - G(A)) + (G(I_2) - G(I_1)) + (G(B) - G(I_2))\]
• Zusammenfassen: Wenn wir die Summation vereinfachen, heben sich die Gibbs-Energien der Zwischenprodukte auf, und wir erhalten:\[ΔG = G(B) - G(A)\]
• Annahme: Die Annahme, dass jede Zwischenstufe ähnlich stabil ist, bedeutet, dass die Gibbs-Energieänderungen für die Zwischenprodukte relativ klein sind und somit keinen signifikanten Einfluss auf die Gesamtänderung der Gibbs-Energie haben.

Zusammengefasst: Die Gesamtänderung der Gibbs-Energie (\(ΔG\)) der Reaktion von A zu B unter der Annahme, dass die Zwischenprodukte ähnlich stabil sind, berechnet sich wie folgt:

\(ΔG = G(B) - G(A)\)

d)

(d) Diskutiere, wie die Kenntnis der Übergangszustände und Zwischenprodukte genutzt werden kann, um einen Katalysator für diese Reaktion zu entwickeln. Welchen Einfluss hat der Katalysator auf das Potentialenergieprofil der Reaktion?

Lösung:

(d) Diskutiere, wie die Kenntnis der Übergangszustände und Zwischenprodukte genutzt werden kann, um einen Katalysator für diese Reaktion zu entwickeln. Welchen Einfluss hat der Katalysator auf das Potentialenergieprofil der Reaktion?Die Kenntnis der Übergangszustände und Zwischenprodukte einer chemischen Reaktion ist entscheidend, um einen wirksamen Katalysator zu entwickeln. Hier sind einige Schritte und Überlegungen dazu, wie diese Informationen genutzt werden können, sowie die Auswirkungen eines Katalysators auf das Potenzialenergieprofil:

• Identifikation der Übergangszustände (TS) und Zwischenprodukte (Intermediate): Durch das Studium der Übergangszustände und Zwischenprodukte kann man wichtige Erkenntnisse über die reaktionsbestimmenden Schritte und die energetischen Barrieren gewinnen.
• Katalysator-Design zur Stabilisierung von Übergangszuständen: Ein wirksamer Katalysator kann die Aktivierungsenergie einer Reaktion senken, indem er die Übergangszustände stabilisiert. Dies kann durch spezifische Wechselwirkungen zwischen dem Katalysator und den Reaktanten oder Übergangszuständen erreicht werden.
• Wechselwirkungen mit Zwischenprodukten: Ein Katalysator kann auch so gestaltet werden, dass er Zwischenprodukte stabilisiert oder destabilisierte Zwischenprodukte schneller in das nächste Reaktionsprodukt umwandelt, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht wird.
• Einfluss auf das Potentialenergieprofil:
• Katalysatoren senken die Aktivierungsenergien (E_a) der verschiedenen Schritte einer Reaktion. Dies bedeutet, dass die Höhe der Energiebarrieren (Übergangszustände) im Potentialenergieprofil verringert wird.
• Das allgemeine energetische Profil der Reaktion bleibt erhalten (d. h. die Ausgangs- und Endpunkte des Profils, die die Gibbs-Energien der Reaktanten und Produkte darstellen, ändern sich nicht), aber die Spitzen, welche die Übergangszustände repräsentieren, werden niedriger sein.
• Dadurch wird die Reaktion thermodynamisch nicht verändert (die Gesamt-ΔG bleibt gleich), aber die kinetischen Barrieren werden herabgesetzt, sodass die Reaktion schneller ablaufen kann.

Das modifizierte Potentialenergieprofil mit Katalysator könnte wie folgt aussehen:

Energie   |                                    TS2'   |                                   /   | TS2                             /   | /\     TS1'                     /\    |/  \  /\                       /  \    |    \/  \                     /    \    |     /    \   TS1           /      \ ___|____/      \  /  \_______/         \__BA    I1        I2                     

• Die Linien TS1' und TS2' repräsentieren die neuen, niedrigeren Übergangszustände in Anwesenheit eines Katalysators.
• Die gestrichelten Bereiche zeigen die Absenkung der Aktivierungsenergie durch den Katalysator.

Insgesamt ermöglicht das Verständnis der Übergangszustände und Zwischenprodukte die rationale Entwicklung von Katalysatoren, die die Energiebarrieren senken und die Effizienz der Reaktion erhöhen, ohne das thermodynamische Gleichgewicht der Reaktion zu verändern.

Aufgabe 2)

Kontext: In der organischen Synthese spielen Schutzgruppen eine wesentliche Rolle, um empfindliche funktionelle Gruppen während chemischer Reaktionen zu schützen. Sie müssen einfach einzuführen und abzutrennen sein. Es gibt verschiedene Typen von Schutzgruppen, wie Acetale für Alkohole und die Boc-Gruppe für Amine, sowie unterschiedliche Bedingungen, unter denen sie gespalten werden können, beispielsweise unter sauren, basischen oder reduktiven Bedingungen.

a)

Teil 1: Beschreibe den Mechanismus der Schutzgruppen-Einführung für Benzylalkohol unter Verwendung der Acetal-Schutzgruppe. Skizziere den Reaktionsmechanismus und benenne die entscheidenden Übergangszustände und Zwischenprodukte.

Lösung:

Teil 1: Beschreibe den Mechanismus der Schutzgruppen-Einführung für Benzylalkohol unter Verwendung der Acetal-Schutzgruppe. Skizziere den Reaktionsmechanismus und benenne die entscheidenden Übergangszustände und Zwischenprodukte.

Der Mechanismus der Einführung einer Acetal-Schutzgruppe für Benzylalkohol umfasst die Bildung eines Acetals durch die Reaktion eines Aldehyds oder Ketons mit einem Alkohol. Im Falle von Benzylalkohol kann beispielsweise Formaldehyd verwendet werden.

• Schritt 1: Protonierung des Aldehyds

Im ersten Schritt wird das Carbonyl-Sauerstoffatom des Formaldehyds protoniert, meist durch eine Säure wie Salzsäure (HCl), um das Molekül reaktiver zu machen.

• Schritt 2: Nukleophiler Angriff des Alkohols

Der Benzylalkohol greift das protonierte Aldehyd am Carbonyl-Kohlenstoff an, wodurch ein halb-Formaldehyd-Acetat-Zwischenprodukt entsteht.

• Schritt 3: Bildung des Halbacetals

Der Sauerstoff des Benzylalkohols bindet an das Kohlenstoff-Atom, während es gleichzeitig ein Proton aufnimmt. Das Ergebnis ist ein Halbacetal.

• Schritt 4: Protonierung und Abspaltung von Wasser

Das Halbacetal wird erneut protoniert und Wasser wird abgespalten, wobei ein positiv geladenes Oxonium-Ion entsteht.

• Schritt 5: Zweiter Nukleophiler Angriff des Alkohols

Ein zweites Molekül Benzylalkohol greift das Oxonium-Ion an und bildet dabei das endgültige Acetal. Das resultierende Produkt ist ein Benzylalcohol-protected Acetal.

• Schritt 6: Deprotonierung

Das Acetal wird deprotoniert und ein stabiles Acetal entsteht.

Der gesamte Mechanismus kann wie folgt zusammengefasst werden:

• 1. Protonierung von Formaldehyd
• 2. Angriff des Benzylalkohols und Bildung eines Halbacetals
• 3. Protonierung des Halbacetals und Abspaltung von Wasser
• 4. Zweiter Angriff des Benzylalkohols
• 5. Deprotonierung und Bildung des Acetals

Die entscheidenden Übergangszustände und Zwischenprodukte in diesem Mechanismus sind: das protonierte Formaldehyd, das Halbacetal, das Oxonium-Ion und schließlich das Acetal.

b)

Teil 2: Du hast eine Aminverbindung, die durch eine Boc-Gruppe geschützt ist. Welche chemischen Bedingungen würdest Du anwenden, um die Boc-Gruppe wieder abzuspalten? Erläutere den Mechanismus und die Reaktionsprodukte.

Lösung:

Teil 2: Du hast eine Aminverbindung, die durch eine Boc-Gruppe geschützt ist. Welche chemischen Bedingungen würdest Du anwenden, um die Boc-Gruppe wieder abzuspalten? Erläutere den Mechanismus und die Reaktionsprodukte.

Die Abspaltung der Boc- (tert-Butoxycarbonyl-) Gruppe von einem Amin erfolgt üblicherweise unter sauren Bedingungen. Ein häufig verwendetes Reagenz für diesen Zweck ist Trifluoressigsäure (TFA), aber auch Salzsäure in Methanol kann verwendet werden.

• Schritt 1: Protonierung der Boc-Gruppe

Im ersten Schritt wird die Boc-Gruppe protoniert, indem sie mit der Säure reagiert. Diese Protonierung erhöht die Reaktivität der Boc-Schutzhülle.

• Schritt 2: Bildung eines Zwischenprodukts

Durch die Protonierung wird ein instabiles tert-Butylkation und ein Carbonylzwischenprodukt gebildet.

• Schritt 3: Abspaltung des tert-Butylkations

Das tert-Butylkation verlässt die Verbindung, was zur Bildung von Isobuten (C₄H₈) und Kohlendioxid (CO₂) führt. Das Kohlendioxid entweicht aus der Lösung, was die Reaktion antreibt.

• Schritt 4: Bildung des freien Amins

Nach der Abspaltung des tert-Butylkations und der Freisetzung von Kohlendioxid bleibt das freie Amin zurück.

Die gesamte Reaktion kann wie folgt zusammengefasst werden:

• 1. Protonierung der Boc-Gruppe durch Säure
• 2. Bildung eines instabilen Protonierten Zwischenprodukts
• 3. Abspaltung des tert-Butylkations unter gleichzeitiger Bildung von Isobuten und Kohlendioxid
• 4. Zurückbleiben des freien Amins

Die chemischen Bedingungen sind also eine starke Säure wie Trifluoressigsäure (TFA) oder Salzsäure in einem Methanollösungsmittel.

Die Reaktionsprodukte sind Isobuten (C₄H₈), Kohlendioxid (CO₂) und das freie Amin.

c)

Teil 3: Angenommen, du hast ein Molekül mit zwei funktionellen Gruppen: ein Alkohol und eine Aminogruppe. Du möchtest zuerst nur die Aminogruppe schützen. Welche Schutzgruppe würdest Du verwenden und warum? Welche Reaktion führst du aus, um die geschützte Verbindung zu erhalten?

Lösung:

Teil 3: Angenommen, du hast ein Molekül mit zwei funktionellen Gruppen: ein Alkohol und eine Aminogruppe. Du möchtest zuerst nur die Aminogruppe schützen. Welche Schutzgruppe würdest Du verwenden und warum? Welche Reaktion führst du aus, um die geschützte Verbindung zu erhalten?

Schutzgruppe:

Um die Aminogruppe selektiv zu schützen, während die Alkoholgruppe unverändert bleibt, würde ich die Boc-Gruppe (tert-Butoxycarbonylgruppe) verwenden. Die Boc-Gruppe wird häufig verwendet, weil sie eine Reihe von Vorteilen bietet:

• Selektivität: Die Boc-Gruppe reagiert bevorzugt mit Aminen, sodass die Alkoholgruppe nicht beeinflusst wird.
• Einfache Einführung: Die Einführung der Boc-Gruppe ist unter milden Bedingungen möglich.
• Einfache Abspaltung: Die Boc-Gruppe kann leicht unter mild sauren Bedingungen (z.B. mit Trifluoressigsäure) abgespalten werden.

Reaktion zur Einführung der Boc-Gruppe:

Die Einführung der Boc-Gruppe erfolgt typischerweise durch die Reaktion der Aminogruppe mit tert-Butoxycarbonylanhydrid (Boc₂O) oder tert-Butoxycarbonylchlorid (Boc-Cl) in Gegenwart einer Base wie Triethylamin oder Natriumhydrid. Hier ist der Schritt-für-Schritt-Mechanismus:

• Schritt 1: Vorbereitung der Reagenzien

Stelle sicher, dass alle benötigten Reagenzien bereitgestellt sind. Das verwendete Boc-Reagenz kann entweder Boc₂O oder Boc-Cl sein. Die Base könnte Triethylamin (Et₃N) oder Natriumhydrid (NaH) sein. Als Lösungsmittel kann Dichlormethan (DCM) verwendet werden.

• Schritt 2: Veresterung

Die Aminogruppe des Moleküls greift das Carbonyl des Boc-Reagenz an, was zur Bildung eines instabilen Zwischenprodukts führt.

• Schritt 3: Neutralisation

Die Base (z.B. Triethylamin) neutralisiert das entstehende Hydrochlorid (wenn Boc-Cl verwendet wurde) oder Wasserstoff-Ion (wenn Boc₂O verwendet wurde), wodurch eine stabile Boc-geschützte Verbindung entsteht.

Die Gesamtreaktion kann wie folgt zusammengefasst werden:

R-NH2 + (Boc2O oder Boc-Cl) + Base → R-NH-Boc + Nebenprodukte

Hier sind die individuellen Schritte:

1. Protonierung: Die Aminogruppe greift das Boc-Reagenz an, was zur Bildung eines instabilen Zwischenprodukts führt.
2. Neutralisation: Die Base neutralisiert das entstehende HCl (bei Verwendung von Boc-Cl) oder andere Protonen, wodurch die stabile Boc-geschützte Verbindung entsteht.

Reaktionsprodukte:

Das Reaktionsprodukt ist die Boc-geschützte Aminogruppe (R-NH-Boc), während die Alkoholgruppe (R-OH) unverändert bleibt. Die Nebenprodukte variieren je nach verwendeter Base und Boc-Reagenz, umfassen jedoch in der Regel Wasser, Triethylammoniumchlorid oder Natriumchlorid.

d)

Teil 4: Eine Verbindung mit einer acetalgeschützten Hydroxygruppe muss unter Erhalt der Hydroxygruppe regeneriert werden. Welche chemischen Bedingungen wendest Du an? Stelle die Reaktionsgleichung auf und zeige den vollständigen Mechanismus der Hydrolyse.

Lösung:

Teil 4: Eine Verbindung mit einer acetalgeschützten Hydroxygruppe muss unter Erhalt der Hydroxygruppe regeneriert werden. Welche chemischen Bedingungen wendest Du an? Stelle die Reaktionsgleichung auf und zeige den vollständigen Mechanismus der Hydrolyse.

Um eine acetalgeschützte Hydroxygruppe zu regenerieren, werden saure Bedingungen verwendet. Häufig eingesetzte Reagenzien sind verdünnte Salzsäure (HCl) oder Schwefelsäure (H₂SO₄) in wässriger Lösung. Diese Bedingungen ermöglichen die schonende Hydrolyse des Acetals zurück zur Hydroxygruppe.

Reaktionsgleichung:

R-CH(OR')2 + H2O + H+ → R-CH(OH) + 2 R'-OH

Mechanismus der Hydrolyse:

• Schritt 1: Protonierung des AcetalsDas Sauerstoffatom des Acetals wird durch die Säure protoniert, um die Reaktivität des Acetals zu erhöhen.

R-CH(OR')2 + H+ → R-CH(OR')(OH2)+

• Schritt 2: Bildung eines Oxonium-IonsDas protonierte Molekül verliert eine der O-R'-Gruppen als Alkohol (R'-OH), wobei ein Oxonium-Ion (positiv geladenes Sauerstoffatom) entsteht.

R-CH(OR')(OH2)+ → R-CH(OH)+ + R'-OH

• Schritt 3: Nukleophiler Angriff von WasserEin Wassermolekül greift das positiv geladene Kohlenstoffatom des Oxonium-Ions an, wodurch ein protoniertes Halbacetal-Zwischenprodukt entsteht.

R-CH(OH)+ + H2O → R-CH(OH)(OH2)

• Schritt 4: DeprotonierungDas Halbacetal-Zwischenprodukt gibt ein Proton ab, um das Halbacetal zu stabilisieren.

R-CH(OH)(OH2) → R-CH(OH)(OH) + H+

• Schritt 5: Wiederholte Protonierung und SpaltungDas Halbacetal wird erneut protoniert, und es spaltet sich in die finale Hydroxygruppe (R-CH(OH)) und ein weiteres Molekül Alkohol (R'-OH).

R-CH(OH)(OH) + H+ → R-CH(OH) + R'-OH

Zusammenfassend sind die Schritte der Hydrolyse wie folgt:

• 1. Protonierung des Acetals
• 2. Bildung eines Oxonium-Ions und Abspaltung eines Alkohols
• 3. Nukleophiler Angriff von Wasser
• 4. Deprotonierung
• 5. Wiederholte Protonierung und Spaltung des Halbacetals

Aufgabe 3)

Betrachten Sie die Kernspinresonanz (NMR)-Spektren eines unbekannten organischen Moleküls. Sie haben die Aufgabe, die Struktur dieses Moleküls zu bestimmen. Das 1H-NMR-Spektrum zeigt drei Signale bei 0.9 ppm (Triplet, Integration: 3H), 2.1 ppm (Singulett, Integration: 1H) und 3.6 ppm (Quartett, Integration: 2H). Das 13C-NMR-Spektrum weist Signale bei 10.5 ppm, 30.0 ppm und 60.0 ppm auf. Nutzen Sie diese Informationen sowie Ihr Wissen über NMR-Analyse und Interpretation, um die Struktur dieses Moleküls zu identifizieren.

a)

Erkläre die Herkunft und Bedeutung der chemischen Verschiebung (\text{\textdelta}) der Signale im 1H-NMR-Spektrum. Welches Protonen-Umfeld könnte jedem Signal zugeordnet werden, und wie interpretiert man die Mehrfachaufspaltung (Multiplizität) der Signale?

Lösung:

Erklärung der Herkunft und Bedeutung der chemischen Verschiebung (δ) der Signale im 1H-NMR-Spektrum:

• 0.9 ppm (Triplet, Integration: 3H): Dieses Signal könnte auf die Protonen einer Methylgruppe (CH₃) hinweisen. Die niedrige chemische Verschiebung (δ-Wert) deutet darauf hin, dass diese Protonen sich in der Nähe von weniger elektronegativen Atomen befinden, wahrscheinlich in einer alkylischen Umgebung. Die Aufspaltung in ein Triplet (drei Linien) bedeutet, dass diese Protonen durch zwei benachbarte Protonen (n+1 Regel) beeinflusst werden, was auf eine direkte Nachbarschaft mit einer CH₂-Gruppe hinweist.
• 2.1 ppm (Singulett, Integration: 1H): Dieses Signal gehört vermutlich zu einem einzelnen Proton, das sich in einer weniger abgeschirmten Umgebung befindet als die Methylgruppe, vielleicht in der Nähe einer elektronegativieren Gruppe wie einer Carbonylgruppe. Da es keine Aufspaltung (Singulett) zeigt, gibt es keine benachbarten Protonen, die zu einer Kopplung führen könnten.
• 3.6 ppm (Quartett, Integration: 2H): Dieses Signal könnte zu den Protonen einer Methylen-Gruppe (CH₂) gehören, die in der Nähe einer stark elektronegativen Gruppe (wie z.B. einem Sauerstoffatom in einem Alkohol oder Ether) platziert ist. Ein Quartet (vier Linien) tritt auf, wenn diese zwei Protonen durch drei benachbarte Protonen (n+1 Regel) beeinflusst werden, was auf eine benachbarte CH₃-Gruppe hinweist.

Zusammenfassung der Mehrfachaufspaltung (Multiplizität) der Signale:

• Die Multiplizität ergibt sich aus der Kopplung der Kernspins benachbarter Protonen.
• Ein Triplet (0.9 ppm) bedeutet, dass zwei benachbarte Protonen vorhanden sind.
• Ein Singulett (2.1 ppm) zeigt an, dass keine benachbarten Protonen vorhanden sind.
• Ein Quartett (3.6 ppm) deutet darauf hin, dass drei benachbarte Protonen vorhanden sind.

Auf diese Weise lässt sich die Struktur des Moleküls weiter eingrenzen und analysieren.

b)

Analysiere das 13C-NMR-Spektrum und diskutiere die Zuordnung der einzelnen Signale zu spezifischen Kohlenstoffatomen im Molekül. In welchem Zusammenhang stehen diese Signale zu den im 1H-NMR-Spektrum beobachteten Signalen?

Lösung:

Analyse des 13C-NMR-Spektrums und Zuordnung der Signale zu spezifischen Kohlenstoffatomen:

• Signal bei 10.5 ppm: Dieser Wert weist auf ein Kohlenstoffatom in einer alkylischen Umgebung hin. Niedrige chemische Verschiebungen sind typisch für Methyl- (CH₃) oder Methylen-Gruppen (CH₂) ohne stark elektronegative Nachbarn.
• Signal bei 30.0 ppm: Dieses Signal liegt höher als 10.5 ppm und könnte zu einem Methylen-Kohlenstoffatom (CH₂) gehören, das möglicherweise in einer etwas stärker abgeschirmten Umgebung als das Signal bei 10.5 ppm liegt. Es könnte sich in der Nähe einer weniger elektronegativen Gruppe als das bei 60.0 ppm befindliche Kohlenstoffatom befinden.
• Signal bei 60.0 ppm: Hohe chemische Verschiebungen deuten auf Kohlenstoffatome in der Nähe stark elektronegativer Atome, wie z.B. Sauerstoff in Alkoholen oder Ethern, hin. Dieses Signal könnte zu einem Methylen-Kohlenstoffatom (CH₂) gehören, das direkt an ein Sauerstoffatom gebunden ist.

Zusammenhang zu den im 1H-NMR-Spektrum beobachteten Signalen:

• 0.9 ppm (Triplet, Integration: 3H): Dieses Signal gehört zu einer Methylgruppe (CH₃), die durch das C-Atom bei 10.5 ppm repräsentiert wird. Die Triplet-Aufspaltung deutet auf Nachbarschaft zu einer Methylen-Gruppe (CH₂) hin, was durch das Signal bei 30.0 ppm unterstützt wird.
• 2.1 ppm (Singulett, Integration: 1H): Hier bleibt die Situation weniger eindeutig, da es keine benachbarten Protonen gibt. Dieses Signal könnte mit einem Proton in der Nähe eines elektronegativen Atoms in Zusammenhang stehen, jedoch muss der korrespondierende C-Atom-Signal ggf. vom 13C-NMR abweichen aufgrund der Singulett-Natur.
• 3.6 ppm (Quartett, Integration: 2H): Dieses Signal gehört zu einer Methylen-Gruppe (CH₂), die durch das C-Atom-Signal bei 60.0 ppm repräsentiert wird. Die hohe chemische Verschiebung und Quartett-Aufspaltung (n=3 Nachbarprotonen, CH₃) unterstützen die korespondierenden Methylgruppe bei 0.9 ppm.

Schlussfolgerung: Durch die Kombination der 1H- und 13C-NMR-Daten lässt sich das Molekül weiter eingrenzen. Das Signal bei 0.9 ppm/10.5 ppm deutet auf eine Methylgruppe hin, das Signal bei 3.6 ppm/60.0 ppm auf eine Methylengruppe in der Nähe eines Sauerstoffatoms, und das Signal bei 2.1 ppm bleibt weniger klar, deutet aber auf ein isoliertes Proton nahe einem elektronegativen Atom hin.

c)

Nutze die Informationen aus den 1H- und 13C-NMR-Spektren, um die Struktur des unbekannten organischen Moleküls zu bestimmen. Zeichne die Struktur und erkläre, wie die NMR-Daten zur Bestimmung der Struktur beigetragen haben.

Lösung:

Bestimmung der Struktur des unbekannten organischen Moleküls basierend auf den 1H- und 13C-NMR-Spektren:

Basierend auf den vorliegenden NMR-Daten und den chemischen Verschiebungen ergibt sich folgendes Bild:

• Das 1H-NMR-Spektrum weist drei Signale auf: 0.9 ppm (Triplet, Integration: 3H), 2.1 ppm (Singulett, Integration: 1H) und 3.6 ppm (Quartett, Integration: 2H).
• Die Signale im 13C-NMR-Spektrum treten bei 10.5 ppm, 30.0 ppm und 60.0 ppm auf.

Aus dieser Analyse lässt sich folgendes schlussfolgern:

• 0.9 ppm (Triplet, 3H) und 10.5 ppm: Diese Signale deuten auf eine Methylgruppe (CH₃) hin, die an zwei benachbarte Protonen gebunden ist (Triplet), was bedeutet, dass sie an eine Methylen-Gruppe (CH₂) gebunden sein muss.
• 2.1 ppm (Singulett, 1H): Dieses Signal deutet auf ein einzelnes Proton hin, das keine benachbarten Protonen hat, möglicherweise in der Nähe einer elektronegativen Gruppe wie einer Hydroxygruppe (OH).
• 3.6 ppm (Quartett, 2H) und 60.0 ppm: Diese Signale deuten auf eine Methylen-Gruppe (CH₂) hin, die an einen elektronegativen Atom (wie Sauerstoff) gebunden ist. Angesichts der Quartett-Aufspaltung muss sie auch an eine Methylgruppe (CH₃) gebunden sein.

Struktur des Moleküls:

Auf Grundlage dieser Informationen kann die Struktur des Moleküls identifiziert werden als: Ethylalkohol (CH₃CH₂OH).

Erklärung der Beitragsdaten:

• Das Signal bei 0.9 ppm (Triplet) und 10.5 ppm entspricht den 3 Protonen der Methylgruppe (CH₃-).
• Das Signal bei 2.1 ppm (Singulett) entspricht dem einzigen Proton der Hydroxygruppe (-OH).
• Das Signal bei 3.6 ppm (Quartett) und 60.0 ppm entspricht den 2 Protonen der Methylen-Gruppe (-CH₂-).

Aufgabe 4)

Betrachte das Molekül C5H11NO2 und analysiere seine Stereochemie. Das Molekül besitzt ein asymmetrisches Kohlenstoffatom und kann als chirales Molekül klassifiziert werden. Verwende die R/S-Nomenklatur, um die Konfiguration der Enantiomere zu benennen und die Fischer-Projektion als Methode zur Darstellung zu nutzen. Diskutiere auch die Bedeutung der Chiralität in der biologischen Aktivität dieses Moleküls.

a)

Zeichne die Fischer-Projektionen der beiden Enantiomere des Moleküls C5H11NO2. Achte darauf, die absolute Konfiguration (R/S) der Stereozentren korrekt anzugeben.

Lösung:

Um die Fischer-Projektionen der beiden Enantiomere des Moleküls C₅H₁₁NO₂ zu zeichnen und die absolute Konfiguration (R/S) der Stereozentren korrekt anzugeben, solltest Du die folgenden Schritte befolgen:

1. Bestimme die Priorität der Substituenten: Verwende die CIP-Regeln (Cahn–Ingold–Prelog-Konvention), um die Priorität der vier verschiedenen Gruppen, die an das asymmetrische Kohlenstoffatom gebunden sind, zu bestimmen.
2. Bestimme die absolute Konfiguration: Sobald Du die Prioritäten der Substituenten festgelegt hast, bestimme die absolute Konfiguration (R oder S) des asymmetrischen Kohlenstoffatoms.
3. Zeichne die Fischer-Projektion des Moleküls: Verwende die Prioritätsreihenfolge, um die Fischer-Projektion der beiden möglichen Enantiomere zu zeichnen. Achte darauf, die vertikal angeordneten Gruppen so zu zeichnen, dass sie (nach CIP-Regeln) korrekt Priorität erhalten.
4. Gehe wie folgt vor, um die Fischer-Projektion zu zeichnen:
   • Zeichne eine vertikale Linie für den Hauptkohlenstoffkette des Moleküls.
   • Zeichne horizontale Linien für die Substituenten, die an den asymmetrischen Kohlenstoff gebunden sind.
   • Weisen Sie die korrekt Priorisierten Gruppen auf den horizontalen Linien (über und unter dem asymmetrischen Kohlenstoff) an, wobei die höher priorisierten Gruppen nach den CIP-Regeln zugeteilt wird.

Beispiel für die Fischer-Projektion des Moleküls C5H11NO2:

Angenommen, das asymmetrische Kohlenstoffatom ist C2, und die Substituenten sind in der folgenden Reihenfolge priorisiert: OH > COOH > CH3 > NH2.

HO    H   |    | H—C—C—COOH   |    | CH3 — NH2

Beispiel: Wenn die Priorität wie folgt ist: OH (1), COOH (2), NH2 (3) und CH3 (4):

• Enantiomer R:

      H       | H—C—COOH       |    OH—NH2

Enantiomer S:

      NH2       | OH—C—COOH       |       H

Denke daran, dass das asymmetrische Kohlenstoffatom an das NH2, H, OH und die C-Kette (R-Kette) gebunden ist. Stelle sicher, dass die Fischer-Projektion den richtigen Winkel und die Konfiguration der Gruppen zeigt (R/S).

b)

Berechne die spezifische Drehung [α]D der Enantiomere, wenn die beobachtete Drehung einer Probe 15° beträgt und die Konzentration bei 1g/ml in einem 1dm langen Polarimeter-Rohr gemessen wurde. Zeige alle Schritte in der Berechnung.

Lösung:

Um die spezifische Drehung \( [\alpha]_D \) der Enantiomere zu berechnen, verwendest Du die folgende Formel:

\[ [\alpha]_D = \frac{\alpha}{l \times c} \]

Hierbei steht:

• \( [\alpha]_D \): Die spezifische Drehung
• \( \alpha \): Die beobachtete Drehung
• \( l \): Die Länge des Polarimeter-Rohrs in Dezimetern (dm)
• \( c \): Die Konzentration der Probe in Gramm pro Milliliter (g/ml)

Gegeben:

• \( \alpha = 15^\text{o} \)
• \( l = 1 \text{ dm} \)
• \( c = 1 \text{ g/ml} \)

Setze diese Werte in die Formel ein:

\[ [\alpha]_D = \frac{15^\text{o}}{1 \text{ dm} \times 1 \text{ g/ml}} \]

Führe die Berechnung durch:

\[ [\alpha]_D = \frac{15^\text{o}}{1} = 15^\text{o} \text{g}^{-1} \text{ml}^{-1} \]

Das bedeutet, dass die spezifische Drehung der Enantiomere \( [\alpha]_D = 15^\text{o} \text{g}^{-1} \text{ml}^{-1} \) beträgt.

Denke daran, dass die spezifische Drehung ein Maß für die Fähigkeit eines chiralen Moleküls ist, die Ebene des polarisierten Lichts zu drehen. Bei Enantiomeren sind die spezifischen Drehungen gleich, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen.

c)

Diskutiere, wie die Chiralität des Moleküls C5H11NO2 die biologische Aktivität beeinflussen könnte. Gib Beispiele für mögliche Unterschiede in der Wirkung von Enantiomeren in Arzneimitteln an.

Lösung:

Einfluss der Chiralität auf die biologische Aktivität des Moleküls C₅H₁₁NO₂

Die Chiralität eines Moleküls, insbesondere bei Molekülen wie C₅H₁₁NO₂ die ein asymmetrisches Kohlenstoffatom haben, kann erheblichen Einfluss auf dessen biologische Aktivität haben. Chirale Moleküle existieren in zwei nicht identischen Spiegelbildformen, die als Enantiomere bekannt sind. Diese Enantiomere können unterschiedlich mit biologischen Systemen interagieren, weil biologische Systeme selbst oft chirale Umgebungen sind, in denen die eine Form eines Enantiomers bevorzugt interagieren kann.

Beispiele für mögliche Unterschiede in der Wirkung von Enantiomeren in Arzneimitteln

• Thalidomid: Ein berüchtigtes Beispiel ist Thalidomid. Das (R)-Enantiomer von Thalidomid wirkt als Beruhigungsmittel und gegen Übelkeit, während das (S)-Enantiomer teratogen wirkt und zu schweren Geburtsfehlern führt.
• Ibuprofen: Ibuprofen, ein weit verbreitetes Schmerzmittel, existiert als Enantiomere, wobei nur das (S)-Enantiomer aktiv und entzündungshemmend wirksam ist. Das (R)-Enantiomer ist inaktiv, kann aber im Körper in das (S)-Enantiomer umgewandelt werden.
• Albuterol: Albuterol, ein Medikament zur Behandlung von Asthma, hat zwei Enantiomere: (R)-Albuterol und (S)-Albuterol. Während (R)-Albuterol für seine bronchienerweiternden Eigenschaften bekannt ist, kann (S)-Albuterol unerwünschte Nebenwirkungen verursachen.

Warum ist die Chiralität wichtig?

Die Chiralität ist entscheidend, weil Enantiomere verschiedenartige Affinitäten zu Rezeptoren, Enzymen und anderen biologischen Molekülen haben können:

• Bessere Wirksamkeit: In einigen Fällen kann nur ein Enantiomer die gewünschte therapeutische Wirkung haben, während das andere entweder inaktiv oder schädlich ist.
• Verringerte Nebenwirkungen: Die Verwendung des reinen aktiven Enantiomers kann das Risiko von Nebenwirkungen reduzieren, die durch das andere Enantiomer verursacht werden können.
• Optimierte Dosierung: Bei der Verabreichung des reinen aktiven Enantiomers kann die korrekte Dosis besser gesteuert werden, was zu einer effizienteren Behandlung führt.

Zusammengefasst kann die Chiralität die pharmakologischen Eigenschaften eines Moleküls erheblich beeinflussen, weshalb die Untersuchung und das Verständnis der Chiralität in der Arzneimittelentwicklung von großer Bedeutung sind.