Organische Chemie - Exam

Aufgabe 1)

In der organischen Chemie spielen kovalente Bindungen und Hybridisierung eine wesentliche Rolle bei der Struktur und den Eigenschaften von Molekülen. Kovalente Bindungen entstehen durch die Überlappung von Atomorbitalen, wobei Elektronenpaare zwischen den Atomen geteilt werden. Die Hybridisierung beschreibt, wie Atomorbitale kombiniert werden, um neue Hybridorbitale zu bilden, die die Geometrie und Bindungseigenschaften eines Moleküls bestimmen. So führt sp-Hybridisierung zu einer linearen Geometrie, sp²-Hybridisierung zu einer trigonal-planaren Geometrie und sp³-Hybridisierung zu einer tetraedrischen Geometrie.

a)

Betrachte ein Molekül von Ethin (Acetylen, C₂H₂).

• Erkläre den Prozess der Hybridisierung, der zur Bildung der kovalenten Bindungen in Ethin führt.
• Beschreibe die Geometrie des Moleküls und erkläre, wie die Hybridisierungszustände der Kohlenstoffatome zu dieser Geometrie beitragen.
• Berechne den Gesamtbindungswinkel im Ethan-Molekül und erläutere, welche Art von Bindungen (σ und π) vorhanden sind.

Lösung:

In der organischen Chemie spielen kovalente Bindungen und Hybridisierung eine wesentliche Rolle bei der Struktur und den Eigenschaften von Molekülen. Kovalente Bindungen entstehen durch die Überlappung von Atomorbitalen, wobei Elektronenpaare zwischen den Atomen geteilt werden. Die Hybridisierung beschreibt, wie Atomorbitale kombiniert werden, um neue Hybridorbitale zu bilden, die die Geometrie und Bindungseigenschaften eines Moleküls bestimmen. So führt sp-Hybridisierung zu einer linearen Geometrie, sp²-Hybridisierung zu einer trigonal-planaren Geometrie und sp³-Hybridisierung zu einer tetraedrischen Geometrie.

Betrachtung eines Moleküls von Ethin (Acetylen, C₂H₂)

• Erklärung des Prozesses der Hybridisierung zur Bildung der kovalenten Bindungen in Ethin: Ethin ist ein einfaches Alkin mit der chemischen Formel C₂H₂. Jedes Kohlenstoffatom in Ethin verwendet sp-Hybridisierung, um die Bindungen zu formen. Dies bedeutet, dass jedes Kohlenstoffatom ein s-Orbital und ein p-Orbital hybridisiert, um zwei sp-Orbitale zu bilden. Diese sp-Orbitale sind linear zueinander ausgerichtet und haben einen Bindungswinkel von 180°. Jedes Kohlenstoffatom verwendet dabei eines der sp-Orbitale, um eine Sigma (σ)-Bindung mit dem anderen Kohlenstoffatom zu bilden, und das andere sp-Orbital, um eine Sigma (σ)-Bindung mit einem Wasserstoffatom zu bilden. Die verbleibenden zwei p-Orbitale auf jedem Kohlenstoffatom überlappen seitlich und bilden zwei Pi (π)-Bindungen, eine oberhalb und eine unterhalb der Sigma-Bindung, was zu einer Dreifachbindung zwischen den Kohlenstoffatomen führt.
• Beschreibung der Geometrie des Moleküls und Erklärung, wie die Hybridisierungszustände der Kohlenstoffatome zu dieser Geometrie beitragen: Die Geometrie des Ethin-Moleküls ist linear. Dies liegt daran, dass jedes Kohlenstoffatom sp-hybridisiert ist und die sp-Orbitale linear ausgerichtet sind. Diese lineare Geometrie führt zu einem Bindungswinkel von 180° zwischen den Atomen. Die sp-Hybridisierung bedeutet, dass es zwei sp-Hybridorbitale gibt, die in entgegengesetzten Richtungen zeigen, wodurch eine lineare Anordnung der Atome entsteht.
• Berechnung des Gesamtbindungswinkels im Ethin-Molekül und Erläuterung der Art der Bindungen (σ und π): Der Bindungswinkel im Ethin-Molekül beträgt 180°, da die Molekülgeometrie linear ist. Im Ethin-Molekül gibt es eine Sigma (σ)-Bindung zwischen den beiden Kohlenstoffatomen und jeweils eine Sigma (σ)-Bindung zwischen jedem Kohlenstoffatom und dem Wasserstoffatom. Die Sigma-Bindungen entstehen durch die Kopf-an-Kopf-Überlappung der sp-Orbitale. Zudem gibt es zwei Pi (π)-Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen, die durch die seitliche Überlappung der nicht-hybridisierten p-Orbitale entstehen. Diese Pi-Bindungen befinden sich oberhalb und unterhalb der Sigma-Bindung, was zu einer Dreifachbindung zwischen den Kohlenstoffatomen führt.

b)

Im Vergleich dazu betrachte ein Molekül von Ethanol (C₂H₅OH).

• Beschreibe die Arten und Hybridisierungszustände der Atome in Ethanol.
• Erkläre, wie die Hybridisierung der Kohlenstoffatome die dreidimensionale Geometrie beeinflusst.
• Vergleiche die Bindungswinkel der sp³-hybridisierten Kohlenstoffe mit denen in Methan (CH₄). Berechne die Abweichung in Grad, falls vorhanden.

Lösung:

In der organischen Chemie spielen kovalente Bindungen und Hybridisierung eine wesentliche Rolle bei der Struktur und den Eigenschaften von Molekülen. Kovalente Bindungen entstehen durch die Überlappung von Atomorbitalen, wobei Elektronenpaare zwischen den Atomen geteilt werden. Die Hybridisierung beschreibt, wie Atomorbitale kombiniert werden, um neue Hybridorbitale zu bilden, die die Geometrie und Bindungseigenschaften eines Moleküls bestimmen. So führt sp-Hybridisierung zu einer linearen Geometrie, sp²-Hybridisierung zu einer trigonal-planaren Geometrie und sp³-Hybridisierung zu einer tetraedrischen Geometrie.

Betrachtung eines Moleküls von Ethanol (C₂H₅OH)

• Beschreibung der Arten und Hybridisierungszustände der Atome in Ethanol: In Ethanol (C₂H₅OH) gibt es verschiedene Hybridisierungszustände der Atome:
  • Beide Kohlenstoffatome sind sp³-hybridisiert. Das bedeutet, dass jedes Kohlenstoffatom ein s-Orbital und drei p-Orbitale hybridisiert, um vier sp³-Hybridorbitale zu bilden.
  • Die Wasserstoffatome, die an die Kohlenstoffatome gebunden sind, sind nicht hybridisiert. Sie nutzen das 1s-Orbital zur Bindung.
  • Das Sauerstoffatom ist ebenfalls sp³-hybridisiert. Ein s-Orbital und drei p-Orbitale hybridisieren, um insgesamt vier sp³-Hybridorbitale zu bilden.
• Erklärung, wie die Hybridisierung der Kohlenstoffatome die dreidimensionale Geometrie beeinflusst: Durch die sp³-Hybridisierung der Kohlenstoffatome im Ethanol-Molekül entsteht eine tetraedrische Geometrie um jedes Kohlenstoffatom. Dies bedeutet, dass jedes Kohlenstoffatom durch vier Sigma (σ)-Bindungen verbunden ist, wobei die Bindungen in einem Winkel von ungefähr 109,5° zueinander stehen. Dies gilt auch für die sp³-hybridisierten Sauerstoffatome, die ebenfalls die tetraedrische Geometrie annehmen. Aufgrund der tetraedrischen Anordnung ergibt sich eine dreidimensionale, gewinkelte Struktur für das Ethanol-Molekül
• Vergleich der Bindungswinkel der sp³-hybridisierten Kohlenstoffe mit denen in Methan (CH₄). Berechnung der Abweichung in Grad, falls vorhanden: Im Methan-Molekül (CH₄) sind die Bindungswinkel aufgrund der sp³-Hybridisierung ebenfalls tetraedrisch und betragen genau 109,5°. In Ethanol (C₂H₅OH) sind die Bindungswinkel um die sp³-hybridisierten Kohlenstoffatome ebenfalls annähernd 109,5°. Allerdings können geringfügige Abweichungen auftreten, da die Präsenz des Sauerstoffatoms und die unterschiedlichen Substituenten (zum Beispiel die OH-Gruppe) die ideale Tetraedergeometrie etwas beeinflussen können. Diese Abweichungen sind in der Regel gering (meist im Bereich von 1-2°) und beruhen auf elektronischen und sterischen Effekten.

c)

Betrachte das Molekül von Benzol (C6H6).

• Erkläre den Hybridisierungszustand der Kohlenstoffatome in Benzol.
• Wie trägt diese Hybridisierung zur Planarität des Benzolrings bei?
• Leite die Anzahl der π-Elektronen im Molekül ab und erkläre deren Rolle bei der Stabilität und den Eigenschaften von Benzol.

Lösung:

In der organischen Chemie spielen kovalente Bindungen und Hybridisierung eine wesentliche Rolle bei der Struktur und den Eigenschaften von Molekülen. Kovalente Bindungen entstehen durch die Überlappung von Atomorbitalen, wobei Elektronenpaare zwischen den Atomen geteilt werden. Die Hybridisierung beschreibt, wie Atomorbitale kombiniert werden, um neue Hybridorbitale zu bilden, die die Geometrie und Bindungseigenschaften eines Moleküls bestimmen. So führt sp-Hybridisierung zu einer linearen Geometrie, sp²-Hybridisierung zu einer trigonal-planaren Geometrie und sp³-Hybridisierung zu einer tetraedrischen Geometrie.

Betrachtung des Moleküls von Benzol (C₆H₆)

• Erklärung des Hybridisierungszustands der Kohlenstoffatome in Benzol: In Benzol sind die Kohlenstoffatome sp²-hybridisiert. Jedes Kohlenstoffatom hybridisiert ein s-Orbital und zwei p-Orbitale, um drei sp²-Hybridorbitale zu bilden. Diese drei sp²-Hybridorbitale liegen in einer Ebene und sind um 120° zueinander ausgerichtet. Das verbleibende p-Orbital bleibt unhybridisiert und steht senkrecht zur Ebene der sp²-Hybridorbitale.
• Wie diese Hybridisierung zur Planarität des Benzolrings beiträgt: Die sp²-Hybridisierung führt dazu, dass die drei sp²-Hybridorbitale in einer Ebene liegen und eine trigonal-planare Geometrie bilden. Da alle sechs Kohlenstoffatome im Benzolring sp²-hybridisiert sind, liegen alle sp²-Orbitale in der gleichen Ebene, was zu einem planer Molekül führt. Die seitliche Überlappung der unhybridisierten p-Orbitale bildet ein kontinuierliches π-System oberhalb und unterhalb der Ebene des Rings, wodurch die Planarität des Benzolrings weiter stabilisiert wird.
• Ableitung der Anzahl der π-Elektronen im Molekül und Erklärung ihrer Rolle bei der Stabilität und den Eigenschaften von Benzol: Jedes Kohlenstoffatom in Benzol besitzt ein nicht-hybridisiertes p-Orbital mit einem Elektron. Da Benzol aus sechs Kohlenstoffatomen besteht, gibt es insgesamt sechs π-Elektronen. Diese sechs π-Elektronen sind delokalisiert und bilden ein konjugiertes π-System. Die Delokalisierung führt zu einer gleichmäßigen Elektronenverteilung über den gesamten Ring, was zur Stabilität des Moleküls beiträgt. Diese Delokalisierung der π-Elektronen ist die Grundlage für die Aromatizität von Benzol, die eine besondere chemische Stabilität und charakteristische Reaktivität verleiht.

Aufgabe 2)

Betrachte die nukleophile Substitution sowohl SN1 als auch SN2 und erkläre deren Mechanismen und Bedingungen. Gehe dabei auf die jeweilige Reaktionskinetik ein, sowie auf die bevorzugten Substrate und Lösungsmittel. Berücksichtige auch die Struktur der gebildeten Produkte.

a)

• a) Skizziere den Mechanismus einer SN1-Reaktion. Erkläre, wie das Carbokation entsteht und diskutiere die Stabilität des Carbokations. Welche Substrattypen bevorzugen diesen Mechanismus und warum?

Lösung:

• a) Skizziere den Mechanismus einer SN1-Reaktion. Erkläre, wie das Carbokation entsteht und diskutiere die Stabilität des Carbokations. Welche Substrattypen bevorzugen diesen Mechanismus und warum?

Skizze des SN1-Mechanismus:

• Die SN1-Reaktion (Substitution Nukleophil unimolekular) verläuft über zwei Hauptschritte.

Schritt 1: Das Substrat, typischerweise ein tertiäres Alkylhalogenid, verliert die Halogenidgruppe (\text{X}^-) und bildet ein Carbokation (R_3\text{C}^+). Dieser Schritt ist langsam und geschwindigkeitsbestimmend.

• Mechanismus:

R3C-X → R3C+ + X-

Stabilität des Carbokations:

• Die Stabilität des Carbokations spielt eine entscheidende Rolle bei der SN1-Reaktion.
• Tertiäre Carbokationen (R_3\text{C}^+) sind stabiler als sekundäre (R_2\text{C}^+) und primäre (R\text{C}^+) Carbokationen aufgrund der Elektronenschubwirkung der Alkylgruppen, die die positive Ladung stabilisieren.
• Die Delokalisierung der Ladung und Hyperkonjugation tragen ebenfalls zur Stabilität bei.

Schritt 2:Im zweiten Schritt greift das Nukleophil (Nu^-) das Carbokation (R_3\text{C}^+) an und bildet das Endprodukt.

• Mechanismus:

R3C+ + Nu- → R3C-Nu

Bevorzugte Substrate und Bedingungen:

• Substrattypen:
  • Tertiäre Alkylhalogenide werden bevorzugt, da sie die stabilsten Carbokationen bilden.
  • Sekundäre Alkylhalogenide können auch reagieren, jedoch weniger bevorzugt.
  • Primäre Alkylhalogenide und Methylhalogenide sind selten, da sie instabile Carbokationen bilden.
• Lösungsmittel:Polare protische Lösungsmittel wie Wasser, Alkohol oder Essigsäure. Diese Lösungsmittel fördern die Dissoziation des Halogenids und stabilisieren das Carbokation durch Solvatisierung.

b)

• b) Berechne die Reaktionsgeschwindigkeit einer SN1-Reaktion, wenn die Konzentration des Substrats 0,5 M beträgt und die Geschwindigkeitskonstante k = 0,01 s^-1 ist. Zeige alle Schritte der Berechnung.

Lösung:

• b) Berechne die Reaktionsgeschwindigkeit einer SN1-Reaktion, wenn die Konzentration des Substrats 0,5 M beträgt und die Geschwindigkeitskonstante k = 0,01 s^-1 ist. Zeige alle Schritte der Berechnung.

Schritte zur Berechnung der Reaktionsgeschwindigkeit:Die Reaktionsgeschwindigkeit einer SN1-Reaktion kann mit der Gleichung

• \( \text{Rate} = k[\text{Substrat}] \)

berechnet werden. Hierbei steht k für die Geschwindigkeitskonstante und [Substrat] für die Konzentration des Substrats.Gegebene Werte:

• \( [\text{Substrat}] = 0{,}5 \, \text{M} \)
• Die Geschwindigkeitskonstante \( k = 0{,}01 \, \text{s}^{-1} \)

Einsetzen der Werte in die Gleichung:

• \( \text{Rate} = 0{,}01 \, \text{s}^{-1} \times 0{,}5 \, \text{M} \)

Rechnungsschritt:

• \( \text{Rate} = (0{,}01 \, \text{s}^{-1}) \times (0{,}5 \, \text{M}) = 0{,}005 \, \text{M/s} \)

Reaktionsgeschwindigkeit:Die Reaktionsgeschwindigkeit der SN1-Reaktion beträgt somit \( 0{,}005 \, \text{M/s} \).

c)

• c) Skizziere den Mechanismus einer SN2-Reaktion. Erkläre den Übergangszustand und diskutiere, warum eine Inversion der Konfiguration (Walden-Umkehr) auftritt. Welche Substrattypen und Lösungsmittel begünstigen eine SN2-Reaktion?

Lösung:

• c) Skizziere den Mechanismus einer SN2-Reaktion. Erkläre den Übergangszustand und diskutiere, warum eine Inversion der Konfiguration (Walden-Umkehr) auftritt. Welche Substrattypen und Lösungsmittel begünstigen eine SN2-Reaktion?

Skizze des SN2-Mechanismus:

• Die SN2-Reaktion (Substitution Nukleophil bimolekular) verläuft über einen konzertierten Mechanismus, bei dem der Angriff des Nukleophils und der Austritt der Abgangsgruppe gleichzeitig stattfinden.

Mechanismus:1. Das Nukleophil greift das Kohlenstoffatom an, welches das elektrophile Zentrum ist, von der gegenüberliegenden Seite der Abgangsgruppe an.2. Ein Übergangszustand (Pentavalenter Übergangszustand) wird gebildet, in dem das Kohlenstoffatom sp^2-hybridisiert ist und sowohl das Nukleophil als auch die Abgangsgruppe gebunden sind.3. Die Abgangsgruppe löst sich, und das Nukleophil ersetzt sie vollständig.

       Nu- + R3C-X -> [R3C(Nu)X] -> R3C-Nu + X-

Übergangszustand:

• Der Übergangszustand ist eine instabile, sp^2-hybridisierte Struktur, in der das Kohlenstoffatom gleichzeitig an fünf Atome oder Gruppen gebunden ist (eine Fünf-Bindungs-Aufteilung).

• Der Übergangszustand hat eine höhere Energie als sowohl die Edukte als auch die Produkte, was die Aktivierungsenergie für die Reaktion erklärt.

Inversion der Konfiguration (Walden-Umkehr):

• Während des Übergangs des Nukleophils und des Austritts der Abgangsgruppe werden die Bindungen neu angeordnet.

• Da der Angriff des Nukleophils von der entgegengesetzten Seite der Abgangsgruppe erfolgt, entsteht eine Spiegelbild- oder Walden-Umkehr der Molekülkonfiguration.

Bevorzugte Substrate und Bedingungen:

• Substrattypen:
• Primäre Alkylhalogenide bevorzugen diesen Mechanismus, da sie weniger sterische Hinderung haben und das Nukleophil leichter angreifen kann.
• Sekundäre Alkylhalogenide können reagieren, jedoch weniger bevorzugt aufgrund der erhöhten sterischen Hinderung.
• Tertiäre Alkylhalogenide sind ungeeignet aufgrund der starken sterischen Hinderung, die den Zugang des Nukleophils verhindert.

Lösungsmittel:Polare aprotische Lösungsmittel wie Aceton, Dimethylsulfoxid (DMSO) oder Tetrahydrofuran (THF) werden bevorzugt, da sie die Nukleophile nicht solvatisieren und dadurch reaktionsfähiger machen.

d)

• d) Ein Experiment ergibt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit einer SN2-Reaktion sich verdoppelt, wenn die Konzentration des Nukleophils oder des Substrats verdoppelt wird. Leite ausgehend von den gegebenen Verdopplungseffekten die allgemeine Geschwindigkeitsgleichung für diese Reaktion ab. Mathematisch, zeige, wie das Gesetz der zweiten Ordnung k = k [Substrat] [Nukleophil] fits the data.

Lösung:

• d) Ein Experiment ergibt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit einer SN2-Reaktion sich verdoppelt, wenn die Konzentration des Nukleophils oder des Substrats verdoppelt wird. Leite ausgehend von den gegebenen Verdopplungseffekten die allgemeine Geschwindigkeitsgleichung für diese Reaktion ab. Mathematisch, zeige, wie das Gesetz der zweiten Ordnung \( \text{Rate} = k [\text{Substrat}] [\text{Nukleophil}] \) zu den Daten passt.

Ableitung der allgemeinen Geschwindigkeitsgleichung:Wir beginnen mit den gegebenen Informationen:

• Wenn die Reaktionsgeschwindigkeit sich verdoppelt, wenn die Konzentration des Substrats oder des Nukleophils verdoppelt wird, deutet dies auf eine Reaktion zweiter Ordnung hin.

In einer SN2-Reaktion sind sowohl das Substrat als auch das Nukleophil an der geschwindigkeitsbestimmenden Stufe beteiligt. Dies bedeutet, dass die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration beider Reaktanten abhängt.Allgemeines Geschwindigkeitsgesetz für Reaktionen zweiter Ordnung:

• \( \text{Rate} = k [\text{Substrat}] [\text{Nukleophil}] \)

Mathematischer Beweis, dass das Gesetz der zweiten Ordnung zu den Daten passt:

• Angenommen, die Anfangskonzentrationen sind \( [\text{Substrat}] = [S] \) und \( [\text{Nukleophil}] = [N] \).
• Die Anfangsreaktionsgeschwindigkeit ist also \( \text{Rate}_0 = k [S][N] \).

• Wenn die Konzentration des Substrats verdoppelt wird (\( [S] \) zu \( 2[S] \)), wird die neue Geschwindigkeit:

\( \text{Rate}_1 = k (2[S])[N] = 2k [S][N] = 2 \text{Rate}_0 \)

• Wenn die Konzentration des Nukleophils verdoppelt wird (\( [N] \) zu \( 2[N] \)), wird die neue Geschwindigkeit:

\( \text{Rate}_2 = k [S](2[N]) = 2k [S][N] = 2 \text{Rate}_0 \)

• In beiden Fällen wird die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt, wenn entweder die Konzentration des Substrats oder des Nukleophils verdoppelt wird, was im Einklang mit dem Gesetz der zweiten Ordnung steht.

Zusammenfassung:

• Die allgemeine Geschwindigkeitsgleichung für eine SN2-Reaktion lautet \( \text{Rate} = k [\text{Substrat}] [\text{Nukleophil}] \).
• Dies wurde durch das Experiment bestätigt, da die Reaktionsgeschwindigkeit sich verdoppelt, wenn entweder die Konzentration des Substrats oder des Nukleophils verdoppelt wird.

Aufgabe 3)

Die Bildung von C-C Bindungen ist ein zentraler Prozess in der organischen Synthesechemie. Sie ermöglicht die Synthese komplexer organischer Moleküle durch die Verknüpfung kleinerer Einheiten. Zu den wichtigsten Reaktionen zählen die Aldolkondensation, Diels-Alder-Reaktion, Heck-Reaktion und Suzuki-Kupplung.

• Aldolkondensation: Enolat-Anion reagiert mit einer Carbonylverbindung zur Bildung einer β-Hydroxycarbonylverbindung.
• Diels-Alder-Reaktion: Diene und Dienophil reagieren zu einem Cyclohexen.
• Heck-Reaktion: Arylhalogenid und Alken reagieren zu einem substituierten Alken.
• Suzuki-Kupplung: Arylboronsäure reagiert mit Arylhalogenid zur Bildung eines Biaryls. Regio- und Stereoselektivität spielen dabei eine wichtige Rolle. Viele dieser Reaktionen erfordern Katalysatoren, wie Palladium in der Heck- und Suzuki-Kupplung.

a)

Erkläre den Mechanismus der Suzuki-Kupplung und zeichne das Reaktionsschema für die Reaktion zwischen Phenylboronsäure und Brombenzol. Welche Rolle spielt der Palladiumkatalysator in diesem Prozess?

Lösung:

Mechanismus der Suzuki-Kupplung:

Die Suzuki-Kupplung ist eine palladiumkatalysierte Kreuzkupplungsreaktion, bei der Aryl- oder Vinylboronsäuren mit Aryl- oder Vinylhalogeniden zur Bildung von Biaryl- oder Vinyl-Biaryl-Produkten reagieren. Der Mechanismus der Suzuki-Kupplung kann in folgende Schritte unterteilt werden:

• Oxidative Addition: Der Palladium(0)-Katalysator reagiert mit dem Arylhalogenid (z.B. Brombenzol), wobei eine oxidative Addition stattfindet, die ein Palladium(II)-Komplex bildet.
• Transmetallierung: Der Palladium(II)-Komplex reagiert mit der Arylboronsäure (z.B. Phenylboronsäure) in Gegenwart einer Base. Diese Transmetallierung führt zur Übertragung des Arylrestes vom Boron zum Palladium.
• Reduktive Eliminierung: Der Palladium(II)-Komplex führt eine reduktive Eliminierung durch, wobei das Biarylprodukt gebildet wird und der Palladium(0)-Katalysator regeneriert wird.

Reaktionsschema der Suzuki-Kupplung zwischen Phenylboronsäure und Brombenzol:

• C6H5-B(OH)2 + Br-C6H5 + Pd-Katalysator + Base → C6H5-C6H5 + Pd-Katalysator + HBr + H2O

Rolle des Palladiumkatalysators:

• Der Palladiumkatalysator erleichtert die oxidative Addition des Arylhalogenids, die Transmetallierung der Arylgruppe von der Boronsäure zum Palladium und schließlich die reduktive Eliminierung, die das Biarylprodukt freisetzt.
• Ohne den Palladiumkatalysator wäre die Reaktion extrem langsam oder würde überhaupt nicht ablaufen, da die Aktivierungsenergie für die einzelnen Schritte zu hoch wäre.

b)

Ein Forscher möchte ein substituiertes Cyclohexen durch eine Diels-Alder-Reaktion synthetisieren. Er verwendet Butadien als Diene und maleinanhydrid als Dienophil. Berechne die theoretische Ausbeute (100 g Butadien werden verwendet; Maleinanhydrid ist im Überschuss vorhanden; molare Masse von Butadien (C 4H 6): 54 g/mol; molare Masse des Produkts: 138 g/mol). Weiterhin wird der Reaktionsmechanismus beschrieben. Begründe, warum diese Reaktion in der Regel sowohl regioselektiv als auch stereoselektiv ist.

Lösung:

Theoretische Ausbeute berechnen:

• Gegeben: 100 g Butadien (molare Masse: 54 g/mol)
• Maleinanhydrid im Überschuss
• molare Masse des Produkts (substituiertes Cyclohexen): 138 g/mol

Wir beginnen mit der Berechnung der Stoffmenge (\textit{n}) von Butadien:

• \[ n = \frac{\text{Masse}}{\text{molare Masse}} = \frac{100 \, \text{g}}{54 \, \text{g/mol}} \approx 1{,}85 \, \text{mol} \]

Da die Diels-Alder-Reaktion im Verhältnis 1:1 abläuft, führt die Reaktion von 1 Mol Butadien zu 1 Mol substituiertem Cyclohexen.

• Theoretische Ausbeute: \[ n \, \text{(Stoffmenge)} \times \text{molare Masse des Produkts} = 1{,}85 \, \text{mol} \times 138 \, \text{g/mol} = 255{,}3 \, \text{g} \]

Reaktionsmechanismus:

Diels-Alder-Reaktion zwischen Butadien und Maleinanhydrid:

• Das Butadien fungiert als Diene, während das Maleinanhydrid als Dienophil dient.
• Während der Reaktion bilden die beiden Komponenten ein sechsgliedriges Ringsystem (Cyclohexen-Derivat).
• Die Reaktion verläuft mit einem konzertierten Mechanismus, bei dem die π-Elektronen des Dienes und des Dienophils gleichzeitig verschoben werden, um die neuen σ-Bindungen im Produkt zu bilden.

Regioselektivität und Stereoselektivität der Diels-Alder-Reaktion:

• Regioselektivität: Diese Reaktion ist regioselektiv, weil die elektronischen und sterischen Eigenschaften der Substituenten an Diene und Dienophil den Verlauf der Reaktion beeinflussen. Beispielsweise führt die Reaktion von Butadien mit Maleinanhydrid oft zu einem Produkt mit bestimmten Substitutionsmustern aufgrund der bevorzugten Überlappung von Orbitalen.
• Stereoselektivität: Die Reaktion ist stereoselektiv, weil die räumliche Struktur des Dienes und des Dienophils (cis/trans-Konfigurationen) während der Reaktion erhalten bleibt. Dies führt zur Bildung eines bestimmten stereochemischen Produkts. Insbesondere ein Endo-Produkt wird oft bevorzugt, da die Übergangszustände durch sekundäre Orbitalwechselwirkungen stabilisiert werden.

Aufgabe 4)

Einführung in die Chiralität und Enantiomere: Chiralität beschreibt die Eigenschaft von Molekülen, dass diese und ihre Spiegelbilder nicht deckungsgleich sind. Solche Moleküle werden als chiral bezeichnet. Enantiomere sind spezielle Stereoisomere, die Spiegelbilder voneinander sind.

• Ein chirales Zentrum ist ein Atom (meist Kohlenstoff), das vier verschiedene Substituenten trägt.
• Enantiomere haben identische physikalische Eigenschaften, mit Ausnahme ihrer optischen Aktivität.
• Die optische Aktivität beschreibt die Fähigkeit von Enantiomeren, die Ebene des polarisierten Lichts zu drehen: D-Enantiomere (+) drehen das Licht im Uhrzeigersinn, während L-Enantiomere (-) das Licht gegen den Uhrzeigersinn drehen.
• Die R/S-Nomenklatur gibt die absolute Konfiguration an einem chiralen Zentrum an.
• In der Pharmazie ist die Unterscheidung von Enantiomeren von großer Bedeutung, da sie unterschiedliche biologische Aktivitäten haben können.
• Ein Racemat ist ein 1:1-Gemisch von Enantiomeren und zeigt keine optische Aktivität.

a)

Gib eine detaillierte Definition eines chiralen Zentrums und erläutere, warum Wasserstoffatome in organischen Verbindungen normalerweise keine chiralen Zentren darstellen.

Lösung:

• Detaillierte Definition eines chiralen Zentrums: Ein chirales Zentrum ist ein Atom innerhalb eines Moleküls, meistens ein Kohlenstoffatom, das vier unterschiedliche Substituenten oder Liganden trägt. Diese Bedingung führt dazu, dass das Molekül und sein Spiegelbild nicht deckungsgleich sind, was die Grundlage für Chiralität ist. Ein Molekül mit mindestens einem solchen Zentrum ist chiral und kann somit Enantiomere bilden.
• Warum Wasserstoffatome normalerweise keine chiralen Zentren darstellen: Wasserstoffatome in organischen Verbindungen stellen normalerweise keine chiralen Zentren dar, weil sie nur ein Elektron besitzen und folglich nur eine Bindung mit einem anderen Atom eingehen können. Ein chirales Zentrum muss vier verschiedene Substituenten aufweisen, was Wasserstoff aufgrund seiner Einfachbindigkeit nicht erfüllen kann. Daher kann ein Wasserstoffatom in einer organischen Verbindung keine strukturelle Voraussetzung für Chiralität erfüllen und somit kein chirales Zentrum sein.

b)

Beschreibe ein Experiment, mit dem die optische Aktivität eines Enantiomers bestimmt werden kann. Welcher apparative Aufwand ist dafür notwendig?

Lösung:

Experiment zur Bestimmung der optischen Aktivität eines Enantiomers:

• Prinzip:Die optische Aktivität eines Enantiomers kann mithilfe eines Polarimeters gemessen werden. Ein Polarimeter ist ein Gerät, das die Drehung der polarisierten Licht-Ebene durch eine chiral-substituierte Verbindung bestimmt.
• Materialien und Apparatur:
  • Polarimeter
  • Lichtquelle (oft eine Natrium-Dampflampe, die monochromatisches Licht liefert)
  • Polarisator (um das Licht zu polarisieren)
  • Probe der enantiomeren Lösung in einem transparenten Rohr (Polarimeter-Rohr)
  • Analysator (um den Drehwinkel der polarisierten Licht-Ebene zu messen)
• Vorgehensweise:
  • Das Polarimeter wird eingeschaltet, und die Lichtquelle erzeugt monochromatisches Licht, das durch den Polarisator gelenkt wird, um polarisiertes Licht zu erzeugen.
  • Die polarisierte Licht-Ebene wird durch das Polarimeter-Rohr mit der Probe der enantiomeren Lösung geleitet.
  • Der Analysator wird gedreht, bis die Lichtintensität ein Maximum erreicht ist. Der Drehwinkel, der benötigt wird, um dies zu erreichen, wird abgelesen und aufgezeichnet. Dieser Drehwinkel entspricht der optischen Drehung der Probe.
• Interpretation:
  • Die gemessene Drehung wird als [α] bezeichnet.
  • Wenn das Licht im Uhrzeigersinn gedreht wird, wird das Enantiomer als D- oder (+)-Enantiomer bezeichnet.
  • Wenn das Licht gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird, wird das Enantiomer als L- oder (-)-Enantiomer bezeichnet.
• Apparative Anforderungen:Die benötigte apparative Ausrüstung umfasst im Wesentlichen das Polarimeter selbst zusammen mit einer geeigneten Lichtquelle, einem Polarisator und einem Analysator. Diese Instrumente sind in spezialisierten Labors vorhanden und erfordern keine übermäßig komplexe oder teure Ausstattung. Dennoch ist präzises Arbeiten und Kalibrieren notwendig, um genaue Messungen zu gewährleisten.

d)

Diskutiere die Bedeutung der Enantiomerentrennung in der Pharmazie und gib ein Beispiel für ein chirales Arzneimittel, bei dem die Enantiomere unterschiedliche Wirkungen haben.

Lösung:

Bedeutung der Enantiomerentrennung in der Pharmazie:In der Pharmazie ist die Trennung von Enantiomeren von großer Bedeutung, da die unterschiedlichen Enantiomere eines chiralen Arzneimittels oft verschiedene biologische Wirkungen haben können. Ein Enantiomer kann eine gewünschte therapeutische Wirkung zeigen, während das andere Enantiomer unwirksam oder sogar schädlich sein kann. Dies ergibt sich aus der spezifischen Wechselwirkung der Enantiomere mit chiralen Rezeptoren, Enzymen und anderen biologischen Molekülen im Körper.Die Trennung und spezifische Verabreichung des wirksamen Enantiomers kann die Effektivität und Sicherheit eines Medikaments erheblich verbessern. Dies kann dazu führen, dass niedrigere Dosen verwendet werden müssen, was das Risiko von Nebenwirkungen und toxischen Wirkungen verringert.Ein Beispiel für ein chirales Arzneimittel, bei dem die Enantiomere unterschiedliche Wirkungen haben, ist das Medikament Thalidomid.

• Thalidomid: In den 1950er und 1960er Jahren wurde Thalidomid als Beruhigungsmittel und zur Behandlung von Morgenübelkeit bei Schwangeren verschrieben. Leider hatte das Medikament schwerwiegende Nebenwirkungen: Es führte bei vielen Kindern zu Fehlbildungen, wenn es von schwangeren Frauen im ersten Trimester eingenommen wurde. Später wurde entdeckt, dass Thalidomid ein chirales Molekül ist und dass ein Enantiomer (R-Thalidomid) die beruhigende Wirkung hatte, während das andere Enantiomer (S-Thalidomid) teratogen, also fruchtschädigend, war. Diese Entdeckung führte zu einem erhöhten Bewusstsein für die Notwendigkeit der Trennung und Untersuchung von Enantiomeren in der Arzneimittelentwicklung.