Aufbau und Struktur organischer Verbindungen - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Betrachte die verschiedenen Hybridisierungen und die daraus resultierenden Molekülgeometrien. Eine sp-Hybridisierung führt zu einer linearen Geometrie mit einem Winkel von 180°, wie bei BeCl₂. Eine sp²-Hybridisierung resultiert in einer trigonal-planaren Geometrie mit einem Winkel von 120°, wie bei BF₃. Bei einer sp³-Hybridisierung bildet sich eine tetraedrische Geometrie mit einem Winkel von 109,5°, wie bei CH₄. Eine sp³d-Hybridisierung führt zu einer trigonal-bipyramidalen Geometrie mit Winkeln von 90° und 120° wie bei PCl₅. Eine sp³d²-Hybridisierung erzeugt eine oktaedrische Geometrie mit Winkeln von 90°, wie bei SF₆.

a)

(a) Bestimme die Hybridisierung und die Molekülgeometrie von NH₃. Erkläre deinen Ansatz und wie du die Form des Moleküls ableitest.

Lösung:

(a) Um die Hybridisierung und die Molekülgeometrie von NH₃ (Ammoniak) zu bestimmen, folge diesen Schritten:

• Valenzelektronen berechnen: Stickstoff (N) hat 5 Valenzelektronen, und jedes Wasserstoffatom (H) hat 1 Valenzelektron. Daher hat NH₃ insgesamt 5 + 3 = 8 Valenzelektronen.
• Bestimme die Elektronenpaaranordnung: Der Stickstoff hat 5 Valenzelektronen, von denen 3 Elektronen mit den 3 Wasserstoffatomen bindende Paare bilden, und eines ein freies Elektronenpaar bleibt.
• Hybridisierung bestimmen: Da der Stickstoff in NH₃ durch 3 Wasserstoffatome gebunden ist und 1 freies Elektronenpaar hat, ergibt dies insgesamt 4 Elektronenpaar-Regionen. Dies bedeutet, dass der Stickstoff eine sp³-Hybridisierung aufweist. Die Formel für die Hybridisierung lautet:

   Elektronenpaar-Regionen (Anzahl der bindenden Paare + Anzahl der freien Paare): 4 

• Geometrie der Moleküle ableiten: Eine sp³-Hybridisierung führt normalerweise zu einer tetraedrischen Anordnung der Elektronenpaare. Da jedoch ein freies Elektronenpaar vorhanden ist, führt dies zu einer leicht verzerrten tetraedrischen Struktur, die als trigonal-pyramidal bekannt ist. Der Bindungswinkel beträgt etwas weniger als 109,5°.

Zusammenfassend ist die Hybridisierung von NH₃ sp³ und die Molekülgeometrie ist trigonal-pyramidal. Dies resultiert aus der Anordnung von drei Wasserstoffatomen und einem freien Elektronenpaar um den Stickstoffatom.

b)

(b) Angenommen, ein Molekül CCl₄ liegt vor. Zeichne die 3D-Struktur und berechne die Winkel der Bindungen in diesem Molekül. Erläutere, welche Hybridisierung hier vorliegt und warum.

Lösung:

(b) Um die 3D-Struktur von CCl₄ (Tetrachlormethan) zu bestimmen, folge diesen Schritten:

• Valenzelektronen berechnen: Kohlenstoff (C) hat 4 Valenzelektronen, und jedes Chloratom (Cl) hat 7 Valenzelektronen. Da es vier Chlore gibt, beträgt die Gesamtzahl der Valenzelektronen in CCl₄ 4 + (4 × 7) = 32 Valenzelektronen.
• Strukturformel zeichnen: Kohlenstoff als Zentralatom bindet an vier Chloratome mit insgesamt vier Einfachbindungen, wodurch eine stabile Struktur entsteht.
• Bestimme die Elektronenpaaranordnung: Der Kohlenstoff in CCl₄ hat 4 bindende Paar-Elektronen (von Einfachbindungen mit den Chloratomen) und keine freien Elektronenpaare.
• Hybridisierung bestimmen: Da der Kohlenstoff in CCl₄ durch 4 bindende Paare umgeben ist, weist er eine sp³-Hybridisierung auf. Dies kann überprüft werden durch die 4 Elektronenpaar-Regionen um den Kohlenstoff, was zu einer Formel für die Hybridisierung führt:

   Elektronenpaar-Regionen (Anzahl der bindenden Paare): 4 

• Geometrie und Bindungswinkel ableiten: Eine sp³-Hybridisierung führt zu einer tetraedrischen Anordnung der Bindungen. In einem tetraedrischen Molekül beträgt der Bindungswinkel 109,5°.

   Bindungswinkel in CCl4: 109,5° 

Die 3D-Struktur von CCl₄ ist somit tetraedrisch. Die vier Chloratome sind in einem Punkt angeordnet, der 109,5° voneinander entfernt ist. Die Hybridisierung des Kohlenstoffs in CCl₄ ist sp³, da der Kohlenstoff mit vier Elektronenpaaren, die aus vier Einfachbindungen bestehen, an vier Chloratome gebunden ist.

3D-Struktur von CCl₄:

Stelle Dir den Kohlenstoff in der Mitte vor, mit den vier Chloratomen an den Ecken eines Tetraeders. Alle Bindungswinkel betragen 109,5°.

     Cl         Cl       \     //             C              //    \      Cl         Cl  

c)

(c) Ein unbekanntes Molekül hat eine trigonal-planare Geometrie. Es besteht aus einem Zentralatom X und drei gleichartigen Liganden Y. Von welcher Hybridisierung des Zentralatoms kannst du ausgehen? Berechne die theoretischen Bindungswinkel und nenne ein passendes Beispiel für ein solches Molekül.

Lösung:

(c) Wenn ein unbekanntes Molekül eine trigonal-planare Geometrie hat und aus einem Zentralatom X und drei gleichartigen Liganden Y besteht, können wir von der folgenden Hybridisierung des Zentralatoms ausgehen:

• Hybridisierung bestimmen: Ein Molekül mit trigonal-planarer Geometrie deutet darauf hin, dass das Zentralatom eine sp²-Hybridisierung aufweist. Bei einer sp²-Hybridisierung werden ein s-Orbital und zwei p-Orbitale des Zentralatoms hybridisiert, um drei sp²-Hybridorbitale zu bilden.
• Theoretische Bindungswinkel berechnen: In einer trigonal-planaren Geometrie sind die drei Bindungen gleichmäßig auf einer Ebene verteilt, was zu einem Winkel von 120° zwischen den Bindungen führt.

   Theoretischer Bindungswinkel = 120° 

• Passendes Beispiel: Ein bekanntes Beispiel für ein Molekül mit trigonal-planarer Geometrie und sp²-Hybridisierung ist BF₃ (Borantrifluorid). In BF₃ bildet das Bor (B) drei Einfachbindungen mit den drei Fluoratomen (F), wodurch eine trigonal-planare Molekülgeometrie mit Winkeln von 120° entsteht.

Zusammengefasst bedeutet dies, dass das unbekannte Molekül mit trigonal-planarer Geometrie eine sp²-Hybridisierung des Zentralatoms X aufweist und die Bindungswinkel 120° betragen. Ein passendes Beispiel für ein solches Molekül ist BF₃.

Aufgabe 2)

Chiralität und chirale MoleküleDu hast gelernt, dass Moleküle, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten, chiral sind und keine Deckungsgleichheit aufweisen. Ein chirales Molekül besitzt gewöhnlich ein oder mehrere Stereozentren, meistens Kohlenstoffatome mit vier verschiedenen Substituenten. Ein einzelnes Stereozentrum führt immer zu einem chiralen Molekül. Enantiomere sind Paare solcher Moleküle, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Diese zeigen optische Aktivität, d.h., sie drehen die Ebene des polarisierten Lichts. Die R/S-Nomenklatur hilft bei der Benennung der Konfiguration von Stereozentren. Dies ist besonders wichtig in der Pharmazeutik, da die Eigenschaften eines Moleküls stark von seiner chiralität abhängen können.

a)

Bestimme für das folgende Molekül, ob es chiral ist oder nicht. Falls es chiral ist, gib die Stereokonfigurationen der Stereozentren in der R/S-Nomenklatur an. Verwende die CIP-Regeln (Cahn-Ingold-Prelog) zur Bestimmung der Prioritäten.

• Zeichne die stereochemische Struktur des Moleküls mit der angedeuteten dreidimensionalen Anordnung der Substituenten.
• Bestimme alle Stereozentren im Molekül.
• Weise die Prioritäten der Substituenten gemäß den CIP-Regeln zu.
• Gib die R/S-Konfiguration der ermittelten Stereozentren an.

Lösung:

Chiralität und chirale MoleküleIn dieser Aufgabe geht es darum, die Chiralität eines gegebenen Moleküls zu bestimmen und die Stereokonfigurationen der Stereozentren anzugeben. Hier sind die Schritte, die Du ausführen musst, um die Aufgabe zu lösen:

• Zeichne die stereochemische Struktur des Moleküls mit der angedeuteten dreidimensionalen Anordnung der Substituenten.
• Bestimme alle Stereozentren im Molekül.
• Weise die Prioritäten der Substituenten gemäß den CIP-Regeln (Cahn-Ingold-Prelog) zu.
• Gib die R/S-Konfiguration der ermittelten Stereozentren an.

Hier sind die detaillierten Schritte, um die Aufgabe zu lösen:1. Zeichne die stereochemische Struktur des Moleküls:2. Bestimme alle Stereozentren im Molekül:Identifiziere alle Kohlenstoffatome, die vier verschiedene Substituenten haben. Diese Kohlenstoffatome sind die Stereozentren. Im gegebenen Bild ist das Stereozentrum das Kohlenstoffatom, das an vier verschiedene Gruppen gebunden ist.3. Weist die Prioritäten der Substituenten gemäß den CIP-Regeln zu:Die CIP-Regeln besagen, dass Du den folgenden Schritten folgst, um Prioritäten festzulegen:

• Betrachte die Atome direkt an das Stereozentrum gebunden.
• Ordne die Prioritäten gemäß der Ordnungszahl der Atome (höhere Ordnungszahl = höhere Priorität).
• Wenn gleiche Atome gebunden sind, betrachte die nächstgebundenen Atome, bis ein Unterschied gefunden ist.
• Mehrfachbindungen werden als separate einfache Bindungen betrachtet.

Beispiel: Angenommen, am Stereozentrum sind folgende Substituenten gebunden: (1) -OH, (2) -CH3, (3) -Cl, (4) -H.Die Prioritäten wären demnach: Cl (höchste Ordnungszahl), OH, CH3, H (niedrigste Ordnungszahl).4. Gib die R/S-Konfiguration der ermittelten Stereozentren an:Um die R/S-Konfiguration zu bestimmen, ordne die Substituenten so an, dass der mit der niedrigsten Priorität (H) nach hinten zeigt. Betrachte den Weg, den die Prioritäten 1, 2 und 3 folgen:

• Wenn der Weg im Uhrzeigersinn verläuft, ist die Konfiguration R (rectus).
• Wenn der Weg gegen den Uhrzeigersinn verläuft, ist die Konfiguration S (sinister).

Beispiel: Angenommen, die Prioritäten sind so angeordnet, dass der Weg von Cl (1) zu OH (2) zu CH3 (3) gegen den Uhrzeigersinn verläuft, dann ist die Konfiguration am Stereozentrum S.Fazit:Du hast nun gelernt, wie Du chiral Moleküle identifizierst und die R/S-Konfigurationen ihrer Stereozentren gemäß den CIP-Regeln bestimst. Dies ist besonders wichtig in der Pharmazeutik, da die Eigenschaften eines Moleküls stark von seiner Chiralität abhängen können.

b)

Erkläre die Bedeutung der Chiralität in der Pharmazeutik. Wähle ein bekanntes chiral aktives Arzneimittel und beschreibe, wie die verschiedenen Enantiomere unterschiedliche Wirkungen im Körper haben können. Erkläre, warum es wichtig ist, die spezifische Enantiomerische Reinheit eines Arzneimittels zu kennen und zu kontrollieren.

Lösung:

Chiralität und chirale Moleküle in der PharmazeutikDie Chiralität spielt eine entscheidende Rolle in der Pharmazeutik, da die räumliche Anordnung von Atomen in einem Molekül die Art und Weise beeinflussen kann, wie es mit biologischen Zielen interagiert. Dabei können zwei Enantiomere eines chiralen Arzneimittels oft völlig unterschiedliche pharmakologische Effekte haben.

• Warum ist Chiralität wichtig?Viele biologische Moleküle wie Enzyme, Rezeptoren und DNA sind selbst chiral. Dies bedeutet, dass die Wechselwirkung eines Arzneimittels mit diesen Molekülen stark von seiner dreidimensionalen Struktur abhängt. Nur ein Enantiomer einer chiralen Substanz kann die gewünschte therapeutische Wirkung erzielen, während das andere Enantiomer unwirksam oder sogar schädlich sein kann.
• Beispiel eines chiral aktiven Arzneimittels: ThalidomidThalidomid ist ein klassisches Beispiel für die Bedeutung von Chiralität in der Medizin. Es besteht aus zwei Enantiomeren: (R)-Thalidomid und (S)-Thalidomid.
  • Das (R)-Enantiomer hat beruhigende und antiemetische Wirkungen und wurde ursprünglich als Schlafmittel und zur Behandlung von Schwangerschaftsübelkeit verwendet.
  • Das (S)-Enantiomer hingegen führte zu schwerwiegenden Fehlbildungen bei Föten, wenn es von schwangeren Frauen eingenommen wurde. Dies führte zu einer Katastrophe in den 1960er Jahren, als viele Kinder mit Missbildungen geboren wurden, weil das Medikament keine enantiomerenreine Zusammensetzung hatte.
• Warum ist die enantiomerenreinheit eines Arzneimittels wichtig?
• Therapeutische Wirksamkeit: Nur das richtige Enantiomer interagiert optimal mit dem biologischen Ziel und erzielt die gewünschte Wirkung.
• Sicherheit: Das falsche Enantiomer kann toxische Wirkungen haben oder Nebenwirkungen verursachen.
• Stabilität und metabolischer Abbau: Verschiedene Enantiomere werden im Körper unterschiedlich abgebaut und haben verschiedene Halbwertszeiten.

Zusammengefasst ist es in der Pharmazeutik äußerst wichtig, die enantiomerenreine Zusammensetzung eines Arzneimittels zu kennen und zu kontrollieren. Daher wird häufig versucht, Arzneimittel so zu entwickeln und zu produzieren, dass sie nur das gewünschte Enantiomer in möglichst reiner Form enthalten. Dies erfordert manchmal komplexe Synthese- und Trennverfahren, ist aber entscheidend für die Sicherheit und Wirksamkeit des Medikaments.

Aufgabe 3)

Du hast eine Probe einer unbekannten organischen Verbindung, die Du mittels NMR-Spektroskopie analysierst. Das ^1H-NMR-Spektrum zeigt folgende Signale (in ppm): 0.9 (Triplet, 3H), 1.3 (Multiplet, 2H), 2.3 (Quartett, 2H), 3.7 (Singlet, 3H). Das ^13C-NMR-Spektrum zeigt Signale bei 9.8, 22.5, 34.2 und 51.4 ppm. Bestimme die Struktur der Verbindung.

a)

Identifiziere alle Signale im ^1H-NMR-Spektrum und gib an, welchem protonierten Kohlenstoffatom jedes Signal entsprechen könnte. Berücksichtige dabei chemische Verschiebungen, Kopplungsmuster und Integrale. Nutze die Informationen aus dem ^13C-NMR-Spektrum zur Unterstützung und erkläre Deine Zuordnungen.

Lösung:

Identifikation der Signale im ¹H-NMR-Spektrum

Um die Signale im ¹H-NMR-Spektrum zu identifizieren und den entsprechenden protonierten Kohlenstoffatomen zuzuordnen, befolgen wir folgende Schritte:

• Signal bei 0,9 ppm (Triplet, 3H): Dieses Signal könnte auf eine Methylgruppe (CH₃-Gruppe) hinweisen, die an einer Methylen-Gruppe (CH₂) gekoppelt ist. Ein Triplet entsteht durch die Kopplung mit zwei benachbarten Protonen (CH₂). Das Integrale von 3H bestätigt, dass es sich um drei Protonen handelt. Zuordnung: Die chemische Verschiebung von 0,9 ppm und das Triplet-Muster deuten auf eine Methylgruppe hin, die an ein Kohlenstoffatom gebunden ist, das selbst an zwei Wasserstoffatome gekoppelt ist.
• Signal bei 1,3 ppm (Multiplet, 2H): Dieses Signal könnte auf eine Methylen-Gruppe (CH₂) hinweisen, die an mehrere benachbarte Protonen gekoppelt ist. Das Integrale von 2H weist darauf hin, dass es sich um zwei Protonen handelt. Zuordnung: Die chemische Verschiebung und das Multiplet-Muster deuten auf eine CH₂-Gruppe hin, die mit verschiedenen Nachbargruppen interagiert.
• Signal bei 2,3 ppm (Quartett, 2H): Dieses Signal könnte auf eine Methylen-Gruppe (CH₂) hinweisen, die an eine Methylgruppe (CH₃) gekoppelt ist. Ein Quartett entsteht durch die Kopplung mit drei benachbarten Protonen (CH₃). Das Integrale von 2H zeigt an, dass es sich um zwei Protonen handelt. Zuordnung: Die chemische Verschiebung von 2,3 ppm und das Quartett-Muster deuten auf eine CH₂-Gruppe hin, die an ein Kohlenstoffatom gebunden ist, das selbst an drei Wasserstoffatome (CH₃) gekoppelt ist.
• Signal bei 3,7 ppm (Singlet, 3H): Dieses Signal könnte auf eine Methoxygruppe (OCH₃) hinweisen, da es als Singlet erscheint und keine Kopplung zeigt. Das Integrale von 3H bestätigt, dass es sich um drei Protonen handelt. Zuordnung: Die chemische Verschiebung von 3,7 ppm und das Singlet-Muster deuten auf eine Methoxygruppe hin (OCH₃).

Unterstützung durch das ¹³C-NMR-Spektrum

Das ¹³C-NMR-Spektrum zeigt Signale bei 9,8, 22,5, 34,2 und 51.4 ppm. Diese chemischen Verschiebungen können zur Bestätigung der ¹H-NMR-Zuordnungen herangezogen werden:

• 9,8 ppm: Typisch für Methylgruppen, die an ungesättigte oder an weniger elektronegative Atome gebunden sind. Kann zur Methylgruppe bei 0,9 ppm im ¹H-NMR zugeordnet werden.
• 22,5 ppm: Typisch für Methylen-Gruppen, die an andere aliphatische Kohlenstoffe gebunden sind. Kann zur CH₂-Gruppe bei 1,3 ppm im ¹H-NMR zugeordnet werden.
• 34,2 ppm: Typisch für Methylen-Gruppen, die an elektronegative Atome oder funktionelle Gruppen wie eine Methylgruppe oder ringsysteme gebunden sind. Kann zur CH₂-Gruppe bei 2,3 ppm im ¹H-NMR zugeordnet werden.
• 51.4 ppm: Typisch für Methoxygruppen oder quartäre Kohlenstoffe. Kann zur Methoxygruppe bei 3,7 ppm im ¹H-NMR zugeordnet werden.

Zusammenfassung:

Basierend auf den ¹H-NMR- und ¹³C-NMR-Daten können wir die folgende Zuordnung der Signale vornehmen:

• 0,9 ppm (Triplet, 3H) - Methylgruppe (CH₃-).
• 1,3 ppm (Multiplet, 2H) - Methylen-Gruppe (CH₂-).
• 2,3 ppm (Quartett, 2H) - Methylen-Gruppe (CH₂-).
• 3,7 ppm (Singlet, 3H) - Methoxygruppe (OCH₃).

b)

Zeichne die Struktur der Verbindung und erkläre, wie die Informationen aus dem ^1H-NMR- und dem ^13C-NMR-Spektrum zur endgültigen Strukturaufklärung beigetragen haben. Diskutiere mögliche Isomere und wie die spezifischen NMR-Daten Dir geholfen haben, die genau passende Struktur zu bestimmen.

Lösung:

Struktur der Verbindung

Basierend auf den ¹H-NMR- und ¹³C-NMR-Daten können wir die Struktur der Verbindung bestimmen. Zunächst fassen wir die Informationen zusammen:

• 0.9 ppm (Triplet, 3H) - Methylgruppe (CH₃-) an ein CH₂
• 1.3 ppm (Multiplet, 2H) - Methylen-Gruppe (CH₂-)
• 2.3 ppm (Quartett, 2H) - Methylen-Gruppe (CH₂-) an eine CH₃ Gruppe
• 3.7 ppm (Singlet, 3H) - Methoxygruppe (OCH₃)-

Die ¹³C-NMR-Daten unterstützen diese Interpretation mit Signalen bei:

• 9,8 ppm - Methylgruppe (CH₃-)
• 22,5 ppm - Methylen-Gruppe (CH₂)-
• 34,2 ppm - Methylen-Gruppe (CH₂)-
• 51,4 ppm - Methoxygruppe (OCH₃)-

Verknüpfen wir diese Informationen, ergibt sich die wahrscheinlichste Struktur als:

Ethylmethylether (CH₃CH₂OCH₃)

Hier ist die Strukturzeichnung:

H3C - CH2 - O - CH3

Erklärung, wie NMR-Daten zur Strukturaufklärung beitragen:

• Signal bei 0.9 ppm (Triplet, 3H): Dieses Signal repräsentiert die Methylgruppe (CH₃-) am Ende der Ethylgruppe. Das Triplet weist auf eine Kopplung mit zwei benachbarten Protonen des benachbarten CH₂ hin.
• Signal bei 1.3 ppm (Multiplet, 2H): Das Multiplet weist auf ein CH₂-Gruppe, die sowohl mit der CH₃- als auch mit der O-gebundenen CH₃-Gruppe gekoppelt ist.
• Signal bei 2.3 ppm (Quartett, 2H): Das Quartett zeigt eine CH₂-Gruppe, die zu der Ethylgruppe gehört und mit der Methylgruppe (CH₃) gekoppelt ist. Diese zwei Protonen koppeln mit drei Protonen des benachbarten CH₃ und erzeugen ein Quartett.
• Signal bei 3.7 ppm (Singlet, 3H): Die Methoxygruppe (OCH₃) gibt ein Singlet, da es keine benachbarten Protonen gibt, mit denen es koppeln könnte. Das Signal bei 3.7 ppm unterstützt die Anwesenheit eines O-atoms.
• ¹³C NMR: Die Signale im ¹³C-NMR-Diagramm helfen bei der Bestätigung der Positionen der Kohlenstoffatome in der Verbindung:
• 9,8 ppm: Passt zur CH₃-Gruppe
• 22,5 ppm: Passt zur ersten CH₂-Gruppe
• 34,2 ppm: Passt zur zweiten CH₂-Gruppe
• 51,4 ppm: Passt zur OCH₃-Gruppe

Diskussion möglicher Isomere und spezifischer NMR-Daten:

Der Ethylmethylether (CH₃CH₂OCH₃) ist ein einfaches Beispiel für eine lineare organische Verbindung mit klar erkennbaren ¹H- und ¹³C-NMR-Signalen. Andere Isomere wie Butanol oder Diethylether hätten unterschiedliche chemische Verschiebungen und Kopplungsmuster, die nicht mit den gegebenen Spektren übereinstimmen. Die spezifischen NMR-Daten, insbesondere die Singlets, Triplets, und die charakteristischen chemischen Verschiebungen, ermöglichen eine eindeutige Identifizierung der Struktur.