Organische Chemie: Struktur, Reaktion und Synthese
Das Themenfeld Organische Chemie: Struktur, Reaktion und Synthese prüft Nomenklatur, Isomerie, Reaktionsmechanismen und die Planung mehrstufiger Synthesen mit passenden Reagenzien, Bedingungen und Aufarbeitung. Verlangt wird die Verknüpfung von Struktur, Reaktivität und Stoffklasse.
Struktur und Nomenklatur
Die funktionelle Gruppe bestimmt das Suffix: –ol, –al, –on, –säure, –oat. Man unterscheidet Konstitutionsisomere und Stereoisomere (E/Z an der Doppelbindung, R/S am Stereozentrum, Enantiomere, Diastereomere, Racemat). Mesomerie und induktive Effekte erklären Acidität und Reaktivität: +I-Effekte destabilisieren Anionen, –M-Effekte der Carbonylgruppe erhöhen die Elektrophilie am Kohlenstoff.
Reaktionstypen
Radikalische Substitution an Alkanen (Initiation, Propagation, Termination), elektrophile Addition an Alkenen nach der Markownikow-Regel (H an das wasserstoffreichere Kohlenstoffatom, weil das stabilere Carbokation entsteht), nucleophile Substitution SN1 (Carbokation, Racemisierung, tertiär bevorzugt) und SN2 (Walden-Umkehr, primär bevorzugt), Eliminierung E1/E2, nucleophile Addition an Carbonylen, Veresterung nach Fischer (H+ katalysiert, Gleichgewicht) und Verseifung.
Syntheseplanung
Retrosynthetisch vom Zielmolekül rückwärts planen; C–C-Verknüpfung und Funktionsgruppenumbau getrennt behandeln. Oxidationsstufen gezielt einstellen: primärer Alkohol zum Aldehyd (milde Oxidation mit Destillation) und weiter zur Carbonsäure (Überschuss an Oxidationsmittel). Aufarbeitung angeben: Extraktion, Destillation, Umkristallisation.
Beispiel
Ethanol soll in Ethylethanoat überführt werden. Schritt 1: Oxidation mit K2Cr2O7/H2SO4 liefert Ethansäure; würde man nur bis zum Ethanal oxidieren, entstünde bei der Veresterung ein Gemisch. Schritt 2: Ethansäure und Ethanol im Überschuss mit wenig H2SO4 am Rückfluss erhitzen; das Gleichgewicht wird durch Entziehen von Wasser auf die Produktseite verschoben. Schritt 3: Aufarbeitung durch Destillation, da der Ester keinen Wasserstoffbrücken donor mehr besitzt und niedriger siedet als die Säure. Begründungskette: Reagenz – Oxidationsstufe – Gleichgewichtslage – Trennprinzip.
Typische Fehler
Mechanismen werden ohne Elektronenpaarpfeile oder mit falschen Ladungen gezeichnet, Markownikow und Anti-Markownikow verwechselt. Bei SN1 fehlt die Racemisierung, bei der Veresterung wird die Gleichgewichtslage als vollständig angenommen. Häufig wird ein primärer Alkohol zu stark oxidiert, sodass der Aldehyd zur Säure weiterreagiert, oder die saure Katalyse wird als Verbrauch statt als Katalyse beschrieben.