Organische Chemie

Mechanismen organisch-chemischer Reaktionen

Wie organische Reaktionen auf Ebene der Elektronen ablaufen, von Substitution, Addition und Eliminierung über Carbonylchemie und Umlagerungen bis zu pericyclischen Reaktionen, Kreuzkupplungen und Redoxreaktionen.

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Ein Mechanismus beschreibt, welche Bindungen in welcher Reihenfolge brechen und neu entstehen. Meist fließt dabei ein Elektronenpaar vom Nucleophil zum Elektrophil. Daneben gibt es Radikalreaktionen, die mit einer homolytischen Bindungsspaltung beginnen. Hier laufen chemische Bindung, reaktive Zwischenstufen und Substanzklassen zusammen. Wer den Elektronenfluss lesen kann, leitet Produkte aus Edukt und Reagenz ab, statt Reaktionen einzeln auswendig zu lernen.

Die Gliederung folgt den Grundtypen. Am Anfang stehen Substitutionen, radikalisch, am sp³-Kohlenstoff und am Aromaten. Danach folgen Additionen an Carbonylgruppen und C=C-Bindungen sowie die Eliminierung als ihre Umkehrung. Kondensationen zeigen, wie Addition und Eliminierung nacheinander ablaufen. Darauf baut die erweiterte Carbonylchemie mit Carbonsäure-Derivaten und konjugierter Addition auf. Umlagerungen, konzertierte pericyclische Reaktionen und Pd-katalysierte Kreuzkupplungen erweitern das Repertoire. Oxidation und Reduktion ordnen schließlich die Umwandlungen funktioneller Gruppen nach Oxidationsstufen.

Bei jedem Reaktionstyp kehren dieselben Fragen wieder: Welche Zwischenstufe tritt auf, wie sieht das Energieprofil aus, welches Regio- oder Stereoisomer entsteht? Ob ein sekundäres Bromalkan mit einer Base substituiert oder eliminiert wird, lässt sich so begründen. In der Pharmazie braucht man dieses Denken für Arzneistoffsynthesen, aber auch für Stabilität und Abbau, etwa bei der Hydrolyse von Esterwirkstoffen oder der Autoxidation von Fetten.

Radikalische Substitution

Radikalkettenmechanismus der Alkanhalogenierung

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Aliphatische nucleophile Substitution

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Substratstruktur und Reaktivität bei \(\mathrm{S_N1}\) und \(\mathrm{S_N2}\)

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Abgangsgruppen und Nucleophilie

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Lösungsmitteleffekte und Wahl des Mechanismus

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Präparative nucleophile Substitutionen

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Elektrophile aromatische Substitution

Mechanismus der elektrophilen aromatischen Substitution

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Substituenteneffekte und Reaktivität am Aromaten

Wie Substituenten über induktive und mesomere Effekte die Elektronendichte des …

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Dirigierende Wirkung von Erstsubstituenten

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Mehrfach substituierte Aromaten und Syntheseplanung

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Kernhalogenierung und Sulfonierung

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Friedel-Crafts-Alkylierung und Hydroxyalkylierung

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Schwache Elektrophile an elektronenreichen Aromaten

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Nucleophile aromatische Substitution

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Eliminierungs-Additions-Mechanismus über Arine

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Addition an Carbonyle und Nitrile

Carbonylaktivität und Hydratbildung

Wo und wie Nucleophile an Aldehyde und Ketone angreifen, warum …

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Eliminierungen

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Elektrophile Addition

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Hydratisierung und Hydroborierung von Alkenen

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Elektrophile Addition an Alkine

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Kondensationsreaktionen

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Knoevenagel- und verwandte Kondensationen

Knoevenagel-, Henry-, Perkin- und Darzens-Reaktion verknüpfen CH-acide Verbindungen mit Carbonylverbindungen. …

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Iminbildung und Mannich-Reaktion

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Carbonsäure-Derivate

Reaktivität der Carbonsäure-Derivate und Acylierung

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Esterhydrolyse und säurekatalysierte Veresterung

Wie Ester im Basischen irreversibel verseift und im Sauren reversibel …

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Claisen-, gekreuzte und Dieckmann-Esterkondensation

Esterenolate und Keton-Enolate greifen Ester an und bilden β-Ketoester und …

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Konjugierte Addition

Michael-Addition und Robinson-Anellierung

Nucleophile addieren bevorzugt an das β-C α,β-ungesättigter Carbonylverbindungen. Diese Michael-Addition …

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Umlagerungen

Wagner-Meerwein-Umlagerung von Carbenium-Ionen

Wie Alkylgruppen in Carbenium-Ionen zum Nachbaratom wandern und wie man …

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Pinakol- und Benzilsäure-Umlagerung

Wie 1,2-Diole unter Säurekatalyse und 1,2-Diketone mit Hydroxid ihr Kohlenstoffgerüst …

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Beckmann-, Hofmann- und Curtius-Umlagerung

Beckmann-Umlagerung, Hofmann-Abbau und Curtius-Umlagerung als Umlagerungen an elektronendefizitären Stickstoff, mit …

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Hock- und Baeyer-Villiger-Umlagerung, Umlagerungstypen

Wie Phenyl- und Alkylgruppen auf elektronenarmen Sauerstoff wandern, und wie …

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Pericyclische Reaktionen

Pericyclische Reaktionen und Woodward-Hoffmann-Regeln

Pericyclische Reaktionen verlaufen konzertiert über einen cyclischen Übergangszustand, und ihre …

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Sigmatrope Umlagerungen: Cope, Claisen und Verwandte

Wie bei sigmatropen Umlagerungen eine σ-Bindung entlang eines π-Systems wandert …

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Diels-Alder-Reaktion: Prinzip und Grenzorbitale

Die Diels-Alder-Reaktion verknüpft ein konjugiertes Dien und ein Dienophil konzertiert …

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Anforderungen an Dien und Dienophil

Welche Strukturmerkmale ein Molekül zum Dien oder Dienophil machen und …

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Cyclopentadien, Furan und Anthracen als Diene

Cyclische und aromatische Diene bilden in der Diels-Alder-Reaktion überbrückte Bicyclen …

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Stereospezifität und Retrosynthese von Diels-Alder-Addukten

Wie die Konfiguration des Dienophils im Diels-Alder-Addukt erhalten bleibt und …

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1,3-Dipolare und photochemische [2+2]-Cycloadditionen

Wie 1,3-Dipole mit Alkenen, Alkinen und Nitrilen Fünfring-Heterocyclen aufbauen und …

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Kreuzkupplungen

Pd-katalysierte Kreuzkupplung: Suzuki und Heck

Suzuki-Kupplung und Heck-Reaktion verknüpfen Kohlenstoffreste über einen Palladium-Katalysezyklus aus wenigen …

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Oxidation

Oxidationsstufen in organischen Verbindungen

Wie man Oxidationszahlen von Kohlenstoff und Stickstoff direkt aus der …

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Oxidation von Alkoholen zu Aldehyden und Ketonen

Welche Oxidationsmittel primäre Alkohole zum Aldehyd und sekundäre Alkohole zum …

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Dihydroxylierung und Epoxidierung von Alkenen

Wie Osmiumtetroxid, kaltes Permanganat und Persäuren Alkene oxidieren und welche …

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Glykolspaltung mit Periodat und Bleitetraacetat

Periodat und Bleitetraacetat spalten vicinale Diole an der C–C-Bindung zu …

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Ozonolyse: Mechanismus, Aufarbeitung und Cycloalkene

Wie Ozon C=C-Bindungen über Primär- und Sekundärozonid spaltet und welche …

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Oxidation an Aromaten und Aromatisierung

Wie Permanganat Alkylseitenketten zur Carbonsäure oxidiert, warum Hydrochinon und Endiole …

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Autoxidation und Kolbe-Elektrolyse

Zwei radikalische Oxidationen: Benzaldehyd wird an Luft über eine Radikalkette …

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Reduktion

Reduktion von C,C-Mehrfachbindungen und Arenen

Wie man Alkene, Alkine und Arene mit Wasserstoff oder Alkalimetallen …

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Katalytische Hydrierung funktioneller Gruppen und Hydrogenolyse

Welche Produkte Wasserstoff an Pd/C, Pt oder Raney-Nickel aus Nitroaromaten …

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Hydridreduktion von Aldehyden und Ketonen

Wie Natriumborhydrid, Luche- und Meerwein-Ponndorf-Verley-Bedingungen Aldehyde und Ketone über Hydridübertragung …

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LiAlH4-Reduktion von Carbonsäuren, Estern und Lactonen

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Amine durch Reduktion von Amiden, Nitrilen und Iminen

Wie Lithiumaluminiumhydrid Amide, Lactame, Nitrile und Azide zu Aminen reduziert …

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Desoxygenierung: Wolff-Kishner- und Clemmensen-Reduktion

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