Retrosynthese – Einführung und Konzepte

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Auf dieser Seite wollen wir die eine Einführung in die wichtigsten Konzepte der Retrosynthese geben – bzw. auf entsprechende Literatur verweisen – außerdem zeigen wir Dir die Durchführung retrosynthetischer Analysen mit Beispielen und Übungen.

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Retrosynthese – Retro… was?

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Die Module der organischen Chemie werden von Studierenden häufig durch reines Auswendiglernen abgeharkt. Spätestens in der Retrosynthese stößt diese Strategie auf ihre Grenzen.

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Die Grundidee der Retrosynthese ist, dass Du ein Produkt im Auge hast, dass Du herstellen willst und herausfinden musst, wie man es aus grundlegenden Ausgangsmaterialien herstellt.

Retrosyntheseprobleme erfordern zwei Hauptfähigkeiten: (1) Puzzle-Lösungsfähigkeiten, also logisches Denken und (2) ein solides Wissen über Reaktionen.

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Die retrosynthetische Planung kann als Spiel des Chemikers gegen sich selbst (und die Möglichkeiten der Synthese) beschrieben werden. Der Chemiker versucht von einem Zielmolekül rückwärts zu einfacheren Ausgangsstoffen zu kommen. Dieses Spiel ist eine Herausforderung, da der kombinatorische Raum der möglichen Entscheidungen astronomisch ist und der Wert jeder Wahl ungewiss bleibt, bis der Syntheseplan abgeschlossen und die Kosten der Synthese bewertet sind oder der Dozent einen bewertet.

Zusammenfassung

  1. Gestalte Deine Synthese so kurz wie möglich.
  2. Brich Bindungen, die sich durch bekannte und zuverlässige Syntheseschritte wieder herstellen lassen.
  3. Trenne zuerst C-X-Bindungen, eventuell kannst Du dann zu trennende C-C-Bindungen besser erkennen.
  4. Trenne C-C Bindungen.
    • Benutze vorhandene funktionelle Gruppen und führe die größtmöglichsten Vereinfachungen durch:
      • Trenne möglichst in der Molekülmitte,
      • Trenne wenn möglich an Verzweigungen im Molekülskelett,
      • Trenne Ketten von Ringen.
  5. Nutze FGI, um DIS einfacher zu machen.
  6. Wiederhole alles oben genannte, bis Du zu kaufbaren oder leicht herstellbaren Ausgangsstoffen gekommen bist.
    Was kaufbar ist entnimmst Du am besten einem Chemikalienkatalog Deines Vertrauens.

Wichtige Reaktionen

Hilfreiche Tipps

  • Methoxygruppen werden nicht von Benzen getrennt! Wirklich, mach’s einfach nicht – Du ersparst Dir jede Menge Arbeit. Außerdem gibt es Anisol und diverse Derivate zu kaufen 😉
  • Zu den wichtigsten Reaktionen gehören die Umwandlungen zwischen Alkoholen, Carbonylgruppen und Halogenen.
  • Vermeiden kompliziertere Reaktionen wie den Ruff-Abbau oder die Pinakol-Umlagerung, es sei denn, Du kannst sie sofort erkennen.
  • Zähle die Kohlenstoffatome nach jedem Schritt. Es ist extrem leicht, eines zu verlieren, besonders wenn man Verbindungen immer wieder in Lewis-Schreibweise zeichnet. Selbst erfahrene Chemiker verlieren ab und zu Kohlenstoffe.
  • Überprüfe die vorgeschlagenen Rückwärtsreaktionen, indem Du sie vorwärts ausführst. Das hilft Dir, Probleme wie Carbokation-Umlagerungen, Stereochemie usw. zu identifizieren, die möglicherweise nicht zum gewünschten Produkt führen
  • Achte auf inkompatible funktionelle Gruppen in Reaktionen. Wenn Du beispielsweise ein Grignard-Reagenz verwenden möchtest, um ein Ausgangsmolekül mit einer Carbonsäure reagieren zu lassen, musst Du daran denken, dass es auch mit allen Ketonen, Halogeniden oder Epoxiden auf demselben Ausgangsmolekül reagiert.
  • Die oben genannte Reihenfolge muss natürlich nicht eingehalten werden, es kann sogar schädlich sein. In der Retrosynthese geht es um Logik, die trainierst Du nicht durch das stumpfe abarbeiten einer Liste, sieh‘ sie daher als Gehilfe, bis Du alleine weiter kommst.
  • Wenn Ausgangsstoffe nicht spezifiziert sind, gilt die Faustregel, dass sie eine sehr begrenzte Anzahl von Heteroatomen aufweisen sollten.
  • Die Stereochemie ist wichtig.
  • Es gibt keine richtigen Antworten. Viele Wege führen nach Rom und noch mehr zum Zielmolekül.

Retro lernen

Retrosynthese lernen heißt …

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Pro-Tipp: Fokussiere Dich auf das Verständnis und die Mustererkennung, nicht auf das Auswendiglernen!

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Mit Tabellen lernen

Tabellen sind ein komplizierter, aber auch ein guter Weg, um Reaktionen zu organisieren. Mögliche Einordnungen (Spalten) wären:

  1. Name der Reaktion. Die meisten Reaktionen haben einen Namen, und es ist nützlich, diesen zu kennen. Manchmal geben Reaktionsnamen Hinweise; Beispielsweise beinhaltet eine Hydrohalogenierung die Zugabe eines Wasserstoffs und eines Halogens. Außerdem kann man sich eine Williamson-Ethersynthese leicht merken.
  2. Edukte / Produkte. Wenn verschiedene Ausgangsmaterialien, die die gleiche Reaktion eingehen, unterschiedliche Produkte ergeben, ist es nützlich, die Reaktion für jede Möglichkeit in mehreren Zeilen aufzulisten.
  3. Reagenzien. Sehr, sehr wichtig. Manchmal können verschiedene Reagenzienzum selben Zielmolekül führen, dass sollte man sich merken. Zu den Reagenzien können auch nicht-chemische Substanzen gehören, die für die Reaktion noch erforderlich sind, z. B. Wärme oder Licht.
  4. Lösungsmittel. Manchmal sind sie nicht spezifiziert, aber einige Lösungsmittel sind stark mit bestimmten Reaktionen verbunden, was die Erkennung erleichtert. Beispielsweise treten Grignard-Reaktionen normalerweise in Ethern auf. Es ist auch hilfreich zu wissen, welche Abkürzungen für Lösungsmittel (und Reagenzien) stehen, damit Du weißt, was mit ACN, THF oder TMSCl zu tun ist.
  5. Regiochemie / Stereochemie / Markovnikov. Auch wenn Du Dir diese Parameter nur merkst, kann dies die Retrosynthese schnell voranbringen. Nicht vergessen: Es ist aber auch gut zu verstehen, warum eine Reaktion zu spezifischen Isomeren führt!
  6. Kommentare. Hier kannst Du lustige Fakten wie „radikaler Mechanismus“ oder „nicht sehr günstig“ hineinschreiben.

Anfangen

Das Lesen all dieser Tipps ist der einfache Teil. Jetzt musst Du sie in die eigentliche Problemlösung integrieren. Der wichtigste Tipp von allen in der Retrosynthese (und der gesamten Chemie) ist: Üben, Üben, Üben!