Vorwort oder Warum ein neues Praktikumsbuch ?

Dies ist der Band "Organisch-Chemisches Grundpraktikum" des dreibändigen Gesamtwerks Praktikum Präparative Organische Chemie. Es erscheint in der folgenden Partitionierung:

• Organisch-Chemisches Grundpraktikum - Grundlegende Synthesetechniken in der Themenfolge des Lehrbuchs "Reaktionsmechanismen - Organische Reaktionen, Stereochemie, Moderne Synthesemethoden" bildet Band 1. Sie halten diesen gerade in den Händen. Dieses Werk wendet sich an Studierende des universitären Grund oder Bachelor-Studiums Chemie, an Chemie-Studierende an Fachhochschulen, an Chemielehrer/-innen oder auch zu Trainingszwecken an künftige Jugend-forscht oder Chemieolympiaden-Teilnehmer/-innen;

• Organisch-Chemisches Fortgeschrittenenpraktikum - Fortgeschrittene Experimentiertechniken behandelt als Band 2 das Arbeiten mit empfindlichen Reagenzien und im kleinen Maßstab. Dieser Band ist für alle Chemie-Studierenden gedacht, die in ihrem zweiten Organik-Praktikum umsetzen, was zwar oft schon Vorlesungsgegenstand niedrigerer Semester war, aber zu anspruchsvoll für Anfänger/-innen-Hände gewesen wäre: Hydroborierungen, der Einsatz von Gilman-Cupraten, Reaktionen in flüssigem Ammoniak, eine Swern-Oxidation, Sharpless-Epoxidierungen u. v. a. m. (Probeseiten finden Sie unter www.spektrum-verlag.de).

• Organisch-Chemisches Schwerpunktpraktikum beschreibt als Band 3 die State-of-the-Art-Experimentierkunst am Beispiel von Asymmetrischer Katalyse. Dieser Band richtet sich an diejenigen, die jetzt schon wissen, dass es sie auf Dauer in die Präparative Organische Chemie zieht, und an diejenigen, die sich von Top-Reaktionen für die Präparative Organische Chemie begeistern lassen wollen - also an Studierende im Hauptstudium oder im Masterstudiengang -, und natürlich auch an diejenigen, die bereits in der Organischen Synthese angekommen sind, also an Diplomanden/-innen, Doktoranden/-innen und Praktiker/-innen in der Industrie. Auch hiervon empfehlen wir Probeseiten unter www.spektrum-verlag.de .

570 Versuche beschreibt unser Praktikum Präparative Organische Chemie insgesamt. Jeder von ihnen hat sich in Freiburg unter Praktikumsbedingungen bewährt (wir können das schwören!), und jeden beschreiben wir einzeln¹ und in allen erforderlichen Details. Unser Gesamtangebot besteht aus 250 Vorschriften für Einsteiger/innen² in Band 1, 220 Transformationen auf avanciertem Niveau in Band 2 und 100 Reaktionen, die das high end zeitgenössischen Experimentierens erreichen, in Band 3.

Das Praktikum Präparative Organische Chemie enthält als reines Praktikumsbuch so gut wie ausschließlich Spezifizierungen von Reaktionsdurchführungen. Es will an keiner Stelle ein Theorie-Lehrbuch sein. Es will auch in keinem Band schildern, was kumulativ die Bestandteile fundamentaler oder arrivierter organisch-chemischer Experimentiertechnik sind. Ebensowenig wird in diesem Werk der physikalisch-chemische Hintergrund organisch-chemischer Laboratoriumstechnik erläutert (wiewohl jede dieser Techniken beschrieben wird). Diese Konzeption unterscheidet dieses Praktikumsbuch ganz grundlegend von den meisten bisherigen, und das ist pure Absicht: Unsere Materialbeschränkung entspringt der bewussten Konzentration auf unser Hauptziel, funktionierende Versuchsvorschriften zum Vorteil aller weiterzugeben.

Dieses Ziel des Praktikums Präparative Organische Chemie ist unseres Erachtens so wichtig, so umfänglich, so anspruchsvoll und so eigenständig, dass sie Schaden genommen hätte, wenn wir sie durch den Einbau von Abschweifungen der geschilderten Art verwässert hätten.³ Solche "Abschweifungen" hätten nach unserer Einschätzung der Leserschaft, die uns am Herzen liegt - Wissenschaftlern/innen in spe - , auf ähnliche Weise eine ungebetene Diversität geboten, wie ein (fiktives!) Kochbuch von Paul Bocuse, das zwar angehende Chefs de cuisine ansprechen will, aber außer dem Kerngeschäft Kochkunst a la francaise umfängliche Exkurse über den Cro-Magnon-Menschen, die Ära Napoleon und die Fünfte Republik einstreut. Anders ausgedrückt teilen wir sinngemäß die Erwartungshaltung von denjenigen, die allsommerlich die Berichterstattung von der Tour de France (sofern es nochmals eine gibt...) verfolgen und in diesem Rahmen zuvörderst vom Rennverlauf hören wollen und nicht von den Geschmacksrichtungen des Weins am Straßenrand oder dem Baustil der Schlösser im Blickfeld des Reporters im Hubschrauber.

Der Spagat zwischen Theorie und Praxis also, zu dem als Pflichtübung fast alle im deutschsprachigen Raum eingeführten Organik-Praktikumsbücher deren Besitzer/innen auffordern, weil sie Erläuterungen zum theoretischen Hintergrund und Experimentiervorschriften miteinander verquicken, wird also fortan höchstens noch Kür oder sogar unnötig - nämlich dann, wenn Sie unserem Vorschlag folgen: Bevorzugen Sie unverbogene Standbeine, aber deren zwei! Nutzen Sie also ein lupenreines Theoriebuch - beispielsweise "Reaktionsmechanismen - Organische Reaktionen, Stereochemie, moderne Synthesemethoden" - in Kombination mit dem hier vorgelegten lupenreinen Praktikumsbuch. Das empfehlen wir insbesondere auch deshalb, weil die Themenfolge der Kapitel 1 - 13 in besagtem Theoriebuch und in Band 1 des Praktikums Präparative Organische Chemie dieselbe ist.

Weitere Charakteristika des Praktikums Präparative Organische Chemie in 3 Bänden sind:

1) Das Gesamtwerk ist ein didaktisch aufgebautes, innerhalb jedes Einzelbandes und über die Bandgrenzen hinweg stimmiges und aus drei Schwierigkeitsstufen aufgebautes Ganzes.

2) Die augenfälligsten Unterschiede zwischen der Präparate-Auswahl und -Ordnung in unserem Buch im Vergleich zu Konkurrenzprodukten sind in unserer eigenen Wahrnehmung:

• Band 1 ist eindeutig nach Reaktionsmechanismen gegliedert. Dadurch werden im Besonderen auch die vielfältigen Reaktionsweisen der (mehreren!) Verbindungsklassen, die eine C=0-Doppelbindung enthalten, konsequent systematisiert - ebenso wie in dem o. g. Mechanismen-Lehrbuch. Auf diese Weise in acht Abschnitte feingegliedert wird die Chemie dieser Verbindungsklassen weitaus verdaulicher, als wenn sie Ingredienz nur scheinbar einheitlicher Potpourris unter allumfassenden Titeln wie "Chemie von Carbonylverbindungen" ist;

• in Band 2 ist die Vermittlung fortgeschrittener Experimentiertechniken eine unseres Wissens bislang ungenutzte, aber für Studierende äußerst wertvolle Richtschnur. Mit eben dieser Akzentuierung stellen wir das Arbeiten mit Li-Organylen, Cu-Organylen, Li-Amiden, Li-Enolaten, in flüssigem Ammoniak und mit "niedervalentem Titan", komplexen Metallhydriden, Hydroperoxiden (Sharpless-Epoxidierungen!) oder Ozon sowie anderem mehr vor;

• Band 3 ist als Praktikumsbuch zur Asymmetrische Katalyse unseres Wissens weltweit ein Novum;

• Alle Bände zeigen überdies, wie sich Moleküle in den Händen eines Synthetikers verändern lassen und wie auf diese Weise aus anfänglich strukturell Einfachem Schritt für Schritt Komplexe(re)s erwächst. Das gilt ganz besonders für die zahlreich enthaltenen Synthese-Sequenzen: Mit sechs Stufen in Folge ist in dieser Hinsicht die Synthese von S-konfiguriertem Ibuprofen das Spitzenangebot von Band 1. Band 2 enthält Sequenzen dieses Umfangs schon beinahe routinemäßig. Daraus ragt die eine oder andere Aufgabe noch heraus, unter anderem eine achtstufige Totalsynthese von 2R, 3S-Norsphingosin. Band 3 schließlich veranschaulicht die Genese hochfunktionalisierter Moleküle und das, was sie als Liganden synthetisch zu bewirken gestatten, an Reaktionsensembles aus dem Bereich der Asymmetrischen Katalyse. Letztere umfassen mehrfach bis zu elf oder zwölf zusammengehörige Synthesestufen.

3) Jeder Band bietet eine derart große Stoffvielfalt, dass alle Praktikumsaufgaben stark individualisiert werden können. Bei den heute üblichen hohen Studierendenzahlen könnten zwar andere große Universitäten ebensowenig wie wir selbst an der Universität Freiburg behaupten, dass der Umfang des jeweiligen Präparatekanons es zulasse, dass jeder Praktikumsteilnehmer andere Präparate "koche". Nichtsdestoweniger machen wir sowohl auf dem Grund als auch auf dem Fortgeschrittenpraktikums-Niveau einen Vorschriftenfundus verfügbar, aus dem sich 8-12 vollkommen unterschiedliche Präparategruppen zusammenstellen lassen. Auf diese Weise wappnen wir jeden Benutzer dieser Bücher en passant mit einer Methodensammlung, die beim Lernen und Experimentieren weit über die jeweilige Praktikumsdauer hinaus von ganz erheblichem Nutzen sein sollte.

4) Auf eine Hauptschwierigkeit eines Praktikumsbuchs stößt traditionellerweise, wer ein bestimmtes Reaktionsbeispiel darin wiederfinden möchte und nicht mehr weiß, wo es abgedruckt ist. Noch schlimmer dran ist, wer einen bestimmten Reaktionstyp darin sucht, aber nicht weiß, ob er überhaupt vertreten ist. Um im Praktikum Präparative Organische Chemie dem Ideal "wer suchet, der findet" so nahe wie möglich zu kommen, widmeten wir der Auffindbarkeit aller darin vertretenen Reaktionen besonders große Sorgfalt. Mit jeweils zwei graphischen Inhaltsverzeichnissen und jeweils zwei Stichwortverzeichnissen (erstens: Reaktionsweisen und Namensreaktionen; zweitens: Synthesemöglichkeiten; in Band 2 zusätzlich drittens: Fortgeschrittene Experimentiertechniken) haben wir derlei Unauffmdbarkeitsprobleme hoffentlich eliminiert.

Wir sechs Freiburger bzw. Ex-Freiburger Autoren wünschen Ihnen viel Spaß und wenig Frustration bei der praktischen Organischen Chemie!

Freiburg im Breisgau bzw. Münster/Westfalen, im November 2007

Reinhard Brückner,
Stefan Braukmüller,
Hans-Dieter Beckhaus,
Jan Dirksen,
Dirk Goeppel und Martin Oestreich

Vorwort zum Band Organisch-Chemisches Grundpraktikum

Ein Organisch-chemisches Grundpraktikum macht die Studierenden zum ersten Mal aus deren eigener Anschauung mit der Mehrzahl der fundamentalen Reaktionsmöglichkeiten und mit den dazu erforderlichen Experimentiertechniken vertraut. Das Buch Organisch-Chemisches Grundpraktikum - Grundlegende Synthesetechnik in der Themenfolge des Lehrbuchs "R eaktionsmechanismen - Organische Reaktionen, Stereochemie, moderne Synthesemethoden " ist da geeignet, sich in dieser Rolle künftig überregional ebenso zu bewähren wie bislang an seiner Alma Mater, der Universität Freiburg, in Form eines Praktikumsskriptums. Dieses wurde zwischen 1999 und 2007 soweit optimiert, dass wir es in der jetzigen Form als "endgültig und gut" zum Kauf anbieten.

Das Organisch-chemische Grundpraktikum der Universität Freiburg ist eng mit einer begleitenden Vorlesung "Reaktionsmechanismen der Organischen Chemie" verzahnt. Diese bereitet die Reaktionen der vorausgegangenen Stoffchemie-Einführungsvorlesungen und darüber hinausgehende verwandte Reaktionen parallel zum Praktikum, aber immer mit einer Woche Vorsprung auf.¹ Aus diesem Grund findet sich im Organisch-Chemischen Grundpraktikum einerseits eine Wocheneinteilung der Praktikumsversuche und versahen wir andererseits die einzelnen Präparategruppen mit denselben Abschnitts-Nummern wie die dazugehörigen Kapitel in dem Lehrbuch "R eaktionsmechanismen - Organische Reaktionen, Stereochemie, moderne Synthesemethoden ".²

Wer in einem anderen Institut unser Grundpraktikum adaptieren oder wer als Lehrer, Jugend-forscht-Ambitionierter oder Chemie-Olympionike in spe Teile unseres Grundpraktikums übernehmen möchte, sollte dank unseres langen Optimierungsvorlaufs keine ernstliche Bewährungsprobe gewärtigen müssen (geschweige denn eine Feuertaufe mit diesem Praktikum zu bestehen haben ... - wir hatten jedenfalls keine!). Die meisten zunächst vorstellbaren Klippen beim Nacharbeiten der insgesamt 248 Experimente müssten eigentlich bereits während der Freiburger Testjahre aufgetreten sein. Viele davon konnten wir bzw. unsere Studierenden durch geeignete Maßnahmen erfolgreich umschiffen. Unsere "Anmerkungs"-Kollektionen in Form zahlreicher Fußnoten bei der Mehrzahl der Vorschriften machen deutlich, wo in solchen Fällen "der Hase im Pfeffer" gelegen hatte. Die Summe dieser Eingriffe sollte Ihnen einen "Genuss ohne Reue" im OGP ermöglichen.³

Die eine oder andere Klippe konnten wir gelegentlich auch nicht meistern. Die betroffene Versuchsvorschrift strichen wir dann rigoros. Mit unserem "Organisch-Chemischen Grundpraktikum" werden Sie bzw. Ihre Studierenden folglich nie in Richtung einer bereits erkannten Schwierigkeit an den Start gelassen. Animiert eine solche "Hersteller-Garantie" nicht gleich zum Kauf? Doch, auf eine solche Wirkung hoffen wir - zumal die Maxime bei unserer Versuchsauswahl des weiteren war, den Studierenden in ihr erstes Praktikum der Organischen Chemie möglichst viel gut Funktionierendes, möglichst viel Verständliches, möglichst viel Anregendes und möglichst viel Nützliches mitzugeben. In der Bilanz glauben wir sagen zu dürfen: Viele Studierende erfuhren auf diese Weise eine sehr gute Ausbildung im Experiment - und eine ebenso wertvolle Verbesserung ihrer Kenntnisse in der Theorie ebenfalls.⁴

Natürlich grenz(t)en auch die Freiburger Stundentafeln das Organisch-chemische Grundpraktikum in bezug auf den Zeitumfang ein - jedenfalls seinen Laborteil. Als Dozent löst man deshalb immer wieder ein unüberhörbares Erstaunen aus, wenn man seinen Kollegen andernorts erzählt, dass die Freiburger Studierenden im Verlaufe ihres Grundpraktikums typischerweise 35 Stufen aus diesem Vorschriftenkanon realisieren. Dafür steht ihnen ein 12-Wochen-Praktikum zur Verfügung, das aus drei regulären Bearbeitungs-Nachmittagen (a 5 Stunden) pro Woche und einem Puffer-Nachmittag gleicher Dauer besteht (sofern ein solcher zur Erledigung von Rest-Arbeiten oder zur Kompensation eventueller Fehlschläge nötig sein sollte). Das innerhalb dieses Rahmens absolvierbare Experimentiervolumen schafft unseres Erachtens ganz maßgeblich die Voraussetzung dafür, dass dieselben Studierenden nur ein oder zwei Semester später in ihrem Organisch-chemischen Fortgeschrittenenpraktikum so manche Syntheseaufgabe bewältigen können, die an anderen Orten vielleicht erst im Mitarbeiterpraktikum bearbeitbar würde.⁵

In der Praxis beginnt eine "Reaktionsdurchführung" übrigens keineswegs mit dem Gang in die Chemikalienausgabe oder mit dem Öffnen des Laborunterschranks, sondern davor: mit der Erstellung einer Betriebsanweisung. Außerdem ist die Bearbeitung eines Praktikumsversuchs stets mit Eintragungen zum Experimentierverlauf in das Laborjournal verquickt. Endgültig abgeschlossen ist ein Experiment überdies nicht schon mit dem Entsorgen der Rückstände und dem Spülen der Kolben - obwohl beides unabdingbar ist (und vor dem Protokollschreiben erledigt werden sollte!) -, sondern mit der Anfertigung eines Versuchsprotokolls. All diese Aspekte berücksichtigen wir, indem der einführende Abschnitt dieses Buchs je ein Beispiel einer Betriebsanweisung, einer zu demselben Versuch gehörenden Original-Laborjournalseite und eines daraus hervorgegangenen Versuchsprotokolls enthält.

Seneca hätte sich vermutlich allein mit der letzteren Art Anleitung - nämlich durch ein Beispiel - zufriedengegeben. Von ihm stammt ja die Weisheit »lang ist der Weg durch Lehren, kurz und wirksam [der Weg] durch Beispiele«⁶ . In Bezug auf die Vermittlung des gewünschten Inhalts und der gewünschten Form von Chemieprotokollen hätte sich Seneca mit dieser Ausage aber geirrt! Es stellt nämlich eine verlässliche Assistentenerfahrung dar, dass gerade in diesem Zusammenhang das Allgemeine ("wie schreibe ich das nächste Protokoll?") keineswegs automatisch aus dem Beispielhaften ("wie sieht das Musterprotokoll aus?") hervorgeht. Altgediente Assistenten neigen sogar zu der Vermutung, dass die ersten eigenen Versuchsprotokolle typischerweise als Antithese zu jeglichen professoralen Protokoll-Vorlagen konzipiert werden ... Als unsere Schlussfolgerung aus diesem Erfahrungswert finden Sie auf den Seiten 46-47 14 "Regeln zur Anfertigung eines Versuchsprotokolls" niedergelegt. Vielleicht klappt's ja mit diesen auch bei Ihnen!

Ansonsten bemühten wir uns, den allgemeinen Vorspann so knapp wie möglich zu halten. Daher beginnt bereits auf S. 65 unser Angebot von neun Stoff-Trennungen bzw. Stoff-Reinigungen. Besonderes Interesse verdienen dabei die Isolierung eines Naturstoffs aus Baumharz und eine Racematspaltung von Phenethylamin. Ab S. 79 folgen nach Mechanismen sortiert 239 Herstellungsbeschreibungen. Diese umfassen 70 meist zweistufige Synthesesequenzen (Formelübersicht: S. 378-387). Nur vereinzelt konnten wir noch mehr Schritte hintereinanderschalten, etwa bei unseren Rekordhaltern S-Ibuprofen (sechsstufig) und rac-Methionin (vierstufig). Man unterschätze aber auf keinen Fall die Attraktivität von "nur-2-Stufen-Präparaten" wie die Darstellung von L-Homoarginin (Präparat 8-8) oder die Kiliani-Fischer-Verlängerung von D-Xylose zu D-Gulonolacton (Präparat 7-11). In summa entstammt auf alle Fälle mehr als die Hälfte aller Präparate einer Reaktionssegwewz. Wir halten das für ein großes Plus.⁷

Natürlich können auch Einzelschritte interessant sein. Das entspricht jedenfalls unserem eigenen Eindruck von der Wacker-Oxidation zum Präparat 3-15, der direkten Amidbildung aus einem Ammoniumcarboxylat (Präparat 6-9), der Umesterung einer PET-Flasche (!; Präparat 6-20), der Verwendung eines Instant-Ylids® in einer sogenannten "Wittig-Reaktion im Becherglas" (Präparat 11-1) und je einer Cram-selektiven Keton-Reduktion (Präparat 10-8) sowie Grignard-Addition (Präparat 10-16). Sogar eine Friedel-Crafts-Alkylierung kann aufregend aussehen, z. B., wenn das Alkylierungsmittel nicht ein 08/15-Halogenid ist, sondern etwas Design enthält (Präparat 5-21). Eine Aminonitrilsynthese nach Strecker wirkt überraschenderweise am reizvollsten, wenn sie von Formaldehyd, also dem einfachst möglichen Aldehyd ausgeht (Präparat 9-8).

Als letzter Kommentar sei nicht vergessen hinzuzufügen, dass einige Reaktionserfolge nicht anhand der traditionellen Grundpraktikums-Kriterien Schmp., Sdp. und/oder Brechungsindex belegbar sind, sondern nur mit Hilfe der¹ H-NMR-Spektroskopie. Da davon auszugehen ist, dass die Letztere im fraglichen Studienabschnitt nirgendwo schon wirklich selbständig eingesetzt werden kann, enthält dieser Band "rudimentär interpretierte¹ H-NMR-Daten" zur Selbst-Vergewisserung von Studierenden in der betreffenden Nachweis-Situation.⁸