Molecular Structure Valence 

Carbon – 4 bonds     Nitrogen – 3 bonds    Oxygen – 2 bonds    Halogens – 1 bond 

 

Formal Charge = (Group #) – (# non‐bonding electrons) – (1/2 # bonding electrons) 

 

Index of Hydrogen Deficiency 

The NUMBER OF PAIRS of HYDROGENS required to become a SATURATED ALKANE 

For Resonance Structures ‐ Atoms must not be moved, only ELECTRONS MOVE 

Aromatic Molecules –   (4n + 2) π electrons 

Hydrogen Bonding – occurs when HYDROGEN is bonded to a HIGHLY ELECTRONEGATIVE ATOM 

 

Conformational Isomers 

Not TRUE isomers – different spatial orientations of the same molecule 

 

Chirality‐ A chiral carbon is bonded to FOUR DIFFERENT SUBSTITUENTS 

Absolute Configuration 

Rectus (to the right) & Sinister (to the left) according to priority 

The LARGEST MOLECULAR WEIGHT is the HIGHEST PRIORITY (1) 

Hydrogen is always the lowest priority (4) and should be oriented out the back of the page   

Relative Configuration 

Two molecules have the SAME relative configuration about a carbon if they differ by only ONE 

SUBSTITUENT and the other substituents are oriented identically about the carbon 

Optical Activity & Observed Rotation 

Optically inactive compounds may have 

• No chiral centers  &  Equal amount of both stereoisomers (a racemic mixture) 

Optically Active compounds can be  

1) + / d – rotates light CLOCKWISE 

2) ‐ / l – rotates light COUNTER‐CLOCKWISE 

Structural Isomers 

1) Same molecular formula  

2) DIFFERENT BOND‐TO‐BOND CONNECTIVITY 

3) Isobutane (C4H10)   vs.   n‐butane (C

4H10) 

4) Are NOT THE SAME MOLECULE 

 

Stereoisomer SUBTYPE ‐ Enantiomers 

1) Same molecular formula 

2) Same bond‐to‐bond connectivity 

3) MIRROR IMAGES OF EACH OTHER 

4) Are NOT THE SAME MOLECULE – opposite absolute configurations at chiral centers 

Same chemical and physical characteristics except for 

1) Reactions with other chiral compounds 

2) Reactions with polarized light 

Stereoisomer SUBTYPE ‐ Diastereomers 

1) Same molecular formula 

2) Same bond‐to‐bond connectivity 

3) Are NOT MIRROR IMAGES OF EACH OTHER 

4) Are NOT THE SAME MOLECULE 

Geometric Isomers (a special type of diastereomer) 

• Cis‐isomers & Trans‐isomers 

Meso Compounds 

1) When TWO chiral centers OFFSET EACH OTHER 

2) Optically Inactive 

3) PLANE of SYMMETRY divides compound into two halves that are mirror images 

Stronger Dipole Moment 

Stronger Intermolecular Forces 

Higher Boiling Points 

 

Higher Energy Level – Higher Heat of Combustion 

Functional Groups 

Alkane  H3C – CH

3      Alcohol  R – OH 

Alkene  H2C = CH

2      Ether    R – O – R   

Alkyne  HC ≡ CH       Amine  R – NH2  R

2 – NH  R

3 – N 

 

Aldehyde    Ketone     Carboxylic Acid    Ester      Amide 

                   

     

Alkyl    R        Halogen [‐X]   ‐F / ‐Cl / ‐Br / ‐I 

Hydroxyl  ‐ OH        Geminal‐dihalide     

Alkoxy  ‐ OR        Vicinal‐dihalide     

 

     

Hemiketal    R | R | OR | OH   

Ketal      R | R | OR | OR 

 

 

 

Hemiacetal    H | R | OR | OH    

Acetal     H | R | OR | OR   

 

 

Mesyl Group (Ms‐)         Tosyl Group (Ts‐)   

  H | R | OR | OH           

 

Carbonyl    Acyl      Anhydride 

           

 

Aryl      Benzyl    Hydrazine    Hydrazone 

       

 

Vinyl      Allyl      Nitrile    Epoxide 

            

 

Enamine    Imine     Oxime    Nitro      Nitroso 

                

 

     

Hybridization  Bond Angles  Shape sp  180° Linearsp2  120° Trigonal Planarsp3  109.5° Tetrahedral, Pyramidal, or Bent 

 

 

Hydrocarbons, Alcohols, & Substitutions 

Alkanes 

Methyl ‐CH3    Primary ‐CRH

2    Secondary ‐CR

2H    Tertiary ‐CR

3 

Lowest Density of all groups of organic compounds 

Methane, Ethane, Propane, and Butane are gases at room temperature 

INCREASED Molecular Weight | INCREASED Boiling Point | INCREASED Melting Point 

INCREASED Branching | DECREASED Boiling Point | INCREASED Melting Point 

Cyclo‐Alkanes 

CHAIR and BOAT conformations 

Large Substituents are MORE STABLE in the EQUATORIAL POSITION 

 

Combustion (radical & exothermic reaction) 

CH4 +   2 O

2 +   energy        CO

2 +   2 H

2O +   heat 

COMBUSTION is a RADICAL REACTION 

HEAT OF COMBUSTION – change in enthalpy of a combustion reaction 

 

Halogenation (radical & exothermic reaction) 

Alkanes will react with HALOGENS in the presence of heat or light to form a FREE RADICAL 

HOMOLYTIC CLEAVAGE – bond is broken with one electron going with each atom 

1) INITIATION 

a. Halogen is diatomic molecule, and HOMOLYTIC CLEAVAGE results in 2 free radicals 

2) PROPAGATION 

a. HALOGEN RADICAL removes hydrogen from alkane, creating an ALKYL RADICAL 

b. ALKYL RADICAL reacts with diatomic molecule creating ALKYL HALIDE and a NEW HALOGEN 

RADICAL 

3) TERMINATION 

a. TWO RADICALS BOND or RADICAL bonds to the wall of the container to end the chain reaction 

Stability of ALKYL RADICALS:  3° > 2° > 1° > methyl 

Fluorine – VERY REACTIVE, major product is PRIMARY 

Chlorine – REACTIVE, major product is whatever is LEAST STERICALLY HINDERED 

Bromine – SELECTIVE, major product is TERTIARY 

Dehydration of an alcohol (E1 Reaction) 

Alcohol +   hot concentrated H2SO

4      Alkene +   H

2O +   HSO

4

‐ 

 

Saytzeff Rule – MAJOR product of ELIMINATION is the MOST SUBSTITUTED ALKENE 

 

Dehydrohalogenation (E1 or E2 Reaction) 

E1 Mechanism – WITHOUT a strong base – 2 steps – unimolecular (substrate only) 

1) Halogen drops off forming a CARBOCATION 

2) Hydrogen is removed leaving alkene 

 

E2 Mechanism – STRONG BULKY BASE – 1 step – bimolecular (substrate & nucleophile) 

1) Base REMOVES a hydrogen adjacent to the halogen 

2) Halogen drops off leaving alkene 

 

In ELIMINATION, base pulls off a hydrogen 

In SUBSTITUTION, nucleophile attacks carbon 

 

Catalytic Hydrogenation (addition reaction) 

• Heterogeneous catalyst (Ni / Pd / Pt) promotes SYN addition 

• Hydrogenation is EXOTHERMIC with high energy of activation 

 

Oxidation Of Alkenes 

OZONOLYSIS – ozone is VERY reactive, breaking right through alkenes and alkynes 

 

Alkenes INTO two CARBONYL GROUPS 

Alkynes INTO two CARBOXYLIC ACIDS 

 

 

 

Electrophilic Addition 

Electrophiles – attracted to electrons –POSITIVELY CHARGED  &  Alkenes are ELECTRON‐RICH 

 

When HF / HCl / HBr / HI are added to an alkene: 

Markovnikov’s rule – the hydrogen will add to the carbon with the MOST HYDROGENS 

 

HBr & Peroxides (ROOR) add to alkenes ANTI‐MARKOVNIKOV 

 

Hydration of an Alkene 

Alkene +   cold dilute H2SO

4  +   H

2O          Alcohol   

 

Oxymercuration / Demercuration 

1) Oxymercurial ion attacks alkene, forming triangular mercury complex 

2) H2O attacks ANTI‐ to form an ALCOHOL, losing the mercury group 

3) If ROH is used instead of water, an ETHER is formed 

 

Hydroboration 

Alkene +   BH3 +   peroxide      Alcohol (anti‐markovnikov)  

 

Halogenation Of An Alkene 

Br2 and Cl

2 add ANTI‐ to alkenes to form VIC‐DIHALIDES 

 

Benzene 

• Undergoes SUBSTITUTION, not addition 

• Flat molecule, stabilized by RESONANCE 

• Ortho / Meta / Para 

 

 

 

Electron Donating Groups (ACTIVATES the Ring) 

STRONGLY donating (ortho‐ / para‐ directing) 

‐O‐    ‐OH    ‐NR2 

MODERATELY donating (ortho‐ / para‐ directing) 

‐OR 

WEAKLY donating (ortho‐ / para‐ directing) 

‐R 

 

Electron Withdrawing Groups (DEACTIVATES the Ring)  

STRONGLY withdrawing (meta‐ directing) 

‐NO2    ‐NR

3+    ‐CCl

3 

MODERATELY withdrawing (meta‐ directing) 

‐Carbonyls  ‐SO3H   ‐CN 

WEAKLY withdrawing (ortho‐ / para‐ directing) 

Halogens 

 

SN1 (substitution / nucleophilic / unimolecular) 

1) Hydrogen drops off forming a CARBOCATION – rate determining step 

2) Nucleophile attacks the carbocation 

 

SN2 (substitution / nucleophilic / bimolecular) 

1) Nucleophile attacks substrate from behind – knocks leaving group free while binding to substrate 

 

Nucleophilicity 

A BASE is a stronger NUCLEOPHILE than its conjugate acid, but a BASE is NOT NECESSARILY a NUCLEOPHILE 

 

If a NUCLEOPHILE behaves as a BASE, ELIMINATION RESULTS 

 

LESS BULKY NUCLEOPHILE, with NEGATIVE CHARGE & POLARIZABILITY add to 

nucleophilicity 

Solvents 

POLAR PROTIC SOLVENTS – stabilize the nucleophile and any carbocation that forms 

  INCREASE SN1 SPEED      DECREASE S

N2 SPEED 

 

POLAR APROTIC SOLVENTS – cannot form hydrogen bonds 

  INCREASE SN2 SPEED      DECREASE S

N1 SPEED     

 

Leaving Groups 

The best leaving groups are those that are STABLE WHEN THEY LEAVE 

The WEAKER the BASE, the BETTER the LEAVING GROUP 

 

SN1 vs. SN2 

  SN1 SN2 Nucleophile  N / A Strong NucleophileSubstrate  2° / 3° Methyl / 1° / 2° (unhindered)Solvent  Polar solvent increases rate Polar solvent DECREASES rateSpeed  [Substrate] [substrate] [nucleophile]

Stereochemistry  Creates RACEMIC mixture INVERTS around chiral centerSkeleton  Maybe skeletal rearrangement NO rearrangement

 

Alcohols 

BP goes up with increasing Molecular Weight 

ROH hydrogen bonds, dramatically raising MP and BP 

Alcohols can behave as ACIDS, with methyl –OH being the STRONGEST ACID 

 

Grignard Synthesis of Alcohols 

 

Oxidation Of Alcohols 

Oxygen‐Hydrogen ratio INCREASES – Oxidation occurred 

Oxygen‐Hydrogen ratio DECREASES – reduction occurred 

 

The Pinacol Rearrangement 

In VICINAL DIOLS, DEHYDRATION product is a KETONE or ALDEHYDE 

 

Ethers 

ALMOST ALWAYS THE ANSWER to SOLVENT QUESTIONS on the MCAT 

ROR +   HBr      ROH +   RBr  

 

Acidities Of Functional Groups 

 

Alkane Alkene Hydrogen Ammonia Alkyne ALDEHYDE Alcohol Water CARBOXYLIC ACID

 

 

 

Carbonyls & Amines 

The Carbonyl 

Carbon DOUBLE BONDED to oxygen    PLANAR Stereochemistry  PARTIAL POSITIVE on the carbon 

 

Aldehydes & Ketones 

ALDEHYDE    R – (C=O) – H        KETONE  R – (C=O) – R 

FORMALDEHYDE  H – (C=O) – H      ACETONE  CH3 – (C=O) – CH3 

Lower Boiling Point than ALCOHOL 

 

α‐carbon is VERY ACIDIC – loses a proton to become an ENOLATE ION (stabilized by resonance) 

In β‐dicarbonyls, the ENOLATE IONIC form is more prevalent 

KETO‐ENOL Tautomerization 

 

Formation of Acetals 

KETONE + ALCOHOL      HEMIKETAL + ALCOHOL    KETAL 

 

ALDEHYDE + ALCOHOL     HEMIACETAL + ALCOHOL    ACETAL 

 

Acetals / Ketals can act as BLOCKING GROUPS 

to PRESERVE a CARBONYL GROUP 

 

Aldol Condensation 

Aldehyde + Aldehyde    Ketone + Ketone    Aldehyde + Ketone 

 α‐hydrogen is abstracted, forming an ENOLATE ION 

α‐carbon of ENOLATE attacks carbonyl carbon of other molecule, forming ALKOXIDE ION 

ALKOXIDE ION grabs a hydrogen to become an ALDOL (aldehyde & alcohol) 

 

Halogenation & Haloform Reaction 

HALOGENS add to KETONES at the α‐carbon in presence of acid or base 

METHYL KETONE with BASE, the α‐carbon is COMPLETELY HALOGENATED 

HALOFORM breaks off (CHCl3 / CHBr3 / CHF3) leaving CARBOXYLATE ION 

 

Wittig Reaction 

Ketone / Aldehyde +     Ylide (carbanion)       ALKENE  

 

 

α‐β Unsaturated Carbonyls 

Also called 1,4‐addition – adding HX forms ENOL TAUTOMER and then KETO 

 

Carboxylic Acids 

Carboxylic Acid  R‐COOH    Formic Acid    H – COOH 

Benzoic Acid    C6H5 ‐ COOH     Acetic Acid     CH3 – COOH 

If the name ends in –ate     R – COO‐ 

 

Make STRONG HYDROGEN BONDS – to form dimmers 

This effectively doubles M.W. – significantly increasing B.P. 

 

Decarboxylation  

CARBOXYLATE ION LOSES CO2 to become KETO‐ENOL TAUTOMERS 

 

Carboxylic Acid Derivatives – ACYL CHLORIDES 

    MOST REACTIVE OF ALL CARBOXYLIC ACID DERIVATIVES 

ACID CHLORIDE +  H2O        CARBOXYLIC ACID +   HCl 

ACID CHLORIDE +   ROH        ESTER +      HCl 

ACID CHLORIDE +  RNH2        AMIDE +      HCl 

ACID CHLORIDE +   RCOOH      ANHYDRIDE +    HCl 

 

ACID CHLORIDE +  H2O        CARBOXYLIC ACID +   HCl 

ESTER +    H2O        CARBOXYLIC ACID +   ROH 

AMIDE +    H2O        CARBOXYLIC ACID +   RNH2 

ANHYDRIDE+   H2O        CARBOXYLIC ACID +   RCOOH 

 

ALDEHYDES / KETONES      Nucleophilic ADDITION 

 

CARBOXYLIC ACIDS / DERIVATIVES    Nucleophilic SUBSTITUTION 

 

 

Carboxylic Acid Derivatives ‐ ESTERIFICATION 

 

Carboxylic Acid Derivatives ‐ TRANSESTERIFICATION 

 

 

Carboxylic Acid Derivatives – ACETOACETIC ESTER SYNTHESIS 

ACETOACETIC ESTER +     RX +    H+ / HEAT        KETONE +   CO2 

  

Carboxylic Acid Derivatives ‐ REACTIVITIES 

Amide Ester Carboxylic Acid Acid Anhydride Acyl Chloride

 

 

 

 

Amines 

Ammonia    ‐NH3 

Amine Degree depends on number of ATTACHED –R GROUPS  

1) Act as LEWIS BASE – DONATING LONE PAIR OF ELECTRONS 

2) Act as a NUCLEOPHILE where LONE PAIR of ELECTRONS attacks POSITIVE CHARGE 

3) Nitrogen can take on a FOURTH BOND (+) 

4) Nitrogen can HYDROGEN‐BOND – increasing BOILING POINT and SOLUBILITY 

 

Condensation with Ketones 

AMINE +   ALDEHYDE / KETONE      WATER +   IMINE / ENAMINE   

 

 

Wolff‐Kishner Reduction 

HYDRAZINE + ALDEHYDE / KETONE      ALKANE + WATER + N2 

 

 

 

 

 

 

 

 

Alkylation of Amine  

 

 

Hofmann Elimination 

 

 

Amines & Nitrous Acid 

NITROUS ACID + 1° AROMATIC AMINE    DIAZONIUM ION 

 

The Diazonium Group is EASILY REPLACED     

 

 

 

 

Amides 

Acetamide          N‐ethylacetamide 

         

 

β‐Lactams (CYCLIC AMIDES) 

 

 

Hofmann Degradation 

 

 

Phosphoric Acid 

 

When heated, phosphoric acid forms PHOSPHORIC ANHYDRIDES 

Tri‐phosphates exist as negative ions, such as ATP 

 

 

Biochemistry & Lab Techniques 

Fatty Acids 

LONG CARBON CHAIN WITH COOH on the end 

 

 

Amino Acids 

Zwitterion – DIPOLAR ION (one side – and one side +) 

 

      BASIC AMINO ACIDS 

        Histidine 

        Arginine 

        Lysine 

 

 

ISOELECTRIC POINT – the pH where 100% of the amino acids are ZWITTERIONS 

 

Carbohydrates 

1) GENERAL FORMULA Cn(H

2O)

n 

2) Can have either ALDEHYDE or KETONE groups to be called ALDOSE or KETOSE  

3) ANOMERIC CARBON – the ONLY CARBON attached to TWO OXYGENS 

 

 

 

Lab Techniques 

SPECTROSCOPY 

• Nuclear Magnetic Resonance (NMR) 

• Infrared Spectroscopy (IR) 

• Ultraviolet Spectroscopy (UV) 

SPECTROMETRY 

• Mass Spectrometry 

SEPARATION TECHNIQUES 

• Chromatography 

• Distillation 

• Crystallization 

• Extraction 

 

NMR 

1) Each peak is a CHEMICALLY‐EQUIVALENT HYDROGEN 

2) SPLITTING PEAKS is created by NEIGHBORING HYDROGENS as by n+1 (n = # of neighboring carbons) 

3) To the LEFT is DOWNFIELD (unshielded by electronegative atoms) 

 

IR Spectroscopy 

CARBONYL GROUP  1700 

‐OH GROUP    3200 – 3600  

 

Ultraviolet Spectroscopy 

UV starts around 220 nm (butadiene) 

1) Each additional CONJUGATED BOND adds 30‐40 nm to the wavelength ABSORBED MOST 

 

Visible Spectrum 

• If compound has 8+ CONJUGATED DOUBLE BONDS, its absorbance enters the VISIBLE SPECTRUM 

• β‐Carotene has 11 CONJUGATED DOUBLE BONDS, with an absorbance of about 500 nm 

• β‐Carotene absorbs the BLUE‐GREEN color of 500 nm, and displays the COMPLEMENTARY COLOR of red‐

orange 

 

Mass Spectrometry 

• Mass Spectrometry gives the MOLECULAR WEIGHT 

• Sample molecules are bombarded by electrons, causing them to break apart and IONIZE 

• Ions are accelerated through a magnetic field, most are +1 

• RADIUS OF CURVATURE depends upon the MASS to CHARGE RATIO (m/z) 

• BASE PEAK – the largest peak 

• PARENT PEAK – the peak made by the molecular ion (same as ORIGINAL MOLECULE but without ONE 

ELECTRON so it has a +1 charge) 

 

Chromatography 

• Separation of a mixture by passing it over or through a matrix that ADSORBS different compounds with 

DIFFERENT AFFINITIES 

• MOBILE PHASE / STATIONARY PHASE 

• The MORE POLAR compound moves more SLOWLY because it binds to the POLAR STATIONARY PHASE 

 

Distillation 

• Separation based upon VAPOR PRESSURE 

• Separates a solution of two volatile liquids with a BOILING DIFFERENCE of at least 20° C 

• The compound with the LOWER BOILING POINT (HIGHER VAPOR PRESSURE) will boil off and can be 

captured 

 

Crystallization  

• Works on the principle that PURE SUBSTANCES FORM CRYSTALS more easily than impure substances 

• Crystallization is VERY INEFFICIENT 

 

Extraction 

• Based on SOLUBILITY DUE TO SIMILAR POLARITIES 

• LIKE DISSOLVES LIKE