Modul 6: Grundlagen des Lebens - PDF

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S F U M E D Modul 6: Grundlagen des Lebens VO: Chemie Repetitorium Allgemeine und Anorganische Chemie Organische Chemie Dipl.-Ing. Andreas Löffler 05.11.2024 1 S F U M E D Atombau, Elektronenkonfiguration Wie viele Protonen hat ein neutrales Atom mit der Elektronekonfiguration 1s22s22p63s2? 2 6 12 Kann man nicht sagen Woraus bestehen Atome? Wie sind Atome aufgebaut? Wie ordnen sich Elektronen in einem Atom an? 05.11.2024 2  3 Atomorbital - Modell Der Aufbau der Materie Die Atommodelle https://en.wikipedia.org/wiki/Atomi c_orbital VO1- Materie Atombau, PSE Atomschalen - Modell https://www.studienkreis.de/chemi e/atomhuelle-schalenmodell/ Elektronenhülle Modell D Atomkern- E M 05.11.2024 https://de.wikipedia.org/wiki/Rutherfordsche U s_Atommodell F S  S F U M E D Max. e- auf Emergieniveau Elektronenkonfiguration Jedes Element unterscheidet sich in der Verteilung der Elektronen auf die einzelnen Energieniveaus. Hauptenergieniveau 1s2... 2p6...3d10...4f14 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3d/Energienivieau.svg Orbitalart Summe d. e- H 1s1 He 1s2 Li 1s2 2s1 Be 1s2 2s2 B 1s2 2s2 2p1...... Ne 1s2 2s2 2p6 Na 1s2 2s2 2p6 3s1 [Ne] 3s1 05.11.2024 4 S F U M E D Periodensystem Im Periodensystem der Elemente nimmt die Ionisierungsenergie (im Allgemeinen)… von links nach rechts zu und von von links nach rechts ab und von oben nach unten zu oben nach unten zu von links nach rechts zu und von von links nach rechts ab und von oben nach unten ab oben nach unten ab Wonach ist das Periodensystem eingeteilt? Was haben Elemente einer Periode gemeinsam, was Elemente einer Gruppe? Wie verändern sich Eigenschaften über das Periodensystem? 05.11.2024 5 S F U M E D Einteilung PSE Gruppe Elemente mit ähnlichen Eigenschaften → Gleiche Anzahl an e- in äußerster Schale (= Valenzelektronen) Hauptgruppen (HG) + Nebengruppen (NG) Quelle: https://www.sofatutor.ch/chemie/modelle-formeln-und-konzepte/das- Periode „Schale“ Hauptquantenzahl periodensystem-der-elemente 05.11.2024 VO1- Materie Atombau, PSE 6 S F U M E D PSE - Valenzelektronen NUR die Valenzelektronen sind an der Ausbildung von Bindungen beteiligt. Quelle: https://www.sofatutor.ch/chemie/modelle-formeln-und- konzepte/das-periodensystem-der-elemente 05.11.2024 VO1- Materie Atombau, PSE 7 S F U M E D Elektronegativität (EN) Def.: „Relatives Maß für die Fähigkeit eines Atoms in einer chemischen Bindung Elektronenpaare an sich zu ziehen.“ EN (Pauling Skala) = 0,7 (Francium) bis 4 (Fluor) Wichtig für die Bestimmung der Polarität einer Verbindung. http:// https://www.wissenature.com/ist-h2o- http://www.chim.lu/dch0410.php wasser-polar-oder-unpolar 05.11.2024 VO1- Materie Atombau, PSE 8 Ion = geladenes Teilchen S F U M E D S. 17 Trends im Periodensystem Boeck. Kurzlehrbuch Chemie Quelle: https://de.kisspng.com/png-pva6hm/ 05.11.2024 VO1- Materie Atombau, PSE 9 S F U M E D Die chemische Bindung Welche Aussagen über die Oktettregel (OR) stimmen? Es müssen die p-Oribtale voll Nur geladene Atome erfüllen OR sein, damit OR erfüllt ist Edelgase können die OR nicht Ein Atom mit 1s22s2p6 erfüllt die erfüllen OR Welche Elektronenkonfiguration streben Elemente an? Welche Elemente geben lieber Elektronen ab, welche nehmen lieber Elektronen auf? Welche Arten von Bindungen gibt es? Welche typischen Eigenschaften haben diese Bindungen? 05.11.2024 10 S F U M E D Die Oktettregel Edelgaskonfiguration (s2p6) = stabilste Konfiguration Oktettregel: bestreben der Atome „Edelgaszustand“ zu erreichen →volle äußere „Schale“ (s2p6) → 8 Valenzelektronen NUR die Valenzelektronen sind an der Ausbildung von Bindungen beteiligt. Möglichkeiten: - aufnehmen oder abgeben von (Valenz-)Elektronen - gemeinsame Benutzung von (Valenz-)Elektronen Abhängig von dem Maß wie stark Atome die Elektronen an sich ziehen. 05.11.2024 VO2: Die chemische Bindung 11 S F U M E D Ionenbindung (Salze) Nicht-Metall ↑ Elektrostatische (hohe EN) Anion Salz Anziehung ↑ Gitterenergie http://www.uniterra.de/rutherford/kap013.htm Kation Metall (geringe EN) 05.11.2024 VO2: Die chemische Bindung 12 S F U M E D Eigenschaften der Salze Bilden Kristalle schwarzem-hintergrund-halit-das-mineral- https://www.alamy.de/stockfoto-steinsalz- kristall-cluster-vorderansicht-auf- Hohe Schmelztemperatur (Gitterenergie) form-von-natriumchlorid-nacl- NaCl – 810°C, 104428634.html Spröde Oft Löslich in polaren Flüssigkeiten Kochsalz (z.B. NaCl in Wasser) Natriumchlorid - NaCl In flüssigen Zustand elektrisch leitend ei:Pyrite_from_Ampliación_a_Victoria_Mine,_ https://de.wikipedia.org/wiki/Pyrit#/media/Dat = Elektrolyt Navajún,_La_Rioja,_Spain_2.jpg Pyrit Eisen(II)sulfid - FeS 05.11.2024 http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/11/aac/vorlesung/kap_7/vlu/salzloesu VO2: Die chemische Bindung https://log- web.de/chemie/Bindung/ionenbindung/eigenschaft 13 ngen.vlu.html en/eigenschaften1b.htm S F U M E D Metallische Bindung Kristallgitter - Kugelpackungen u/metallbindung.vlu.html http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/11/aac/vorlesung/kap_4/vl https://application.wiley-vch.de/books/sample/3527709118_c01.pdf Positiv geladene Atomrümpfe delokalisierte Elektronen Atomgitter + „Elektronengas“ 05.11.2024 VO2: Die chemische Bindung 14 S F U M E D Eigenschaften der Metalle https://dein-goldankauf.de/gold- lexikon/edelmetalle-au-ag-pt- duktil = verformbar Elektrische Leitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit pd/ Unedle und edle Metalle → Reaktion mit Sauerstoff (Oxidation) Eisen (Fe) → „Rost“ (Fe2O3) Gold 39.706 €/kg Platin 23.002 €/kg Palladium 48.700 €/kg Rhodium 93.000 €/kg http://www.lte.lu/chimie/3GSN/Cours/01/mb/mb.htm http://www.lte.lu/chimie/3GSN/Cours/01/mb/ mb.htm 05.11.2024 VO2: Die chemische Bindung 15 S F U M E D Kovalente Bindung Überlappung von einfach besetzten Orbitalen → Bindung https://www.youtube.com/watch?v=WQze3CdCTk0 https://www.youtube.com/watch?v=WQze3CdCTk0 Besetzte Orbitale können verschiedene Ausrichtung im Raum aufweisen files/grundvorlesung/kapitel heidelberg.de/institute/fak1 Bsp. 2/AC/huttner/pdf- https://www.uni- 03.pdf linear trigonal tetraedisch 05.11.2024 VO2: Die chemische Bindung 16 S F U M E D Kovalente Bindung – Lewis Modell https://www.gutefrage.net/frage/hii-wo-setzt-man-die-punkt-bei-der- lewisformeln Ein freies Elektronenpaar benötigt mehr Platz als bindendes Elektronenpaar CO2 - Kohlenstoffdioxid NH3 - Ammoniak CH4 - Methan Oktettregel: 8 Elektronen bzw. 4 Elektronenpaare pro Atom Ausnahme: H, He (1s2), Mesomerie 05.11.2024 VO2: Die chemische Bindung 17 S F U M E D Dipol Dipol: Molekül mit positiven und negativen Ladungsschwerpunkt. Dipol = Polare Verbindung = Molekül mit Dipolmoment http:// https://www.wissenature.com/ist-h2o-wasser- http://https://i0.wp.com/www.explain- der-Geometrie-auf-die-Polaritaet1.gif polar-oder-unpolar content/uploads/2014/08/Einfluss- it-arium.de/wp- Dipolmoment einer VB durch Summierung der einzelnen Elektronegativitätsunterschiede 05.11.2024 VO2: Die chemische Bindung 18 S F U M E D Die chemische Reaktion Beim Durchführen einer Reaktion wird Energie aufgenommen und die Unordnung im System nimmt zu, das heißt: Die Enthalpie ist negativ Die Enthalpie ist positiv Die Entropie ist negativ Die Entropie ist positiv Welche Größen sind Erhaltungsgrößen in der chem. Reaktion? Wann wird bei einer Reaktion Energie frei? Wann läuft eine Reaktion freiwillig ab? 05.11.2024 19 S F U M E D Systeme Offenes Geschlossenes Abgeschlossenes System System System Energieaustausch Energieaustausch Kein Energieaustausch Stoffaustausch Kein Stoffaustausch Kein Stoffaustausch Energie Stoffe Energie Stoffe Energie Stoffe Offenes Geschlossenes Isoliertes System System System 05.11.2024 VO3: Die chemische Reaktion 20 S F U M E D Erhaltungssätze in der Chemie Massenerhaltungssatz bei chemischen Reaktionen ändert sich die Gesamtmasse der Stoffe nicht nennenswert. https://www.schule-bw.de/faecher-und-schularten/mathematisch-naturwissenschaftliche-faecher/chemie/neuer-index.html/mat-seki/quanti-ch- reaktion/massengesetze/massenerhaltung 05.11.2024 VO3: Die chemische Reaktion 21 S F U M E D Die chemische Reaktion Erhalt der Proportionen - Stöchiometrie https://slideplayer.org/slide/916963/ 05.11.2024 VO3: Die chemische Reaktion 22 S F U M E D Erhaltungssätze in der Chemie Energieerhaltungssatz Die Energie in einem abgeschlossenen System ändert sich nicht, sondern kann nur von der einen Form in eine andere umgewandelt werden. https://www.techpreview.org/the-first-law-of- http://www.jagemann-net.de/chemie/chemie13lk/enthalpie/enthalpie.php thermodynamics/2673/ 05.11.2024 VO3: Die chemische Reaktion 23 S F U M E D Freie Enthalpie G ΔGR < 0 ΔGR > 0 „Exergone Reaktion“ „Endergone Reaktion“ ΔG = ΔH – T ΔS ΔG... Freie Enthalpie („Gibbs-Energie“) ΔH... Enthalpie ΔS... Entropie T... Temperatur ΔGR < 0 ΔGR > 0 Falls: Falls: ΔH < 0 → Exotherme Reaktion ΔH > 0 → Endotherme Reaktion ΔS > 0 → Entropie Zunahme ΔS < 0 → Entropie Abnahme Freiwillige Reaktion Unfreiwillige Reaktion 05.11.2024 VO3: Die chemische Reaktion 24 S F U M E D Thermodynamik ΔRH < 0 ΔRH > 0 „Exotherme Reaktion“ „Endotherme Reaktion“ Enthalpie Enthalpie CH4 + 2 O2 H 2 H2O (fl) H [kJ/mol] [kJ/mol] System gibt System nimmt ΔRH = - 801,5 kj/mol ΔRH = 286 kj/mol Energie ab Energie auf 2 H2O + CO2 2 H2 (g) + O2 (g) 05.11.2024 VO3: Die chemische Reaktion 25  S F U M E D Die Entropie S Entropie = Maß für den Ordnungszustand Entropie = Maß für die Anzahl an Freiheitsgraden Keine direkt messbare Größe wie z.B. Temperatur oder Druck. Es können nur Änderungen der Entropie ΔS + ΔS erfasst werden. Alles strebt nach größtmöglicher Entropie. grundlagen-statistischer-physik/ schule/lehrkraefte/fundamentale-fragen-der-physik/entropie-und- https://www.uni-bremen.de/kooperationen/uni- - ΔS Alles strebt nach größtmöglicher „Unordnung“. Alles strebt nach größtmöglicher „Freiheit“. Niedrigere Entropie Hohe Entropie Niedrige „Unordnung“ Hohe Unordnung Wenig “Freiheit“ Hohe „Freiheit“ Bsp. Spontane Mischung von Lösungen, 05.11.2024 VO3: Die chemische Reaktion 26 S F U M E D Das chemische Gleichgewicht Was stimmt NICHT: Nach Erreichen des Gleichgewichts… Ändert sich die Konzentration Kann ein äußerer Einfluss das nicht mehr GGW ändern Ist die Hinreaktion schneller als Beeinflusst die Zugabe eines die Rückreaktion Katalysators das GGW nicht Was ist eine Gleichgewichtsreaktion? Wie verändert sich eine Gleichgewichtsreaktion bei äußerem Einfluss? Wie verändert ein Katalysator eine Reaktion? 05.11.2024 27 S F U M E D Das chemische Gleichgewicht https://www.seilnacht.com/Lexikon/apfelk.html 05.11.2024 Das chemische Gleichgewicht 28 S F U M E D Verschiebung des chemischen GGW Konzentrationsänderung Löslichkeitsgleichgewicht von Salzen AgCl ⇄ Ag+ + Cl- Gesättigte Lösung von AgCl: Zugabe von KCl → AgCl bildet sich Druckänderung Ammoniaksynthese N2 (g) + 3 H2 (g) ⇄ NH3 (g) Temperaturänderungen Temperaturerhöhungen begünstigen net.de/chemie/chemie13lk/enth endotherme Reaktionen. http://www.jagemann- alpie/enthalpie.php Temperaturerniedrigungen begünstigen exotherme Reaktionen. 05.11.2024 Das chemische Gleichgewicht 29 S F U M E D Katalyse https://de.wikipedia.org/wiki/Katalysator#/media/Datei:Potential_energy_profile- Die Hin- und Rückreaktion wird gleichermaßen beschleunigt. Die Gleichgewichtslage wird nicht beeinflusst. K... Katalysator K +A + B ⇄ [K-A-B]⧧ ⇄ C (AB) + K Catalysis_DE.svg Katalysator = Stoff der an einer Reaktion beteiligt ist, jedoch nicht verbraucht wird. Bsp. Enzyme, Autokatalysator (Platin, Rhodium, Palladium) 05.11.2024 Das chemische Gleichgewicht 30 S F U M E D Säuren, Basen, heterogene GGW Welche Aussage ist richtig: Säuren sind Elektronenpaar- Zugabe von Säure führt zur Donatoren. Erhöhung des pH-Werts. Salze können durch Temperatur- Erhöhter Druck verringert die erhöhung in Lösung gehen Löslichkeit von Gasen. Brønsted- und Lewis-Säuren und Basen: Was ist der Unterschied, wie sind sie definiert? Wie ist der pH-Wert definiert? Was besagt das Prinzip des kleinsten Zwanges? Wie kann man die Löslichkeit beeinflussen? 05.11.2024 31 S F U M E D Brønsted: Säuren und Basen Säuren sind Protonen-Donatoren. Säuren sind chemische Verbindungen, die in wässriger Lösung in der Lage sind Protonen (H+) an einen Reaktionspartner (Basen) zu übertragen. Basen sind Protonen-Akzeptoren. Basen sind VB, die in der Lage sind Protonen (H+) aufzunehmen. nsted#/media/Datei:Johannes_Brønsted.jpg https://de.wikipedia.org/wiki/Johannes_Nicolaus_Brø https://www.1stlady.info/säuren-und-basen-brönsted.html Johannes Brønsted 05.11.2024 VO4: Säuren und Basen 32 S F U M E D Lewis: Säuren-Basen Konzept Definition nach Lewis: Säuren sind VB, die in der Lage sind Elektronenpaare aufzunehmen. (Elektronenpaar-Akzeptor) Basen sind chemische VB, die in der Lage sind Elektronenpaare abzugeben. (Elektronenpaar-Donator) Exkurs Koordinative Bindung - Komplexe Gilbert Newton Lewis https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/chemie- abitur/artikel/saeure-base-theorie-nach-lewis VB... Verbindung 05.11.2024 https://h5p.org/sites/default/files/h5p/content/327626/ VO4: Säuren und Basen 33 images/file-5bbcafd41df73.jpg S F U M E D pH Wert Def.: pH= −𝒍𝒐𝒈 𝑯𝟑 𝑶+ Base https://www.blutwert.net/ph-wert/ pH - Wert basisch 05.11.2024 VO4: Säuren und Basen 34 S F U M E D Redox-Reaktionen Wenn eine Verbindung Elektronen abgibt… Wird sie oxidiert Sinkt ihre Oxidationszahl Reduziert sie eine andere Ist sie ein Oxidationsmittel Verbindung Was ist eine Oxidation, was ist eine Reduktion? Was macht ein Oxidations-/Reduktionsmittel aus? 05.11.2024 35 S F U M E D Redox-Reaktionen Redox-Reaktionen: Reaktionen, die unter Elektronenübertragung ablaufen. Reduktion Oxidation = Aufnahme von e- (Elektronen) = Abgabe von e- (Elektronen) Cu2+ + 2 e- → Cu - 2 e- Cu → Cu2+ + 2 e- Cu Cu2+ + 2 e- http://www.austomatik.de/forum/viewtopic.php?p=60 https://de.wikibooks.org/wiki/Anorganische_Chemie_für_Schüler/_Metalle_und_Redoxreaktionen_%26_Energi ediagramm#/media/Datei:Redoxreaktion.svg 05.11.2024 VO5: Redox-Reaktionen / Heterogene GGW 36 S F U M E D Redox-Reaktionen Reduktions / Oxidationsmittel sind Stoffe die ihre Reaktionspartner reduzieren oder oxidieren und werden dadurch selber oxidiert oder reduziert. Reduktionsmittel Oxidationsmittel - Reduzieren ihren Partner - Oxidieren ihren Partner - Werden selbst oxidiert - Werden selbst reduziert - Geben leicht e- ab - Nehmen leicht e- auf Oxidations- mittel https://de.wikibooks.org/wiki/Anorganische_Chemie_für_Schüler/_Metalle_und_Redoxreaktionen_%26_Energi ediagramm#/media/Datei:Redoxreaktion.svg http://www.austomatik.de/forum/viewtopic.php?p=60 05.11.2024 VO5: Redox-Reaktionen / Heterogene GGW 6 S F U M E D Oxidationszahl Für die Bestimmung welcher Reaktionspartner oxidiert oder reduziert wird (werden kann) ordnet man den einzelnen Elementen eine fiktive Ladungszahl zu, die Oxidationszahl. Die Oxidationszahl wird in römischen Ziffern über den jeweiligen Element angeschrieben. Bsp. –I, 0, +II, +IV,... Reduktion: Abnahme der Oxidationszahl (OZ wird negativer) Oxidation: Zunahme der Oxidationszahl (OZ wird positiver) https://de.wikibooks.org/wiki/Anorganische_Chemie_für_Schüler/_Metalle_und_Redoxreaktionen_%26_Energiediagramm#/media/Dat ei:Redoxreaktion.svg 05.11.2024 VO5: Redox-Reaktionen / Heterogene GGW 38 S F U M E D OC: Grundlagen Benzen ist stabil aufgrund der Elektronegativität sp3-Hpybridiserung Linearen Struktur Aromatizität Wie wirkt sich Hybridisierung auf die Elektronenverteilung und Struktur von C-Atomen aus? Was sagt die Hückelregel aus? Wann ist ein Molekül chiral? Chirale Kohlenstoffatome in Molekülen erkennen 05.11.2024 39 S F U M E D Die Bindungen des Kohlenstoffs Elektronenstruktur am C: [He]2s22px12py12pz0 2 Valenzelektronen → Bildung von 2 Bindungen Aber: Oktettregel nicht erfüllt (nur 2 + 2 x 2 = 6 Valenzelektronen) Kohlenstoff tatsächlich aber 4-bindig (z.B. Methan): Bruice (2014): Organic Chemistry. 7th ed., Pearson new int. ed., Pearson, Harlow, UK, 2014. 05.11.2024 40 S F U M E D Hybridisierung Wie kann Kohlenstoff 4 Bindungen eingehen? Mathematisches Modell der Hybridisierung: – 1 2s-Elektron wird in das freie, energetisch höhere 2p-Orbital angeregt – Das eine 2s und die drei 2p Orbitale kombinieren zu 4 energetisch identen Orbitalen http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/4/cm/bindung.vlu/Page/vsc/de/ch/4/cm/bindung/hybridisierung.vscml.html. Stand: 9.6.2019. 05.11.2024 41 S F U M E D C-Bindungsarten Einfachbindung – sp3 hybridisiert – tetraedrisch Doppelbindung – sp2 hybridisiert – Trigonal planar Dreifachbindung – sp hybridisiert – linear Boeck, Gisela. (2019). Kurzlehrbuch Chemie : Mit 67 Tabellen (3., unveränderte Auflage. ed.). Stuttgart New York: Georg Thieme Verlag.. Stand: 9.6.2019. 05.11.2024 42 S F U M E D Aromatizität Spezialfall für konjugierte Doppelbindungen: Planares, cyclisches (=ringförmiges) System Hückel- 4n+2 (n=0,1,2,…) vollständig konjugierte Regeln π-Elektronen Beispiele: „Mottenkugeln“ Steinkohleteer n=1 n=2 n=3 6 π-Elektronen 10 π-Elektronen 14 π-Elektronen 05.11.2024 43 S F U M E D Chiralität Bestimmte Moleküle (wie auch bestimmte Objekte in der Realität) lassen sich mit ihrem Spiegelbild nicht zur Deckung bringen: – Achirale Objekte: Zur Deckung bringbar ✓ → nicht chiral – Chirale Objekte: Nicht zur Deckung bringbar → chiral 05.11.2024 44 S F U M E D Chiralität in der Chemie Ein Molekül, das 4 verschiedene Substituenten an einem Atom hat, ist chiral: chiral ≠ Drehung achiral = 05.11.2024 45 S F U M E D Enantiomere Verhalten sich wie Bild und Spiegelbild Bezeichnung als – R- oder S-Isomer oder – D- oder L-Isomer haben gleiche physikalische Eigenschaften (Schmelzpunkt, Siedepunkt,…) (Drehen polarisiertes Licht in unterschiedliche Richtung) Interagieren unterschiedlich mit anderen chiralen Molekülen – Sehr wichtig in der Biochemie 1:1 Mischung aus beiden Enantiomeren: Racemat https://www.warensortiment.de/messtechnik/messgeraete/polarimeter.htm. Stand: 10.6.2019. 05.11.2024 46 S F U M E D Funktionelle Gruppen Welche funktionellen Gruppen sind in diesem Molekül? Amin Alkohol Amid Thiol Welche funktionelle Gruppen gibt es – wie sehen sie aus? Welche funktionellen Gruppen reagieren sauer/basisch? (Als kleiner Ausblick:) Welche funktionellen Gruppen kommen in den behandelten Naturstoffen vor? 05.11.2024 47 S F U M E D Funktionelle Gruppen: Beispiele 48 S F U M E D Organische Reaktionen Welche Verbindung entsteht, wenn ein Alkohol mit einer Säure reagiert? Welche Art von Reaktion tritt auf? Keton, Addition Ester, Addition Ester, Kondensation Keton, Kondensation Welche Reaktionstypen gibt es? Was entsteht wenn ein Alkohol (prim., sec.) oxidiert wird? 05.11.2024 49 S F U M E D Additionsreaktion Allgemein: Die Doppelbindung des Alkens wird gespalten Zwei neue Bindungen zu A und B werden ausgebildet 1 π-Bindung (Alken) und 1 σ-Bindung (A-B) ➔ 2 σ-Bindungen 50 S F U M E D Additionsreaktion - asymmetrisch Wann bildet sich ein Produkt bevorzugt? – Markownikow-Regel: „Wer hat, dem wird gegeben“ H bindet an das Kohlenstoffatom, das schon mehr H gebunden hat Erklärbar über höhere Stabilität des dabei gebildeten Carbokations 51 S F U M E D Eliminationsreaktion Umkehrung der Additionsreaktion Für gewöhnlich A = H, d.h. Abspaltung von H2O, HX 2 häufige Mechanismen (E1 & E2) 52 S F U M E D Substitutionsreaktion Substitution … Ersetzen von Atomen/Atomgruppen durch andere 3 Arten: – Radikalische Substitution C-H Bindungen zu C-X Bindungen – Nucleophile Substitution Kohlenstoff-Heteroatom zu anderen Kohlenstoff-Heteroatom- Bindungen – Elektrophile Substitution An aromatischen Systemen 53 S F U M E D Oxidation und Reduktion Typische Oxidationsmittel: – Wasserstoffperoxid (H2O2), Permanganat (MnO4-), Dichromat (Cr2O72-) und Chrom(VI)-oxid (Cr2O3), Sauerstoff (O2) … Typische Reduktionsmittel: – Wasserstoff (H2), Hydride (NaBH4, LiAlH4, NaH), reaktive Metalle (Na, Li, Mg, …), bestimmte Salze (Natriumsulfit Na2SO3)… 54 S F U M E D Oxidation von Alkoholen Primärer Alkohol Sekundärer Alkohol Tertiärer Alkohol 55 S F U M E D Kondensationsreaktion - Beispiele Veresterung – Herstellung eines Esters aus einem Alkohol und einem Säurederivat Anstelle einer Carbonsäure kann auch ein Säurehalogenid oder –anhydrid verwendet werden (beide sind reaktiver) 56 S F U M E D Kondensationsreaktion - Beispiele Amidsynthese – Herstellung eines Amids aus einem Amin und einem Säurederivat Anstelle einer Carbonsäure kann auch ein Säurehalogenid oder –anhydrid verwendet werden (beide sind reaktiver) Relevant in der (Bio-)Synthese von Peptiden 57 S F U M E D Kondensationsreaktion - Beispiele Veretherung – Herstellung eines Ethers aus zwei Alkoholen – In der Praxis sind die meisten Alkohole zu unreaktiv, weshalb für obige Reaktion beide Alkohole erst aktiviert werden müssen – Die reaktiveren Thiole reagieren bereits mit Halogenalkanen 58 S F U M E D Naturstoffe Die Bausteine welches/r Naturstoffe(s) ist/sind über Amide verknüpft? Lipide Peptide Polysaccharide DNA Wie sind Lipide aufgebaut? Woraus sind Proteine aufgebaut und welche Strukturmerkmale besitzen sie? Woraus sind Nukleinsäuren aufgebaut, welche Strukturen können sie ausbilden? Welche funktionellen Gruppen besitzen Zucker, wie liegen sie in Lösung vor? 05.11.2024 59 S F U M E D Lipide Fette – Dreifach-Ester von Glycerol und drei Fettsäuren Fette lassen sich basisch spalten (Verseifung) 05.11.2024 60 S F U M E D Aminosäuren (mindestens) eine Amin und eine Säuregruppe 20 proteinogene Aminosäuren (die während der Translation zu Proteinen verbunden werden), wobei etliche weitere existieren und andere wichtige Aufgaben erfüllen Proteinogene Aminosäuren haben die Aminogruppe direkt neben der Säuregruppe 05.11.2024 61 S F U M E D Aminosäuren – die Peptidbindung Die Peptidbindung – eine Amidbindung zwischen zwei Aminosäuren Durch die Verknüpfung von Aminosäuren ergeben sich zwei Enden: das C-terminale und das N-terminale Ende Bereits Oligopeptide (oligo = einige) übernehmen wichtige Funktionen im Körper (Hormonfunktion - Insulin) Größere Peptide (100-300, manchmal mehrere Tausend AS) sind wichtig als Enzyme (=Biokatalysatoren) 05.11.2024 62 S F U M E D Struktur der Proteine Primärstruktur = Reihenfolge der einzelnen Aminosäuren Sekundärstruktur = bestimmte (sehr geordnete) räumliche Struktur in einem Bereich, z.B. α-Helix, β-Faltblatt Tertiärstruktur = Struktur von einer Untereinheit, meist aus mehreren Sekundärstrukturen aufgebaut Quartärstruktur = Zusammenlagerung von Untereinheiten Boeck, Gisela. (2019). Kurzlehrbuch Chemie : Mit 67 Tabellen (3., unveränderte Auflage. ed.). Stuttgart New York: Georg Thieme Verlag. 05.11.2024 63 S F U M E D Struktur der Proteine https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/20/Protein-Struktur.png. Stand: 14.9.2019. 05.11.2024 64 S F U M E D Nukleinsäuren - Aufbau Nukleinsäuren (die Bausteine von DNA und RNA) sind aus drei Komponenten aufgebaut: Einer von jeweils 4 Pyrimidin- oder Purinbase Phosphorsäure Und einem Zucker 05.11.2024 65 S F U M E D RNA-Einzelstrang und DNA-Doppelhelix https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fd/Difference_DNA_RNA-DE.svg. Stand: 14.9.19 05.11.2024 66 S F U M E D Kohlenhydrate Allgemeine Formel: Cn(H2O)n Kohle + Hydrat Einteilung Monosaccharide (Einfachzucker) Disaccharide (Zweifachzucker) Oligosaccharide („einige“ Zucker) Polysaccharide („viele“ Zucker) Aldosen (Aldehyd – Zucker) Ketosen (Keton – Zucker) Cellulose Saccharose/Sucrose Polysaccharid Diasaccharid 67 S F U M E D Monosaccharide – α- und β-Form Die OH-Gruppe, die beim Ringschluss entsteht kann „nach oben“ oder „nach unten“ gerichtet sein Merkregel: Schreibrichtung entspricht der Richtung, in die die OH-Gruppe steht β-pyranose-form β-furanose-form 62.0% D-glucose (Aldehyd-form) 0.004% 0.28% α α-pyranose-form α-furanose-form β 37.6% 0.11% 05.11.2024 68 S F U M E D Glykosidische Bindung Auch die freie OH-Gruppe auf C1 wird substituiert Mutarotation auf einem C1, das ein Vollacetal ist, ist nicht mehr möglich α-glykosidische Bindung β-glykosidische Bindung 05.11.2024 69