Allgemeine Chemie für Studierende der Zahnmedizin

Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Allgemeine Chemie
für Studierende der Zahnmedizin
Allgemeine und Anorganische Chemie Teil 7
Dr. Ulrich Schatzschneider
Institut für Anorganische und Angewandte Chemie, Universität Hamburg
Lehrstuhl für Anorganische Chemie I, Ruhr-Universität Bochum
[email protected]
Allgemeine und Anorganische Chemie VII
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für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Inhalt
• Aufbau der Materie: Atome, Elemente, Periodensystem, Radioaktivität
• chemische Bindung und intermolekulare Wechselwirkungen
• chemische Reaktionen
• wässrige Lösungen, Säuren und Basen, Puffer
• Oxidationszahlen, Redoxreaktionen, Elektrochemie
• Koordinationsverbindungen und Bioanorganische Chemie
"Chemie ist die Wissenschaft, die sich mit der Zusammensetzung und den
Eigenschaften der Materie befasst, insbesondere aber mit Veränderungen,
die diese betreffen."
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Gravimetrie
⇒ bisher besprochene Analyseverfahren: Maßanalyse (Volumenmessung des Verbrauchs
an Maßlösung bekannter Konzentration)
⇒ Gravimetrie: Wägung der Substanz, die als schwerlöslicher Niederschlag ausgefällt
wird (Fällungsanalyse)
Voraussetzungen:
• spezifische Fällung
• quantitative Fällung
• stöchiometrisch zusammengesetzter Niederschlag
manchmal: Fällungsform → Wägeform (z.B. Trocknen oder Glühen)
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Gravimetrie
Fällungsform
Wägeform
K+
K[B(C6H5)4]
K[B(C6H5)4]
Ag+/Cl-
AgCl
AgCl
Mg2+, Zn2+
M(oxinat)2 · H2O
M(oxinat)2 · H2O
Ca2+
Ca(C2O4) · H2O
CaCO3/CaO
M = Ba2+, Pb2+
MSO4, MCrO4
MSO4, MCrO4
Ni2+
Ni(dad)2
Ni(dad)2
SO42-
BaSO4
BaSO4
OH
H3C
N
H3C
Oxin
8-Hydroxychinolin
O
-
B(C6H5)4
Tetraphenylborat
N
M
N
H3C
O
N
OH
dad
(Diacetyldioxim)
B
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OH
N
O
N
H
O
N
CH3
Ni
H3C
N
O
H
N
O
CH3
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Gravimetrie
Löslichkeitsprodukt
mA+nB
[AmBn]s
m
n
[
A ] ⋅ [B]
m
n
KL =
= [A ] ⋅ [B]
[A m Bn ]
Einheit: molm+n·l-(m+n)
pK L = − log K L
Stoff fällt aus, wenn sein Löslichkeitsprodukt überschritten wird
je kleiner KL (je größer pKL), desto schwerer löslich ist eine Substanz
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Gravimetrie
Löslichkeitsprodukt (pKL)
Ca(C2O4)
8.1
CuCl
6.0
Sr(C2O4)
7.3
CuI
11.3
Ba(C2O4)
6.8
AgCl
10.0
Mg(C2O4)
4.1
AgBr
12.4
CaCO3
7.9
AgI
16.0
SrCO3
8.8
SrCrO4
4.4
CaCO3
8.2
BaCrO4
9.7
MgCO3
3.7
PbCrO4
13.8
CaSO4
4.3
MnS
15
SrSO4
6.6
NiS
21
BaSO4
10.0
CdS
27
PbSO4
8.0
HgS
52
In der Regel nimmt die Löslichkeit mit der Temperatur zu (Ausnahme: Calciumcitrat).
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Gravimetrie
Löslichkeit
bestimmt durch Differenz Gitterbildungsenergie ΔHL vs. Solvatisierungsenergie ΔHS
Lösungswärme: ΔHL = ΔHS – ΔHG
ΔHL < 0: gute Löslichkeit
ΔHL > 0: geringe Löslichkeit (ΔHS, ΔHG < 0)
Gitterenergie ~ Produkt der Ladungszahlen → Salze mehrwertiger Ionen oft schwer löslich
Silberhalogenide → Dispersionskräfte durch Polarisation der großen Anionen durch das
kleine Silber(I)-Kation
Sulfide → kovalenter Bindungsanteil
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Gravimetrie
Löslichkeit
bestimmt durch Differenz Gitterbildungsenergie ΔHL vs. Solvatisierungsenergie ΔHS
Lösungswärme: ΔHL = ΔHS – ΔHG
ΔHL < 0: gute Löslichkeit
ΔHL > 0: geringe Löslichkeit (ΔHS, ΔHG < 0)
Gitterenergie ~ Produkt der Ladungszahlen → Salze mehrwertiger Ionen oft schwer löslich
Silberhalogenide → Dispersionskräfte durch Polarisation der großen Anionen durch das
kleine Silber(I)-Kation
Sulfide → kovalenter Bindungsanteil
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Komplexometrie
Komplexe/Koordinationsverbindungen:
zentrales Metallatom + Liganden
Donor-Akzeptor-Bindung
[FeIII(CN)6]3-
N
N
C
3
C
C
N
Fe
N
C
C
C
N
N
[CoIIICl2(NH3)4]
Cl
NH3
NH3
Cl
Co
Co
NH3
Cl
NH3
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NH3
H3N
H3N
NH3
Cl
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Komplexometrie
Komplexe/Koordinationsverbindungen:
zentrales Metallatom + Liganden
Koordinationszahl: Zahl der Liganden pro zentralem Metallion
meisten 4 oder 6 (Kupfer auch 5)
L
L
M
L
L
L
L
L
L
M
L
L
L
M
L
L
L
L
L
L
M
L
L
Eisen(III)chlorid-Hexahydrat FeCl3 · 6 H2O ⇒ [Fe(H2O)6]3+ + 3 Cl- !!!!!
3
OH2
OH2
H2O
Fe
OH2
H2O
OH2
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Komplexometrie
Mehrzähnige Liganden/Chelatliganden*:
N
N
N
N
N
N
einzähnig
monodentat
N
N
zweizähnig
bidentat
dreizähnig
tridentat
besonders stabile bei fünf- oder sechsgliedrigen Ringsystemen
*
chele (χηελε) ⇒ gr. Schere, Klaue
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Komplexometrie
Chelatliganden:
O
O
O
O
O
O
N
O
N
N
O
O
O
O
O
nta3nitrilotriacetic acid
+
H+
pKa1 = 2.07
O
edta4ethylenediaminetetraacetic acid
- H+
H4edta
O
H3
edta-
- H+
+
H+
pKa2 = 2.75
H2
edta2-
- H+
+
H+
pKa3 = 6.24
Hedta3-
- H+
+
H+
edta4-
pKa4 = 10.34
⇒ Dinatrium-EDTA (Titriplex III®) ⇒ beim Titrieren Pufferlösungen verwenden!!!
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Komplexometrie
EDTA-Metallkomplexe:
O
n-4
O
O
O
O
O
Mn
N
N
O
O
mit nahezu allen zwei- und dreiwertigen Kationen
1:1-Komplexe
sechsfach koordiniert
wasserlöslich und nicht oder nur wenig gefärbt
pseudooktaedrisch
4x O + 2x N Koordinationsumgebung
Stickstoff-Atome in cis-Position
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Komplexometrie
Komplexbildungskonstante:
[M(H2O)6]n+ +
A4-
[M(A)](n-4)-
+
6 H2O
[
[
MA ( ) ]⋅ [H O]
MA ( ) ]
K=
[M(H O) ]⋅ [A ] = [M(H O) ]⋅ [A ]
n −4
n+
2
n −4
6
2
n+
4−
6
2
4−
6
pK = − log K
entropisch bevorzugt (Gibbs-Helmholtz-Gleichung, ΔS > 0):
ΔG = ΔH − T ⋅ ΔS
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Komplexometrie
Komplexbildungskonstanten pK
Cr3+
23.0
Al3+
16.1
Mn2+
14.0
Ca2+
10.7
Fe2+
14.3
Sr2+
8.6
Fe3+
25.1
Ba2+
7.8
Co2+
16.3
Mg2+
8.7
Ni2+
18.6
Pb2+
18.0
Cu2+
18.8
Cd2+
16.5
Zn2+
16.5
Na+/K+/Li+
< 2.8
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Komplexometrie
direkte vs. indirekte Titration
direkt:
Mn+ + EDTA4- → [M(edta)]n-4
indirekt: MAn+ + EDTA4- → [MA(edta)]n-4 + EDTA4MBn+ + EDTA4- → [MB(edta)]n-4
MB: zum Beispiel Zink
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Komplexometrie
H2erio-
Metallindikatoren
- H+
+ H+
Herio2-
pKa1 = 6.3
weinrot
- H+
+ H+
erio3-
pKa2 = 11.5
tiefblau
orange
sind Komplexbildner, aber
- mit Bindungskonstanten kleiner als die des Titranten in der Maßlösung
- anderer Farbe des Komplexes als des freien Indikators
- intensivere Farbe als die des Titrant-Metall-Komplexes
O3S
O2N
O
N
H
O3S
H
N
+ M2+
+ 2 H+
O
O
N
M
N
O
O2N
Eriochromschwarz T (Erio T)
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Photometrie
Farbige Metallkomplexe
2+
N
N
N
N
N
Fe2+ + 3
N
Fe
N
N
Ferroin
rot
A
Metal-zu-Ligand-Charge Transfer (MLCT)
Fe2+-phen → Fe3+-phen· ⇒ große Änderung des Dipolmomentes
⇒ starke Absorption (ε510 ~ 11000 l·mol-1·cm-1)
λ
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Bioanorganische Chemie
Anorganische Chemie
Biochemie
• "tote" Materie, z. B. Steine und Mineralien
• "lebende" Materie
• Anwendungen in der Katalyse oder Materialwissenschaften
• typischerweise in Luft und Wasser, pH = 7.4
• organische Lösemittel
• Wasser als "Lösemittel"
• Kleine, relativ einfache Moleküle
• hochkomplexe Moleküle (Proteine, DNA)
• Festkörperchemie
• Mehrkomponenten-Systeme
• gut charakterisierte Molekülverbindungen
• nur teilweise verstanden
• in vielen Aspekten gut verstanden
... ABER
• Ein Drittel aller Enzyme sind Metallo-Enzyme
• Metalle sind involviert in viele wichtige Prozesse wie
Sauerstofftransport (Fe) und Photosynthese (Mn)
• Viele Metalle sind essentielle Spurenelemente
• Metallverbindungen als Wirkstoffe (cis-Platin)
Bioanorganische Chemie
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Biologisch wichtige Elemente
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1
1H
2
3Li
Be
3
11Na
Mg
4
19K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
5
37Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
6
55Cs
56Ba
†
72Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
7
87Fr
88Ra
‡
104Rf
Db
Sg
Bh
Hs
†
57La
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
‡
89Ac
Th
Pa
U
Np
Pu
12
13
14
15
16
17
für den Menschen essentiell
2He
für bestimmte Mikroorganismen essentiell
B
C
N
O
F
10Ne
Al
Si
P
S
Cl
18Ar
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
36Kr
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
54Xe
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
86Rn
Mt
110
111
112
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
71Lu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md
No
103Lr
toxisch
Anwendung in Diagnostik und/oder Therapie
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Biologische Funktion von Metallen
•
Strukturfunktion
– Skelett und Zähne (Ca, Mg)
– Zellwände
– Proteine (Mg, "strukturelles" Zn, z. B. in Zink-Fingern)
– DNA (Na, Mg)
•
Ladungsträger für schnelle Informationsübertragung
– Nervenleitung (Na, K)
– second messenger (Ca)
•
Auf- und Abbau organischer Verbindungen
– Lewis-Säure / Base-Katalyse, z. B. in Hydrolasen, Peptidasen, ... (Mg, Zn)
•
Redoxreaktionen und Elektronenübertragung
– V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, W
•
Aktivierung kleiner Moleküle
– Sauerstoff (Fe, Cu)
– Stickstoff (Fe, Mo, V)
– Wasserstoff (Ni, Fe)
– Methan (Fe)
– CO2 (Ni, Fe - Reduktion zu Methan; bzw. Zn - Carboanhydrase)
•
Erzeugung von Radikalen und Carbanionen ("metallorganische" Reaktivität)
– Vitamin B12 (Co)
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Biologische Liganden - Aminosäuren
M
S
CH 3
CH 2
M
Methionin
O
M
N
M
M
M
S
S
CH 2
CH 2
N
N
CH 2
Cystein, verbrückend, μ-S
pKS (Cys) = 8.5
pKS (Se-Cys) = 5
Cystein
O
O
O
CH 2
CH 2
Histidin, Nδ
Histidin, Nε
Tyrosin
pKS (His) = 6.5
M
O
NH
M
pKS (Tyr) = 10
M
O
O
M
M
O
O
M
CH 2
anti, η1
CH 2
syn, η1
CH 2
CH 2
chelatisierend, η2
verbrückend, μ- η1:η1
Carboxylate, z. B. Asp und Glu; pKS (Asp) = 3.7, pKS (Glu) = 4.3
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Biologische Liganden - Makrozyklen
zwei acide NH-Protonen
maximal ungesättigt
konjugiertes π-System
(18 π-Elektronen!)
planar
NH
N
N
NH
HN
N
Porphyrin
N
HN
zwei acide NH-Protonen
ein Ring gesättigt
konjugiertes π-System
fast planar
Chlorin
NH HN
NH HN
Porphyrinogen
ein acides NH-Proton
kleiner als Porphyrin
hochgradig gesättigt
nicht planar
N
N
N
N
NH
N
N
HN
Corrin
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ein acides NH-Proton
Porphyrin-Gerüst
hochgradig gesättigt
nicht planar
Corphin
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Biologische Liganden - Makrozyklen
Häm
N
Chlorophyll a
N
N
Fe
N
N
Mg
N
N
N
O
HO 2 C
CO 2 H
O
O
OCH 3
3
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Bioanorganische Chemie - Metalloproteine
Hämoglobin-Monomer
Hämoglobin-Tetramer
Globin
(Protein)
Häm-Gruppe mit Eisen
(goldfarben)
und gebundenem Sauerstoff
(O2, rot)
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Bioanorganische Chemie - Metalloproteine
Structure of deoxyhemocyanin
(from Panulirus interruptus)
Proposed model for dioxygen
binding in deoxyhemocyanin
Two X-ray structures
for dioxygen binding
to hemocyanin
P. interruptus
deoxyhemocyanin
L. polyphemus
oxyhemocyanin
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Bioanorganische Chemie - Metalloproteine
Adenosyl-Cobalamin
(Coenzym B12, Röntgenstruktur)
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Bioanorganische Chemie - FeS-Cluster
FeS4
Fe2S2
Rubredoxin
Ferredoxin
Fe3S4 (linear)
- model data -
Fe + toe exist
→
Predicted
3+
-
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Fe3S4 (cubane)
Fe2+
Ferredoxin
Fe2S2N2
Rieske water-soluble domain
Fe4S4
Ferredoxin, HPIP
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Klassen von chemotherapeutischen Wirkstoffen
Cl
•
N
Cl
alkylierende Wirkstoffe
Cl
S
Cl
R
O
•
Antimetabolite
H
O
mustard gas
aniline mustard
F
N
N
H
5-fluorouracil (5-FU)
thymidylate synthase inhibitor
•
Anthracycline
•
Topoisomerase-Inhibitoren
N
N
HO
•
Mikrotubuli-Blocker
•
Hormontherapie
N
F
O
doxorubicin
O
Ciprofloxacin
R
Paclitaxel
O(CH2)2N(CH3)3
tamoxifen
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Metal-basierte Antitumorwirkstoffe
H3N
H3N
Cl
Pt
Cl
cis-Diammindichloroplatin(II)
cDDP, Cisplatin
Bedeutung von Cisplatin
• seit 1983 meistverkaufter Antitumor-Wirkstoff
• weltweiter Umsatz Platin-basierter Chemotherapeutika > 3 Mrd. €
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Cisplatin
I. Ott, R. Gust, Pharmazie in unserer Zeit 2006, 35, 124-133.
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Cisplatin
I. Ott, R. Gust, Pharmazie in unserer Zeit 2006, 35, 124-133.
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Cisplatin und Derivative
H
H3 N
H3 N
Pt
Cl
Cl
Cisplatin
H
N
Pt
N
H
H
Oxaliplatin
O
O
O
O
O
H3N
H3N
O
Pt
O
O
Carboplatin
Nachteile Cisplatin-basierter Antitumor-Wirkstoffe
• hohe allgemeine Toxizität
• Entwicklung von Resistenzen
• begrenztes Wirkspektrum
• ganze Klasse von Verbindungen hat nur eine
Zielstruktur ⇒ DNA
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Translational drug development
C.G. Hartinger, P.J. Dyson, Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 391-401.
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Nächste Vorlesung
Dienstag, 18.05.2010, Hörsaal A Chemie
Wiederholungsstunde
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