Chemie für Biologen SS Georg Jansen AG Theoretische Organische Chemie Universität Duisburg Essen. (Teil 1: Einleitung/Atome)

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1 ChemiefürBiologen SS2007 GeorgJansen AGTheoretischeOrganischeChemie UniversitätDuisburg Essen (Teil1:Einleitung/Atome)

2 Lehrbücher B.Keppler,A.Ding H.P.Latscha,U.Kazmaier,H.A.Klein ChemiefürBiologen 2.Aufl.,Springer Verlag, Berlin,2005 ISBN (ca.700s,ca.30euro) ChemiefürBiologen SpektrumAkademischerVerlag, Heidelberg,1997 ISBN (ca.500s.,ca.38euro) A.Zeeck,S.C.Fischer,S.Grond,I. Papastavrou C.E.Mortimer,U.Müller Chemie,DasBasiswissenderChemie, 8.Aufl.,Thieme Verlag,Stuttgart,2003 ISBN (ca.750s.,ca.60euro) ChemiefürMediziner 6.Aufl.,Urban&Fischer,München,2005 ISBN (ca.450s.,ca.30euro)

3 Starthilfen S.Hauptmann EAGLE StarthilfeChemie 3.Aufl.,EditionamGutenbergplatzLeipzig, 2004 ISBN K.Standhartinger ChemiefürAhnungslose Hirzel,Stuttgart,2004 M.Fry,E.Page StartwissenChemie Elsevier,München,2007 ISBN (ca.200s.,ca.20euro)

4 WasistChemieundwarumistsiewichtig? NaturwissenschaftlicheDisziplin SiebefasstsichmitdemAufbau,denEigenschaftenunddenUmwandlungenvon Materie(Materie:alleswasMassebesitztundRaumerfüllt) Sämtliche Stoffe sind aus einfachen Bausteinen, den chemischen Elementen, aufgebaut. Die Elemente bestehen aus winzigen Teilchen, den Atomen. Die Stoffvielfalt kommt durch das Bestreben der Atome verschiedener Elemente, miteinanderverbindungenzubilden,zustande. Die Eigenschaften einer Verbindung resultieren aus ihrer Struktur. Die Chemie erforschtdiesezusammenhänge.auchdasverständnisvonstoffumwandlungenhat einen hohen Stand erreicht, so dass die Suche nach nützlichen neuen Materialien planmäßig erfolgen kann. Dies ist einer der aufregendsten Aspekte der modernen chemischenforschung.

5 WarumsolltemansichmitOrganischerChemiebeschäftigen? Eines der leichteren Elemente ist der Kohlenstoff, das wichtigste Element der OrganischenChemie.InorganischenVerbindungenvereinigensichKohlenstoffatome überkräfte,diemanchemischebindungennennt,mitanderenatomenzumolekülen. Diesekönnen ein,mehrereodervielekohlenstoffatomeinkettenoderringensowie andere Atome wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor enthalten.organischemolekülebesitzenvielfältigestrukturenundeigenschaften. Esgibtmehrals20MillionenbekannteKohlenstoffverbindungen.DieKenntnisihrer EigenschaftenhatihreVerwendungalsBrennstoffe,Farbstoffe,Kosmetika,Pharmaka, Kunststoffe,Fasernu.v.a.ermöglicht. Die Kenntnis der Eigenschaften organischer Moleküle eröffnet einen Zugang zum Studium von Lebensvorgängen. Ein lebender Organismus besteht aus organischen Molekülen, Wasser und bestimmten Mineralstoffen. Struktur und Funktion von Proteinen, Fetten, Zuckern, Nucleinsäuren ("genetischen" Molekülen) u.a. bestimmen unseregestalt,unserekörperfunktionenundsogarunseregeistigeaktivität.

6 Warum"ChemiefürBiologen"? Lebensvorgänge wie Stoffwechsel, Wachstum, Vermehrung, sinnliche Wahrnehmung (Riechen, Schmecken, Sehen), Kommunikation, Informationsspeicherung(Gedächtnis),...sindchemischeProzesse. ZuihremVerständnisisteserforderlich,dieseVorgängeaufderchemischenEbene aufzuklären. Molekularbiologie=Biologieaufmolekularer(chemischer)Ebene Biochemie:ChemiederLebensvorgänge Physiologische Chemie: Physiologie (griech.: physis = Natur). Wissenschaft von dennatürlichenlebensvorgängenderorganismen. Lebensmittelchemie Ökologie: Umweltwissenschaft, untersucht die Wechselwirkungen zwischen LebewesenundUmwelt Toxikologie:untersuchtGifteundihreWirkungsweise

7 WarumsolltemansichmitChemiebeschäftigen? l l o t h c a f n! i ß e a t s p i S e l i e i m v e t h h C c a m d n u

8 InhaltderVorlesung"ChemiefürBiologen" A AllgemeineundAnorganischeChemie AtomeundMoleküle(Elemente,chemischeBindung) AggregatzuständeundzwischenmolekulareKräfte ChemischeReaktionenundchemischeGleichgewichte Elektrolyte(Säuren,Basen,Salze) OxidationundReduktion B OrganischeChemie Stoffsystematik 6. Kohlenwasserstoffe(Alkane,Alkene,Alkine,Aromaten) 7. MonofunktionelleVerbindungen:Halogenverbindungen,Alkohole,Thiole, Ether,Sulfide,Amine,Aldehyde,Ketone,CarbonsäurenundihreDerivate 8. Heterocyclen 9. PolyfunktionelleVerbindungen:Aminocarbonsäurenu.a. 10.Stereochemie:chiralerMolekülbau,Spiegelbildisomerie,Enantiomere, Diastereomere 11.WichtigeNaturstoffklassen Kohlenhydrate,Nucleinsäuren,Aminosäuren undterpene

9 GrößenverhältnisseundMassenverteilunginAtomen (Atomkern)1 = (Elektronenhülle)10000 =10 4 DieElektronenhülle,diehierimVerhältniszumKern etwatausendmalzukleindargestelltist,hateinen Radiusvonca.100pm=10 10m=105fm. DermassiveAtomkernenthält99.9%derAtommasse undhateinenradiusvon ca.10 14m=10fm.

10 GrößenundAbständeinMikro undmakrokosmos Atomkern Atom Hämoglobin Zellkern Mensch Erde Sonne Erde Sonne Weltall 10 14m 10 10m Durchmesser Durchmesser 10 8m 10 6m 1.7m 107m 109m 1011m 1025m Ausdehnung Durchmesser Größe Durchmesser Durchmesser Abstand Ausdehnung =10fm =100pm= 1Å =10nm =1µm

11 LadungundMassederdreiwichtigstenElementarteilchen Name Symbol Ladung relative relative absolute (inc) Ladung Masse Masse(ing) Proton p Neutron n Elektron e EinheitderelektrischenLadung:C Coulomb 1C=1A s

12 ChemischeElemente Z Kernladungszahl=Ordnungszahl=ZahlderProtonenp+imAtomkern= ZahlderElektronene inderelektronenhülle=σp+=σe A Nucleonenzahl=ZahlderProtonen+ZahlderNeutronen=Σ(p++n) (entsprichtungefährdermassenzahl) Atomart Wasserstoff Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Natrium Schwefel Elementsymbol H C N O Na S ZahlderElementarteilchen 1p++1e 6p++6e +6n 7p++7e +7n 8p++8e +8n 11p++11e +12n 16p++16e +16n A M 1 H 12 C 14 N 16 O 23 Na 32 S

13 Isotope(Beispiele) Name/Element Zusammensetzung Masse Ordnungszahl Symbol natürl. Wasserstoff Deuterium Tritium Kohlenstoff 12 Kohlenstoff 13 Kohlenstoff 14 Chlor 35 Chlor 37 1p+1e 1p+1n+1e 1p+2n+1e 6p+6n+6e 6p+7n+6e 6p+8n+6e 17p+18n+17e 17p+20n+17e H 2 H=D 3 H=T 12 C 13 C 14 C 35 Cl 37 Cl 1 Häufigkeit 99.99% 0.01% *) 98.9% 1.1% *) 75% 25% BezugsmassederrelativenAtommassen:1/12derMassevon12C *)zerfälltradioaktiv

14 MittlereAtommasse(Beispiele) HäufigkeitderIsotope Mittelwertder Atommasse Wasserstoff 99.99%1H+0.01%2H 1.008H Kohlenstoff 98.1%12C+1.1%13C 12.01C Chlor 75%35Cl+25%37Cl 35.45Cl (75x35+25x37)/100= 35.45) BezugsmassederrelativenAtommassen:1/12derMassevon12C