Hans Peter Latscha • Uli Kazmaier

Chemie für Biologen

Dritte, vollständig überarbeitete Auflage

Universitäts- und Landes-tsjbüothek DarmstadtBibliothek Biologie

lr»v.-Nf.

4y Springer

Inhaltsverzeichnis

TeillAllgemeine Chemie 1

1 Chemische Elementeund chemische Grundgesetze 3

Verbreitung der Elemente ' 4Chemische Grundgesetze 5

2 Aufbau der Atome 7

2.1 Atomkern 7Atommasse 9Isotopieeffekte 10Radioaktive Strahlung 10Radioaktive Zerfallsgeschwindigkeit 10Beispiele für natürliche und künstliche Isotope 11Radioaktive Aktivität 12Radioaktive Zerfallsreihen 13Radioaktives Gleichgewicht 13Beispiele für Anwendungsmöglichkeitenvon Isotopen 13Aktivierungsanalyse 15

2.2. Elektronenhülle 15Atommodell von Niels Bohr (1913) 16Bohrsches Modell vom Wasserstoffatom 16Atomspektren(Absorptions- und Emissionsspektroskopie) 16Verbesserungen des Bohrschen Modells 18Wellenmechanisches Atommodelldes Wasserstoffatoms 18Elektronenspin 20Graphische Darstellung der Atomorbitale 20

VIII Inhaltsverzeichnis

Mehrelektronenatome 24Pauli-Prinzip, Pauli-Verbot 24Hundsche Regel c 24

Periodensystem der Elemente 27

Einteilung der Elementeauf Grund ähnlicher Elektronenkonfiguration 30Edelgase 30Hauptgruppenelemente(„repräsentative" Elemente,s- und p-Block Elemente) 30Übergangselemente bzw. Nebengruppenelemente.. 32Valenzelektronenzahl und Oxidationsstufen 32Periodizität einiger Eigenschaften 331) Atom- und Ionenradien 332) Elektronenaffmität (EA) 343) Ionisierungspotenzial / Ionisierungsenergie 344) Elektronegativität , 365) Metallischer und nichtmetallischer Charakterder Elemente 37

Moleküle, chemische Verbindungen,Reaktionsgleichungenund Stöchiometrie 39

Reaktionsgleichungen 40Konzentrationsmaße 42Stöchiometrische Rechnungen 50Beispiel einer Ausbeuteberechnung 51Berechnung von empirischen Formeln 52

5 Chemische Bindung - Bindungsarten 53

5.1 Ionische (polare, heteropolare) Bindung,Ionenbeziehung 53Gitterenergie 55Übergang von der ionischenzur kovalenten Bindung 57Übergang von der ionischenzur metallischen Bindung 58

Inhaltsverzeichnis IX

5.2 Atombindung (kovalente, homöopolare Bindung,Elektronenpaarbindung) 59

5.2.1 MO-Theorie der kovalenten Bindung 605.2.2c VB-Theorie der kovalenten Bindung. 63

Mehrfachbindungen, ungesättigte Verbindungen... 68Energie von Hybridorbitalen 72Bindigkeit ! 72Bindungsordnung, Bindungsgrad 72Oktettregel 73Doppelbindungsregel ; 73Radikale 74Bindungsenergie und Bindungslänge 74Mesomerie oder Resonanz^ 75

5.2.3 Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoßungsmodell 765.3 Metallische Bindung 78

Metallgitter 81Mechanische Eigenschaften -der Metalle / Einlagerungsstrukturen 82

- Legierungen 83Intermetallische Verbindungenoder intermetallische Phasen : 84Beispiele für intermetallische Phasen 84

5.4 Zwischenmolekulare Bindungskräfte/schwache Bindungen 84Dipol-Dipol-Wechselwirkungen 85Wasserstoffbrückenbindungen 85Dipol-Induzierte Dipol-Wechselwirkungen.' 86lonen-Dipol-Wechselwirkungen 86Van der Waalssche Bindung

r (van der Waals-Kräfte, Dispersionskräfte) 86Hydrophobe Wechselwirkungen(Hydrophobe Bindung) 86

KomplexverbindungenBindungen in Komplexen 89

Beispiele für Komplexe 91Chelateffekt 91Ji-Korhplexe 93Chargetransfer-Komplexe 93Carbonyle 94Koordinationszahl und räumlicher Bauvon Komplexen 1 94Isomerieerscheinungen bei Komplexverbindungen 95

X Inhaltsverzeichnis

Stereoisomerie 95a) cis-trans-Ispmerie (Geometrische Isomerie) 96Komplexe mit KZ 41 96Komplexe mit KZ 6.. 96b) Optische Isomerie (Spiegelbildisomerie)..J. 97Komplexe mit KZ 4 98Komplexe mit KZ 6 99Strukturisomerie 99Bindung in Komplexen / Koordinative Bindung 99Edelgas-Regel 77 99VB-Theor ie de r 'Komplexb indung 100Vorzüge und Nachte i le der VB-Theor ie 101Kristal lfeld-Ligandenfeld-Theorie 101Absorpt ionsspektren 103Jahn-Teller-Effekt 103Vorzüge und Nachtei le der Kristal lfeld-Theorie 104MO-Theor i e der Bindung in Komplexen 104H S A B - K o n z e p t bei Komplexen 104a- und rc-Bindung in Komplexen 104Bindung in Carbonylen 104Komplexbi ldungsreakt ionen 106Formelschreibweise von Komplexen 107Nomenklatur von Komplexen 107Beispiele zur Nomenklatur 109

7 Zustandsförmen der Materie(Aggregatzustände) 111

7.1 Fester Zustand 111Kristalline Stoffe 111Eigenschaften von kristallinen Stoffen 111Schmelz- und Erstarrungspunkt;Schmelzenthalpie 112Gittertypen 113

7.2 Gasförmiger Zustand 113Gasgesetze — für „ideale Gase" 1141) Gesetz von Boyle und Mariotte 1142) Gesetz von Gay-Lussac 1153) Allgemeine Gasgleichung 116Das Verhalten realer Gase 116Diffusion von Gasen 116

7.3 Flüssiger Zustand 117Dampfdruck einer Flüssigkeit 118Siedepunkt 118

Inhaltsverzeichnis XI

Gefrierpunkt 119Durchschnittsgeschwindigkeitvon Atomen und Molekülen 119

8 MehrstoffsystemeLösungen 121

Definition des Begriffs Phase 121Mehrstoffsysteme 121Lösungen 122Eigenschaften von Lösemitteln (Lösungsmitteln)... 122Echte Lösungen 124Lösungsvorgänge 124Löslichkeit 125Chemische Reaktionen bei LösungsVorgängen 126Verhalten und Eigenschaften von Lösungen 127I. Lösungen von nichtflüchtigen Substanzen 1271. Dampfdruckerniedrigung '. 1272. Siedepunktserhöhung 1283. Gefrierpunktserniedrigung 128Diffusion in Lösung 128Osmose 129Dialyse 130Lösungsgleichgewichte 1311. Verteilung zwischen zweinichtmischbaren flüssigen Phasen 1312. Verteilung zwischen einer Gasphaseund der Lösung 132Elektrolytlösungen : 132Elektrolytische Dissoziation 132Ostwaldsches Verdünnungsgesetz 133Elektrodenprozesse 134Beispiele für Elektrolysen : 134II. Lösungen flüchtiger Substanzen 136Ideale Lösungen 136Nichtideale Lösungen 137Kolloide Lösungen, kolloiddisperse Systeme 138Isoelektrischer Punkt (LP.) 139

9 Redoxsysteme 141

.Oxidationszahl 141Regeln zur Ermittlung der Oxidationszahl 141

XII Inhaltsverzeichnis

Reduktion und Oxidation 143Normalpotenziale von Redoxpaaren 146Normalpotenzial und Reaktionsrichtung 150Nernstsche Gleichung 151Konzentrationskette 153Praktische Anwendungvon galvanischen Elementen 154Trockenbatterie (Leclanche-Element) 154Alkali-Mangan-Zelle 154Nickel-Cadmium-Batterie ?. 154Quecksilber-Batterie 155Brennstoffzellen 155Akkumulatoren 155Bleiakku : 155Lithium-Ionenakku 156Elektrochemische Korrosion / Lokalelement 156Elektrochemische Bestimmung von pH-Werten 1561. Glaselektrode 7~ 156Elektroden 2. Art 1582. Redoxelektroden 158Spezielle Redoxreaktionen 159

10 Säure-Base-Systeme 161

Bransted-Säuren und -Basen; pH-Wert 161Säure-und Basestärke 165Starke Säuren und starke Basen 166Schwache Säuren und schwache Basen 166Mehrwertige Säuren 168Mehrwertige Basen ...; 170Protolysereaktionen beim Lösenvon Salzen in Wasser 170Neutralisätionsreaktionen > 171Protolysegrad 172Titrationskurven 173pH-Abhängigkeit von Säure-und Base-Gleichgewichten, Pufferlösungen 175Bedeutung der Henderson-Hasselbalch-Gleichung . 176Acetatpuffer 178Messung von pH-Werten 179Säure-Base-Reaktionen innichtwässrigen Systemen 180Elektronentheorie der Säuren undBasen nach Lewis 181

Inhaltsverzeichnis XIII

Prinzip der „harten" und „weichen"Säuren und Basen 182

11 Energetik chemischer Reaktionen(Grundlagen der Thermodynamik) 185

I. Hauptsatz der Thermodynamik(Energieerhaltungssatz) 186Veranschaulichung der Volumenarbeit p • AV 186Anwendung des I. Hauptsatzesauf chemische Reaktionen 188Hess'scher Satz der konstanten Wärmesummen 189II. Hauptsatz der Thermodynamik(Triebkraft chemischer Reaktionen) 190Statistische Deutung der Entropie 193III. Hauptsatz der Thermodynamik 193Gibbs-Helmholtzsche Gleichung 194Zusammenhang zwischen AG und EMK 198

12 Kinetik chemischer Reaktionen 199

Reaktionsordnung 200Halbwertszeit 202Konzentration-Zeit-Diagrammfür eine Reaktion erster Ordnung 203Konzentration-Zeit-Diagrammfür eine Reaktion zweiter Ordnung 204Molekularität einer Reaktion.., : 204Pseudo-Ordnung und Pseudo-Molekularität 205Arrhenius-Gleichung 206Katalyse... 207Darstellung von Reaktionsabläufendurch Energieprofile 208Parallelreaktionen - Kinetische undthermodynamische Reaktionskontrolle 210Metastabile Systeme 211Kettenreaktionen 211Einleitung von Kettenreaktionen 212Abbruch von Kettenreaktionen 212

XIV Inhaltsverzeichnis

13 Chemisches Gleichgewicht(Kinetische Ableitung) 213

Formulierung des MWG für einfache Reaktionen.. 215Gekoppelte Reaktionen 216

" Aktivitäten 216Beeinflussung von Gleichgewichtslagen 217Das Löslichkeitsprodukt 219

" Allgemeine Formulierung 220Fließgleichgewicht 220

Teil IIAnorganische Chemie 223

14 Hauptgruppenelemente 225

Wasserstoff. 225Stellung von Wasserstoffim Periodensystem der Elemente (PSE) 225Reaktionen und Verwendung von Wasserstoff 227Wasserstoffverbindungen 227

Alkalimetalle (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) 229Lithium 229Natrium 232Kalium 234Rubidium, Cäsium 236

Erdalkalimetalle(Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) 237Beryllium 237Magnesium 239Calcium 240Strontium 244Barium 244

Borgruppe (B, Al, Ga, In, Tl) 247Bor 247Borwasserstoffe, Borane 249

Inhaltsverzeichnis XV

Carborane 250Borhalogenide 250Sauerstoffverbindungen 251Aluminium 252Gallium - Indium - Thallium 255

Kohlenstoffgruppe (C, Si, Ge, Sn, Pb).... 257Kohlenstoff 257Kohlenstoffverbindungen 262Isosterie 264Boudouard-Gleichgewicht 264Carbide 265Silicium 265Kieselsäuren 268Zinn 272Zinn(II)- Verbindungen 273Zinn(IV)-Verbindungen 273Blei 274Blei(II)-Verbindungen 275Blei(IV)-Verbindungen 275Inert-pair-Effekt 275

Stickstoffgruppe (N, P, As, Sb, Bi) 277Stickstoff 277Phosphor 288Phosphoroxide 290Phosphorsäuren 291Halogenverbindungen 294Pseudorotation (Berry-Mechanismus) 294Arsen 295Sauerstoffverbindungen 296Schwefelverbindungen 296Antimon 297Bismut (früher Wismut) 298

Chalkogene (O, S, Se, Te, Po) 299Sauerstoff 299Sauerstoffverbindungen 302Oxide 304Schwefel 304Halogenverbindungen 306Schwefelchloride und Schwefelbromide 307Oxidhalogenide SOX2 (X = F, Cl, Br) 308Schwefeloxide und Schwefelsäuren 308H2SO4, Schwefelsäure 309

XVI Inhaltsverzeichnis

Selen 311Tellur 312

Halogene (F, Cl, Br, I, At) 313Fluor : 313Chlor 316Sauerstoffsäuren von Chlor 317Oxide des Chlors 318Brom 319Iod '. 320Bindungsenthalpie und Acidität 321Salzcharakter der Halogenide 322Photographischer Prozess(Schwarz-Weiß-Photographie) 322Interhalogenverbindungen 322Pseudohalogene — Pseudohalogenide 323

Edelgase (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) 325

15 Nebengruppenelemente 327

Oxidationszahlen 331Qualitativer Vergleich der Atom-und Ionenradien der Nebengruppenelemente 331Atomradien 331Lanthanoiden-Kontraktion 332Ionenradien 333

I. Nebengruppe 335Übersicht 335Kupfer 335Silber 338Gold 339

II. Nebengruppe 341Übersicht >.. 341Zinkverbindungen 342Cadmiumverbindungen 343Quecksilberverbindungen 343Hg(II)-Verbindungen 343

III. Nebengruppe 345Übersicht 345

Inhaltsverzeichnis XVII

IV. Nebengruppe 347Titan 347

V. Nebengruppe 349Übersicht 349Vanadin 349

VI. Nebengruppe 351Übersicht 351Chrom 351Chromverbindungen 352Molybdän 354Wolfram 355Transportreaktionen 356Wolframate, Polysäuren 356

VII. Nebengruppe 359Mangan 359

VIII. Nebengruppe 361Eisenmetalle 361Eisen 361Eisenverbindungen 363Cobalt und Nickel 365Cobaltverbindungen 365Nickelverbindungen 366Platinmetalle 367Verbindungen der Platinmetalle 368

Lanthanoide, Ln 369Übersicht..... 369

Actinoide, An 371

16 Anhang 373

Allgemeine Verfahren zur Reindarstellung .von Metallen (Übersicht) 373I. Reduktion der Oxide zu den Metallen 373II. Elektrolytische Verfahren 374III. Spezielle Verfahren 374Düngemittel 375Handelsdünger aus natürlichen Vorkommen 375

XVIII Inhaltsverzeichnis

Kunstdünger 376Mineraldünger 376Stickstoffdünger 376Phosphatdüriger 376Kaliumdünger.. 376Mehrstoffdünger 378

Teil IIIOrganische Chemie 379

17 Allgemeine Grundlagen 381

17.1 Einleitung 38117.2 Grundlagen der chemischen Bindung 38117.3 Systematik organischer Verbindungen 38417.4 Nomenklatur 38517.5 Chemische Formelsprache 38617.6 Isomerie 387

18 Grundbegriffe organisch-chemischerReaktionen 391

18.1 Reaktionen zwischen ionischen Substanzen 39118.2 Reaktionen von Substanzen

mitkovalenter Bindung...„. 39118.3 Säuren und Basen, Elektrophile und Nucleophile... 39218.4 Substituenten-Effekte^ 39518.5 Reaktive Zwischenstufen 39718.5.1 Carbeniumionen 39718.5.2 Carbanionen 39818.5.3 Carbene 39918.5.4 Radikale 40018.6 Übergangszustände 40118.7 Reaktionstypen 40118.7.1 Additions-Reaktionen....'! 40118.7.2 Eliminierungs-Reaktionen 40218.7.3 Substitutions-Reaktionen.; 40218.7.4 Radikal-Reaktionen 40318.7.5 Umlagerungen : 403

Inhaltsverzeichnis XIX

19 Gesättigte Kohlenwasserstoffe(Alkane) 405

19.1. Offenkettige Alkane 40519.1.1 Nomenklatur und Struktur 40619.1.2 Bau der Moleküle, Konformationen der Alkane 40819.1.3 Vorkommen, Gewinnung und Verwendung

der Alkane 41019.1.4 Herstellung von Alkanen 41019.1.5 Eigenschaften gesättigter Kohlenwasserstoffe 41019.2 Cyclische Alkane 41119.2.1 Bau der Moleküle, Konformationen

der Cycloalkane 41119.2.2 Das Cyclohexan-Ringsystem 412

20 Die radikalischeSubstitutions-Reaktion (SR) 417

20.1 Herstellung von Radikalen 41720.2 Struktur und Stabilität 41820.3 Ablauf von Radikalreaktionen 41820.4 Selektivität bei radikalischen

Substitutions-Reaktionen _° 41920.5 Beispiele für Radikalreaktionen 41920.5.1 Photochlorierung von Alkanen mit CI2 41920.5.2 Die Chlorierung von Alkanen

mit Sulfurylchlorid, SO2C12 42020.5.3 "Pyrolysen 42020.6 Radikale in biologischen Systemen 420

21 Ungesättigte Kohlenwasserstoffe(Alkene, Alkine) 421

21.1 Alkene 42121.1.1 Nomenklatur und Struktur 42121.1.2 Vorkommen und Herstellung von Alkenen 42321.1.3 Konjugierte Diene 42421.2 Alkine '. 42521.3 Biologisch interessante Alkene und Alkine 426

XX Inhaltsverzeichnis

22 Additionen an Alkene und Alkine 429

22.1 Elektrophile Additionen 42922.1.1 Additionen symmetrischer Verbindungen 42922.1.2 Additionen unsymmetrischer Verbindungen

(Markownikow-RegeY) 43022.1.3 Stereospezifische Syn-Additionen 43222.2 Cycloadditionen 43322.2.1 Ozonolyse '„ 43322.2.2 Diels-Alder-Reaktionm '.: 43322.3 Nucleophile Additionen 43422.3.1 Nucleophile Additionen von Aminen 43422.3.2 Afic/zae/-Additionen 43422.4 Radikalische Additionen 43522.5 Di-, Oligo- und Polymerisationen 435

23 Aromatische Kohlenwasserstoffe(Arene) 437

23.1 Chemische Bindung in aromatischen Systemen 43723.2 Beispiele für aromatische Verbindungen;

Nomenklatur 43923.3 Vorkommen und Herstellung '.....:. 43923.4 Eigenschaften und Verwendung 44023.5 Reaktionen aromatischer Verbindungen 44123.5.1 Additionsreaktionen aromatischer Verbindungen... 44123.5.2 Reaktionen von Alkylbenzolen in der Seitenkette .. 442

r

24 Die aromatische Substitution (SAI-) 443

24.1 Die elektrophile aromatische Substitution (SEiAr)...-. 44324.1.1-Allgemeiner Reaktionsmechanismus 44324.1.2 Mehrfachsubstitution 44324.2 Beispiele für elektrophile Substitutionsreaktionen.. 44924.2.1 Nitrierung •: 44924.2.2 Sulfonierung 44924.2.3 Halogenierung 45124.2.4 Alkylierung nach Friedel-Crafts 45124.2.5 Acylierung nach Friedel-Crafts 45124.3 Die nucleophile aromatische Substitution (SNjAr).... 45324.4 Aromatische Substitution in

biologischen Systemen 454

Inhaltsverzeichnis XXI

25 Halogenkohlenwasserstoffe 455

25.1 Chemische Eigenschaften 45525.2 Verwendung 45625.3 Herstellungsmethoden 45725.4 Biologisch interessante

Halogen-Kohlenwasserstoffe 458

26 Die nucleophile Substitution (SN)am gesättigten C-Atom 459

26.1 Der SN1-Mechanismus 45926.1.1 Auswirkungen des Reaktionsmechanismus 46026.2 Der SN2-Mechanismus 46126.3 Das Verhältnis SN1/SN2 462

27 Die Eliminierungs-Reaktionen (El, E2). 463

27.1 a-oder 1,1-Eliminierung 46327.2 ß-oder 1,2-Eliminierung 46427.2.1 Eliminierung nach einem E1 -Mechanismus 44627.2.2 Eliminierung nach einem E2-Mechanismus 46527.3 Isomerenbildung bei Eliminierungen 46627.4 syH-Eliminierungen (thermische Eliminierungen)... 46727.5 Eliminierungen in biologischen Systemen 468

28 Sauerstoffverbindungen 471

28.1 Alkohole (Alkanole) 47128.1.1 Beispiele und Nomenklatur 47128.1.2 Herstellung von Alkoholen 47328.1.3 Reaktionen der Alkohole 47528.2 Phenole 47828.2.1 Beispiele und Nomenklatur 47828.2.2 Herstellung von Phenolen 47928.2.3 Eigenschaften von Phenolen 48128.2.4 Reaktionen von Phenolen 48228.2.5 Biologisch interessante Phenole : 48328.3 Ether 48428.3.1 Herstellung 48528.3.2 Eigenschaften der Ether 48628.3.3 Reaktionen der Ether 487

XXII Inhaltsverzeichnis

29 Schwefelverbindungen 489

29.1 Thiole 48929.1.1 Herstellung 49029.1.2 Vorkommen 49029rl.3 Reaktionen 49029.2 Thioether (Sulfide) 49129.3 Sulfonsäuren 49229.3.1 Herstellung 49229.3.2 Verwendung von Sulfonsäuren 49229.4 Biologisch wichtige Schwefelverbindungen 493

30 Stickstoffverbindungen 495

30.1 Amine 49530.1.1 Nomenklatur 49530.1.2 Herstellung von Aminen .-. 49630.1.3 Eigenschaften der Amine 49830.1.4 Reaktionen der Amine 50030.1.5 Biochemisch wichtige Amine 50230.2 Nitroverbindungen 50430.2.1 Nomenklatur und Beispiele 50430.2.2 Herstellung 50430.2.3 Eigenschaften und Reaktionen

von Nitroverbindungen 50430.2.4 Verwendung von Nitroverbindungen 50530.3 Azoverbindungen 50530.3.1 Herstellung der Azoverbindungen 50630.4 Diazoverbindungen, Diazoniumsalze 50730.4.1 Herstellung von Diazo-

und Diazoniumverbindungen 50730.4.2 Reaktionen von Diazo-

und Diazoniumverbindungen 508

31 Element-organische Verbindungen 511

31.1 Bildungen und Reaktivität 51131.2 Eigenschaften elementorganischer Verbindungen.. 51131.3 Beispiele für elementorganische Verbindungen 51231.3.1 I. Gruppe: Lithium 51231.3.2 II. Gruppe: Magnesium 51231.3.3 III. Gruppe: Bor 51331.3.4 V. Gruppe: Phosphor 514

Inhaltsverzeichnis XXIII

Verbindungen mit ungesättigtenfunktioneilen Gruppen 515

Die Carbonyl-Gruppe 515

32 Aldehyde, Ketone und Chinone 517

32-1 Nomenklatur und Beispiele 51732.2 Herstellung von Aldehyden und Ketonen 51832.3 Eigenschaften 52032.4 Redoxreaktionen von Carbonylverbindungen 52032.4.1 Reduktion zu Alkoholen 52032.4.2 Reduktion zu Kohlenwasserstoffen 52132.4.3 Oxidationsreaktionen 52132.4.4 Redoxverhalten der Chinone 52132.5 Biologisch interessante Carbonylverbindungen 523

33 Reaktionen von Aldehydenund Ketonen 525

33.1 Additionen von Hetero-Nucleophilen 52633.1.1 Addition von ,Hydrid' 52633.1.2 Reaktion mit O-Nucleophilen 52733.1.3 Reaktion mit N-Nucleophilen 52933.1.4 Reaktion mit S-Nucleophilen 53233.2 Additionen von Kohlenstoff-Nucleophilen 53233.2.1 Umsetzungen mit Blausäure bzw. Cyanid 53233.2.2 Umsetzungen mit Grignard-Reagcnzicn 53433.2.3 Umsetzungen mit Acetyliden 53433.2.4 Umsetzungen mit Phosphor-Yliden 53433.3 Additionen von Carbonylverbindungen 53533.3.1 Bildung und Eigenschaften von Carbanionen 53533.3.2 Aldol-Reaktion 53633.3.3 Mannich-Reaktion 53833.3.4 Knoevenagel-Reaktion ! 53933.3.5 Michael-Reaktion 54033.3.6 Robinson-Ansüiemng 540

34 Carbonsäuren 541

34.1 Nomenklatur und Beispiele 54134:2 Herstellung von Carbonsäuren 542

XXIV Inhaltsverzeichnis

34.3 Eigenschaften von Carbonsäuren 54334.3.1 Substituenteneinflüsse auf die Säurestärke 54334.4 Reaktionen von Carbqnsäuren 54634.4.1 Reduktion " 54634.4.2s Abbau unter CO2-Abspaltung (Decarboxylierung). 54634.4.3 Bildung von Derivaten 54634.5 Spezielle Carbonsäuren 54634.5.1 Dicarbonsäuren : 54634.5.2 Hydroxycarbonsäuren 54934.5.3 Oxocarbonsäuren 55234.5.4 Halogencarbonsäuren 555

35 Derivate der Carbonsäuren 559

35.1 Reaktionen von Carbonsäurederivaten 56035.1.1 Hydrolyse von Carbonsäurederivaten

zu Carbonsäuren ; 56135.1.2 Umsetzung von Carbonsäürederivaten mit Aminen 56135.1.3 Umsetzung mit Alkoholen zu Carbonsäureestern... 56235.2 Herstellung und Eigenschaften

von Carbonsäurederivaten 56235.2.1 Carbonsäureanhydride 56235.2.2 Carbonsäurehalogenide 56335.2.3 Carbonsäureamide 56335.2.4 Carbonsäureester 56435.2.5 Lactone 7 56635.2.6 Spezielle Carbonsäurederivate 56735.3 Biologisch wichtige Carbonsäurederivate 569

36 Reaktionen von Carbonsäurederivaten.. 571

36.1 Reaktionen an der Carbonyl-Gruppe 57136.1.1 Reaktionen von Carbonsäureestern 57136.1.2 Reaktionen von Carbonsäurehalogeniden -

und -anhydriden 57236.1.3 Reaktionen von Carbonsäureamiden 57336.1.4 Reaktionen von Nitrilen 57336.2 Reaktionen in a-Stellung zur Carbonyl-Gruppe 57436.2.1 Reaktionen von Carbonsäureestern 57436.2.2 Reaktionen von 1,3-Dicarbonylverbindungen 57636.2.3 Reaktionen von Carbonsäurehalogeniden

und -anhydriden 57836.3 C-C-Knüpfüng in biologischen Systemen 579

Inhaltsverzeichnis XXV

37 Kohlensäure und ihre Derivate 581

37.1 Beispiele und Nomenklatur 58137.2 Herstellung von Kohlensäurederivaten 58237.3 Harnstoff und Derivate 58237.3.1 Synthese von Harnstoff 58237.3.2 Eigenschaften und Nachweis 58337.3.3 Synthesen mit Harnstoff 58437.3.4 Derivate des Harnstoffs 584

38 Heterocyclen 585

38.1 Hcteioaliphalen 58538.2 1-leteroaromalen 58738.2.1 FOnigliedrige Ringe 58738.2.2 Sechsgliedrige Ringe 59038.3 Synthese von Heterocyclen

über Oieurbonylverbinclungen 593

39 Stereochemie 595

39.1 Stereoisomere 59539.2 Schreibweisen und Nomenklatur

der Stereochemie 59739.2.1 D,L-Nomenklatur 59739.2.2 R,S-Nomenklatur 59839.3 Beispiele zur Stereochemie 60039.3.1 Verbindungen mit mehreren chiralen C-Atomen.... 60039.3.2 Verbindungen mit gleichen Chiralitätszentren 60039.4 Herstellung optisch aktiver Verbindungen 601

40 Kunststoffe -Grundzüge der Polymerchemie 603

40.? Herstellung 60340.1.1 Reaktionstypen... 60340.1.2 Polymerisation : 60440.1.3 Polykondensation 60540.1.4 Polyaddition 60540.2 Strukturen von Makromolekülen 60640.2.1 Polymere aus gleichen Monomeren 60640.2.2 Polymere mit verschiedenen Monomeren 60640.2.3 Halbsynthetische Kunststoffe 606

XXVI Inhaltsverzeichnis

Teil IVChemie von Naturstoffenund Biochemie 609

41 Chemie und Biochemie 611

41.1 Biokatalysatoren 61141.2 Stoffwechselvorgänge 614

42 Kohlenhydrate 617

42.1 Monosaccharide 61742.1.1 Struktur und Stereochemie.... 61742.1.2 Reaktionen und Eigenschaften 62142.2 Disaccharide '. 62542.2.1 Allgemeines 62542.2.2 Beispiele für Disaccharide 62642.3 Oligo- und Polysaccharide (Glycane) 62742.3.1 Makromoleküle aus Glucose 62742.3.2 Makromoleküle mit Aminozuckern 62942.3.3 Weitere Polysaccharide mit anderen Zuckern 630

43 Aminosäuren, Peptide und Proteine 633

43.1 Aminosäuren 63343.1.1 Einteilung und Struktur 63343.1.2 Aminosäuren als Ampholyte 63543.1.3 Gewinnung und Synthesen von Aminosäuren 63743.1.4 Reaktionen von Aminosäuren 63943.2 Peptide <. 64043.2.1 Hydrolyse von Peptiden 64243.2.2 Peptid-Synthesen..... 64243.2.3 Biologisch wichtige Peptide 64443.3 Proteine :. 64643.3.1 Struktur der Proteine 64743.3.2 Beispiele und Einteilung der Proteine 64943.3.3 Eigenschaften der Proteine 650

Inhaltsverzeichnis XXVII

44 Lipide 651

44.1 Überblick über die Lipid-Gruppe 65144.2 Fettsäuren und Fette 65244.3 Komplexe Lipide 65444.3.1 Phospholipide 65444.3.2 Glycolipide 65544.3.3 Biochemische Bedeutung komplexer Lipide 65544.4 Wachse 656

45 Nucleotide und Nucleinsäuren 657

45.1 Nucleotide 65745.1.1 Energiespeicherung

mit Phosphorsäureverbindungen 65845.1.2 Nucleotide in Nucleinsäuren 66045.2 Nucleinsäuren 66145.2.1 Aufbau der DNA 66245.2.2 Aufbau der RNA 663

46 Terpene und Carotinoide 667

47 Steroide 671

47.1 Sterine 67147.2 Gallensäuren 67247.3 Steroid-Hormone 67247.3.1 Männliche Sexualhormone (Adrogene) 67347.3.2 Weibliche Geschlechtshormone

(Östrogehe, Gestagene) 67347.3.3 Kontrazeptive Steroide 67447.4 Corticoide 67447.5 Herzaktive Steroide 67547.6 Sapo'genine und Steroid-Alkaloide 675

48 Alkaloide 677

48.1 Pyrrolidin- und Piperidin-Alkaloide 67848.2 Pyridin-Alkaloide 67848.3 Tropan-Alkaloide 679

XXVIII Inhaltsverzeichnis

48.4 Pyrrolizidin-, Indolizidin-und Chinolizidin-Alkaloide 680

48.5 Indol-Alkaloide 68248.5.1 Substituierte Indole 68248.5.2 Carbazol-Alkaloide 6834875.3 Carbolin-Alkaloide 68448.5.4 Ergolin-Alkaloide 68448.6 Isochinolin-Alkaloide 68648.7 Chinolin-Alkaloide 688

49 Natürliche Farbstoffe 689

50 Literaturnachweis undLiteraturauswahl an Lehrbüchern 693

51 Sachverzeichnis 699

Ausklapptafel: Periodensystem der Elemente(am Schluss des Bandes)

CD mit einer umfangreichen Sammlung von Fragen/Aufgabenmit Antworten/Lösungen.