Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen

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Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen WS 2007/2008 Hochschuldozent Klaus Schaper

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Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen. Hochschuldozent Klaus Schaper. WS 2007/2008. Inhalt: Organische Chemie. - PowerPoint PPT Presentation

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Chemie für

Mediziner und Medizinische

Biologen

WS 2007/2008

Hochschuldozent

Klaus Schaper

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Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 2

PSEInhalt: Organische Chemie

10 Einführung und Überblick 11 Kohlenwasserstoffe12 Einfache funktionelle Gruppen13 Aldehyde und Ketone14 Chinone15 Carbonsäuren und Carbonsäurederivate16 Derivate anorganischer Säuren17 Stereochemie18 Aminosäuren und Peptide19 Kohlenhydrate20 Heterocyclen21 Spektroskopie

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PSEDefinition

18. Jahrhundert

Verbindungen mineralischer Natur (Salze, Erze) sind anorganisch,

Verbindungen die in lebenden Wesen vorkommen/entstehen sind organisch.

Es galt als ausgeschlossen, dass es im Labor möglich ist anorganische Substanzen in organische Substanzen zu überführen.

Friedrich Wöhler 1828:

Anorganisch Organisch

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PSEModerne Definition

Verbindungen, die mindestens ein Kohlenstoffatom enthalten sind organisch.

Alle anderen Verbindungen sind anorganisch.

Die meisten in der Natur vorkommenden Verbindungen enthalten neben Kohlenstoff auch Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff. (Vier Grundelemente)

Darüber hinaus kommen Phosphor, Schwefel, Chlor, Brom usw. vor.

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PSESchreiben von Molekülstrukturen

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PSEDie kovalente Bindung

Kohlenstoff ist wie kein anderes Element in der Lage mit sich selbst und mit anderen Atomen kovalente Bindungen einzugehen.

Dabei bildet Kohlenstoff

vier Einfachbindungen (4 -Bindungen),

zwei Einfach und eine Doppelbindung (3 -Bindungen und 1 -Bindung),

zwei Doppelbindungen (2 -Bindungen und 2 -Bindungen), oder

eine Einfachbindung und eine Dreifachbindung (2 -Bindungen und 2 -Bindungen),

Ein Kohlenstoffatom

mit 4 -Bindungen ist sp3-hybridisiert,

mit 3 -Bindungen und einer -Bindung ist sp2-hybridisiert, und

mit 2 -Bindungen und zwei -Bindungen ist sp-hybridisiert.

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PSEDie kovalente Bindung

Ein Kohlenstoffatom

mit 4 -Bindungen ist sp3-hybridisiert,

mit 3 -Bindungen und einer -Bindung ist sp2-hybridisiert, und

mit 2 -Bindungen und zwei -Bindungen ist sp-hybridisiert.

Ein

sp3-hybridisiert Kohlenstoffatom ist tetraedrisch,

sp2-hybridisiert Kohlenstoffatom ist trigonal planar, und

sp-hybridisiert Kohlenstoffatom ist linear.

Um -Bindungen ist eine freie Rotation möglich.

An einem sp2-hybridisiertem Kohlenstoffatom

steht das verbleibende p-Orbital senkrecht zur „trigonal-planaren“ Ebene.

Es führt zur Ausbildung der -Bindung und verhindert die freie Rotation.

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PSEDie kovalente Bindung

Ein Kohlenstoffatom kann Einfachbindungen bilden mit

sich selbst,

Wasserstoff,

oder einem anderen Atom. Diese Atome nennt man Heteroatome. (Dies sind u. a. Stickstoff, Phosphor, Sauerstoff, Schwefel, Selen, Fluor, Chlor, Brom, Iod)

Ein Kohlenstoffatom kann Doppelbindungen bilden mit

sich selbst,

oder einem Heteroatom (Stickstoff, Phosphor, Sauerstoff, Schwefel, Selen)

Ein Kohlenstoffatom kann Dreifachbindungen bilden mit

sich selbst,

oder mit Stickstoff.

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PSEInhalt: Organische Chemie

10 Einführung und Überblick 11 Kohlenwasserstoffe12 Einfache funktionelle Gruppen13 Aldehyde und Ketone14 Chinone15 Carbonsäuren und Carbonsäurederivate16 Derivate anorganischer Säuren17 Stereochemie18 Aminosäuren und Peptide19 Kohlenhydrate20 Heterocyclen21 Spektroskopie

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PSEInhalt: Organische Chemie

11 Kohlenwasserstoffe11.1 Alkane11.2 Cycloalkane11.3 Reaktionen der Alkane11.4 Alkene11.5 Alkine11.6 Aromaten11.7 Thermodynamik und Kinetik

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PSEAlkane

Alkane

Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Aliphatische Kohlenwasserstoffe

Aliphaten

Es gibt nur C-C und C-H -Bindungen

Es gilt die allgemeine Summenformel: CnH2n+2

Man bezeichnet Alkane mit verschiedenen n als homologe Reihe

Aromaten-Aliphaten: ARAL

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PSEAlkane

Es gilt die allgemeine Summenformel: CnH2n+2

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PSEAlkane

identisch

verschieden

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PSEIsomerie

Man nennt Verbindungen, die die gleiche Summenformel, aber eine unterschiedliche Strukturformel (Konstitution, Verknüpfung) besitzen, Konstitutionsisomere.

Zahl der Konstitutionsisomere

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PSENomenklatur

Um die Vielzahl organischer (und auch anorganischer) Verbindungen zu benennen, hat man sich auf eine Systematik geeinigt.

Für das zugehörige Regelwerk ist die IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) zuständig.

In diesem Regelwerk sind die Namen der unverzweigten Alkane festgelegt. (für n > 4: griechische Zahlworte).

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PSENomenklatur

Methan

Ethan

Propan

Butan

Pentan

Hexan

Heptan

Octan

Pentagon

Hexagramm

Heptameter: sieben füßiger Vers

Octupus vulgaris

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PSENomenklatur

Octan

Nonan

Decan

Undecan

Dodecan

Tridecan

Tetradecan

Pentadecan

Icosan (n=20)

Nonius

Uno

Dekade

Dodekaphonie

(Arnold Schönberg)

Triangel

Tetraeder

Icosaeder

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PSENomenklatur

Um die Vielzahl organischer (und auch anorganischer) Verbindungen zu benennen, hat man sich auf eine Systematik geeinigt.

Für das zugehörige Regelwerk ist die IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) zuständig.

In diesem Regelwerk sind die Namen der unverzweigten Alkane festgelegt. (für n > 4: griechische Zahlworte).

Bei verzweigten Kohlenwasserstoffen (siehe Isobutan = 2-Methylpropan) sucht man die längste unverzweigte Kette im Molekül. Dieser Name bildet den Stamm des vollständigen Namens.

Nun sucht man Kohlenstoffreste, die ein Wasserstoffatom ersetzen und so zur Verzweigung führen. Solche Reste bezeichnet man als Alkylreste (von Alkan).

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PSENomenklatur

Kohlenstoffatome können ein, zwei, drei oder vier Kohlenstoffatome als Nachbarn haben.

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PSENomenklatur

Bei verzweigten Kohlenwasserstoffen (siehe Isobutan) sucht man die längste unverzweigte Kette im Molekül. Dieser Name bildet den Stamm des vollständigen Namens.

Nun sucht man Kohlenstoffreste, die ein Wasserstoffatom ersetzen und so zur Verzweigung führen. Solche Reste bezeichnet man als Alkylreste (von Alkan).

Achtung: Die hier verwendete Schreibweise für organische Verbindungen ist nicht zulässig! Schreibt man das Kohlenstoffatom, muss man auch die Wasserstoffatome schreiben.

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PSENomenklatur

Wir haben also eine Hexankette mit zwei Methylresten.

Die Bezifferung erfolgt so, dass die erste Zahl möglichst klein wird (wenn dies keinen Unterschied macht, so soll die zweite Zahl möglichst klein werden.)

Wenn der gleiche Rest mehrfach auftritt, werden die Vorsilben di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-, hepta- usw. verwendet.

Die Verbindung heißt 2,3-Dimethylhexan.

Weitere Regeln:

Gibt es verschiedene Alkylreste werden diese in alphabetischer Reihenfolge aufgeführt.

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PSEAlkane

CnH2n+21

23 4 5

12

3 4 5

Pentan

Methan -> Methyl

2,2,4-Trimethylpentan

Octanzahl=100 (n-Heptan Octanzahl = 0)

Decan6 Propan -> Propyl

5 1-Methylpropyl

4 1,1-Dimethylethyl

alphabetisch: 4-(1,1-Dimethylethyl)-5-(1-methylpropyl)-6-propyldecan

sek-Propyl

iso-Propyl

iso-Butyl

sek-Butyl

tert-Butyl

5-sek-Butyl-4-tert-butyl-6-propyldecan

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PSENomenklatur

Weitere Beispiele.

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PSESchreiben von Molekülstrukturen

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PSEKonformationsisomere/Konformere

Ethan besteht aus zwei Methylgruppen, die durch eine Einfachbindung miteinander verbunden sind.

Um -Bindungen ist eine freie Rotation möglich.

Durch Verdrehung der beiden Methylgruppen gegeneinander entstehen unterschiedliche räumliche Anordnungen, also Isomere.

Im Gegensatz zu den oben diskutierten Konstitutionsisomeren (Verküpfungsisomeren) haben hier beide Strukturen die gleiche Verknüpfung.

Sie gehen durch Rotation um eine Einfachbindung auseinander hervor und werden daher als Rotationsisomere oder Konformere bezeichnet.

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PSESchreiben von Molekülstrukturen Konformationsisomere/Konformere

vorne hinten

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PSESchreiben von Molekülstrukturen Konformationsisomere/Konformere

Torsionswinkel

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PSE Konformationsisomere/Konformere

Die gestaffelten Konformere sind etwas energieärmer und damit stabiler als die ekliptischen Konformere.

Ein Minimum auf dieser Kurve nennt man auch Konformation.

RT = 2,4 kJmol-1

Eine schnelle Rotation wird beobachtet!

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PSESchreiben von Molekülstrukturen Konformationsisomere/Konformere

Konformationenkeine

Konformation

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PSEKonformationsisomere/Konformere

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PSEKonformationsisomere/Konformere

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PSEPhysikalische Eigenschaften

Die C-H-Bindung ist sehr unpolar. Daher sind Kohlenwasserstoffe allgemein oder hier die Alkane hydrophob, lipophil.

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PSEPhysikalische Eigenschaften

Die Moleküle werden untereinander nur durch Van-der-Waals-Kräfte zusammen gehalten.

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Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 34

PSEPhysikalische Eigenschaften

Die Moleküle werden untereinander nur durch Van-der-Waals-Kräfte zusammen gehalten.

Diese Kräfte sind schwach.

Die Kräfte nehmen zu, wenn die Moleküle größer werden.

Daher steigen die Siedepunkte, wenn die Moleküle größer werden.

Dabei ist die Oberfläche des Moleküls von Bedeutung.

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PSEAlkane

Hauptquellen für Alkane sind Erdgas (Methan, Ethan, Propan, Butan) und Erdöl.

Erdöl wird durch stufenweise (fraktionierte) Destillation in seine Bestandteile zerlegt.

Petrolether (C5-C7)

Benzin (C7-C12)

Dieselöl (C15-C18)

Paraffin (C20-C30)

Kohlenwasserstoffe schwimmen auf Wasser (Tankerunfall)

Kohlenwasserstoffe werden schlecht biologisch abgebaut.

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PSEMethan, Paraffine

Hauptquellen für Methan ist Erdgas.

Es entsteht auch in Sümpfen (Verwesung) und Reisfeldern und wird von Kühen ausgeschieden.

Methan ist ein Treibhausgas.

Es wirkt stärker als Kohlendioxid.

Es bleibt in der Atmosphäre länger erhalten.

Es wird zu Kohlendioxid abgebaut.

Methan kommt als Methanhydrat in den Ozeanen vor (siehe der Schwarm).

Paraffine werden als Salbengrundlage benutzt.

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PSEFragen 12.1/Zeeck

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PSEInhalt: Organische Chemie

11 Kohlenwasserstoffe11.1 Alkane11.2 Cycloalkane11.3 Reaktionen der Alkane11.4 Alkene11.5 Alkine11.6 Aromaten11.7 Thermodynamik und Kinetik

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PSECycloalkane

Cycloalkane entstehen formal aus Alkanen, indem man am Ende der Kette je ein Wasserstoffatom entfernt und die beiden Enden mit einer neuen C-C-Bindung zu einem Ring (Zyklus) schließt.

Es existiert auch Cyclobutan.

In Cyclopropan (60°) und Cyclobutan (90°) sind die Bindungswinkel deutlich von 109.45° verschieden (zu klein).

In Cyclopentan ist der Winkel mit 108° ziemlich nahe an 109.45°.

In Cyclohexan (regelmäßiges Sechseck) müsste der Winkel 120° anstelle von 109.45° sein.

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PSECyclohexan

In Cyclohexan (regelmäßiges Sechseck) müsste der Winkel 120° anstelle von 109.45° sein.

In beiden Konformeren sind alle Bindungswinkel 109.45°.

In der Sesselform stehen alle Gruppen gestaffelt (gauche).

In der Wannenform gibt es ekliptische Wechselwirkungen.

Eine Konformationen Keine Konformation

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PSECyclohexaneAxial/Equatorial

Nicht alle zwölf Wasserstoffatome im Cyclohexan sind gleich.

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PSEDerivate des Cyclohexan

Ein Rest am Cyclohexan steht bevorzugt equatorial.

Der Grund ist die 1,3-diaxiale Wechselwirkung.

H

H3CH

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PSEStereochemieIsomeriestammbaum (Ausschnitt)

Moleküle mit identischer Summenformelidentisch?

ja nein

Homomere Isomere

identische Verknüpfung?

janein

KonstitutionsisomereStereosomere

ohne Bindungsbruch

ja nein

Konformationsisomer Konfigurationsisomer

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PSEKonfigurationsisomere/Stereoisomeream Bsp. cis-trans-Isomerie

Im Cyclohexanring können die beiden Reste auf

Der gleichen Seite stehen (cis),

oder auf verschiedenen Seiten (trans), beide Reste stehen equatorial.

MeMe

H

HMe

Me

HH

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PSEDerivate des Cyclohexan

Im Dekalin können die beiden Reste cis oder trans verknüpft sein..

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PSEFragen 12.2/Zeeck

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PSEInhalt: Organische Chemie

11 Kohlenwasserstoffe11.1 Alkane11.2 Cycloalkane11.3 Reaktionen der Alkane11.4 Alkene11.5 Alkine11.6 Aromaten11.7 Thermodynamik und Kinetik

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PSEReaktionen der Alkane

Der Bruch einer kovalenten Bindung kann homolytisch oder heterolytisch erfolgen.

Beim homolytischen Bruch bekommt jedes Bruchstück ein freies Elektron. Teilchen, die ein freies ungepaartes Elektron tragen, heißen Radikale.

Beim heterolytischen Bindungsbruch bekommt ein Teilchen beide Elektronen, das andere keine. Dadurch entsteht aus einem neutralen Molekül ein Anion und ein Kation.

Unpolare Bindungen werden bevorzugt homolytisch gespalten.

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PSEReaktionen der Alkane

Der Bruch einer kovalenten Bindung kann homolytisch oder heterolytisch erfolgen.

Beim homolytischen Bruch bekommt jedes Bruchstück ein freies Elektron. Teilchen, die ein freies ungepaartes Elektron tragen, heißen Radikale.

Beim heterolytischen Bindungsbruch bekommt ein Teilchen beide Elektronen, das andere keine. Dadurch entsteht aus einem neutralen Molekül ein Anion und ein Kation.

Unpolare Bindungen werden bevorzugt homolytisch gespalten.

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PSEChlorierung von Methan

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PSEChlorierung von MethanMechanismus

Die Chor-Chlor-Bindung ist relativ schwach und kann daher relativ leicht gespalten werden.

Chlor ist gelb-grün und absorbiert magenta-farbenes Licht und wird dabei gespalten.

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PSEChlorierung von MethanMechanismus

Cl

1/2 Cl2

R H

Cl HRCl2

R Cl

Abbruch

Abbruch

Start: h

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PSEChlorierung und Bromierung

Die Reaktionskoordinate ist ein Maß dafür, wie weit die Reaktion fortgeschritten ist.

Das Maximum auf einer solchen Kurve nennt man Übergangszustand.

Die Energie, die man zum erreichen des Übergangszustandes benötigt ist die Gibbs‘ freie Aktivierungsenthalpie G#.

Im Übergangszustand ist die alte Bindung halb gebrochen und die neue halb gebildet.

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PSEChlorierung und Bromierung

Die Gibbs‘ freie Aktivierungsenthalpie G# beeinflusst die Geschwindigkeit einer Reaktion.

Die Gibbs‘ freie Enthalpie G beeinflusst die Lage des Gleichgewichtes Reaktion, bzw. sagt uns, ob die Reaktion von links nach rechts oder umgekehrt abläuft.

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PSENomenklatur

Es gibt sechs Wasserstoffatome an den beiden primären Kohlenstoffatomen.

Es gibt zwei Wasserstoffatome an dem einen sekundären Kohlenstoffatom.

Das Verhältnis ist 6/2=3.

Bei 600 °C wird dieses Verhältnis im Produkt beobachtet.

Bei tiefen Temperaturen weicht der beobachtete Wert vom Erwartungswert ab.

Die Reaktivität am sekundären Kohlenstoff ist höher.

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PSENomenklatur

Die Reaktivität hängt direkt von der Stabilität der gebildeten Radikale ab.

Je stabiler das Radikal, desto leichter bildet es sich.

Bei der Bromierung von 2-Methylpropan entsteht tert-Butylbromid (2-Brom-2-methylpropan).

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PSENomenklatur

Die Radikalkettenreaktion läuft analog wie Chlorierung.

Im Falle des Iod-Radikals ist eine H-Abstraktion (H-Abspaltung) aus dem Alkan energetisch sehr ungünstig.

Es kommt nicht zur Bildung des Radikals.

Die Radikalkettenreaktion findet nicht statt.

Iod ist ein Radikalfänger.

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PSEHalogenalkane

Chlorethan dient als Vereisungsmittel.

2-Brom-2-chlor-1,1,1-trifluorethan (Halothan) wirkt narkotisch.

Fluorierte Kohlenwasserstoffe lösen Sauerstoff => Blutersatz!

Chlorierte Kohlenwasserstoffe werden schlecht biologisch abgebaut.

Beispiele sind die Lösemittel Methylenchlorid, Trichlormethan (Chloroform), Tetrachlorkohlenstoff (Tetra), Tetrachlorethen (ein Alken - chem. Reinigung), Trichlorfluormethan (FCKW – Fluorchlorkohlenwasserstoff - Ozonloch), Lindan (Insektizid), DDT (hochwirksames Insektizid, wichtig in der Malariabekämpfung - in Deutschland verboten, da es sich in der Umwelt, im Fettgewebe und der Muttermilch anreichert.)

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PSEHalogenalkane

DDT.

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PSEHalogenalkane (FCKW)

Ozonloch

FCKW setzen unter UV-Bestrahlung in den oberen atmosphärischen Schichten Cl-Radikale frei.

Diese Radikale sind in der Lage den Zerfall von zwei Molekülen Ozon zu drei Molekülen Sauerstoff zu katalysieren.

Dies ist die Ursache für das Ozonloch.

Das Ozon ist ein Filter für UV-Strahlen.

Das Ozonloch ist somit für zu hohe UV-Strahlung an der Erdoberfläche verantwortlich und kann so Hautkrebs hervorrufen.

Ozon an der Erdoberfläche schadet den Lungen (Ozon).

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PSEOxidation/Verbrennung

Die Oxidation von Alkanen spielt eine Rolle beim Heizen (Verbrennung von Erdgas und Heizöl), sowie bei der Verbrennung im Motor oder im Kraftwerk.

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PSETreibhauseffekt

Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen führt zur Bildung von Kohlendioxid.

Dieses Gas ist maßgeblich am Entstehen des Treibhauseffektes verantwortlich.