Moleküle, die die Welt bewegen

Professor Dr. Eberhard Ehlers

Hofheim/D

Goethe-Universität Frankfurt am Main

6. SEC-Jahrestreffen

Münster, 18. - 20. Mai 2016

Zitate über Chemie

● Ohne ein genaues Studium der Chemie und Physik

werden die Physiologie und Medizin in ihren wichtigsten

Aufgaben kein Licht erhalten (Justus von Liebig).

● Der wahre Zweck der Chemie besteht nicht darin, Gold

zu machen, sondern Medizin herzustellen (Paracelsus).

● Alles was im Gehirn geschieht, beruht auf den Gesetzen

der Chemie und der Physik (Steven Weinberg).

● Ohne Chemie werden wir keine moderne Industrienation

bleiben (Helmut Kohl).

● Ein Drei-Liter-Auto wird es ohne die Hilfe der Chemie

nicht geben (Hans-Jürgen Quadbeck-Seeger).

„Chemie ist …?“

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folgende Auswahl für Sie:

Angst vor Chemie?

„Da kommt keine Chemie oder sonst etwas an meine

Haut ran, sondern nur ganz natürliche Wärme!

Die Inhaltstoffe des Wärmepflasters sind Eisenpulver, Salze,

Aktivkohle und Wasser. Diese Inhaltsstoffe reagieren mit Luft-

sauerstoff und setzen Oxidationsvorgänge in Gang. Mit anderen

Worten das Eisenpulver rostet.

Fe, O2, H2O →

x FeO . y Fe2O3. z H2O

Moleküle, die die Welt bewegen

UO2

2016: 442 Reaktorblöcke in 31 Ländern

Widersprüchliche Veröffentlichungen

● Laut einer am 30.Oktober 2015 von der NASA - basierend auf

Satellitendaten - im „Journal of Glaciology“ veröffentlichten Studie

nimmt die Masse des Antarktis-Eisschildes zu und nicht ab!

● Dies steht im Widerspruch zu einer Aussage des Weltklimarates

im Jahre 2013, nach der die Antarktis überall Eismasse verliere

und dadurch global der Meeresspiegel um 0,27 mm pro Jahr

ansteige. Nach den jüngsten NASA-Berechnungen steigt der

Meerespiegel nicht an, sondern sinkt um 0,23 mm pro Jahr.

● Kurios ist, dass nahezu zeitgleich zu der NASA-Veröffentlichung

eine Studie des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK)

in der Fachzeitschrift “PNAS“ erscheinen ist, die weiterhin davor

warnt, dass das Eis der Antarktis in einem kritischen Maße

schmilzt.

GDCh: Wöhler-Raum

Besprechungen der SEC-Arbeitskreise (Netzwerk -

Öffentlichkeitsarbeit - Schule Bildung Beruf) finden in

vierteljährlichen Abständen in der Geschäftsstelle der

Gesellschaft Deutscher Chemiker in Frankfurt statt.

Wöhler: Harnstoff-Synthese

1828 synthetisierte Friedrich

Wöhler erstmals Harnstoff

durch Umsetzung von Silber-

cyanat mit Ammoniumchlorid

und erkannte, dass Ammo-

niumcyanat als Zwischen-

stufe durchlaufen wird.

Homunculus

Johann Wolfgang von Goethe, Faust II, 2. Akt, Laboratorium

- In Goethes Humunculus, eines auf chemischem Wege

erzeugten Menschen, findet die Harnstoffsynthese durch

Friedrich Wöhler prominente literarische Verarbeitung.

- Bearbeitung zwischen 1825-1831, Erstveröffentlichung

1832

Harnstoffzyklus

- Harnstoff ist das Endprodukt des

Harnstoffzyklus.

- Der Zyklus ist eine biochemische

Kaskade in Säugetieren, in der

stickstoffhaltige Abbauprodukte

in Harnstoff umgewandelt und über

die Niere ausgeschieden werden.

- Beim Aminosäureabbau entsteht

Ammoniak, ein starkes Nervengift.

- Die Bildung von Harnstoff dient

der Entgiftung und verhindert

schwere Hirnschäden durch NH3.

Urea - Wunderwaffe

gegen trockene Haut?

- Urea ist aufgrund seiner keratolytischen Wirkung zum

wichtigsten Wirkstoff in der Hautpflege geworden und

gilt in der „Beautyworld“ als Wundermittel gegen

trockene Haut (physiologische Befeuchtung der Haut).

- Urea ist in 5-15% in Cremes und Salben enthalten.

AdBlue-Technik

Praktikum der Qualitativen Analyse: Entfernen von Nitrit aus dem

Analysengang

2 HNO2 + H2N-CO-NH2 → CO2 + N2 + 3 H2O

- AdBlue ist eine 32,5 %ige wässrige Harnstoff-Lösung, die den

Ausstoß von Stickoxiden (NOx) um 90% reduziert.

- Abgasnachbehandlung 2001 erstmals bei Nutzfahrzeugen, und

2007 im PKW-Bereich eingesetzt (USA, Mercedes E320)

Stickstoffmonoxid

- Das farblose Gas, ein Zwischenprodukt der Salpeter-

säure-Darstellung ist ein starkes Atemgift.

- NO, ein wundersames Molekül, ist aber auch:

Auspuffgift, Ozon-Verursacher, jedoch unverzichtbar

für Leben.

- Das radikalische, bioaktive Molekül befindet sich

überall im Organismus und wird direkt am Wirkort aus

L-Arginin gebildet. Auch Stoffe wie Nitroglycerin

setzen im Organismus NO frei.

- 1998 Nobelpreis für Medizin an US-Forscher, die die

große Bedeutung von NO für die Blutversorgung

(Erweiterung der Gefäße) und als Botenstoff (Neuro-

transmitter) im Herz-Kreislauf-System erkannten.

Ozon

● Bildung: Ozon entsteht überall dort (in der Stratosphäre, in

Bodennähe, in Gewittern), wo der normale Sauerstoff durch

Energiezufuhr in einzelne Atome zerlegt wird, die dann mit einem

Sauerstoffmolekül zu Ozon reagieren können.

● Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel, wirkt stark bakterientötend

und führt bei Lebewesen zu schädlichen Reizungen der Atemwege.

● In der Stratosphäre schützt uns die Ozonschicht vor einer starken

Schädigung durch energiereiche UV-Strahlen.

● Ozon besitzt eine wichtige Funktion in der Wasseraufbereitung.

Kurorte warben mit ozonreicher Luft

Ozon

● EU-Richtlinie: Ab einem 1-h-Wert von 180

µg/m3 ist die Bevölkerung zu unterrichten,

ab einem Wert von 240 µg/m3 ist die

Bevölkerung zu warnen. Die maximale Tages-

belastung (8-h-Wert) liegt bei 120 µg/m3.

● In Bodennähe spielt Stickstoffdioxid für

die Ozonbildung eine Schlüsselrolle.

● Ozonloch: Darunter versteht man die

Ausdünnung der Ozonschicht, insbesondere

über der Antarktis durch Chlorradikale.

● Aufgrund wissenschaftlichen Befunde war

die Menschheit erstmal in der Lage eine

globale Herausforderung zu lösen.

23.08.2015: Mitte des Jahrhunderts ist das Ozonloch verschwunden!

23.10.2015: Das Ozonloch ist wieder gewachsen. Zweithöchster Wert!

Moleküle im Wandel

(Mg, Fe, Ni)Si2O5(OH)4

1874: Erstsynthese

1948: Nobelpreis in Medizin

1977: Herstellungs- und

Vertriebsverbot

- von der „Wunderfaser“

zum Entsorgungsproblem

- ab 2005 gilt ein EU-

weites Verbot

- Asbestose seit 1943 als

Berufskrankheit anerkannt

Zika-Virus

Brasilien plant Großoffensive gegen Zika-Virus: Aufklärung und

Insektizide!

Dilma Rousseff: „Bis zu den Olympischen Spielen werden wir

beachtliche Erfolge bei der Vernichtung der Moskitos sehen“

Formaldehyd (Methanal)

Produkte

- POM

- Bakelit

Formaldehyd, ein wichtiger Grundstoff der chemischen Industrie, ist

auch ein Stoffwechselprodukt und wirkt zudem stark keimtötend.

Formaldehyd (Methanal)

● 1977: Bundesgesundheitsministerium empfiehlt Richtwert (max. 0,1

ppm) - 2011: US-Gesundheitsministerium stuft Formaldehyd als

krebserzeugend ein - 1984: 2.Platz bei der Wahl „Wort des Jahres“

[Sieger war: Umweltauto]

● Schlagzeilen (Auswahl ab 2009): Wohngift - unsichtbare Bedrohung

aus Möbeln - Gift in der Kleidung - Spuren von Formaldehyd im Bier -

Formaldehyd löst Alarm in Kita aus - Händler besprühen Kohl mit

Formaldehyd - Sind Präparierkurse im Medizinstudium noch zeitge-

mäß? - Bundestag diskutiert über Formaldehyd in Kosmetikartikeln -

Formaldehyd in Schulcontainern - Formaldehyd in der E-Zigarette?

Glyphosat, ein Phosphonat, ist seit Mitte der

70er Jahre der bedeutendste Inhaltsstoff von

Breitbandherbiziden und wird zur Unkraut-

vernichtung in Landwirtschaft, Gartenbau,

Industrie und Privathaushalten eingesetzt.

Glyphosat wirkt unselektiv; Nutzpflanzen

können gegen mittels Gentechnik eine

Resistenz erhalten.

WHO: 2015 Glyphosat ist krebserregend!

2016 Glyphosat ist nicht krebserregend!

Benzol (IUPAC: Benzen)

- Benzol eine krebserregende Flüssigkeit von typisch aromatischem

Geruch - Namensgeber Justus von Liebig (1848)

- langer Gelehrtenstreit um die korrekte Strukturformel

- 1872: Strukturvorschlag August Kekulé (Kekulé´s Traum) und

Publikation seiner Oszillationshypothese (Phänomen der Mesomerie)

- 1925: Robinson vereinfachte Schreibweise mit konzentrischem Kreis

22

Cocain

- Cocain („Koks“ - „Schnee“) - aus den Blättern des immergrünen

Coca-Strauches isoliert - vertreibt Hunger und erzeugt euphorische

Gefühle. Hauptanbaugebiet: Osthänge der Anden (600-1000 m Höhe)

- Mate De Coca: Nationalgetränk in Peru, Bolivien und Kolumbien

- Physiologisch wirkt Cocain (Methylbenzoylecgonin) vor allem auf

die Nerven, betäubt die Ganglien und macht sie unempfindlich

gegenüber Reizen. Einsatz in der Medizin zur Lokalanästhesie!

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Synthetische Lokalänesthetika

Benzocain (1900] Lidocain (1943)

Procain (1905) [Novocain®] Articain (1970)

Sigmund Freud und Carl

Koller: Cocain in der Medizin

- Am 30.April 1884 nahm Sigmund Freud zum ersten Mail Cocain. Er

hat das Suchtpotential der Substanz vollkommen unterschätzt. Er

verfasste hymnische Texte über Cocain und hatte Mitschuld an der

ersten Cocainwelle in Europa.

- Auf Anregung von Sigmund Freud setzte der Wiener Arzt Carl Koller

Cocain 1884 erstmals in der Augenheilkunde ein.

Cocain als Droge

- Nach Cannabis liegt der Verbrauch an Cocain in Europa

auf Platz 2. Droge mit dem zweithöchsten Abhängigkeits-

potential.

- Obwohl Cocain leicht zu synthetisieren ist, wird der

Bedarf vor allem aus natürlichen Quellen gedeckt.

- Crack: Gemisch aus Cocain und Backpulver.

Coca leaves + Cola nut = Coca-Cola

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John Pemberton Asa Candler

Apotheker Apotheker

Erfinder Gründer Coca-

Patent 1887 erteilt Cola Company

Morphiumsüchtig! Atlanta 1892

Coca-Cola 1929 in Deutschland eingeführt!

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Chinin

- China-Alkaloide werden aus der Rinde subtropischer

Bäume der Gattungen Cinchona und Remijia isoliert.

- Das wichtigste Alkaloid der Chinarinde ist Chinin, ein

fiebersenkendes Mittel und ein immer noch bedeutsames

Chemotherapeutikum gegen Malaria.

[S.Streller und K.Roth, Chemie in unserer Zeit, 2012, 46, Seiten 228-247]

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Chinolin-Derivate als Antimalariamittel

Chloroquin Mefloquin(Resochin®) (Lariam®)

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Bedeutung von Chinin

Landeswappen Aromastoff in „Chinarindenversuch“

von Peru Bittergetränken Samuel Hahnemann

Begründer der Homöpathie

Totalsynthese von Chinin -

eine heftige Kontroverse

1944: Woodward und Doering (Harvard University) publizieren die

Totalsynthese von d-Chinotoxin ausgehend von Homomerochinen,

und beanspruchen das Recht Chinin erstmals totalsynthetisch

hergestellt zu haben

2000: Stork (Columbia University) zweifelt dieses Recht an

2008: Smith und Williams bestätigen die Rabe-Kindler-Arbeiten

1918: Rabe und Kindler

beschreiben die dreistu-

fige Umwandlung von

d-Chinotoxin in Chinin,

ohne die experimentel-

len Einzelheiten dieser

Reaktionsfolge zu ver-

öffentlichen

Astrochemie – Suche nach

dem Ursprung des Lebens

- Die These „größere Moleküle existieren nicht im Weltraum“ löste

eine intensive Jagd nach außerirdischen, insbesondere stickstoff-

haltigen Molekülen aus.

- Mittlerweile wurden 180 verschiedene Moleküle im interstellaren

Raum nachgewiesen, darunter auch die Aminosäure Glycin. Diese

könnte aus Aminoacetonitril als Vorstufe entstanden sein; Glycol-

aldehyd ist eine geeignete Vorstufe für Kohlenhydrate.

- Wasser und Formamid sind ubiquitär im Weltraum vorhanden.

Bausteine des Lebens

- Wasser ist Grundlage des Lebens auf der Erde, es ist das „Elixier“

für Leben!

- 70% des menschlichen Körpers bestehen aus Wasser. Wasser

fungiert als Transportmedium und als Medium für biochemische

Reaktionen. Ein Mangel an Wasser führt zu gravierenden gesund-

heitlichen Mängeln (Dehydratisierung).

- Wasser besitzt von allen Flüssigkeiten die höchste Wärmekapazität,

und die größte Oberflächenspannung.

0,3% Trinkwasser!

Dichteanomalie von Wasser

- Bei Atmosphärendruck hat Wasser seine größte Dichte bei 3,98 °C.

Ober- und unterhalb dieser Temperatur dehnt sich Wasser wieder

aus.

- Ursache hierfür ist, dass im Eis Wasserstoffbrückenbindungen zu

einer lockeren Struktur führen. Diese Bindungen brechen beim

Schmelzen von Eis auf und die Wassermoleküle können sich dichter

zusammenlagern.

- Diese Dichteanomalie erschwert ein Zufrieren von Gewässern.

Herausforderung: Trinkwasser

Die bislang noch fehlende bzw. unzureichende Versorgung

eines großen Teils der Weltbevölkerung mit hygienischem

und toxikologisch unbedenklichem Trinkwasser sowie mit

einer ausreichenden Menge Nutzwasser stellt eine der

größten Herausforderungen der Menschheit in den

nächsten Jahrzehnten dar, vor allem vor dem Hintergrund

einer stetig wachsenden Weltbevölkerung.

Bausteine des Lebens:

Chlorophyll und Photosynthese

● Photosynthese = bedeutendster biogeochemi-

scher Prozess, in dem energiereiche Stoffe aus

energieärmeren Stoffen mit Hilfe von Licht-

energie erzeugt werden.

● Als lichtabsorbierender Stoff fungieren

Chlorophylle, das sind Chelatkomplexe aus

einem Porphyrin-Derivat und Magnesium(II)

als Zentralatom.

Bausteine des Lebens

● Die meisten Eukaryoten einschließlich der

Menschen benötigen Sauerstoff zum Leben,

vorrangig zur Energiegewinnung. Der Sauerstoff

wird dabei in der Atmungskette wieder zu Wasser

reduziert.

● Der Sauerstoff wird zum Transport an Hämoglobin

gebunden. Die prostetische Gruppe, das Häm, ist

ein Eisen(II)-Chelatkomplex mit Protoporphyrin.

Bausteine des Lebens

● Die DNA - bestehend aus Desoxyribose- und Phos-

phorsäure-Untereinheiten und vier heterocyclischen

Basen liegt in einer Doppelhelix; sie ist der Träger der

Erbinfomationen, z.B. für die Herstellung von RNA, die

für den Bau von Proteinen (Eiweißen) notwendig ist.

● Im genetischen Code stehen jeweils drei Basen

(Codon, Triplett) für eine bestimmte Aminosäuren;

zum Aufbau von Proteinen dienen 64 Codons.

Jaume Plensa

Body of Knowledge (2010)

- Eine 8 m hohe, begehbare und aus weiß lackiertem Stahl gefügte

Skulptur vor dem Hörsaal-Gebäude der Goethe-Universität am

Campus Westend.

- Acht verschiedene Alphabete und Zeichensysteme wurden bei

diesem Letterngeflecht vom Künstler eingesetzt.

- Gestiftet von Frau Johanna Quandt.

„Wer die Chemie in sein Leben lässt, der

wird erfahren, dass sie schon immer in

ihm weilte!“

ein anonymer Chemiker

Eliza Leusmann, Nachrichten aus der Chemie, 04/2016]

Schlussbemerkung:

Darf ich mit Ihnen über Chemie sprechen?

Back up-Folien

Online-Projekte

● Molekül des Jahres

(ausgewählt von der Zeitschrift

„Science“, seit 1992)

● Molekül der Monats

(ausgewählt von Universität

Bristol (UK), Fachbereich Chemie,

seit 1996, empfehlenswert, FAS

berichtete über die veröffentlich-

ten Texte)

● Molekül der Woche

(ausgewählt von der American

Chemical Society)

Anthropogene Treibhausgasemissionen (2004)

Staat CO2 in Mio. t %-Anteil in t/Einwohner

USA 7.068 23,8 23,6

China 4.057 13,7 8,0

Russland 2.024 6,8 14,2

Japan 1.355 4,6 10,7

Indien 1.214 4,1 1,1

Deutschland 1.015 3,4 12,3

Kanada 758 2,6 24,1

Großbritannien 665 2,2 3,8

Italien 582 2,0 10,1

Frankreich 562 1,9 9,4

Spanien 427 1,4 10,4

Strahlungshaushalt der Atmosphäre

- Fühlbare Wärme = Es wird Energie vom erwärmten Erdboden durch das

Aufsteigen warmer Luft in die untere Atmosphäre transportiert.

- Latente Wärme = Es wird Energie durch Wasserdampf in die Atmosphäre

transportiert, indem durch Verdunstung von Wasser der Umgebung

zunächst Energie entzogen wird, die dann bei der Kondensation in großer

Höhe wieder freigesetzt wird.

Ozonloch und seine Folgen

♦ UV-Strahlung, die nicht in der Ozonschicht der Stratosphäre gebunden

wird, stellt für alle Lebewesen ein große Bedrohung dar:

● Sie verursacht stärkere Sonnenbrände und Hautkrebs.

● Sie schädigt die Augen, fördert den Grauen Star und kann zur

Erblindung

führen.

● Sie schwächt das Immunsystem und schädigt die Erbsubstanz

[Menschen werden unfruchtbar, die Krebsrate steigt an, es kommt

vermehrt zu Missbildungen bei Neugeborenen].

● Sie tötet Bodenbakterien ab. Der Boden wird unfruchtbar, es kommt zu

Ernteausfällen.

● Führt zum Absterben von Phytoplankton in den oberen Schichten der

Meere. Das Phytoplankton dem dann dem Meer nicht mehr einen Großteil

des Kohlendioxids entziehen, das beim Treibhauseffekt eine wichtige

Rolle spielt.

Photosynthese

● Bei der oxygenen Photosynthese wird aus Kohlendioxid (CO2) und

Wasser (H2O) molekularer Sauerstoff (O2) und Glucose [C6(H2O)6]

erzeugt. Aus anorganischen Stoffen werden letztlich energiereiche

organische Verbindungen aufgebaut.

● Fast (99%) des gesamten in der Erdatmosphäre vorhandenen und in

den Gewässern gelöste Sauerstoff wird durch oxygene Photosynthese

gebildet. Ohne Sauerstoff können aerobe Organismen wie Menschen

und Tier nicht leben.

● In der „Lichtreaktion“ werden aus Wasser Sauerstoff, in der

„Dunkelreaktion“ aus Kohlendioxid Kohlenhydrate hergestellt.

Atmungskette und Citratcyclus

Proteinbiosynthese

- Die Neubildung von Proteinen in Zellen ist für alle Lebewesen der

zentrale Prozess der Genexpression.

- Proteine werden nach Vorlage der Kopie (mRNA) eines bestimmten

DNA-Abschnittes (Gen) der Erbinformation gebildet.

- Die eigentliche Synthese eines Protein aus Aminosäuren findet an

der Oberfläche der Ribosomen statt.