Allgemeine und Pharmazeutische Chemie

54 Pages·2012·0.47 MB·German

by  Jörg Martin

1
Allgemeine Chemie
A
B
C
D
12
2
1 Einführung in die Arbeits- und
Aufgabengebiete der Chemie
DurcheineneinfachenVersuch(›Abb.1.1)werdenSieaufgefordert,sichmitzwei
Fragenauseinanderzusetzen:
(cid:19) WomitbefasstsichdieChemie?
(cid:19) WelchenNutzenbringtdieChemie?
BeidemVersuchwerdenfolgendeBeobachtungengemacht:
1. ZunächstschmilztderSchwefelindemVerbrennungslöffelundbildetSchwefeldampf.
2. DannbrenntderSchwefelmitschwachbläulicherFlamme.
3. BeimVerbrennenentstehteinGas(Rauch)mitätzendemunangenehmemGeruch.
4. DasGasfärbtmitWasserangefeuchtetesUniversalindikatorpapierrot.
Universalindikatorpapier
mitH Oangefeuchtet
2
Verbrennungslöffel
Tiegelzange Rotfärbung
Verbrennungsgas
Schwefel Schwefel-
(Schwefeldioxid)
(fest) dampf
Flammedes
Schwefel Schwefel
brennenden
(flüssig) (flüssig)
Schwefels
Bunsenflamme
› Abb.1.1 VerbrennenvonSchwefelanderLuftundPrüfendesentstehendenGasesmit
angefeuchtetemUniversalindikatorpapier
1 EinführungindieArbeits-undAufgabengebietederChemie 3
WomitbefasstsichdieChemie?
DieDeutungundAuswertungderBeobachtungendesVersucheskanndieAntwortauf
dieersteFragegebenundzugleichdaraufhinweisen,womitsichdiesesLehrbuchvoral-
lembefassenmuss.
Zur1.Beobachtung
Beim Erhitzen ändert der Schwefel seinen Aggregatzustand von fest über flüssig nach
gasförmig.Mankommtdamitzudenphysikalisch-chemischenEigenschaftenvonStof-
fen.
Zur2.und3.Beobachtung
DerSchwefelbrennt,d.h.,erreagiertmitdemSauerstoffderLuftzueinerneuengasför-
migenVerbindung,demSchwefeldioxid.EshateinechemischeReaktionstattgefunden,
fürdiesicheineReaktionsgleichungaufstellenlässt:
1
S + O ⎯→ SO↑
1 2 2
DamitkommtmanzudenchemischenReaktionen vonStoffen,diesichdurchReakti-
onsgleichungenverkürztundübersichtlichdarstellenlassen.
Zur4.Beobachtung
DasgasförmigeSchwefeldioxidlöstsichimWasserdesangefeuchtetenUniversalindika-
torpapiersundreagiertmitdemWasserzueinerSäure.DieseistfürdieRotfärbungdes
Indikatorsverantwortlich.
Die4.Beobachtungzeigt,dassesverschiedeneArtenvonchemischenReaktionengibt.
BeiderReaktionvonWassermitSchwefeldioxidisteineSäure-Base-Reaktionabgelau-
fen.BeiderReaktionvonSchwefelmitSauerstoffeineRedox-Reaktion.
Interessant ist auch die Beobachtung, dass der Schwefel erst beim Erhitzen, d.h. bei
EnergiezufuhrmitdemLuftsauerstoff,reagiert.EsmüssenalsoganzbestimmteVoraus-
setzungenerfülltsein,damiteinechemischeReaktionüberhauptstattfindenkann.Die
KinetikchemischerReaktionenbefasstsichmitderartigenVoraussetzungen.
WeitereArbeitsgebietederChemieergebensich,wennmandasReaktionsgeschehen
beidemVersuchhinterfragt.SchwefelundSauerstoffgeheneineBindungein.DieFrage,
wie diese Bindung aussieht und zustande kommt, führt zur chemischen Bindung.
SchließlichistnochvonInteresse,warumsichderSchwefelausgerechnetmitdemSauer-
stoffundnichtmiteinemanderenLuftbestandteilwiez.B.Stickstoffverbindet.Antwor-
tenaufdieseFragenerhältman,wenndas„Binden‘‘zwischendenReaktionspartnernauf
Teilchenebeneuntersuchtwird.DiesesProblemleitetzumAtombauderElemente.
SchwefelinreinerForm,abervorallemalsBestandteilvonzahlreichenVerbindungen
wie z.B. Natriumsulfat Na SO oder Acetylcystein (INN, schleimlösender Wirkstoff,
2 4
›Abb.1.2)führtzuderFragederWirkungsolcherchemischenVerbindungenimKörper,
d.h.zurFragederpharmakologischenWirkungodereventuellauchGiftwirkung.
DieausdenVersuchsbeobachtungenabgeleitetenTeilantwortenzur1.Frage„Womit
befasstsichdieChemie?‘‘sindinderfolgendenAufzählungzusammengestellt.Siezeigen
gleichzeitigwichtigeArbeitsgebietediesesLehrbuchesauf.
(cid:19) AggregatzuständevonStoffen,
(cid:19) physikalisch-chemischeEigenschaftenvonStoffen,
(cid:19) chemischeReaktionen(z.B.Redox-Reaktion,Säure-Base-Reaktion),
4 1 EinführungindieArbeits-undAufgabengebietederChemie
(cid:19) Reaktionsgleichungen,
(cid:19) KinetikchemischerReaktionen,
(cid:19) chemischeBindung,
(cid:19) Atombau,
(cid:19) pharmakologischeWirkungundGiftwirkungvonStoffen.
› Abb.1.2 StrukturformelvonAcetylcystein
O
HN C CH
3
HS CH C COOH
2
H
Acetylcystein
WelchenNutzenbringtdieChemie?
DiemeistenMenschennehmendieChemienurwahr,wenndieMedienüberZwischen-
fälle berichten. Dadurch wird eine objektive Betrachtung und Diskussion über Nutzen
undRisikoerschwert.DasRisikoderChemieistwieinanderenBereichenstarkabhängig
von einem verantwortungsbewussten Umgang. Der Nutzen der Chemie ist bei näherer
Betrachtungfastunüberschaubarvielfältig.EsexistiertkaumeinProduktimAlltag,zu
dem die Chemie nicht ihren Teil beigetragen hätte. Temperaturbeständige Pfannenbe-
schichtung, selektiv wirksame Insektenvertilgungsmittel, atmungsaktive Textilfasern,
hochwirksameArzneimitteldeutennuran,dassdieChemieeigentlicheinehoheAkzep-
tanz verdient. Wie würde es mit der Welternährung ohne Düngemittel aussehen? 1950
mussteeinHektarAckerland1,7Menschenernähren,heutemussdiegleicheFläche4,0
MenschenernährenundimJahr2050wahrscheinlich6,7Menschen.
Vor allem die Chemie macht dies möglich. Keine der sogenannten Zukunftswissen-
schaftenkannohnedieChemieauskommen.DieChemieistDienstleisterinundInnova-
tionsmotorz.B.fürdieBiotechnologie,dieGesundheits-undUmweltwissenschaften,für
dieInformations-,Kommunikations-undNanotechnologie.Vergessenwirdauchgerne,
wiebedeutenddieChemiealsWirtschaftsfaktorist.SowareninDeutschlandim3.Quar-
tal2011423.000MenscheninderchemischenIndustriebeschäftigt.DieserWirtschafts-
zweigleisteteindiesemZeitraummiteinemUmsatzvon44,5Mrd.€,darunterExporte
imWertvon26,9Mrd.€,einenwesentlichenBeitragzueinergesundenWirtschaft.
AuchinderAusbildunglässtsichderNutzenrascherkennen.WiewillmandieFunk-
tioneinesEmulgatorsverstehenoderdessenEinsatzfüreineCremeplanen,wennman
seinechemischeStrukturnichtkennt?WiewillmanEthergefahrloshandhaben,wenn
mansichderphysikalisch-chemischenEigenschaftennichtbewusstist?
InderPharmazienimmtdieChemiealseineBasiswissenschafteinenderartbreiten
Raum ein, dass sich die PharmazeutischeChemie als eigenständiger Wissenschaftsbe-
reichentwickelthat.DiePharmazeutischeChemiebefasstsichmitderChemiearzneilich
wirksamerSubstanzen–inderPharmakologieauchWirkstoffe,ArzneistoffeoderPhar-
maka genannt. Hier sind verschiedene Gesichtspunkte möglich u.a. die Analytik, die
SyntheseundBeziehungenzwischenderStruktureinesStoffesundseinerpharmakologi-
schenWirkung.
FragenundÜbungen 5
FragenundÜbungenzuKapitel1
1. WienenntmandenStoff„Wasser“indemjeweiligenAggregatzustand?
2. VersuchenSiesichaneinechemischeReaktionzuerinnern,dieSieausvergangenem
ChemieunterrichtkennenundschreibenSiedieseReaktionmitReaktionsgleichung
nieder.
3. ErklärenSie,warumSchwefeldioxidfürdenumweltschädlichen„saurenRegen“
mitverantwortlichist.
4. AuchwennKohleverbrennt,findeteineRedox-Reaktionstatt.VersuchenSie,eine
ReaktionsgleichungfürdieseReaktionaufzustellen.
5. KönnenSiebereitseineAntwortaufdieFragegeben,warumSchwefelbeimErhitzen
mitdemLuftsauerstoffundnichtmitdemStickstoffderLuftreagiert?
1
6. KennenSieweitereVerbindungen,dieSchwefelenthalten?
7. NennenSieBeispiele,wodieChemieinunseremKörpereineRollespielt.
8. KönnenSiesicheinBeispielvorstellen,woIhnendieChemiedenUmgangmit
Arzneimittelnerleichtert?
6
2 Chemische Grundbegriffe als
angleichende Wiederholung
ChemischeGrundbegriffe
2.1
ChemischeundphysikalischeVorgänge
2.1.1
DerEingangsversuchinuKap.1(›Abb.1.1)zeigtbereitsdeutlichdenUnterschiedzwi-
scheneinemchemischenundeinemphysikalischenVorgang.DasSchmelzenundVer-
dampfendesSchwefelssindtypischephysikalischeVorgänge.DieReaktiondesSchwefels
mitdemLuftsauerstoffzueinemneuenStoff,demSchwefeldioxid,isteincharakteristi-
scherchemischerVorgang.MansprichtvoneinerchemischenReaktion.Genausoliegt
beimLösenvonGlucosez.B.füreineInfusionslösungeinphysikalischerVorgangvor,
währendbeimAbbauderGlucosezurEnergiegewinnungindenLeberzellenchemische
Reaktionen stattfinden. Da Letztere im lebenden Organismus ablaufen, wird auch von
biochemischenReaktionengesprochen.
(cid:18) DEFINITION Vorgänge,beidenenauseinemStoffeinandererentsteht,nenntmanche-
mische Reaktionen. Vorgänge, bei denen derStoff sich zwar ändert, aber kein anderer
Stoffentsteht,werdenalsphysikalischeVorgängebezeichnet.
Stoffbegriff
2.1.2
IndemvergangenenAbschnittsindSieimmerwiedermitdemBegriffStoffkonfrontiert
worden. In der Chemie wird unter Stoff eine Substanz oder einfach Materie wie z.B.
Schwefel,Kochsalz,Ethanol70%(V/V),Iod,Iodsalzverstanden.Stoffesindstetsdurch
ihre Eigenschaften charakterisiert. Die Chemie lässt sich jetzt kurz und exakt wie folgt
definieren.
(cid:18) DEFINITION DieChemieisteineNaturwissenschaft.SiebefasstsichmitStoffenundihren
EigenschaftensowiemitStoffänderungen.
DieobenaufgezähltenStoffbeispielezeigenbereits,dassStoffenochmalsunterteiltwer-
denkönnen.EswerdeneinmalReinstoffeundStoffgemischeunterschieden,zumande-
2.1 ChemischeGrundbegriffe 7
Stoffe
Reinstoffe Stoffgemische
Beispiele:Iod,Schwefel, Definition:DieEigenschaften
Schwefeldioxid,Natriumchlorid. sindabhängigvonden
Definition:Reinstoffesind imStoffgemischenthaltenen
Stoffemitstetsgleichbleibenden StoffenundderenMassen-
Eigenschaften. verhältnis.
HomogeneStoffgemische HeterogeneStoffgemische
Beispiele:Ethanol70%(V/V), Beispiele:Blut,Milch,Iodsalz. 2
Luft,Baldriantinktur. Definition:Dieeinzelnen
Definition:Dieeinzelnen Bestandteilelassensichmit
Bestandteilelassensichnicht demAugeoderMikroskop
unterscheiden. unterscheiden.
› Abb.2.1 StrukturdiagrammzumStoffbegriff
ren bei den Stoffgemischen nochmals homogene und heterogene Stoffgemische. Ein
StrukturdiagrammsolldieseUnterschiedeverdeutlichen(›Abb.2.1).
EinebedeutendeRollespieltderStoffbegriffinderPharmazieimZusammenhangmit
der Definition des Arzneimittelbegriffes (siehe dazu Fach Pharmazeutische Gesetzes-
kunde,Arzneimittelgesetz).HierkönnenStoffez.B.auchPflanzenteileoderMikroorga-
nismensein.
EigenschaftenvonStoffen
2.1.3
IndemStrukturdiagrammwirddeutlich,dassStoffedurchihreEigenschaftencharakteri-
siert werden. Eine wichtige Eigenschaft verdeutlichte bereits der Einstiegsversuch in
uKap.1.EinStoffwiez.B.SchwefeloderWasserkannindenZustandsformengasförmig
(g, gaseous), flüssig (l, liquid) und fest (s, solid) vorkommen. Es wird von den unter-
schiedlichenAggregatzuständeneinesStoffesgesprochen.›Abb.2.2zeigt,dasssichdie
AggregatzuständemitdemTeilchenmodellbeschreibenlassen.
AuchdieTemperaturenbeidenÜbergängenzwischendenAggregatzuständenzählen
zudencharakteristischenStoffeigenschaften.DieseStoffeigenschaftensindwichtigeKri-
terienfürIdentitäts-undReinheitsuntersuchungennachdemArzneibuch(Europäisches
Arzneibuch = Pharmacopoea Europaea, Ph. Eur., undDeutsches Arzneibuch , DAB).
¥Tab.2.1zeigteineAuswahlvonStoffeigenschaftenmitBeispielen.
EinigeStoffezeigendiebesondereEigenschaft,beivorsichtigemErhitzendirektvom
festenindengasförmigenZustandüberzugehen.EsfindeteineSublimationeinesderar-
8 2 ChemischeGrundbegriffealsangleichendeWiederholung
gasförmig
K
o
blimieren* Siedenndensieren
u
S
Schmelzen
Erstarren
fest flüssig
*Sublimieren:direkterÜbergangvomfestenindengasförmigenAggregatzustand
› Abb.2.2 DieAggregatzuständenachdemTeilchenmodell.NachAsselbornetal.2010
tigenStoffesstatt.IodundCamphersindBeispielefürsolcheStoffe.Camphersublimiert
bereitsbeiRaumtemperatur,wasanWändenundVerschlussinnenseitedesStandgefäßes
beobachtet werden kann. Sublimation ist eine sehr geeignete Reinigungsmethode für
Stoffe,diedieseEigenschaftbesitzen.
AnalyseundSynthesevonStoffen
2.1.4
SolldieZusammensetzungeinesStoffesodereinesStoffgemischesaufgeklärtwerden,so
sprichtmanvoneinerAnalyse.DiequalitativeAnalysevonNatriumsulfatNa SO ergibt,
2 4
dassessichhierumeineVerbindungausdenElementenNatrium,SchwefelundSauer-
stoffhandelt.EinequantitativeAnalysezeigt,dassdiedreiElementeinderVerbindungin
einemganzbestimmtenAtomanzahl-undMassenverhältnisvorkommen.DieAnalytik
ist ein wichtiges Teilgebiet der pharmazeutischen Chemie und befasst sich mit Arznei-
und Hilfsstoffen. Hier werden Identitäts- und Reinheitsuntersuchungen häufig in die
Analytikmiteinbezogen.
Als Synthese wird die Herstellung einer Verbindung aus den jeweiligen Elementen
oderbereitsverfügbarenTeilstrukturenbezeichnet.Sowirdz.B.dasSchmerzmittelAce-
tylsalicylsäurenichtausdendarausbestehendenElementenKohlenstoff,Wasserstoffund
Sauerstoffsynthetisiert,sondernausSalicylsäureundEssigsäure.
2.1 ChemischeGrundbegriffe 9
¥ Tab.2.1 Stoffeigenschaften
Stoffeigenschaft Kürzel Einheit Beispiele
Siedetemperatur Sdp. °C Wasser100°C
(Siedepunkt)
Schmelztemperatur Schmp. °C Eis0°C
(Schmelzpunkt)
Erstarrungstemperatur – °C Essigsäure(Ph.Eur.M)
(Erstarrungspunkt) 14,8°C
Dichte(DieDichteeines Wasser1,000g/cm3
StoffesistderQuotientaus
MasseundVolumendieses
(vereinfacht:
Stoffes:
g/cm3)
Dichte=
2
RelativeDichtenach – WasserfreiesEthanol
Ph.Eur.(DierelativeDichte 0,790bis0,793
einesStoffesistder
QuotientderMasseeines
bestimmtenVolumens
diesesStoffesundder
Masseeinesgleichen
VolumensWasser,beides
bei20°C)
Löslichkeitz.B.inWasser – – Calciumsulfat1,0gin
(LöslichkeitgemäßPh.Eur. 500mlWasser(20°C)
bedeutetdieungefähre
AnzahlVolumenteile
LösungsmittelinMilliliterje
GrammSubstanzbei15bis
25°C)
ElektrischeLeitfähigkeit κ μS/cm Lösungvon0,75g
(Mikrosiemens Kaliumchloridin1000g
jeZentimeter) wässr.Lösung>1330
μS/cm
Lösungvon0,75g
Glucosein1000gwässr.
Lösung>0,0μS/cm
Härte(gemäßHärteskala – – Talk1
nachMohs:Skalareichtvon Diamant10
1bis10)
10 2 ChemischeGrundbegriffealsangleichendeWiederholung
TrennungvonStoffgemischen
2.1.5
DasVerfahrenderTrennungvonStoffgemischenrichtetsichnachdemAggregatzustand
dergemischtenStoffeundnachderenphysikalisch-chemischenEigenschaften.Beispiele
fürTrennverfahrensindFiltration,Sieben,Ausschütteln,Destillation,fraktionierteDes-
tillation(AuftrennungeinesFlüssigkeitsgemischesdurchDestillation)undchromatogra-
phischeVerfahren.DieseTrennverfahrenwerdenindenpraktischenUnterrichtsfächern
Chemisch-pharmazeutischeÜbungenundGalenischeÜbungenerlerntundeingeübt.
ElementundVerbindung
2.1.6
Kupfer(II)-iodid lässt sich bei vorsichtigem Erhitzen im Reagenzglas über der Bunsen-
flammeinseineBestandteileKupferundIodzerlegen.DaselementareIodlässtsichan
demviolettenIod-Dampferkennen.Kupfer(II)-iodidCuI isteinReinstoff,dersichwei-
2
terinseineElementezerlegenlässt.EshandeltsichumeineVerbindung.IodundKupfer
hingegensindReinstoffe,diesichnichtweiterzerlegenlassen.DieseReinstoffewerden
Elementegenannt.
(cid:18) DEFINITION ElementesindReinstoffe,dienichtinandereStoffezerlegtwerdenkönnen.
VerbindungensindReinstoffe,diedurchchemischeReaktionenindieElementezerlegbar
sind.
AllebekanntenElementesindindemPeriodensystemderElemente(uAnhang)tabella-
rischundsystematischangeordnet.
Teilchenmodell
2.1.7
BeimArbeitenimLaboroderderRezepturkannfestgestelltwerden,dassbeimMischen
von Ethanol und Wasser eine Volumenverringerung (Volumenkontraktion) auftritt
(›Abb.2.3A).EineanschaulicheErklärungbietetunsdasTeilchenmodellderMaterie.
DieFlüssigkeitenEthanolundWasserbestehenauskugelförmigenunsichtbarkleins-
tenTeilchenunterschiedlicherGröße.BeimMischenderbeidenFlüssigkeitenlagernsich
diekleinerenWasserteilchenindieLückenzwischendengrößerenEthanolteilchen.Da-
durchkommteszueinerbesseren„Raumausnutzung“(›Abb.2.3B).
DasTeilchenmodellbietetErklärungenfürweiterephysikalischeVorgänge,dieimLa-
bor,aberauchimKörpervonBedeutungsind.WirdeinKristallvonKaliumpermanganat
vorsichtigmitderPinzetteineinmitWassergefülltesBecherglaseingebracht,solöstsich
derKristallohneRührenoderErhitzeningeraumerZeitauf.DieserProzesswirdander
BildungvonviolettenSchlierenimWasserundschließlichaneinereinheitlichvioletten
FärbungdesgesamtenWassersimBecherglassichtbar.DasTeilchenmodellgehtdavon
aus,dasssichdiekleinenTeilchenvonFlüssigkeiten–hierWasser–undgelösteTeilchen
inständigerBewegungbefinden,währenddiekleinenTeilchenineinemKristall–hier
Kaliumpermanganat–aufgrundihrerfestenAnordnungaufihrenPlätzennurSchwin-
gungenausführenkönnen.DieWasserteilchenlösendurchihreBewegungdieKalium-
permanganatteilchenausdemKristallheraus.NachgeraumerZeithabensichalleWas-
serteilchenundKaliumpermanganatteilchendurchihreEigenbewegungvollständigver-
mischt.LetztererVorgangwirdalsDiffusionbezeichnet.ErspieltalsTransportprozess
z.B.fürNähr-undArzneistoffeeinewichtigeRolleinunseremKörper.