CEL I: Algemene Chemie
1. Atomen: basis van biologische systemen
1.1 Chemische elementen
118 verschillende elementen -> 90 natuurlijk voorkomend -> 25 essentiële voor lichaam
4 hoofdelementen 7 macromineralen 21 sporenelementen
Evenwichtig dieet: voldoende hoofdelementen, voldoende nevenelementen, vitamine:
Algemene chemie 1
, 1.2 Ionen en moleculen
- In de natuur komen alleen de edelgassen voor als monoatomische deeltjes
- De rest: enkelvoudige stoffen of verbindingen
- Valentie elektronen: basis voor chemische bindingen, zitten verst van de kern
- Twee belangrijke bindingstypes: ionbindingen & covalente bindingen
Ionbinding:
- Kationen, anionen gerangschikt in een kristal -> attractie tussen positieve en negatieve ionen
- Metalen en niet-metalen -> streven naar stabiele elektronenconfiguratie
- Lossen goed op in water (lichaam)
Covalente binding:
- Partners een elektron met elkaar delen
- Tussen 2 niet-metalen
Energienulpunt = beide atomen op oneindige afstand van elkaar
atomen naderen tot een evenwicht van de bindende en afstotende kracht ( te dicht -> afstoting)
notie van chemische bindingen als kernbegrip:
- Stelt de krachten voor die de molecule bijeenhoudt
- Wordt voorgesteld door een horizontaal streepje tussen gebonden atomen
- Ze komt tot stand omdat molecule in gebonden toestand x kJ/mol stabieler is dan niet
gebonden
- Het is een model
Bindingsenergie of bindingsdissociatie-enthalpie D: bij het verbreken van covalente bindingen moet
er een hoeveelheid energie toegevoegd worden
A. Ionendistortie
Het positieve ion wordt verondersteld de elektronenwolk van het anion aan te trekken -> kan leiden
tot gepolariseerde covalente binding
Vervorming is afhankelijk van:
- Het polariserend vermogen van het kation
Recht evenredig met de lading en omgekeerd evenredig met de afmeting (Z +/r)
- De polariseerbaarheid van het anion
Neemt toe met de afmeting en met de lading (hoe verder de elektronwolk verwijdert is van
de kern, hoe makkelijker deformeerbaar)
B. Polarisatie van covalente bindingen
Dipoolmoment: tussen 2 niet-identieke atomen is de elektronendichtheid niet symmetrisch verdeeld
en heeft ene atoom grotere neiging om elektronen aan te trekken
Elektrisch dipoolmoment: p=exd gericht van – naar + (d = afstand, e = lading)
Ionverbindingen lossen makkelijk op in water -> water is polair
(zuurstofatoom partieel negatief geladen & waterstofatoom partieel positief geladen)
Algemene chemie 2
, 1.3 De dipolaire binding
coördinatiecomplexen
Een coördinatieverbinding of een complex-ion bestaat uit:
+ 2+ 2+ 2+
• een centraal metaalatoom of -ion (Ag , Cu ,Cd ,Ni )
o LEWIS-ZUUR (e-paar-acceptor)
• omgeven door een aantal "liganden”: neutrale moleculen of ionen die over een vrij
elektronenpaar beschikken waarlangs een covalente binding kan aangegaan worden
o LEWIS-BASE (e-paar-donor)
binding tussen metaalion <-> ligand :
• covalente binding met partieel ionair karakter
• waarbij bindend elektronenpaar: afkomstig van ligand alleen: coördinatief covalente binding.
Het coördinatiegetal van het centraal metaalion
• aantal donoratomen dat aan het metaalion gebonden is in de eerste coördinatiesfeer
• Coördinatiegetal rond Cu2+ = 4 (voorbeeld)
Sommige liganden bevatten meer dan één donoratoom.
Bv. ethyleendiamine bevat twee N-donoratomen
Afgekort als: en
In Co(en)33+ is het coördinatiegetal van Co3+ook 6 : omdat 6 N-donoren aan Co3+ gebonden zijn
Monodentaat ligand: 1 donoratoom per ligand bv. H2O
Polydentaat ligand (cheland): meerdere donoratomen per ligand (overeenkomstig complex -> chelaat)
• Bidentaat ligand: 2 donoratomen per ligand
o bv. H2N-CH2-CH2-NH 2
• Tridentaat ligand: 3 donoratomen per ligand
o H2N-CH2-CH2-NH-CH2-CH2-NH2
In een coördinatieverbinding is binnenin het complex de bindingssterkte tussen het centraal
metaalion en de liganden in de eerste coördinatiesfeer veel groter dan tussen het complex ion als
dusdanig en de tegenionen. Daardoor komen in (waterig) oplossing vele van deze complexe ionen
grotendeels als dusdanig voor.
Algemene chemie 3
,De geometrie van coördinatiecomplexen
De coördinatie-binding
• Principe: metaal-ligandbinding : coördinatief covalente binding,
o gevormd doordat een gevuld orbitaal van het donoratoom overlapt met een ledig
hybrideorbitaal van het metaal(ion).
• interactie metaal(ion) -> ligand cfr Lewis'-zuur -> base-reactie: ligand (Lewis-base) geeft een
elektronenpaar aan een ledig orbitaal van het metaal(ion) (Lewis-zuur)
• hybride orbitalen die door het metaalion daartoe gebruikt worden zijn afhankelijk van het aantal
en de ruimtelijke rangschikking van de liganden
Algemene chemie 4
,complexvorming in biologische systemen
coördinatie eigenschappen van sommige metaalionen zijn essentieel voor het optimaal functioneren
van organismen.
De peptidegroepen bij proteïnen gedragen zich als zwak coördinerende liganden zijn bepaalde
functionele groepen in de zijketens (R) van AZ uiterst geschikt voor metaalcoördinatie.
Daarnaast zijn er biomoleculen die onverzadigde macrocyclische ligandgroepen bevatten en die in
staat zijn een metaalion te binden bv porphyrines in bv chlorophyl (fotosynthese) en heem
(zuurstoftransport via hemoglobine)
• Myoglobine en hemoglobine : proteïnen die in staat zijn moleculaire zuurstof op een
reversibele wijze te binden (oxygenatie):
o deoxymyoglobine + O2 ⇋ oxymyoglobine
• Beide bevatten de heemgroep, d.i. een porphyrinering waarvan de 4 N-donoren
2+
gesitueerd zijn in het equatoriaal vlak van het octaëdrisch omringd Fe .
heemgroep
Algemene chemie 5
, oxymyoglobine
6e coördinatieplaats bezet door het moleculaire zuurstof,
zelf via een H- brug gebonden aan een andere histidinegroep
(histidine-64). (deoxymyoglobine niet bezet door O2)
4 N-donoren (heemgroep) in equatoriaal vlak
5e coördinatieplaats bezet door een N- atoom van een
aminozuurrest (histidine-93)
hydrofobe caviteit van de ganse myoglobine molecule schermt het complex af van de (waterige)
omgeving (Fe2+ zou in contact met water irreversibel geoxideerd worden tot Fe3+), niet polaire
zijketens van Valine-68 en phenatro-line-43 versterken hydrofobe karakter
Door vibratie van het molecule kan kortstondig een opening ontstaan naar deze caviteit toe, waarbij O2
kan doordringen of uitgestoten worden.
Hemoglobine: bevat 4 dergelijke heemgroepen
Hemoglobine voor transport
• Reversibele reactie waarbij hemoglobine:
o Zowel zuurstof
o Als protonen bindt (protonatie van basische groepen).
+
o Hb.H + O2 HbO2 + H+
• Bij relatief lage pH
o Functionele groepen in de zijketens geprotoneerd, vormen ionenparen ->
deoxyconformatie gestabiliseerd (in de weefsels)
• Bij relatief hoge pH (weinig zuurvormend oxide CO2) en veel O2
o oxyconformatie gestabiliseerd (in de longen).
In de longen CO2 gehalte laag wordt O2 gemakkelijk opgenomen
Weefsel waar CO2 gehalte relatief hoog is wordt O2 vrijgesteld
Het CO2 wordt vanuit het weefsel naar de longen getransporteerd, evenwel niet via vorming van een
ijzer(II)complex maar via opgeloste HCO3- ionen en vorming van carbamaat.
Koolstofmonoxide-vergiftiging
Inademen van CO : -> leidt tot verstikking.
Oorzaak:
CO molecule neemt axiale plaats van O2 in.
Hoe komt dat ??? ->
CO is een veel sterker ligand : bezit naast σ-donor ook π-
acceptoreigenschappen
Algemene chemie 6
1. Atomen: basis van biologische systemen
1.1 Chemische elementen
118 verschillende elementen -> 90 natuurlijk voorkomend -> 25 essentiële voor lichaam
4 hoofdelementen 7 macromineralen 21 sporenelementen
Evenwichtig dieet: voldoende hoofdelementen, voldoende nevenelementen, vitamine:
Algemene chemie 1
, 1.2 Ionen en moleculen
- In de natuur komen alleen de edelgassen voor als monoatomische deeltjes
- De rest: enkelvoudige stoffen of verbindingen
- Valentie elektronen: basis voor chemische bindingen, zitten verst van de kern
- Twee belangrijke bindingstypes: ionbindingen & covalente bindingen
Ionbinding:
- Kationen, anionen gerangschikt in een kristal -> attractie tussen positieve en negatieve ionen
- Metalen en niet-metalen -> streven naar stabiele elektronenconfiguratie
- Lossen goed op in water (lichaam)
Covalente binding:
- Partners een elektron met elkaar delen
- Tussen 2 niet-metalen
Energienulpunt = beide atomen op oneindige afstand van elkaar
atomen naderen tot een evenwicht van de bindende en afstotende kracht ( te dicht -> afstoting)
notie van chemische bindingen als kernbegrip:
- Stelt de krachten voor die de molecule bijeenhoudt
- Wordt voorgesteld door een horizontaal streepje tussen gebonden atomen
- Ze komt tot stand omdat molecule in gebonden toestand x kJ/mol stabieler is dan niet
gebonden
- Het is een model
Bindingsenergie of bindingsdissociatie-enthalpie D: bij het verbreken van covalente bindingen moet
er een hoeveelheid energie toegevoegd worden
A. Ionendistortie
Het positieve ion wordt verondersteld de elektronenwolk van het anion aan te trekken -> kan leiden
tot gepolariseerde covalente binding
Vervorming is afhankelijk van:
- Het polariserend vermogen van het kation
Recht evenredig met de lading en omgekeerd evenredig met de afmeting (Z +/r)
- De polariseerbaarheid van het anion
Neemt toe met de afmeting en met de lading (hoe verder de elektronwolk verwijdert is van
de kern, hoe makkelijker deformeerbaar)
B. Polarisatie van covalente bindingen
Dipoolmoment: tussen 2 niet-identieke atomen is de elektronendichtheid niet symmetrisch verdeeld
en heeft ene atoom grotere neiging om elektronen aan te trekken
Elektrisch dipoolmoment: p=exd gericht van – naar + (d = afstand, e = lading)
Ionverbindingen lossen makkelijk op in water -> water is polair
(zuurstofatoom partieel negatief geladen & waterstofatoom partieel positief geladen)
Algemene chemie 2
, 1.3 De dipolaire binding
coördinatiecomplexen
Een coördinatieverbinding of een complex-ion bestaat uit:
+ 2+ 2+ 2+
• een centraal metaalatoom of -ion (Ag , Cu ,Cd ,Ni )
o LEWIS-ZUUR (e-paar-acceptor)
• omgeven door een aantal "liganden”: neutrale moleculen of ionen die over een vrij
elektronenpaar beschikken waarlangs een covalente binding kan aangegaan worden
o LEWIS-BASE (e-paar-donor)
binding tussen metaalion <-> ligand :
• covalente binding met partieel ionair karakter
• waarbij bindend elektronenpaar: afkomstig van ligand alleen: coördinatief covalente binding.
Het coördinatiegetal van het centraal metaalion
• aantal donoratomen dat aan het metaalion gebonden is in de eerste coördinatiesfeer
• Coördinatiegetal rond Cu2+ = 4 (voorbeeld)
Sommige liganden bevatten meer dan één donoratoom.
Bv. ethyleendiamine bevat twee N-donoratomen
Afgekort als: en
In Co(en)33+ is het coördinatiegetal van Co3+ook 6 : omdat 6 N-donoren aan Co3+ gebonden zijn
Monodentaat ligand: 1 donoratoom per ligand bv. H2O
Polydentaat ligand (cheland): meerdere donoratomen per ligand (overeenkomstig complex -> chelaat)
• Bidentaat ligand: 2 donoratomen per ligand
o bv. H2N-CH2-CH2-NH 2
• Tridentaat ligand: 3 donoratomen per ligand
o H2N-CH2-CH2-NH-CH2-CH2-NH2
In een coördinatieverbinding is binnenin het complex de bindingssterkte tussen het centraal
metaalion en de liganden in de eerste coördinatiesfeer veel groter dan tussen het complex ion als
dusdanig en de tegenionen. Daardoor komen in (waterig) oplossing vele van deze complexe ionen
grotendeels als dusdanig voor.
Algemene chemie 3
,De geometrie van coördinatiecomplexen
De coördinatie-binding
• Principe: metaal-ligandbinding : coördinatief covalente binding,
o gevormd doordat een gevuld orbitaal van het donoratoom overlapt met een ledig
hybrideorbitaal van het metaal(ion).
• interactie metaal(ion) -> ligand cfr Lewis'-zuur -> base-reactie: ligand (Lewis-base) geeft een
elektronenpaar aan een ledig orbitaal van het metaal(ion) (Lewis-zuur)
• hybride orbitalen die door het metaalion daartoe gebruikt worden zijn afhankelijk van het aantal
en de ruimtelijke rangschikking van de liganden
Algemene chemie 4
,complexvorming in biologische systemen
coördinatie eigenschappen van sommige metaalionen zijn essentieel voor het optimaal functioneren
van organismen.
De peptidegroepen bij proteïnen gedragen zich als zwak coördinerende liganden zijn bepaalde
functionele groepen in de zijketens (R) van AZ uiterst geschikt voor metaalcoördinatie.
Daarnaast zijn er biomoleculen die onverzadigde macrocyclische ligandgroepen bevatten en die in
staat zijn een metaalion te binden bv porphyrines in bv chlorophyl (fotosynthese) en heem
(zuurstoftransport via hemoglobine)
• Myoglobine en hemoglobine : proteïnen die in staat zijn moleculaire zuurstof op een
reversibele wijze te binden (oxygenatie):
o deoxymyoglobine + O2 ⇋ oxymyoglobine
• Beide bevatten de heemgroep, d.i. een porphyrinering waarvan de 4 N-donoren
2+
gesitueerd zijn in het equatoriaal vlak van het octaëdrisch omringd Fe .
heemgroep
Algemene chemie 5
, oxymyoglobine
6e coördinatieplaats bezet door het moleculaire zuurstof,
zelf via een H- brug gebonden aan een andere histidinegroep
(histidine-64). (deoxymyoglobine niet bezet door O2)
4 N-donoren (heemgroep) in equatoriaal vlak
5e coördinatieplaats bezet door een N- atoom van een
aminozuurrest (histidine-93)
hydrofobe caviteit van de ganse myoglobine molecule schermt het complex af van de (waterige)
omgeving (Fe2+ zou in contact met water irreversibel geoxideerd worden tot Fe3+), niet polaire
zijketens van Valine-68 en phenatro-line-43 versterken hydrofobe karakter
Door vibratie van het molecule kan kortstondig een opening ontstaan naar deze caviteit toe, waarbij O2
kan doordringen of uitgestoten worden.
Hemoglobine: bevat 4 dergelijke heemgroepen
Hemoglobine voor transport
• Reversibele reactie waarbij hemoglobine:
o Zowel zuurstof
o Als protonen bindt (protonatie van basische groepen).
+
o Hb.H + O2 HbO2 + H+
• Bij relatief lage pH
o Functionele groepen in de zijketens geprotoneerd, vormen ionenparen ->
deoxyconformatie gestabiliseerd (in de weefsels)
• Bij relatief hoge pH (weinig zuurvormend oxide CO2) en veel O2
o oxyconformatie gestabiliseerd (in de longen).
In de longen CO2 gehalte laag wordt O2 gemakkelijk opgenomen
Weefsel waar CO2 gehalte relatief hoog is wordt O2 vrijgesteld
Het CO2 wordt vanuit het weefsel naar de longen getransporteerd, evenwel niet via vorming van een
ijzer(II)complex maar via opgeloste HCO3- ionen en vorming van carbamaat.
Koolstofmonoxide-vergiftiging
Inademen van CO : -> leidt tot verstikking.
Oorzaak:
CO molecule neemt axiale plaats van O2 in.
Hoe komt dat ??? ->
CO is een veel sterker ligand : bezit naast σ-donor ook π-
acceptoreigenschappen
Algemene chemie 6
