Kinetische Isotopieeffekte

1. Kinetische Isotopieeffekte • Können sehr hilfreich sein, wenn die Frage auftritt, ob während des Aktivierungsprozesses eine Bindung zu Wasserstoff oder einem anderen leichten Element gebrochen wird oder nicht. • Betrachten wir eine Bindung zwischen einer Gruppe R und einem Atom A. Während der Reaktion erfolge der Bruch dieser Bindung. • Wie unterscheidet sich die Geschwindigkeitskonstante dieser Reaktion von der einer analogen Reaktion, bei der A durch A* (= schwereres Isotop desselben Elements) ersetzt ist?

2. Die Chemische Bindung, betrachtet als quantenmechanischer harmonischer Oszillator • Harmonischer Oszillator bedeutet: Rückstellkraft proportional zur Auslenkung • Die Energieniveaus des Oszillators sind: Schwingungsquantenzahl

3. Anders als in der klassischen Mechanik kann der Oszillator seine Energie nie ganz abgeben • Das niedrigste Schwingungsniveau liegt bei n=0 Nullpunktsenergie Harmonischer Oszillator: Kreisfrequenz Auslenkung Amplitude

4. Kraftkonstante (Federkonstante) reduzierte Masse Das Spektrum des harmonischen Oszillators besteht nur aus einer einzigen Frequenz, Diese ist (wie in der klassischen Mechanik) unabhängig von der Amplitude (Energie) der Schwingung Der Auslenkung aus der Ruhelage r – r0 wirkt die harmonische Kraft F entgegen: F = - k‘ (r – r0)

5. mR>>mH mR>>mD • A sei H (Wasserstoff) • A* sei D (Deuterium) • Die Kraftkonstante k‘ ist unabhängig vom Isotop, daher gilt:

6. Der Unterschied in den Aktivierungsenergien kann gleichgesetzt werden dem Unterschied zwischen den Grundzuständen, • wenn im ÜZ die R-H bzw. R-D Bindung nicht mehr existiert und daher die Übergangszustände die gleiche Energie haben

8. Für eine C-H Bindung (aliphatisch) ist die Streck-Schwingungsfrequenz 8.7x1013 s-1 Bei 298 K ergibt sich daher Primärer kinetischer Isotopieeffekt: Wenn die Bindung zum Isotop gespalten wird Für H/D ist der Effekt am größten, für C-12/C-13 beträgt er nur ca. 4%

10. Hinweise auf die Struktur des Übergangszustandes • Wird die R-H bzw. R-D Bindung im ÜZ nicht ganz sondern nur teilweise gebrochen, so ist der kinetische Isotopieeffekt kleiner als berechnet. • Der Effekt ist auch dann kleiner, wenn sich im ÜZ eine neue Bindung von H (bzw. D) zu einer zweiten an der Reaktion teilnehmenden Spezies abzuzeichnen beginnt. • Ist die neue Bindung viel stärker als die alte, so kann man sogar einen inversen kinetischen Isotopieeffekt beobachten!

11. Bindung R-H bzw. R-D stärker im Edukt als im ÜZ: Reaktion durch Ersatz von H durch D verlangsamt Bindung R-H bzw. R-D stärker im ÜZ als im Edukt: Reaktion durch Ersatz von H durch D beschleunigt

12. Kinetik des Isotopenaustausches • Reaktion AX + BX* AX* + BX • X* ist z.B. ein radioaktives Isotop (Tracer) • “self-exchangereaction“ • Chemisches Gleichgewicht sei vorhanden, aber nicht Isotopengleichgewicht. Man nennt eine solche Reaktion Austauschreaktion. • Findet auf alle Fälle statt, mit und ohne Markierungs-Isotop! Das Markierungs-Isotop macht den Austauschvorgang beobachtbar.

13. Beispiele: • (CH3)2CO + H2*O = (CH3)2C*O + H2O • Cr(H2O)63+ + *Cr(H2O)62+ = Cr(H2O)62+ + *Cr(H2O)63+ (hier wird ein Elektron ausgetauscht) *O=18O (stabiles Isotop) *Cr=51Cr (Elektroneneinfang, t1/2=27.7 d) Es werden in bestimmten Zeitabständen Proben entnommen, nach geeigneten Trennungsschritten (Extraktion, Chromatographie) wird der Isotopengehalt z.B. mittels Massenspektrometrie oder Gamma-Spektrometrieoder Szintillationszähler bestimmt

14. McKay GleichungH.A.C. McKay, Nature 1938, Vol. 142, p. 997J. Am. Chem. Soc. 1943, Vol. 65, p. 702 • die Isotope haben identische chemische Eigenschaften • X* sei unser „markiertes“ Atom • Annahme: Kinetischer Isotopieeffekt vernachlässigbar. Dann gilt:

15. Im Isotopengleichgewicht gilt: • Daraus folgt: • Beweis:

16. Die Gesamtkonzentrationen von A, B, und X* sind konstant:

19. N.N.

20. Austauschreaktion des Iod-Atoms zwischen Benzyliodid und Kaliumiodid in Ethanol • Natürlich vorkommendes Iod besteht zu 100% aus dem Isotop • Markiert werden kann mit • Start: Benzyliodid, gelöst in Ethanol, markiertes Kaliumiodid hinzufügen • In regelmäßigen Zeitabständen werden Proben entnommen • Die Proben werden in ein Benzol-Wasser Gemisch gebracht und geschüttelt: Iodid-Ionen gehen in die wässrigen Phase, Benzyliodid in die organischen Phase. In jeder der Phasen wird die Aktivität von Iod-131 bestimmt. • Für ein Experiment mit 0.01 mol/L Benzyliodid und 0.0074 mol/L Kaliumiodid ist nach 1410 sec (=23.5 min) der Austausch zu 50% erfolgt!

21. Elektronenübertragungsprozesse • Oxidations-und Reduktionsreaktionen in einem LM verlaufen üblicherweise nicht über die Bildung und den Verbrauch solvatisierter Elektronen, sondern • es kommt zu einer direkten bimolekularen Wechselwirkung zwischen Oxidations- und Reduktionsmittel. • Wegen des synchronen Ablaufs wurde der Begriff „Redox“ für diese Reaktionen geprägt.

22. 2 Typen von Redoxprozessen in Lösungen Reaktion in der äußeren Koordinationssphäre (outer-sphere): Wechselwirkung zwischen Oxidations-und Reduktionsmittel zur Zeit des Elektronenüberganges gering. Bei beiden bleibt während dieses Vorganges die Koordinationsschale intakt. Reaktion in der inneren Koordinationssphäre (inner-sphere): Erfordert eine feste Verbindung von Oxidations- und Reduktionsmittel während des Elektronenüberganges. Setzt voraus, dass mindestens ein Ligand eine Brücke bildet, die den Koordinationsschalen des Oxidations- und Reduktionsmittels gleichzeitig angehört.

23. Inner-sphere Reaktionen: • Der Brückenligand stellt einen „Kanal“ dar, durch den das Elektron überführt wird. • Ein Mechanismus dieses Typs ist kompliziert und besteht immer aus einer Folge mehrerer Reaktionsschritte. • Der eigentliche Elektronenübertragungsprozess muss dabei nicht der geschwindigkeitsbestimmende Schritt sein.

24. Reaktionen des solvatisierten Elektrons • Freie, solvatisierte Elektronen in einer kondensierten Phase stellen ein sehr reaktives chemisches System dar. • Ist kein passendes Substrat vorhanden, wird das LM selbst reduziert. • Ammoniak (flüssig) als LM für Elektronen ist ziemlich inert und man kann darin die Eigenschaften von solvatisierten Elektronen gut untersuchen. Auch Methylamin und Ethylamin sind geeignet. • Im Allgemeinen ist es jedoch nötig, das solvatisierte Elektron durch hochenergetische Strahlung zu erzeugen (z.B. Photolyse durch einen ultrakurzen Laserpuls) und sein (sehr rasches) Verschwinden zu beobachten.

25. Im Wasser entdeckt 1962 von J.W. Boag und E.J. Hart: hochenergetische Elektronen (5-15 MeV) eines Elektronenstrahls aus einem Linearbschleuniger reagieren mit hochreinem Wasser (wenn keine Luft gelöst!) • Millimolare Konzentrationen an solvatisierten Elektronen herstellbar! • In Abwesenheit reduzierbarer Substanzen reagiert das solvatisierte Elektron mit dem Wasser:

26. Untersuchung des solvatisierten Elektrons • Nur möglich, wenn H+ Konzentration klein! • Das Absorptionsspektrum ähnelt dem der Lösungen von Alkalimetallen in fl. Ammoniak • In seinen Reaktionen gehorcht das hydratisierte Elektron der Brønsted‘schen Gleichung.

28. Reaktionen des solvatisierten Elektrons mit Metallionen • Hat man in der bestrahlten Wasserprobe Metallionen, so verschwindet der 700 nm Peak des solvatisierten e- viel rascher als in reinem Wasser. • Bei Metallionen-Konz. ca. 0.005 – 0.05 mol/L und neutralen bis basischen Lösungen sind die Reaktionen des solvatisierten e- mit H2O unterdrückt • Die Geschwindigkeitskonstanten für die Reduktion der Metallionen können aus dem Verschwinden des 700 nm Peaks erhalten werden

29. Bei bestrahlten verdünnten Metallionen-Lösungen treten kurzlebige Absorptionspeaks in der Umgebung von 300 nm auf • = unstabile Oxidationszustände, Zwischenprodukte bei der Reduktion des Metallions durch das solvatisierte Elektron, z.B.

31. Solvatisierte Elektronen verursachen DNA Schäden • 2010 wurde von Bernd Abel et al. (Universität Leipzig) entdeckt, dass solvatisierte Elektronen an Grenzflächen, wie an den Grenzflächen von Biomolekülen, längere Lebenszeiten (von mehr als 100 ps) haben, und DNA Stränge spalten können. • = Mechanismus für Strahlenschäden durch Hochenergiestrahlung