HT 1 – „Gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester

Erläutere mithilfe von Oxidationszahlen, bei welchem der ersten beiden Schritte der Oxalsäuredichlorid-Herstellung eine Redoxreaktion vorliegt. Wende die Säure-Base-Theorie nach Brönsted auf die Protonenübertragung zwischen Schwefelsäure und Oxalat-Ionen an. Gib eine mögliche Reaktionsgleichung für die Bildung von Oxalsäuredichlorid aus Oxalsäure und den dazugehörigen Reaktionstyp an.
(14 Punkte)
Erläutere die Synthese eines Makromoleküls aus Oxalsäuredichlorid und Diethylstilbestrol (DES) unter Angabe einer Reaktionsgleichung. Erläutere die Eignung von 1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM) zur Verringerung des Wirkstoffanteils im Molekül durch einen Vergleich der Molekülstrukturen und Stoffeigenschaften von DES und CHDM. Zeichne einen repräsentativen Makromolekülausschnitt des Produktes aus Oxalsäuredichlorid, DES und CHDM.
(16 Punkte)

Erkläre mithilfe von Fachbegriffen den ersten Schritt zum Abbau des Nano-Polyesters (siehe Abbildung 3). Übertrage diesen mithilfe von kommentierten Reaktionsgleichungen auf den Ablauf der 1,2-Dioxetandionbildung. Entwickle eine Hypothese, die den Zerfall eines 1,2-Dioxetandionmoleküls in zwei Kohlenstoffdioxidmoleküle erklärt.
(22 Punkte)
Beschreibe die Ergebnisse der Untersuchung der PVAX-Mikropartikel. Untersuche den Ausschnitt des PVAX-Moleküls unter Angabe der Strukturformeln der eingesetzten Monomere hinsichtlich des verwendeten Wirkstoffs. Erläutere, inwiefern „gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester möglich ist.
(14 Punkte)

Fachspezifische Vorgaben:

„Gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester

Bei manchen Krankheiten unterscheiden sich kranke Zellen von gesunden Zellen dadurch, dass sie bestimmte Stoffe bilden, z.B. Wasserstoffperoxid. Dies machen sich Medizinerinnen und Mediziner zunutze, indem sie das Wasserstoffperoxid am Wirkort verwenden, um ein in die Zellen eingeschleustes Medikament freizusetzen.

Bei einer bestimmten Erkrankung hat sich Diethylstilbestrol (DES) als sehr effektiver Wirkstoff erwiesen.

nrw chemie ab lk 2022 ht 1 abbildung 1 diethylstilbestrol

Abbildung 1: Diethylstilbestrol (DES)

DES wird nun als molekularer Bestandteil eines Copolymers in die Zelle gebracht. Dort wird er durch bei kranken Zellen vorhandenes Wasserstoffperoxid freigesetzt.

Das DES-Copolymer ist ein Polyester, welcher aus drei unterschiedlichen Monomeren hergestellt wird:

Oxalsäuredichlorid
DES (Wirkstoff)
1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM)

Synthese des Eduktes Oxalsäuredichlorid

Oxalsäure wird durch thermische Dehydrierung von Formiat-Ionen $(\text I)$ und anschließender Reaktion der Oxalat-Ionen mit Schwefelsäure $(\text{II})$ gewonnen. Zum Schluss erfolgt eine Überführung in das Oxalsäuredichlorid.

Abbildung 2: Synthese von Oxalsäure aus Formiat-Ionen

Abbau des Polyesters in einem Laborexperiment

Bei der säurekatalysierten Reaktion mit Wasserstoffperoxid kommt es im Labor zur Spaltung des Polyesters:

Abbildung 3: Erster Schritt zum Abbau des Polyesters

Das entstandene Peroxid reagiert nun intern mit der zweiten Carbonylgruppe der Oxalsäuresequenz unter Bildung eines 1,2-Dioxetandions, das weiter zu $CO _2$ zerfällt.

Untersuchung von medizinisch wirksamen Polyestern

Neben DES lassen sich auch andere Wirkstoffe in einen solchen Polyester einbringen. In einer Forschungsarbeit haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler so den Polyester PVAX geschaffen. Er zeigt in einer Untersuchung von kugelförmigen Mikropartikeln die folgenden Ergebnisse:

nrw chemie ab lk 2022 ht 1 abbildung 4 aufnahmen eines rasterelektronenmikroskops pvax-mikropartikel nach mehreren stunden in wasser bzw. nach einer halben und einer stunde in einer wasserstoffperoxid-lösung

Abbildung 4: Aufnahmen eines Rasterelektronenmikroskops PVAX-Mikropartikel nach mehreren Stunden in Wasser bzw. nach einer halben und einer Stunde in einer Wasserstoffperoxid-Lösung $\scriptsize(c = 0,01 \,\text{mol}\cdot \text L -1)$

Zusatzinformationen:

Elektronegativitätswerte:

Tabelle anzeigen

1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM):

CHDM wird als ungiftig eingestuft. Indem CHDM den Wirkstoff ersetzt, kann es zur Steuerung des Wirkstoffanteils eingesetzt werden.

Partikelgrößen:

Nanopartikel	Teilchen einer Größe von unter $0,1 \,\mu\text m$
Mikropartikel	Teilchen einer Größe im Bereich von $0,1–100 \,\mu\text m$

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Veränderung der Oxidationszahlen

Reaktion $\text{(I)}$
Reaktion $\text{(II)}$

$\Rightarrow$ Damit handelt es sich nur bei Reaktion $\text{(I)}$ um eine Redoxreaktion.

Säure-Base-Theorie nach Brönstedt:
Protonenübertragung zwischen Schwefelsäure und Oxalat-Ionen

Oxalat-Ion: Base (Protonenakzeptor)
Schwefelsäure-Molekül: konjugierte Säure (Protonendonator)
Sulfat-Ion: konjugierte Base (Protonenakzeptor)

Mögliche Reaktionsgleichung für die Bildung von Oxalsäuredichlorid

Reaktionstyp: Es handelt sich um eine Substitutionsreaktion

Synthese eines Makromoleküls aus Oxalsäuredichlorid und Diethylstilbestrol

Reaktionsgleichung:

Es handelt sich um eine Kondensationsreaktion bzw. um eine Veresterung.
Die funktionelle Gruppe des jeweiligen Carbonsäurechlorids reagiert mit der funktionellen Gruppe des reagierenden Alkohols. Dabei wird ein Chlorwasserstoffmolekül abgespalten; es entsteht eine Estergruppe.
Die Monomere enthalten jeweils zwei funktionelle Gruppen, d.h. diese werden zu Makromolekülen verknüpft.
Die Synthese des Polyesters aus Oxalsäuredichlorid und DES ist eine Polykondensation bzw. eine Polyesterbildung.

Eignung von 1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM) zur Verringerung des Wirkstoffanteils im Molekül

Vergleich der Molekülstrukturen und Stoffeigenschaften von DES und CHDM:

Die Struktur von DES zeigt zwei Hydroxygruppen, zwei aromatische Ringe und eine Doppelbindung.
CHDM enthält zwei Hydroxygruppen (Dimethanol) und einen gesättigten Sechsring (Cyclohexan)
Für die Polykondensation werden nur die beiden Hydroxygruppen benötigt, weswegen bei der Herstellung des Polyesters das DES durch CHDM ersetzt werden kann.
CHDM ist ungiftig. Ein höherer Anteil an CHDM verringert den Wirkstoffanteil im Molekül (Wirkstoffsteuerung).

Repräsentativer Makromolekülausschnitt des Produktes

Abbau des Nano-Polyesters

Es bindet sich ein Proton an ein Sauerstoff-Atom der Estergruppe. Dadurch wird das Kohlenstoff-Atom positiv polarisiert (positive Partialladung) und die Reaktivität erhöht.
Es findet ein nucleophiler Angriff statt, bei dem sich das Wasserstoffperoxid mit dem jeweiligen Kohlenstoff-Atom verbindet. Dieses ist danach positiv geladen.
Das Molekül zerfällt in ein (organisches) Peroxid und einen Alkohol. Es wird dabei ein Proton abgespalten.

Ablauf der 1,2-Dioxetandionbildung mithilfe von Reaktionsgleichungen

Ein Proton bindet an ein Sauerstoff-Atom der Estergruppe. Dieses wird positiv polarisiert.
Durch einen nucleophilen Angriff verbinden sich Kohlenstoff-Atom und Peroxidgruppe. Das angreifende Sauerstoff-Atom ist danach positiv geladen.
Es folgt der Zerfall in 1,2-Dioxetandion und einen Alkohol. Hierbei wird ein Proton abgespalten.

Hypothese für den Zerfall

Bilden vier Atome einen Ring, liegt aufgrund der ungünstigen Bindungswinkel eine hohe Ringspannung vor. Das Molekül wird destabilisiert.
Die Einfachbindung zwischen der beiden Sauerstoffatomen ist nicht sehr stark, was auf die hohe Elektronegativität zurückzuführen ist. Es liegt deshalb eine Neigung zur homolytischen Spaltung vor.

Beschreibung der Ergebnisse

In reinem Wasser (siehe Bild 1) verändern PVAX-Mikropartikel nicht ihre Struktur.
In einer Wasserstoffperoxidlösung ( $c=0,01 \,\text{mol} \cdot \text{L} ^{-1}$ ) (siehe Bild 2) kommt es zu einer deutlichen Zersetzung der Kugeln.
Die Zersetzung in der Wasserstoffperoxidlösung nimmt mich fortschreitender Zeit (siehe Bild 3) deutlich zu.

Untersuchung des Ausschnitts

Strukturformeln der Moleküle, aus denen PVAX gebildet worden ist:

Oxalsäuredichlorid bzw. Oxalsäure und CHDM sind im ersten Polyester vorhanden. Allerdings bilden sie nicht den Wirkstoff, woraus sich schlussfolgern lässt, dass es sich bei der neuen unbekannten Substanz um den Wirkstoff handeln muss.

Erläuterung vom „gezielten Heilen” durch Nano-Polyester

Der Wirkstoff bildet sich nicht in einer reinen Wasserumgebung. Er wird nur in der erkrankten Zelle freigesetzt.
Die Abbaureaktion läuft in einer Wasserstoffperoxidlösung schnell ab (vgl. Bilder 2 und 3). Hierbei bildet sich der Wirkstoff.
Die Wirkstoffmenge im Medikament lässt sich durch die Zusammensetzung des Makromoleküls genau festlegen.

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