Benutzer:TheFehlingMaster/Aggressive Wasserstoffprotonierung

Die Aggressive Wasserstoffprotonierung (auch AWP) ist eine chemische Reaktion in der Organischen Chemie, bei der das aggressive Potenzial eines Wasserstoffproton ausgenutzt wird, um verschiedene chemische Bindungen wie z.B. C-C-Doppelbindungen oder auch O-H-Gruppen protoniert. Als Ergebnis dieses Angriffs können dann andere Reaktionen wie z.B. Addition oder Substitution stattfinden.

Die Aggressive Wasserstoffprotonierung kann jedoch auch als Eliminierungsreaktion wirken, indem sie ein zuvor durch AWP hinzugefügtes Wasserstoffproton unter Abspaltung eines H₂-Moleküls wieder eliminiert.

Beispiele

Beispiel Alkohole

Die Aggressive Wasserstoffprotonierung lässt sich sehr einfach am Beispiel der Alkohole zeigen. Im folgenden Beispiel soll die Hydroxygruppe des Ethanols durch Substitution durch ein Wasserstoffatom ersetzt werden. Wegen dem starken +I-Effekt der Methylgruppe reicht eine normale (d.h. elektrophile oder nukleophile) Substitution nicht aus. Mithilfe einer AWP ist es jedoch möglich, diese Reaktion auch ohne Katalyst durchzuführen:

Protonierung: $HO-CH_{2}-CH_{3}+H^{+}\longrightarrow OH_{2}^{+}-CH_{2}-CH_{3}$

Abspaltung H₂O: $OH_{2}^{+}-CH_{2}-CH_{3}\longrightarrow H_{2}O($↑$)+CH_{2}^{+}-CH_{3}$

Reprotonierung (Erneute AWP): $CH_{2}^{+}-CH_{3}+H^{+}\longrightarrow CH_{3}-CH_{3}$

Somit wurde aus Ethanol durch zweifache Aggressive Wasserstoffprotonierung Ethan hergestellt.

AWP als Elimierungsreaktion

Die Aggressive Wasserstoffprotonierung kann auch als Elimierungsreaktion wirken, indem sie unter Abspaltung von H₂-Molekülen eine durch AWP protonierte Bindung wieder deprotoniert. Hier wird dies am Beispiel des Ethans veranschaulicht:

Deprotonierung: $CH_{3}-CH_{3}+H^{+}\longrightarrow H_{2}($↑$)+CH_{2}^{+}-CH_{3}$

Funktionsweise

Obwohl die Aggressive Wasserstoffprotonierung auf den ersten Blick einfach und unkompliziert aussieht, wurde sie erst im Jahre 2016 von Sebastian Seirich, einem Schüler des Johanneum Gymnasium Herborn entdeckt, der für diese Entdeckung den Nobelpreis in Chemie erhielt.

Seirich in 2016

Seirich war zu dieser Zeit ein Abiturient, der während seinem Abitur bei einer Redoxreaktion nicht mehr weiterkam. Er kam auf die Idee, mithilfe eines Wasserstoffatoms, das ursprünglich als Katalysator agieren sollte, eine C-C-Dreifachbindung aufzuspalten. Da dies nicht die vorgesehene Lösung für den Abiturvorschlag war, erhielt Seirich auf seine Lösung keine Punkte. Erst zwei Jahre darauf erbrachte eine Mitschülerin Seirichs mittels Kernspinresonanzspektroskopie den Beweis für seine Theorie.

Seirichs Chemielehrer, nachdem Seirich den Nobelpreis erhielt

Die Aggressive Wasserstoffprotonierung beruht auf der Starken Wechselwirkung zwischen den Quarks der Elektronen einer angegriffenen Bindung sowie auf der Elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen der positiven Ladung des Wasserstoffprotons (oft auch Aggressives Wasserstoffproton genannt) und der Partialladung an der anzugreifenden Bindung. Auf der quantenmechanischen Ebene spielt hier auch der Tunneleffekt eine Rolle, da er es dem angreifenden Wasserstoffproton ermöglicht, mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit, die aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation nicht genau ermittelt werden kann, eine Hydrathülle zu überspringen und die Bindung direkt anzugreifen.

Seirichsche Gleichung

Seirich formulierte daraufhin eine aus der Heisenbergschen Unschärferelation abgeleitete Gleichung, die die Wahrscheinlichkeit einer Aggressiven Wasserstoffprotonierung zu einem Zeitpunkt $t$ und einem Energieniveau $E$ angibt:

$P(t,E)=\int _{-\infty }^{+\infty }\sum _{x=0}^{t_{max}}{\frac {E\times ({\frac {x}{t}})^{2}}{t-t_{max}}}$

Diese Gleichung ist inzwischen bekannt als die Seirichsche Gleichung.

Anwendungen und Auswirkungen auf die Chemie

Die Aggressive Wasserstoffprotonierung hat in vielen Bereichen der Chemie für Revolutionen und neue Erkentnisse gesorgt. So konnten durch AWP z.B. die Fluordynamatreaktion und die Hexadialatmetaphose erklärt werden. Eine häufige Anwendung von AWP ist auch die Lösung von theoretischen Problemen - da AWP auf quantenphsysikalischen, von Natur aus zufälligen Effekten beruht, ist es fast immer möglich, AWP auf eine Reaktion, an der Wasserstoff beteiligt ist, anzuwenden.

Aggressive Wasserstoffinterferenz

→ Hauptartikel: Bullshit

Durch sein extrem aggressives Verhalten ist das Aggressive Wasserstoffproton in der Lage, mit dem in der Fehling-Lösung komplex gebundenen Kupfer zu reagieren. Es bildet sich Kupferhydrid, ein roter Feststoff, der schnell in seine Ausgangsstoffe, Kupfer und Wasserstoff zerfällt. Dieser Effekt ist bekannt als Aggressive Wasserstoffintereferenz (auch AWI) und kann von Zeit zu Zeit zu ungenauen oder sogar falschen Auswertungen einer Fehling-Probe führen.

$Cu^{-}+H^{+}\longrightarrow CuH$

Einige vorher als falsch oder unwahrscheinlich angesehene Effekte und Reaktionen wie der Trotz-Mitowsky-Effekt oder die Stark-Hundy-Polymerisation mussten nach der Entdeckung dieses Effektes überdacht und erneut überprüft werden. Seirich, der diesen Effekt während einer fehlgeschlagenen Fehling-Probe im Leistungskurs entdeckte, nannte ihn auch den "Bullshiteffekt", doch dieser Name fand keine weite Akzeptanz und wird von der IUPAC nicht anerkannt.

Seirich-Heinsten-Gleichung

Die Seirich-Heinsten-Gleichung ist eine Gleichung, die generelle Aussagen über ein Aggressives Wasserstoffproton macht. So lassen sich mithilfe der Seirich-Heinsten-Gleichung das Energieniveau, die Zeitdifferenz, der Ort und der Impuls eines Aggressiven Wasserstoffprotons bestimmen.

Die Gleichung ist benannt nach Seirich und einem Klassenkameraden, der ihn bei der Formulierung half. Sie hatte große Auswirkungen auf die Quantenphysik sowie auf die Organische Chemie.

Originalformulierung

Heinsten und Seirich formulierten die Seirich-Heinsten-Gleichung 2016 als vier verschiedene Gleichungen, jede für eine andere Größe:

1.: Gleichung für das Energieniveau $E$:

$E=-({\vec {v}}\times {\frac {m\times c^{2}}{2e}})^{2}$

2.: Gleichung für die Zeitdifferenz $\Delta t$:

$\Delta t={\frac {\Delta {\vec {F}}\times \sin(m\times \pi )}{2\pi }}$

3.: Gleichung für den Ort $x$:

$x=\sum _{i=0}^{m}e\times m\times \pi$

4.: Gleichung für den Impuls $p$:

$p=\prod _{i=0}^{m}e^{1-(\pi +{\frac {i}{2}})}$

Besonders die Gleichung für den Ort $x$ wird häufig als Beispiel für Schönheit in der Mathematik genannt.

Matrix-Schreibweise

Um die Gleichungen kürzer zusammenzufassen und lesbarer zu machen, fasste Heinsten sie zu einer Matrix-Schreibweise zusammen:

${\begin{bmatrix}E&\Delta t\\x&p\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}-({\vec {v}}\times {\frac {m\times c^{2}}{2e}})^{2}&{\frac {\Delta {\vec {F}}\times \sin(m\times \pi )}{2\pi }}\\\sum _{i=0}^{m}e\times m\times \pi &\prod _{i=0}^{m}e^{1-(\pi +{\frac {i}{2}})}\end{bmatrix}}$

Diese Schreibweise ist nun die am häufigsten benutzte und wird auch von der IUPAC anerkannt.