il livello chimico di organizzazione · ogni elemento ha un unico simbolo chimico l’atomo è...
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Prof. Attilio Citterio (e Dr.ssa Ada Truscello) Dept. CMIC http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/education/course-topics/
Il Livello Chimico di Organizzazione
Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione Course 096125 (095857)
Introduction to Green and Sustainable Chemistry
Attilio Citterio
Riassunto
Atomi e Molecole Struttura dell’atomo Elettroni Legami
Notazione Chimica Reazioni Chimiche
Concetti base sull’energia Tipi di reazioni Acidi e basi pH
Composti Inorganici Biossido di Carbonio e
ossigeno Acqua Acidi e basi Sali
Composti Organici Carboidrati Lipidi Proteine Acidi Nucleici
ATP
Attilio Citterio
Materia, Elementi e Atomi
Materia: qualunque cosa che occupa spazio e possiede massa 3 stati di aggregazione
• Solido • Liquido • Gas
Tutta la materia è composta da elementi Non si possono rompere (a bassa T) Il componente minimo di un elemento è l’atomo Ogni elemento ha un unico simbolo chimico
L’Atomo è costituito da 3 particelle subatomiche Protoni Neutroni Elettroni
e e
2p+
Helium (He)
n0 n0 p+ p+
Attilio Citterio
Struttura dell’Atomo
Protoni e neutroni si trovano nel nucleo (d = 10-15 m) Gli elettroni occupano una nuvola elettronica (strato)
esterno (d = 10-10 m) – Queste particelle caratterizzano le dimensioni dell’atomo (Å) e la reattività chimica (cinetica e termodinamica).
(a) Nuvola elettronica o Modello «space filling»
(b) Modello a strato elettronico
e p+
Attilio Citterio
Struttura dell’Atomo ed Elementi
Numero Atomico = Z = # di protoni ed anche # di elettroni in un atomo neutro.
Numero di Massa = A = # p + # n Gli atomi che differiscono per A ma hanno lo stesso Z sono
chiamati isotopi ( ) Gli Elementi rappresentano la distribuzione naturale degli isotopi.
Z
A
12 13 146 6 6C, C, C
(1) Cl = (0.758) 35Cl + (0.242) 37Cl
Attilio Citterio
Elettroni e Strati Elettronici
Solo gli elettroni dello strato più esterno interagiscono (formando legami)! Se lo strato esterno è pieno, l’elemento è stabile a bassa T (He) Se lo strato esterno non è pieno, l’elemento è instabile e si lega
Il primo strato ospita 2 elettroni
Il secondo strato ne ospita 8 Secondo strato
elettronico
Primo strato elettronico
Elettrone
(a) Atomo di Carbonio (6p+, 6n0, 6e‾)
(b) Atomo di Neon (10p+, 10n0, 10e‾)
Attilio Citterio
Molecole e Composti
Gli Atomi si stabilizzano mediante: Condivisione di elettroni Acquisto di elettroni Perdita di elettroni Ciò corrisponde ad una reazione chimica
• Molecole e composti ne sono il risultato Gli Elementi Molecolari sono strutture chimiche contenenti
2 o più atomi dello stesso elemento Per Es.: O2 , O3 , S8
I Composti contengono 2 o più atomi di diversi elementi
Per es.: H2O , CH3COOH , H2NCH2COOH
Attilio Citterio
Importanti Concetti sui Legami Chimici
Tutti gli atomi tendono a raggiungere uno stato stabile! Stabilità significa raggiungere la configurazione a 8 elettroni nello
strato esterno per gli atomi dei primi periodi e 18 per i successivi • A meno che non riempiano il primo strato (2 elettroni) (o gli orbitali d e f)
Gli Opposti si attraggono! (per es. Ioni: Na+ Cl ‾)
Gli atomi sono elettricamente neutri! (N° p+ = N° e‾)
3 tipi di legami Ionico Covalente
• Polare • Apolare
Metallico
Interazioni – Legami a idrogeno, Van der Waals e altri
Attilio Citterio
Legami Ionici
Gli ioni sono atomi con una carica positiva o negativa Anioni
Ioni con carica negativa L’atomo guadagna un elettrone (accettore di elettroni) Più elettroni che protoni
Cationi Ioni con carica positiva L’atomo perde un elettrone
(datore di elettroni) più protoni che elettroni
I legami ionici sono legami polimerici tra molti anioni e molti cationi
Per es.: NaCl, KCl
Stadio 1: Formazione
di ioni
Stadio 2: Attrazione tra cariche
opposte
Atomo di Cloro Atomo di Sodio
Ione Cloruro Cl‾
Ione Sodio Na+
Stadio 3: Formazione di un composto ionico
Cloruro di Sodio (NaCl) (a) (b) Cristallo di Cloruro di Sodio
Ione Sodio Na+
Ione Cloruro Cl‾
Attilio Citterio
Legami Covalenti
Formano un legame scambiando elettroni Legame covalente Singolo • Scambiano una copia di elettroni
Legame covalente Doppio (triplo) • Scambiano due (o tre) coppie di elettroni
Nitrogen (N2)
N≡N
MODELLO A STRATO ELETTRONICO E FORMULA STRUTTURALE
MODELLO A RIEMPIMENTO SPAZIALE
Idrogeno
Azoto
Biossido carbonio
Attilio Citterio
Legami Covalenti
Legami covalenti apolari Gli elettroni sono ugualmente condivisi Atomi di carbonio
• Creano strutture complesse di numerosi atomi negli organismi Tipicamente simmetrico (non polare)
Legami covalenti polari
Scambio diseguale di elettroni L’acqua ne è un grande esempio Tipicamente contengono atomi elettronegativi, quali O, N, F
Attilio Citterio
Interazioni: Legami ad Idrogeno
Semplice interazione non un vero legame chimico. Debole (20-60 kJ·mol-1)
Attrazione tra atomi di idrogeno di una molecola e atomi parzialmente carichi negativi di altre molecole (è essenzialmente elettrostatico)
Non genera molecole Altera la forma di molecole L’acqua è l’esempio tipico Spiega l’elevata tensione
superficiale di H2O
Attilio Citterio
Regole di Notazione Chimica
L’abbreviazione dell’elemento rappresenta 1 atomo
Il numero (#) prima dell’abbreviazione dell’elemento indica più di 1 atomo
Una freccia suddivide a sinistra i Reagenti e a destra i Prodotti (reagenti e prodotti hanno formule chimiche diverse – att. Isomeri!)
Gli apici indicano uno ione + = perdita di 1 elettrone (Na+ ione sodio) - = guadagno di 1 elettrone (Cl‾ ione cloruro) …… ecc.
Le reazioni chimiche devono essere bilanciate : La massa non cambia in una reazione chimica – gli atomi in materie prime e in scarti sono gli stessi e sono quindi perfettamente riusabili!
Attilio Citterio
Reazioni Chimiche
Si hanno quando i legami tra atomi si spezzano e gli atomi si traspongono in nuove combinazioni
Hanno un ruolo importante Consentono di ottenere prodotti non stabili inesistenti in natura Forniscono energia (combustione, glicolisi)
Il metabolismo è l’insieme delle reazioni chimiche che avvengono in un orgasmo vivente. Una reazione particolarmente importante è
C6H12O6 → 6CO2 + 6H2O + ATP 3 tipi generali di reazioni importanti in biochimica:
Reazioni di decomposizione Reazioni di sintesi Reazioni di scambio
Attilio Citterio
Concetti di Base sull’Energia
Lavoro: movimento o variazione nella struttura fisica della materia
Energia: capacità di compiere lavoro Energia cinetica
• Energia associata al movimento (rilasciata) E = ½(mv2) Energia potenziale
• Energia accumulata (in un campo di forze, in legami, ecc.) Altre forme (gravitazionale, elettromagnetica, nucleare, calore) Si trasforma facilmente da una forma all’altra Una forma importante di rilascio di energia è il calore L'Energia è anche associata a variazioni di configurazioni del
sistema (entropia)
Attilio Citterio
Reazioni di Decomposizione
(C6H10O5)n + n H2O → n C6H12O6 Catabolismo
L’energia è rilasciata nella reazione di depolimerizzazione idrolitica.
Glicogeno Molecole di glucosio
Esempio di reazione di decomposizione: rottura idrolitica del glicogeno con rilascio di unità di glucosio
Attilio Citterio
Reazioni di Sintesi
A + B AB + H2O Anabolismo
Dell’energia è immagazzinata nei legami della macromolecola.
Amminoacidi Molecola di proteina
Esempio di reazione di sintesi: degli amminoacidi sono legati in sequenza per formare una molecola di proteina
Attilio Citterio
Reazioni di Scambio
AB + CD AD + CB
Reazioni di decomposizioni e sintesi. Scambio di atomi o gruppi.
Reazione esotermica (∆H < 0) Se i legami nei prodotti hanno Eleg superiore a quella dei reagenti L’energia è rilasciata sotto forma di calore
Reazioni endotermiche (∆H > 0) Se i legami nei prodotti hanno Eleg inferiore a quella dei reagenti Si deve fornire e assorbire energia (calore) dal sistema
Reazioni Spontanee : (∆G < 0) : la reazione avviene spontaneamente
da reagenti a prodotti (non si sa in quanto tempo!!); la reazione inversa avviene solo se si fornisce energia.
Attilio Citterio
Acidi e Basi (secondo Brönsted)
Acido: una sostanza che dissocia rilasciando ioni H+
Acidi forti dissociano completamente
HCl + H2O → H3O+ + Cl–
Acidi deboli dissociano solo parzialmente HCOOH + H2O a H3O+ + HCOO–
Base: una sostanza che sottrae ioni idrogeno dalla soluzione o dissocia a dare ioni ossidrile (OH‾)
Basi forti dissociano completamente
NaOH + H2O → Na+ + OH–
Basi deboli dissociano solo parzialmente
NH3 + H2O a NH4+ + OH–
Attilio Citterio
pH
Misura la concentrazione di [H+] in un mezzo acquoso (pH = -log[H+]) Se elevata, altera le strutture e le funzioni di sistemi biologici
Il pH varia tra 0-14; il mezzo è neutro se pH = 7 (acqua distillata) pH sotto 7 = acido; pH sopra 7 = basico Le cellule in sistemi biologici devono mantenere il pH in uno specifico
intervallo attorno a 7 (per es. Il sangue è tamponato tra 7.35-7.45) Tamponi: Combinazione di un acido e la sua base coniugata che
stabilizzano il pH rimuovendo o fornendo ioni idrogeno. Per esempio, Acido Acetico (CH3COOH) e ione acetato (CH3COO‾).
Attilio Citterio
Biochimica
Nutrienti: elementi e molecole essenziali
Metaboliti: tutte le molecole sintetizzate o degradate in reazioni chimiche in un organismo vivente
Si classificano in base al tipo di atomo e complessità dell’aggregato:
Composti Inorganici (tutte le combinazioni di elementi senza C); Composti di coordinazione (combinazioni di atomi organizzate
attorno ad atomi centrali metallici); Composti Organici (tutte le combinazioni di scheletri di atomi C
contenenti anche elementi importanti (H, O, N, P, S, Cl); Composti organometallici (tutte le combinazioni di scheletri di
atomi C contenenti anche elementi metallici).
Attilio Citterio
Composti Inorganici
Elementi e Metalli Biossido di Carbonio (CO2) Ossigeno (O2) Acqua (H2O) e acqua ossigenata (H2O2)
Acidi inorganici (HCl, HNO3, H2SO4, H3PO4) e basi (NaOH, NH3, NH2NH2
Sali (NaCl, Na2CO3, NaH2PO4, ecc.) Metalli e leghe metalliche Complessi Inorganici e clusters Polimeri inorganici (diamante, SiO2, Silicati, Fosforo rosso, ecc.) Materiali inorganici Composti organometallici
Attilio Citterio
Biossido di Carbonio e Ossigeno
Biossido di Carbonio Prodotto dalle cellule tramite attività metabolica (fermentazione al.) C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2H2O + ATP (*) Si sposta nel sangue fino ai polmoni, dove viene rilasciato. Reagisce con acqua a dare acido carbonico e suoi ioni (il
processo è lento! Catalisi dell’enzima anidrasi carbonica) CO2 + H2O a H2CO3 a H+ + HCO3‾ a H+ + CO3
2‾
Ossigeno Prodotto dalle piante tramite la fotosintesi 6CO2 + 6H2O + luce (E) → C6H12O6 + 6O2 Usato per processi di combustione e nella respirazione: (*) C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + ATP
Attilio Citterio
Acqua (H2O) e sue Proprietà
Costituisce il 60-80% in volume delle cellule
Tutti i sistemi biologici sono dipendenti dall’acqua
Proprietà importanti Eccellente solvente per composti ionici e molecole ad elevata
polarità Capacità termica (calore specifico) molto elevata Reagente essenziale per molte reazioni metaboliche
Soluzioni Solvente vs. soluto L’acqua tramite il fenomeno della solvatazione rompe i legami
ionici allontanando gli ioni di segno opposto (alta costante dielettrica)
Attilio Citterio
Solvatazione di Ioni e Dissociazione di Composti Ionici
Soluzione di cloruro di sodio (NaCl)
Polo Negativo
Polo Positivo
Molecola d’acqua
Sfere di solvatazione di molecole
d’acqua
Attilio Citterio
Acidi e Basi Inorganici
Molti acidi inorganici si trovano nelle cellule di organismi viventi. I più importanti sono: Acido carbonico (H2CO3 pKa1 = 6.35; pKa2 = 10.33)* Acido solforico (H2SO4 pKa1 = strong; pKa2 = 1.92)* Acido fosforico (H3PO4 pKa1 = 2.16; pKa2 = 7.21; pKa3 = 12.32)* Acido cloridrico (HCl; strong) Acido nitrico (HNO3 pKa = strong) Acido silicico (H4SiO4 e i suoi oligomeri, tutti deboli) Acido solfidrico (H2S pKa1 = 7.00; pKa2 = > 14)*
Tra le basi rilevanti le più importanti sono: • Ammoniaca (NH3 pKb = 4.74)* • Molti anioni (per es. HCO3‾, H2PO4‾, HPO4
2 ‾)
* a 20°C
Attilio Citterio
Sali
Un composto ionico formato da qualsiasi catione (eccetto H+) e qualsiasi anione (eccetto OH-)
Per es. NaCl, CaCO3, Ca3(PO4)3, CaSO4, Mg3Si4O10(OH)2 (Talco)
Si dissociano in acqua (più o meno in funzione del loro Kps)
NaCl + n (H2O) → Na+(id) + Cl‾(id)
Nelle cellule tali composti si indicano come elettroliti Conducono la corrente elettrica in soluzione Devono essere mantenuti in intervalli di concentrazione adeguati In soluzione i cationi non sono legati agli anioni per cui l’identità
del sale non è evidente se non quando questi si separano per raggiunti limiti di solubilità.
Attilio Citterio
Composti Organici
Contengono H, C e altri elementi Sono caratterizzati da legami
covalenti C-C e C-H forti.
Carboidrati Monosaccaridi Disaccaridi Polisaccaridi
Lipidi Acidi grassi Grassi Steroidi Fosfolipidi
Proteine Funzione delle Proteine
Struttura delle Proteine Enzimi
Acidi Nucleici Struttura Funzioni
ATP
Metaboliti secondari
Attilio Citterio
Principali Composti Organici in Sistemi Viventi
COMPOSTI ORGANICI
Carboidrati Lipidi Proteine
Peptidi Trigliceridi
includono includono composte da
Polisaccaridi
includono includono
Acidi Nucleici Composti ad Alta Energia
composti da
composti da
composti da
Acidi grassi
Ammino acidi
RNA DNA ATP
composto da
Nucleotide
Nucleotidi
e e
composti da due
Glicerolo
contengono
Disaccaridi
Monosaccaridi
Gruppi Fosfato
Attilio Citterio
Carboidrati
Rapporto 1:2:1 di atomi di carbonio, idrogeno, ossigeno
Principale fonte di energia per dismutazione o ossidazione con O2 Costituiscono solo il 3% del peso totale del corpo umano!
3 principali tipi Monosaccaridi Disaccaridi Polisaccaridi
Monosaccaridi: zuccheri semplici contenenti 3-7 C.
Glucosio (il combustibile più importante nel corpo), fruttosio, ecc.
O
(a) (b) (c)
CH
C
C
C
C
CH2 OH
O
H OH
OH H
H OH
H OH
O
HHH
H
OHOH
H OH
OH
OH
Attilio Citterio
Disaccaridi
Formati da 2 zuccheri semplici per reazione di condensazione con eliminazione di acqua
Saccarosio, lattosio, maltosio
Si possono idrolizzare con acqua a formare zuccheri semplici
Glucosio Fruttosio Saccarosio
Sintesi per disidratazione
Idrolisi
(a) Nel corso della condensazione si legano due molecole per rimozione di una molecola d’acqua.
(b) L’idrolisi inverte il processo; la molecola complessa viene spezzata per aggiunta di una molecola d’acqua.
Saccarosio Glucosio Fruttosio
Attilio Citterio
Polisaccaridi
Nelle piante Amido Cellulosa Pectine Polisaccaridi complessi
Negli animali glicogeno
• Lunghe catene di glucosio • Non si scioglie in acqua • Immagazzinato in fegato e muscoli • Idrolizzato in glucosio quando
serve come combustibile
Polisaccaridi complessi
Molecole di glucosio
(c) Glicogeno, un polisaccaride ramificato di molecole di glucosio è immagazzinato nelle cellule dei muscoli e del fegato
Attilio Citterio
Lipidi
Contengono H, O, C, P, S, o N Grassi, oli, Cere Insolubili in acqua Costituiscono componenti strutturali essenziali delle
cellule Servono come riserva energetica
Forniscono il doppio di energia de carboidrati
12% del peso corporeo Si dividono in
acidi grassi e grassi, steroidi, fosfolipidi terpeni
Attilio Citterio
Acidi Grassi
Lunghe catene idrocarburiche con in fondo un gruppo COOH
FA Saturi Tutti i carboni sono saturi (singoli legami covalenti C-C)
FA Insaturi
Contengono C saturi ma anche doppi legami tra i Carboni • Meno atomi di Idrogeno
Hanno un ruolo essenziale come riserva di energia e come costituenti delle pareti cellulari.
(a) Acido laurico (C12H24O2) (b)
Saturo Insaturo
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Grassi
Trigliceridi 1 molecola di glicerolo e 3 di acidi grassi Sono deputati allo stoccaggio dell’energia
Glicerolo
Idrolisi
conden- sazione
Saturo
Saturo
Insaturo
Acido grasso 1
Acido grasso 2
Acido grasso 3
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Steroidi
Colesterolo Si trova in:
• Membrane cellulari • Ormoni
– Estrogeni e testosterone
Deriva da: • Dieta • Fegato
H
HCH3CH3
H
H
H
CH3
OH
H
Attilio Citterio
Fosfolipidi
Sono fatti da digliceridi e gruppi fosfato
Hanno regioni polare e nonpolari
Compongono le membrane cellulari
Gruppi nonlipidici
Gruppo fosfato
Glicerolo
Acidi grassi
Attilio Citterio
Proteine
Abbondanti e diverse 100,000 differenti tipi nel corpo 20% del peso corporeo Contengono C, H, O, N, e dello S
Funzione
Struttura
Enzimi
Attilio Citterio
Funzioni delle Proteine
Supporto
Movimento
Trasporto
Tamponamento
Regolazioni Metaboliche
Coordinazione, comunicazione e controllo
Difesa
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Struttura delle Proteine
Glicina (gly) Alanina (ala)
Idrolisi
Conden- sazione
Legame peptidico (b) Formazione del legame peptidico
(a) Struttura di un amminoacido
Carbonio centrale
Gruppo ammino
Gruppo R
Gruppo acido carbossilico
Composti di catene di amminoacidi
Tipiche proteine contengono 1000 amminoacidi Le più grandi contengono 100,000 aa o più
Il legame peptidico interconnette gli aa Dipeptide polipeptide
Attilio Citterio
Struttura delle Proteine
La forma di una proteina dipende dall’interazione degli amminoacidi : Gruppo R Legami a idrogeno Solvatazione di molecole d’acqua
Forma = funzione!!!! Piccole variazioni nella struttura possono cambiare le funzioni! Modifiche:
• Sostituzione di un amminoacido • Temperatura • pH
Denaturazione Se la temperatura è troppo alta, le proteine perdono la loro forma
e non hanno più le loro funzioni • Se il fenomeno continua, ne consegue la morte
Attilio Citterio
Struttura delle Proteine: Proteine Globulari vs. Fibrose
(a) Catena polipeptidica
(c) Emoglobina
(b) Mioglobina
(d) Fibre di cheratina
Subunità di proteina globulare
Attilio Citterio
Enzimi e Reazioni Chimiche
La maggior parte delle reazioni chimiche non avviene spontaneamente o così lentamente che saremmo già tutti morti!
Gli enzimi aumentano la of velocità delle reazioni Si rigenerano nel corso
della reazione.
Stadio 1: I substrati si legano al sito attivo dell’enzima
Sito attivo
Substrati
Complesso enzima-substrato
ENZIMA
Azione di un Enzima
Attilio Citterio
Acidi Nucleici
Costituenti: C, H, O, N, P Immagazzinano ed elaborano le informazioni a livello
molecolare Si trovano nelle cellule
2 tipi principali DNA (ac. deossiribonucleico) RNA (ac. ribonucleico)
Composti da nucleotidi 3 componenti
• Zucchero • Gruppo fosfato • Base azotata
Deossiribosio
Gruppo fosfato
Timina Adenina Legame a idrogeno
Adenina
Timina (DNA)
Guanina
Citosina
Uracile (RNA)
(a) molecola di RNA (b) molecola di DNA
Attilio Citterio
Composti ad Alta Energia
L’energia è ottenuta dal catabolismo di composti organici (glucosio) I legami sono ad alta energia
Covalenti; immagazzinano grandi quantità di energia ATP (adenosina trifosfato)
Generato dall’ADP (adenosina difosfato)