E.1 - ISCaMaP

Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione
Course 096125 (095857)
Introduction to Green and Sustainable Chemistry
A.A. 2015/2016
Il Livello Chimico di Organizzazione
A. Citterio
Dept. CMIC
http://ISCaMaP.corsi.chem.polimi.it/citterio
Riassunto
Atomi e Molecole
Composti Inorganici
 Struttura dell’atomo
 Biossido di Carbonio e
 Elettroni
ossigeno
 Acqua
 Acidi e basi
 Sali
 Legami
Notazione Chimica
Reazioni Chimiche
 Concetti base sull’energia
 Tipi di reazioni
Composti Organici
 Carboidrati
 Lipidi
 Acidi e basi
 Proteine
 pH
 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
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»
Attilio Citterio
(b) Modello a strato
elettronico
Struttura dell’Atomo ed Elementi
Numero Atomico = Z = # di protoni
 ed anche # di elettroni in un atomo neutro.
Massa (Peso) Atomica = A = # p + # n
Gli atomi che differiscono per A ma hanno lo stesso Z sono
chiamati isotopi (126 C, 136 C, 146 C )
Gli Elementi rappresentano
la distribuzione naturale degli
isotopi.
Attilio Citterio
A
Z
Elettroni e Strati Elettronici
Solo gli elettroni dello strato più esterno possono interagire (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 6 2nd shell can hold 8 electrons
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
Le Molecole sono strutture chimiche contenenti 2 o più
atomi
 Per Es.: O2 , O3 , S8
I Composti contengono 2 o più atomi di diversi elementi
 Per es.: H2O , CH3COOH , H2NCH2COOH
Attilio Citterio
Importanti Concetti di Legame
 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)
 Gli Opposti si attraggono!
 Gli atomi sono elettricamente neutri!
 3 tipi di legami
 Ionico
 Covalente
• Polare
• Apolare
 Metallico
 Interazioni – Legami a idrogeno 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
Attilio Citterio
Legami Covalenti
Formano un legame scambiando elettroni
Legame covalente Doppio (triplo)
Legame covalente Singolo
•
Scambiano una copia di elettroni
Nitrogen
(N2)
N≡N
Attilio Citterio
• Scambiano due (o tre) coppie di elettroni
Legami Covalenti
 Legami covalenti apolari
 Gli elettroni sono ugualmente condivisi
 Atomi di carbonio
• Creano stabilità di grandi composti nel corpo
 Tipicamente simmetrico
 Legami covalenti polari
 Scambio diseguale di elettroni
 L’acqua 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.
 Più debole (5-15 kcal)
 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
 - = guadagno di 1 elettrone …… 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 isica 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.
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 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
 Acidi deboli dissociano solo parzialmente
Base: una sostanza che sottrae ioni idrogeno dalla soluzione o dissocia
a dare ioni ossidrile (OH⎯)
 Basi forti dissociano completamente
 Basi deboli dissociano solo parzialmente
Attilio Citterio
pH
 Misura la concentrazione di [H+] in un mezzo acquoso (pH = -log[H+])
 Se elevati, alterano strutture e funzioni in 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 nelle 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
 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.)
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+ + CO32⎯
 Ossigeno
 Prodotto dalle piante tramite la fotosintesi
6CO2 + 6H2O + luce (E) → C6H12O6
 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
Sfere di
solvatazione
di molecole
d’acqua
Polo
Negativo
Polo
Positivo
Molecola d’acqua
Soluzione di cloruro di sodio (NaCl)
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⎯, HPO42 ⎯)
* 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
 Proteine
 Funzione delle Proteine
Struttura delle Proteine
 Enzimi
 Acidi Nucleici
 Monosaccaridi
 Struttura
 Disaccaridi
 Funzioni
 Polisaccaridi
 ATP
 Lipidi
 Metaboliti secondari
 Acidi grassi
 Grassi
 Steroidi
 Fosfolipidi
Attilio Citterio
Principali Composti Organici in Sistemi
Viventi
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
H
HO C
 Monosaccaridi: zuccheri
semplici contenenti 3-7 C.
Glucosio (il combustibile più
importante nel corpo),
fruttosio, ecc.
Attilio Citterio
H
C
OH
(a)
H
C
O
H
OH
H
C
C
H
OH
(b)
O
H
C
OH
(c)
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
Sintesi per
disidratazione
Saccarosio
Fruttosio
Glucosio
(a) Nel corso della condensazione si legano due molecole
per rimozione di una molecola d’acqua.
Idrolisi
Saccarosio
Glucosio
(b) L’idrolisi inverte il processo; la molecola complessa
viene spezzata per aggiunta di una molecola d’acqua.
Attilio Citterio
Fruttosio
Polisaccaridi
 Nelle piante
 Amido
 Cellulosa
Molecole di
glucosio
 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
Attilio Citterio
(c) Glicogeno, un polisaccaride ramificato di molecole di glucosio
è immagazzinato nelle cellule dei muscoli e del fegato
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, grassi, steroidi,
fosfolipidi e 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 ciba e come costituenti
delle pareti cellulari.
Saturo
(a) Acido laurico (C12H24O2)
Attilio Citterio
Insaturo
(b)
Grassi
Trigliceridi
 1 molecola di glicerolo e 3 di acidi grassi
 Sono deputati allo stoccaggio dell’energia
Acido grasso 1
Acido grasso 2
Saturo
Saturo
condensazione
Idrolisi
Acido grasso 3
Insaturo
Glicerolo
Attilio Citterio
Steroidi
Colesterolo
 Si trova in:
• Membrane cellulari
• Ormoni
– Estrogeni e testosterone
 Deriva da:
• Dieta
• Fegato
Attilio Citterio
Fosfolipidi
 Sono fatti da digliceridi e
gruppi fosfato
Gruppi
nonlipidici
 Hanno regioni polare e
nonpolari
Gruppo
fosfato
 Compongono le
membrane cellulari
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
Attilio Citterio
Struttura delle Proteine
 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
Carbonio centrale
Gruppo
ammino
Gruppo Gruppo acido
R
carbossilico
(a) Struttura di un amminoacido
Condensazione
Idrolisi
Glicina (gly)
Alanina (ala)
(b) Formazione del legame peptidico
Attilio Citterio
Legame peptidico
Struttura delle Proteine
 La forma di una proteina depende 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
Subunità
di proteina
globulare
(b) Mioglobina
(c) Emoglobina
(d) Fibre di cheratina
Attilio Citterio
Enzimi e Reazioni Chimiche
 La maggior parte delle reazioni chimiche non avviene
spontaneamente o così lentamente che saremmo già tutti morti!
Substrati
 Gli enzimi aumentano la
velocità delle reazioni
 Si rigenerano nel corso
della reazione.
of
Sito attivo
ENZIMA
Stadio 1: I substrati
si legano al sito attivo
dell’enzima
Azione di un Enzima
Attilio Citterio
Complesso
enzima-substrato
Acidi Nucleici
 Costituenti: C, H, O, N, P
 Immagazzinano ed elaborano le informazioni a livello
molecolare
 Si trovano nelle cellule
Deossiribosio
Gruppo
fosfato
 2 tipi principali
Timina
Adenina
Legame a idrogeno
 DNA (ac. deossiribonucleico)
 RNA (ac. ribonucleico)
 Composti da nucleotidi
 3 componenti
Adenina
Guanina
• Zucchero
• Gruppo fosfato
• Base azotata
Citosina
Timina (DNA)
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)
Attilio Citterio