I LEGAMI CHIMICI E CLASSIFICAZIONE, REGOLA DELL'OTTETTO, Appunti di Biochimica

Scarica I LEGAMI CHIMICI E CLASSIFICAZIONE, REGOLA DELL'OTTETTO e più Appunti in PDF di Biochimica solo su Docsity! I LEGAMI CHIMICI Un elemento isolato lo rappresentiamo con la sua configurazione elettronica e non interagisce con nessun altro atomo. Quando, invece, due atomi si trovano a una distanza tale da consentire la formazione di un legame, la molecola che si forma è più stabile rispetto all’atomo isolato. Gli atomi tendono a combinarsi tra loro formando legami chimici. O2  molecola di ossigeno, biatomica, costituita da due atomi uguali, ossia di ossigeno. H2O  molecola d’acqua, triatomica, formata da 3 atomi, uno di ossigeno e 2 di idrogeno. Se scrivessimo solo O, C … prenderemmo in considerazione gli elementi allo stato puro. Il legame chimico è l’insieme delle forze che tengono uniti due o più atomi. Le forze coinvolte nella formazione dei legami chimici sono essenzialmente di due tipi: elettrostatico e covalente. Un legame di tipo elettrostatico si instaura tra due ioni. Lo ione è un’entità molecolare elettricamente carica, in genere derivanti dalla cessione o dall’acquisto di uno o più elettroni da parte di un atomo, una molecola o un gruppo di atomi legati fra loro. Esempio: partiamo dal sodio Na il quale ha un elettrone e poi prendiamo in considerazione il cloro Cl il quale ha 7 elettroni. Seguendo la regola dell’ottetto, il sodio tenderà facilmente a perdere questo elettrone e di cloro tenderà ad accettarlo. Nel momento in cui il sodio cede l’elettrone, acquista una carica positiva e diventa un catione. Il cloro, invece, acquistato una carica negativa, diventando così un anione. In questo caso si può formare un legame basandosi su una forza elettrostatica (legame chimico che troviamo nei sali). In altri casi come nella molecola d’acqua, quindi tra ossigeno ed idrogeno, hanno messo in compartecipazione con un elettrone, l’ossigeno ne ha messi due. In questo caso il legame è detto covalente poiché è basato sulla divisione degli elettroni. Il legame chimico si forma perché in tal modo gli atomi raggiungono uno stato più stabile che corrisponde ad un minimo di energia. REGOLA DELL’OTTETTO Durante la formazione di un legame chimico, l’atomo tende a cedere, acquistare o condividere elettroni in modo da avere nel livello più esterno 8 elettroni. Pertanto, l’atomo in considerazione tende ad assumere una configurazione elettronica esterna identica a quella del gas nobile con numero atomico più vicino. Esempi:  Azoto N  2s2 2p3 (2+3=5) dunque per raggiungere l’ottetto ha bisogno di reclutare 3 elettroni, in questo caso raggiungerà la configurazione elettronica del neon Ne 2s2 2p6.  Idrogeno H  recluta un solo elettrone (1s1) e raggiunge così il gas nobile più vicino ossia l’elio He 1s2. I gas nobili sono inerti, difficilmente reagiscono; con la regola dell’ottetto si raggiunge la massima stabilità energetica.  Sodio Na  3s1 tenderà a cedere un elettrone ed assumerà la configurazione del neon Ne 2s2 2p6 (ha un elettrone spaiato).  Calcio Ca  4ss2 deve cedere 2 elettroni ed assumerà la configurazione dell’argon Ar 3s2 3p6. Il sodio e il calcio rappresentati nella loro forma ionica sono: Na+ (catione monovalente) Ca2+ (il 2+ ci dice che ha perso 2 elettroni. Gli elementi di transizione possono avere un numero di ossidazione variabile, possono cedere numeri diversi di elettroni. I LEGAMI CHIMICI E CLASSIFICAZIONE Nelle molecole gli atomi dei vari elementi sono uniti mediante legami chimici. 1. Intramolecolari:  legame ionico;  legame covalente  omeopolare (O2), eteropolare (H2O), dativo Lo scopo dei legami intramolecolari è quello di permettere a tutti gli atomi di raggiungere l’ottetto completo. 2. Intermolecolari:  legame dipolo-dipolo;  legame ione-dipolo;  ponte ad idrogeno;  forze di Van der Waals. Le forze intermolecolare si sviluppano tra le molecole, sono deboli e di natura elettrostatica. LEGAME IONICO Si forma tra due ioni di carica opposta: Na+ Cl- e quando c’è una grande differenza di negatività tra gli atomi interessati (in genere tra elementi dei gruppi I e II e quelli dei gruppi VI e VII della tavola periodica). Grande forza elettrostatica stabilizza questo legame il quale è molto forte, difficile da scindere (possiamo scogliere il sodio clorulo nell’acqua quindi l’acqua ci riesce) Esempi: Litioclorulo  Li Cl = Li+ Cl- Elettronegatività: Li = 1,0 Elettronegatività: Cl = 3,0 Delta, differenziale: Δ = 2,0 Magnesioclorulo  Mg Cl2 = Mg++ Cl- Cl- Elettronegatività: Mg = 1,2 Elettronegatività: Cl = 3,0 Delta, differenziale: Δ = 1,8 I composti ionici sono sostanze solide a struttura cristallina e presentano alti punti di fusione. Essi non conducono la corrente allo stato solido mentre sono ottimi conduttori allo stato liquido perché gli ioni che li compongono sono liberi di muoversi. LEGAME COVALENTE Si verifica quando la differenza di elettronegatività tra i due atomi non è tanto grande da permettere il trasferimento di elettroni da un atomo all’altro. Si forma tra atomi uguali (Cl, O, N, H). H + H  Cl – Cl Cl + Cl  Cl – Cl O + O  O = O (doppio legame) N + N  N ≡ N (triplo legame) Il legame covalente che si verifica tra atomi uguali viene detto omeopolare o puro (hanno stesso valore di elettronegatività). Le molecole che si formano in genere non sono polari. I composti covalenti possono essere sia solidi che liquidi che gassosi. LEGAME COVALENTE ETEROPOLARE L’intensità del legame ad idrogeno dipende anche dalla disposizione dei 3 atomi considerati. Lo troviamo ad esempio negli alcool. Ho una funzione ossidrilica e ho un ponte ad idrogeno con questo ossigeno che è impegnato nella formazione di un legame triplo con il fosforo. Possiamo avere geometrie diverse. In questo caso i 3 atomi sono coassiali, tutti e 3 sullo stesso asse ed è un legame molto forte. Oppure nel caso si instaurasse un angolo in questo legame ad idrogeno (ci sono sostituenti che fanno si che questo legame si orienti), in questo caso i 3 atomi non sono più orientati lungo lo stesso asse e in questo caso il legame sarà più debole; meno energia per dissociarsi e meno energia per la formazione di questo legame. Il legame è più forte se i 3 atomi sono orientati lungo lo stesso asse. Quando parliamo di ponte ad idrogeno c’è una specie accettore (in questo caso è mostrata la funzione carbonile) e una specie donatore. Questi tipi di legame si instaurano ogni volta che un atomo di idrogeno fa da ponte, ossia è condiviso, tra due atomi fortemente elettronegativi (N, O, F). ESEMPI DI LEGAMI AD IDROGENO DI IMPORTANZA BIOLOGICA L’ACQUA (H2O) L’acqua è il solvente universale nei sistemi biologici. È un composto covalente con elevata costante dielettrica. Prendiamo in esempio il composto sodio cloruro NaCl, a temperatura ambiente lo troviamo allo stato cristallino ed è difficile farlo passare allo stato liquidò perché ha una temperatura di fusione molto elevata. È molto difficile rompere un legame di tipo elettrostatico perché l’attrazione tra questi due ioni di carica opposta è molta elevata. Se prendiamo un contenitore di acqua e ci mettiamo sodio cloruro NaCl, quest’ultimo va in soluzione. Si presenta il processo di solvatazione. La solvatazione è un processo chimico che consiste nella formazione di complessi tra solvente e soluto; nel processo di solvatazione le molecole del soluto sono circondate e portate in soluzione dalle molecole del solvente. La solvatazione è possibile quando il soluto si scioglie nel solvente (si ha la solubilità). Una regola generale della solubilità indica che «i simili sciolgono i simili» Quindi:  i solventi polari risultano ottimi solventi di soluti polari o di solidi ionici. Acqua ed etanolo, sono solubili l’uno nell’altro in tutte le proporzioni poiché sono entrambi liquidi polari. Quando essi si mescolano, si ha il processo di solvatazione (solvatazione dell’etanolo da parte dell’acqua)  i solventi non polari sono buoni solventi liquidi e solidi non polari. I grassi ad esempio sono solubilizzati solo da solventi non polari, quali benzina, trielina, tetracloruro di carbonio … Quando si mescolano si ha il processo di solvatazione. Nel caso in cui il solvente responsabile della solfatazione sia acqua, il processo prende il nome di idratazione. Solubilizzazione delle sostanze ioniche in ambiente acquoso mediante solvatazione degli ioni: dissociazione elettrolitica. I legami ad idrogeno sono i responsabili dello stato fisico dell’acqua. Allo stato solido (ghiaccio) ogni molecola d’acqua forma 4s legami ad idrogeno così ordinati da conferire al ghiaccio una struttura cristallina. Allo stato liquido i legami ad idrogeno sono inferiori e si rompono e si riformano continuamente col movimento delle molecole d’acqua. Nel suo stato gassoso, l’acqua non forma legami ad idrogeno. Ebollizione  100° Fusione  0° LEGAMI IDROGENO TRA GRUPPI FUNZIONALI La solubilità di una sostanza polare o ionica aumenta quando essa possiede alcuni gruppi funzionali. L’acqua forma legami ad idrogeno con gruppi ossidrilici, gruppi chetonici, gruppi carbossilici e gruppi amminici. Il gruppo ossidrilico (idrossilico) –ROH è il gruppo caratteristico monovalente di idrossidi, alcoli e fenoli. I gruppi chetonici sono caratterizzati dalla presenza di un gruppo carbonile C = O il cui carbonio con ibridazione sp2 è direttamente legato a due gruppi R idrocarburici che possono essere sia alifatici sia aromatici. Il gruppo carbossilico è un gruppo ossidrilico legato a un gruppo carbonilico. Lo contengono gli acidi carbossilici (gruppo funzionale RCOOH). Il gruppo amminico –NH2 è il gruppo caratteristico delle ammine. Può essere legato ad un residuo alchilico o arilico. Le biomolecole sono ricche di questi gruppi funzionali.