Struttura e funzione delle molecole organiche negli alimenti

Struttura e funzione delle molecole

organiche negli alimenti

ESAME

- 6 ESERCIZI

- Relazione sull’attività di laboratorio, sommaria di tutte e quattro le relazioni

INTRODUZIONE

La chimica organica è la chimica del CARBONIO e dei suoi composti, il carbonio è un non

metallo

Il nome chimica organica viene dalla parola organismo. Essa nacque come tentativo di

svelare la chimica della vita.

Un organismo vivente è formato da acqua per il 50-95% e anche da piccoli ioni come quelli

del sodio, del calcio e del potassio, ma per non più dell’1%; la restante parte è costituita

essenzialmente da molecole organiche

Le sostanze organiche sono quindi i mattoni fondamentali della materia vivente.

Le molecole sono formate da atomi legati tra loro e hanno una:

1. STRUTTURA MOLECOLARE determinata dagli atomi legati:

➜

- Struttura primaria atomi, legami

➜

- Forma tridimensionale dipende dalle lunghezze di legame, angoli di legame

➜

- Distribuzione elettronica energia di legame, polarità.

Gli elettroni si distribuiscono in modo diverso nelle molecole e determinano la reattività

2. PROPRIETÀ delle molecole:

- stato fisico

- momento dipolare

- solubilità/miscibilità ecc.

3. REATTIVITÀ DELLE MOLECOLE, se faccio interagire due molecole

- quali legami si rompono

- in che modo si rompono

Le molecole sono estremamente diverse, si differenziano per COLORE, ODORE e SAPORE

- COLORE I composti organici hanno diverse caratteristiche chimico fisiche: possono

essere colorati, incolore, solidi, liquidi, azulene è piccolo; la cellulosa è grande

- ODORE Alcuni composti organici sono volatili e rappresentano i ligandi di recettori

olfattivi. T-butiltiolo ( aggiunto al metano che non ha odore)

- SAPORE In base alla loro struttura chimica, interagiscono con i recettori del gusto.

Principio aromatizzante del pompelmo (l’uomo riesce a percepirlo a

concentrazioni di 2 x 10-5 parti per miliardo)

La chimica organica è alla base dell’industria sia di benzina ma anche coloranti,

polimeri, detergenti, alla base degli aromi e dei profumi, industria farmaceutica

Una molecola deve avere caratteristiche fisiche, piccola e volatile per poter arrivare ai

recettori del naso. Il mentolo è una molecola piccola per poter arrivare ai recettori del

naso. L’amido per esempio essendo grande no.

PERCHÉ IL CARBONIO?

- È relativamente abbondante

- Può formare fino a 4 legami covalenti stabili, perché per raggiungere l’ottetto ha

bisogno di 4 elettroni

- Può scegliere varie ibridazioni quindi varie geometrie

- È di elettronegatività intermedia, quindi forma sia composti polari che non-polari

- Il legame C-C è forte, ed è l’unico adatto a formare lunghe catene, anelli ecc. è molto

difficile da rompere

ATOMI E LEGAMI

LEGAME TRA ATOMI Due atomi formano un legame se la loro interazione è “favorita”

à

ad es. se si sviluppa energia sotto forma di calore.

Esistono due cause che portano alla liberazione di energia

1) Cariche opposte lontane si avvicinano l’una all’altra

2) Gli elettroni sono diffusi nello spazio

I legami si formano grazie alle attrazioni coulombiane e allo scambio di elettroni.

Gli atomi tendono a formare le molecole. Nel nucleo di ciascun atomo ci sono presenti

protoni e neutroni. Il volume attorno al nucleo è occupato dagli elettroni che orbitano

- Gli elettroni occupano prima gli orbitali a livelli energetici minori

- Nel primo guscio ci sono massimo 2 elettroni secondo il principio di esclusione del

Pauli, nei gusci seguenti ci sono massimo 8 elettroni

PERCHÉ GLI ATOMI TENDONO A FORMARE LE MOLECOLE?

L’obbiettivo finale è raggiungere una conformazione elettronica stabile simile a quella

dei gas nobili, l’ottetto. Esempio il sodio tende a perdere un elettrone per raggiungere

la conformazione elettronica del neon. Il cloro invece aggiunge un elettrone per poter

assumere la conformazione del argon.

Ogni atomo lega altri atomi con l’obiettivo di raggiungere l’ottetto, occupare il guscio

esterno, cioè la configurazione elettronica stabile del gas nobile che lo segue o precede.

Un atomo è particolarmente stabile quando tutti i suoi elettroni si trovano al loro livello

energetico più basso e

quando tale livello è completamente riempito da elettroni.

- Gli atomi in cui il livello più esterno è riempito solo parzialmente tendono a interagire

con altri atomi per completare il proprio livello più esterno, dando origine alle reazioni

chimiche.

- Alcuni atomi tendono a cedere elettroni (es metalli alcalini del primo gruppo) altri

tendono ad acquistarli (es alogeni) e molti altri tendono a mettere in comune i propri

elettroni.

- Quando gli atomi reagiscono tra loro si formano nuove particelle costituite da due o più

atomi tenuti insieme da legami chimici: le molecole

Si possono avere legami ionici e covalenti

LEGAME COVALENTE

Un legame covalente si forma quando 2 atomi (es. di

idrogeno) mettono in compartecipazione i loro

elettroni, non si perdono o acquistano elettroni, ma

vengono condivisi

- Può avvenire fra due atomi uguali (2 atomi di H)

formando un legame simmetrico, o avvenire fra due

atomi con diversa elettronegatività formando un

legame covalente asimmetrico, si forma quindi un

legame covalente polare, perché l’atomo più

elettronegativo tira con più forza gli elettroni e la

distribuzione è sbilanciata. Il più elettronegativo

acquista una carica parziale negativa.

Facendo interagire due atomi di idrogeno, si forma la molecola di idrogeno H2 gli elettroni

sono messi n compartecipazione

- Una specie ricca di elettroni viene detta NUCLEOFILA, una povera di elettroni viene detta

ELETTROFILA. Una NUCLEOFILA interagirà con ELETTROGILA, non succederà mai che

interagiscono due ELETTTOFILE

- I legami covalenti fra atomi a diversa elettronegatività si dicono POLARI. Il “centro di

gravità” della densità elettronica dovuta agli elettroni non condivisi risultano spostati

verso l’atomo più elettronegativo.

- Anche se la molecola nel suo insieme è elettricamente neutra (non sono ioni), una

➜

!+ !-

estremità avrà carica parziale positiva e l’altra carica parziale negativa si ottiene

un DIPOLO. Questa molecola interagisce bene con una molecola che è ricca di elettroni

- Es. La molecola di acqua è complessivamente neutra ma la carica parziale negativa

è concentrata sull’O, quella parziale positiva è concentrata sull’H, è quindi un

dipolo.

- Es. La molecola dell’anidride carbonica pur avendo legami polari

complessivamente non è polare perché, a causa della sua geometria lineare, i due

momenti di dipolo si annullano a vicenda. È SIMMETRICA. È una molecola piatta

essendo che l’effetto dell’ossigeno è controbilanciato

DIFFERENZA E TIPO DI LEGAME:

➜

- 0 Covalente

➜

- 0 < e <2 Covalente polare. In questo legame uno dei due atomi attira maggiormente

gli elettroni verso di sé acquisendo una parziale carica negativa e reagirà con composti a

carica positiva, l’altra porzione della molecola avrà una carica parziale positiva e reagirà

con composti a carica negativa

➜

- ≥ 2 Ionico

- Momento dipolare µ = qd

- Il momento dipolare misura la tendenza del dipolo ad orientarsi in un campo elettrico

esterno.

- Non tutte le molecole con legami polari sono dipoli, solo le asimmetriche

- Una molecola è polare solo quando la distribuzione di carica NON è SIMMETRICA, come

ad es in HF. In alcune molecole simmetriche i dipoli dei singoli legami si compensano

fornendo un momento dipolare risultante zero. Come ad esempio in CO2, il carbonio

forma 2 doppi legami con gli atomi di ossigeno, la geometria diventa lineare

e i dipoli si annullano. La molecola dell’anidride carbonica pur avendo legami polari

complessivamente non è polare perché, a causa della sua geometria lineare, i due

momenti di dipolo si annullano a vicenda.

- Es. L’azoto dell’ammoniaca fa 3 legami con idrogeno, il doppietto elettronico che

avanza viene ceduto all’idrogeno se reagisce con un acido (es.HCl). Quindi si

formano NH4 e Cl-

Il simile scioglie il simile: le molecole devono poter instaurare delle interazioni tra loro.

Molecole con momento di dipolo alto sono

in grado di sciogliere molecole più polari.

LEGAME IONICO

- Nel legame ionico gli elettroni vengono ceduti e acquistati,

non messi in compartecipazione

- Si forma fra due atomi con alta differenza di elettronegatività

- Nel legame ionico un atomo cede completamente un e-

all’altro atomo, catione, mentre l’atomo che accetta

l’elettrone è l’anione

- In questo legame gli ioni prendono/cedono elettroni, perché

entrambi hanno l’obiettivo di raggiungere la configurazione

elettronica stabile del gas

nobile che lo segue o precede.

- Il cloro è molto elettronegativo e tende ad accettare un elettrone per raggiungere

Argon, il gas nobile suo successivo

DOPPIO LEGAME

Il doppio legame è un legame rigido che può dare origine a strutture CIS (si modifica) e

TRANS (resta lineare). Il doppio legame è rigido fra due carboni si ha

perché avviene la sovrapposizione degli orbitali p del legame σ.

LEGAME IDROGENO

Può essere intermolecolare (tra le molecole) o intramolecolare ( tra gli atomi che

compongono la molecola). Energia pari a ca. 3-5 Kcal/mole

Fortemente direzionale, si forma in natura. L’ acqua è capace di creare un legame

idrogeno molto forte. Nel bicchiere pieno d’acqua, le molecole interagiscono

intermoelcolarmente. Quando bolle l’acqua si rompono i legami idrogeno ma non i

legami covalenti.

Si forma tra un atomo fortemente elettronegativo e piccolo del primo periodo

(accettore, di solito O, N, F) e un atomo di idrogeno polarizzato a carica parziale

!+

positiva (donatore). L’idrogeno può instaurare un legame idrogeno perché legato a un

!-

altro atomo elettronegativo a carica parziale negativa

- In un bicchiere di acqua le molecole di H2O formano legami H tra l’ossigeno di una

molecola e l’idrogeno di un’altra. Queste molecole hanno una T di ebollizione alta

perché le forze intermolecolari sono forti. Ebollizione è la temperatura a cui viene il

passaggio di stato, rompendo le forze di inetrazioni intermolecolari.

- Anche acqua e acetone possono ormare legami H, tra l’H dell’acqua e l’ossigeno

➜

dell’acetone; ecco perché acqua e acetone sono immiscibili due composti per essere

immiscibili devono instaurare interazioni intermolecolari.

- Un composto polare si scoglie in solvente polare (simile scioglie il simile) e composto

apolare si scoglie in composto apolare. BISOGNA GUARDARE LE INTERAZIONI

INTERMOLECOLARI.

- L’acqua ha ottime proprietà solventi, soprattutto nei confronti dei composti ionici;

NaCl si scioglie nell’acqua perché Na+ si circonda di molecole d’acqua che lo vanno a

solvatare tramite l’ossigeno, Cl- viene invece circondato da H.

L’ACQUA

I 2/3 del corpo umano costituiti da acqua

È un’importantissima componente per gli alimenti; interagendo con proteine, lipidi,

carboidrati e sali determina la “texture” di un alimento.

L’acqua fonde e bolle a temperatura molto più alta di composti simili, perché le stesse

molecole di acqua interagiscono tra loro con legami idrogeno. Si espande quando

congela (densità massima a 4 °C: il ghiaccio galleggia). Di solito una sostanza ha densità

maggiore allo stato solido.

È un solvente che scioglie molte sostanze polari in grado di instaurare interazioni

intermolecolari come legami idrogeno, dipolo-dipolo, dipolo-ione (sali, vitamine,

zuccheri, gas, pigmenti etc.)

È un ottimo solvente, soprattutto nei confronti dei composti ionici (polari).

Ogni molecola di acqua è legata mediamente ad altre 4 (numero di coordinazione).

E’ un processo dinamico (a 0°C orientamento cambia 1011 volte al secondo!).

Acqua liquida e ghiaccio sono perciò altamente strutturati. La temperatura influenza

questa struttura.

Acqua liquida e ghiaccio differiscono nella distanza media tra le molecole, nel n. di

coordinazione e nella durata media delle interazioni

ACQUA E METANO

La temperatura di ebollizione dipende dall’energia necessaria per rompere i legami,

osservare solo le interazioni che si formano, se sono interazioni forte serve energia

maggiore. Osservando l’acqua e il metano, perché il metano ha una T di ebollizione

minore, il legame C e H è forte, ma le interazioni INETRMOLECOLARI sono molto deboli,

poco polarizzato. L’idrofono del metano non possono fare legami idrogeno, c’è poca

differenza di elettroni. Nella molecola d’acqua il legame covalente porta gli elettroni

verso l’ossigeno che acquista una carica parziale positiva, nel metano non c’è una

distribuzione simile

IL LEGAME INTERMOELCOLARE

Gli atomi sono legati tra loro con legami

intramolecolari, normalmente sono legami

covalenti e covalenti polari (elettroni spostati

verso l’atomo più elettronegativo che assume

parziale carica negativa). Invece le

interazioni tra diverse molecole sono i legami

intermolecolari e dipendono dalla struttura e

➜

carica molecolare possono essere ione-

ione, ione-dipolo (NaCl si scioglie bene in

H2O, Na+ viene circondato dall’ossigeno dell’acqua che ha parziale carica negativa,

mentre Cl- viene circondato dall’idrogeno dell’acqua con carica parziale positiva, i due

ioni vengono circondati dalle molecole d’acqua formando reazioni intermolecolari molto

forti)

L’acetone CH3C=OCH3 (propanone, è un chetone) instaura interazioni dipolo-dipolo con

la molecola d’acqua, per questo viene utilizzato acetone per pulire/asciugare la vetreria

bagnata, perché lega e si porta via l’acqua. Nel legame C=O il C ha una parziale carica

positiva, mentre O ha una parziale carica negativa perché è più elettronegativo e attira

elettroni del legame verso di sè

L’acetato CH3COO- (anione dell’acido acetico) a contatto con il benzene C6H6

interagisce tramite ione-dipolo indotto, ma ha forza minore di ione-dipolo e di dipolo-

dipolo

- Maggiore è la forza dell’interazione intermolecolare TRA MOLECOLE DIVERSE, maggiore

sarà l’energia necessaria per rompere il legame ed effettuare il passaggio di stato . Al

contrario la reattività di una molecola dipende dai legami intramolecolari, dalle

caratteristiche di carica ed elettronegatività, se la molecola è nucleofila (affine alle

cariche positive, ad es OH- cerca +) o elettrofila (affine alle cariche negative)

LEGAMI DI VAN DER WAALS

- Deboli legami, di natura elettrostatica, che si formano tra

molecole elettricamente neutre.

- Tra composti che non hanno una grande distribuzione di

carica, principalmente apolari o debolmente polari, si

instaurano interazioni più deboli, quindi avranno T di

ebollizzione più bassa

ff

E etto della polarità sulle proprietà fisiche delle molecole

Tenendo conto della polarità delle molecole e dei legami

intermolecolari si spiegano alcune differenze nelle proprietà

chimico fisiche dei composti

organici, come ad es il punto

di ebollizione:

1. Esano: idrocarburo di 6 C

legati a H con legami

covalenti poco polari.

L’esano instaura deboli

interazioni con altre

molecole di esano, quindi il

punto di ebollizione è

minore (mi serve meno

energia)

2. Etere: è presente un

atomo di ossigeno più

elettronegativo che porta ad

avere interazioni più polari

con altre molecole, quindi il

p.e. aumenta

3. 1-pentanolo: alcol in cui è

presente un H legato ad un

atomo molto elettronegativo

cioè l’ossigeno; quindi, è una molecola in grado di instaurare legami idrogeno con altre

molecole che abbiano atomi elettronegativi. Questi legami intermolecolari sono più forti

di quelli che possono instaurare le molecole precedenti, quindi il pentanolo ha p.e.

maggiore. Il gruppo OH fa si ce ci sia un legame idrogeno

ORBITALI ATOMICI E MOLECOLARI

La descrizione

quantomeccanica del moto

degli elettroni attorno al

nucleo: gli orbitali

atomici. Il movimento

degli elettroni attorno al

nucleo può essere

descritto mediante

equazioni d’onda. Le soluzioni di queste equazioni sono gli orbitali atomici, i quali

➜

disegnano, in maniera approssimata le regioni dello spazio caratterizzate da un’alta

probabilità di trovare l’elettrone.

- L’orbitale s è sferico, l’orbitale p assomiglia a

due sfere che si toccano. Ciascun orbitale può

essere occupato da un numero massimo di 2

elettroni aventi spin opposto (principio di

esclusione di Pauli).

- Quando 2 atomi interagiscono a formare

molecole si crea un orbitale molecolare che si

forma per sovrapposizione di due orbitali

atomici. I legami formati per sovrapposizione

lungo l’asse internucleare si dicono legami σ

sigma; quelli formati per sovrapposizione di

orbitali p perpendicolari all’asse internucleare

si dicono legami π pi grego

Gli orbitali ibridi

- La sovrapposizione di orbitali nello stesso

atomo dà origine a nuovi orbitali ibridi aventi

forma diversa, si formano perché l’atomo che

deve formare un legame deve mettere a

disposizione gli elettroni nella modalità migliore

➜

per interagire con un alt