Inter- i intra- molekularne sile

Prof. dr. sc. Jasna Lovrić

Periodni sustav elemenata

Veze između atoma• Kovalentna

• Između nemetala • u anorganskim molekulama

(N2, H2CO3)• U organskim molekulama

(H2NCH2COOH)• Jednostruka (H-H)• Višestruka (C=O, HC=N)• Polarna

(H2O, HCl, CH3OH) • Nepolarna

(O2, CO2, H3C-CH3)

• Ionska

• Između metala i nemetala

• Polarna vezaNaCl

Koordinativna veza

• Vrsta kovalentne veze (dativna veza)• Veza se ostvaruje između atoma od kojih

samo jedan atom donira oba elektrona za ostvarivanje veze

• Kompleksi – hemoglobin (dušik iz pirolnihprstena donira elektrone željezu)

Koordinativna veza• Donori elektrona za

zajednički elektronski par mogu biti:

• Monodentatni ligandi- mogućnost vezanja na metal

samo preko jednog atoma koji nosi elektrone

• Bidentatni ligandi- mogućnost vezanja na metal

preko dva atoma koja nose elektrone

• Polidentatni ligandi(EDTA, trifosfatni ion)

- mogućnost vezanja na metal preko više atoma koja nose elektrone

CH2CH2N

:

N

C

CH2

CH2

CH2

CH2

C

CC

OO

O O

O O

O O

:

:: ::

:

: : ::

:

:

::

:

::

::

::

4 -

etilendiamintetraacetatni ionEDTA

PO O P

O

O

: :

::

:PO O

O: :

O ::

: O ::

:

O: :

:

::

:: :

5 -trifosfatni ion

POLIDENTATNI LIGANDI

Struktura hema

Kompleksi u biološkim sustavima

1. Neophodni: u pohrani i transportu kisika, prijenosu elektrona,

kao katalizatori, biotransformaciji ksenobiotika, fotosintezi

2. Primjena kompleksa u terapiji:

a) antireumatici - spojevi zlata(I)

b) antitumorsko djelovanje organo-metalnih spojeva

- kompleksi arsena, platine, germanija: metaloceni: Ti, V, Nb,

Mo, Fe, Co

c) fotodinamička terapija karcinoma - metaloporfirini lantanoida -

gadolinija i lutecija

d) kod otrovanja teškim metalima olovom i živom3. Medicinskoj dijagnostici - dendrimeri

Vodikova vezaVodikova veza

Vodikove veze u biološkim sustavima

Intermolekularne vodikove veze

(voda, alkoholi, karboksilne kiseline...)

DONOR VODIKA

AKCEPTOR VODIKA

Primjeri biološki važnih vodikovih veza

INTRAMOLEKULARNE vodikove veze

INTERMOLEKULARNE vodikove veze

Intramolekularne vodikove veze(DNA, proteini, salicilaldehid,...)

Usmjerenost vodikovih veza

ΔbH = 10 - 40 kJ / mol

ΔbH (u vodi) = 15 kJ / mol

ΔbH (u proteinima) = 8,4 - 12,6 kJ / molΔbH (C-C) = 348 kJ / mol

ΔbH (C-H) = 416 kJ / mol

JAKA vodikova veza

SLABIJA vodikova veza

Nekovalentne interakcije

• Van der Waalsove privlačne sile• Hidrofobne interakcije• Hidrofilne sile

Van der Waalsove privlačne sile

Nekovalentne interakcije

C Oδ+ δ−

+ -

C Oδ+ δ−

+ -

C Oδ+ δ−

+ -

Cδ+ δ−

+ -H

H

H

C δ−δ+

-+H

H

H

Cδ+ δ−

+ -H

H

H

dipol-dipol

dipol-inducirani dipol

inducirani dipol -

- inducirani dipol

Nekovalentne interakcije u biološkim membranama i micelama

CN C

H

(CH2)4

OH

CN C

H

CH2

OH

CN C

H

CH2

OH

NH3+ C NH2

O

CN C

H

CH2

O

H

CN C

H

CH2

OH

CN C

H

CH

OH

C

O-

O O

H

CH3CH3

Trodimenzionalna struktura proteina i njegova svojstva ovise o nekovalentnim interakcijama

Vezanje antigena naspecifično antitijelo ovisio kumulativnom efektuslabih interakcija

-vodikove veze i Van der Waalsove sile dovode do pada slobodne energije sustava i do stabilizacije molekule

Sve nekovalentne interakcije kontinuirano nastaju i nestaju.

Iako su nekovalentne interakcije slabe, unutarbiomolekula postoji mnogo takovih interakcija te suone zbog kumulativnog efekta značajne.

Stvaranje svake nekovalentne interakcije dovodi do smanjenja slobodne energije sustava a posljedica jepovećana stabilizacija molekule.

VODA - struktura i svojstva

Ukupni sadržaj vode na Zemlji1,28 x 109 km3

Ukupni sadržaj slatke vode3 x 107 km3

¾ površine Zemlje prekrivaju oceani, a ¼ čine riječni vodeni tokovi ili podzemne vode (regulacija klime)

Atmosfera može u obliku pare primiti do 4 volumna % vode

Voda može biti vezana u kristalima - kristalna voda (CuSO4 x 5 H2O, FeSO4 x 7 H2O)

• Svakom stanovniku na Zemlji pripada 46 m3

pitke vode

• Živi organizmi sadrže čak do 90 % vode

• Organizam čovjeka sadrži 45 -75 % ukupne mase

• Dnevno u respiracijskom lancu nastaje 800-900 g metaboličke vode

• Bez hrane možemo preživjeti ~ 60 dana, a bez vode desetak dana

• Termalna regulacija živih organizama

Sveprisutna voda• Stvar ili tvar• meduza• krastavci• salata• lubenica• kupus• novorođenče• odrastao muškarac• drvo (svježe)• špek• orah• papir• zrak

• Maseni udio / %9996,194,892,182,4706050205,3< 5< 1

H-O-H kut je 104,45 °

ElektronegativnostKisika 3,44Vodika 2,20

Struktura molekule vode

U vodi dolazi do 3 vrste interakcija: elektrostatske interakcije, van der Waalsove i hidrofobne interakcije

Svojstvo Voda Metanol Dimetil eterFormula H2O CH3OH H3C-O-CH3

Molekularna težina (g mol -1) 18 32 46

Gustoća ( kg L-1) 0.998 0.7914 0.713

Vrelište ( °C) 100 65 25

Volumen molekule (nm3) 0.0299 0.0420 0.107

Volumen fuzije (nm3) 0.0027 negativan negativan

Temperatura pri kojoj imamaksimalnu gustoću (K)

277 nema nema

Specifična toplina (J K-1 g-1)(J K-1 mol-1)

4.1875.2

2.5381.0

2.37109

Toplina isparavanja (kJ g-1)(kJ mol-1)

2.341.4

1.1637.1

0.4018.4

Površinska napetost (mN m-1) 72.8 22.6 16.4

Viskoznost (μPa s) 1002 550 233

Dielektrična konstanta 78.6 33.6 5.0

Dipolni moment (Cm x 1030) 6.01 5.68 4.34

Fizikalna svojstva vode

Ionizacija vode

[ ][ ][ ]OH

OHH2

-+

=cK Kc =1,82·10-16 mol dm-3 t = 25 °C

H2O H+ + OH-

PERIODA

Tv / ºC

Vodikove veze u vodi su “kratkoživuće” - 1 x 10-9 s

1. porast temp. uzrokujeporast gustoće vode

2. povišenjem temp. povećava

se kinetičko gibanje

molekula vode

- anomalija vode

Kristalna struktura leda

Svaki atom O je okružen s 4 H atoma – 2 su na udaljenosti 97 pm a 2 na 179 pm

H2O(s)→ H2O(l)

ΔH = 5,9 kJ / mol

H2O(l)→ H2O(g)

ΔH = 44 kJ / mol

Specifični toplinski kapacitet vode C(H2O) = 4,184 J/g °C

Toplinski kapacitet je količina topline koja se mora dodati ili

oduzeti tvari da bi mu se temperatura promijenila za 1 °C

1000 g vode apsorbira 4 kJ - 1 °C

•m 70 kg vode - 10000 kJ za metabolizam – smrt!

Dielektrična konstanta vode ε = 78,6

(permitivnost)

F = Q1 Q2 / ε r2

Dielektrična konstanta ili permitivnost (ε) je mjera sposobnosti tvari da smanji elektrostatske sile između dva nabijena tijela.

Što je vrijednost dielektrične konstante manja smanjenje je veće.Dielektrična konstanta za različite materijale pri 20 °C iznosi:

vakuum 1zrak 1.00058

staklo 3benzen 2.3

octena kiselina 6.2amonijak 15.5

etanol 25glicerol 56

voda 81Vrijednost dielektrične konstante opada s porastom temperature.

Voda

• H2O ⇒ amfolitH2O H+ + OH-

: O:

HHLewisova baza

Nukleofilni reagens

Voda kao otapalo• polarno otapalo za veliki broj ionskih spojeva – hidratizirani ioni

• mnoge tvari su dobro topljive u vodi zbog mogućnosti stvaranja vodikovih veza –šećeri, niži alkoholi…

• u vodi se dobro otapaju organske molekule s ionizabilnim grupama i mnoge neutralne organske molekule s polarnim funkcionalnim grupama

Topljivost tvari• Topljivost tvari je maksimalna količina tvari koja se

pri danoj temperaturi može otopiti u određenoj količini otapala, a ovisi o strukturi i svojstvima tvari kao i o tlaku (kod plinova).

• tekućine i plinovi se miješaju s vodom u različitim omjerima

• topljivost čvrstih tvari u vodi je ograničena

• otapanje može biti EGZOTERMNO i ENDOTERMNO

• čvrsta tvar se otapa dok otopina (pri danoj temperaturi) ne postane zasićena – konkrementi Ca(COO)2

Proces otapanja ionskih tvari u vodi

Na+

Cl-1. Prevladavanje privlačnih sila u krutini

2. HidratacijaOrijentacija molekula vode oko otopljene tvari

Topljivost tvari u vodi

Temperatura

topl

jivos

t, g

/100

mL

vode Većina krutina

(endotermnootapanje)

Neke krutine(egzotermnootapanje)

Plinovi npr. O2, N2

• topljivost plinova je različita obzirom na njihovu sposobnost reagiranja s vodom

• Plinovi koji kemijski NE reagiraju s vodom (O2, N2 ) pokoravaju se Henryevom zakonu –otapaju se egzotermno

• Plinovi koji kemijski reagiraju s vodom (CO2, NH3, SO2, SO3) NE pokoravaju se Henryevom zakonu – daju kiseline ili baze

OTAPANJE PLINOVA U VODI

O2

He

N2

O2

He

N2

0,5 1,0 10 20 30 40 50

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

tlak / bar temperatura / ºC

V(plin)/mLotopljeno u100 g H2O

V(plin)/mLotopljeno u100 g H2O

•O2, N2 ne reagiraju s vodom – otapaju se egzotermno

Topljivost plinova u vodi obzirom na tlak i temperaturu

Topljivost plinova u vodi obzirom na tlak

W. Henry (1775 – 1836) – topljivost plinova u tekućinama proporcionalna je parcijalnom tlaku plina

Otapanje nepolarnih molekula u vodi

•amfipatske molekule(polarni i nepolarni dio) u vodi stvaraju micele

Tjelesne tekućine(kod zdravog muškarca mase 70 kg)

• 41,4 kg vode (~ 60%; ~ 42 L) raspoređen je u 2 odjeljka pa razlikujemo izvanstaničnu i unutarstaničnu, te transcelularnu tekućinu

• Unutarstanična tekućina: ~ 67%; ~28 L• Izvanstanična tekućina: ~ 20%, ~14 L

(međustanična i krvna plazma)• Transcelularna tekućina: 1-2 L

(u sinovijalnom, peritonealnom, perikardijalnom i intraokularnom prostoru kao i cerebrosinalnilikvor)

• Probavni trakt (slina, želučani sokovi, sekret pankreasa) slije se dnevno 8 L vode

• Glavnina vode u crijevima ponovo se resorbira i prelazi u krv

• Dnevna količina mokraće iznosi 1000-1500 mL (96% vode)

Dnevni gubitak tekućine

• ~ 2,3 L pri normalnim tjelesnim aktivnostima

• 1,4 L preko mokraće• 350 mL preko kože• 350 mL preko pluća• 200 mL znojenjem i stolicom

• 6,6 L prilikom velikih tjelesnih napora