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MODULO 7
Introduzione
L’Importanza della Chimica Organica
Gli Idrocarburi
I Derivati Funzionali
Le Biomolecole
( di Roberto Giuli e Lucia Pellei)
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I composti del carbonio
sono in numero gigante
e compongon gli organismi
delle bestie e delle piante.
Una volta eran creduti
dei composti assai speciali,
non potendo riprodursi
con sistemi artificiali:
si pensava ad una forza
che negli esseri viventi
desse luogo a quei prodotti
così strani e differenti;
finché Wöhler, ottenendo
mercé sintesi l'urea
e con metodi inorganici,
non fugò la falsa idea.
E se organica e inorganica
restan campi separati,
è perché forma il carbonio
dei prodotti sconfinati,
in virtù dei suoi stessi atomi,
che si posson molto bene
collegare fra di loro
per formar lunghe catene;
vi concorre pure il fatto
che il carbonio, alla fin fine,
oltre che per altri corpi,
per se stesso è molto affine.
Fra i caratteri ai composti
del carbonio peculiari,
è che in essi assai prevalgono
i legami non polari,
e perciò gli atomi assumono
posizioni assai svariate,
dando origine a molecole
da stessi atomi formate,
mentre i corpi risultanti
differiscon tuttavia
ed è questa, in fondo in fondo,
la famosa isomeria.
Quindi accade qualche volta
di trovar cento composti
che la formula hanno uguale
e i caratteri hanno opposti;
onde spesso ci si trova
nella grave congiuntura
che la greggia non ci basti:
ci vuol quella di struttura.
E a cercarla gioveranno
due principi generali
che s'avverano pur sempre,
salvo casi eccezionali.
L'uno dice che un composto
per esistere - badate -
vuol che gli atomi abbian tutte
le valenze saturate;
l'altro afferma che il carbonio
può talor diversamente
comportarsi, ma di norma
si può dir tetravalente.
E s'è inoltre constatato,
senza tema ormai d'errore,
che le sue quattro valenze
han l'identico valore.
Le catene che fan gli atomi
son di due grandi sistemi:
o son chiuse, se ad anello
si congiungono agli estremi,
o, al contrario, sono aperte,
se ciascuna estremità,
dritta oppur ramificata,
per suo conto invece va.
A catena aperta sono
quei composti non invano
detti grassi, o detti pure
derivati del metano.
Chi di chimica è digiuno,
di comprendermi non speri:
non è facile afferrare
questi lugubri misteri!
Da “La chimica in versi” (1926) di Alberto Cavaliere (Mursia Ed.)
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BREVE VIAGGIO NELLA CHIMICA DEL CARBONIO
Introduzione
Quando nel 1926 Alberto Cavaliere scrisse il suo curioso libro “La chimica in versi”, la chimica
organica, come allora veniva chiamata la chimica del carbonio, era già molto sviluppata, per cui
molti dei concetti da lui espressi sono validi ancora oggi. Proviamo quindi ad utilizzare la sua
introduzione alla chimica del carbonio in modo critico, analizzandone i concetti ancora attuali ed
eventualmente introducendo i correttivi che si sono sviluppati negli anni a seguire.
I composti del carbonio
sono in numero gigante
e compongon gli organismi
delle bestie e delle piante.
I composti del carbonio finora conosciuti sono più di 18 milioni, molti di più di quelli già noti ai
tempi del nostro chimico-poeta. Non solo: il progredire delle conoscenze fa sì che nuovi composti,
non esistenti in natura, vengano sintetizzati arricchendo cosi questa numerosa famiglia di sostanze.
Una volta eran creduti
dei composti assai speciali,
non potendo riprodursi
con sistemi artificiali:
si pensava ad una forza
che negli esseri viventi
desse luogo a quei prodotti
così strani e differenti;
I composti organici vennero a lungo ritenuti di natura differente da quella dei composti inorganici e
si pensava che la loro sintesi potesse avvenire solo negli organismi viventi da cui la definizione di
CHIMICA ORGANICA per la chimica che si occupava di questi composti così particolari per
azione di una “forza vitale” presente solo negli esseri viventi e capace di operare solo entro di essi.
finché Wöhler, ottenendo
mercé sintesi l'urea
e con metodi inorganici,
non fugò la falsa idea.
Wolher era un chimico tedesco convinto che gli esseri viventi fossero dotati di una sorta di
laboratorio chimico interno, grazie al quale riuscivano a sintetizzare i composti organici, ed era
perciò altrettanto convinto che in un laboratorio artificiale si potessero riprodurre le condizioni di
sintesi di queste sostanze. Prova che ti riprova, Wolher riuscì a sintetizzare, a partire
dall’ammoniaca (una sostanza inorganica) un grammo di urea, sostanza che era stata isolata
dall’urina e che era quindi di sicura origine organica. Wolher dimostrò quindi che non esisteva
nessuna “forza vitale” e che la chimica dei composti organici seguiva le stesse leggi di quella dei
corpi inanimati!
E se organica e inorganica
restan campi separati,
è perché forma il carbonio
dei prodotti sconfinati,
in virtù dei suoi stessi atomi,
che si posson molto bene
collegare fra di loro
per formar lunghe catene
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In effetti la caratteristica peculiare che differenzia il carbonio dagli altri elementi e quella di dare
luogo a lunghe catene di atomi di carbonio: questa caratteristica è all’origine del grande numero di
composti del carbonio esistenti e sintetizzabili.
vi concorre pure il fatto
che il carbonio, alla fin fine,
oltre che per altri corpi,
per se stesso è molto affine.
Il concetto di affinità chimica risale agli alchimisti per i quali essa era una proprietà, degli elementi
chimici, indicante la tendenza di uno di loro a legarsi con un altro. Goethe nel suo capolavoro “Le
affinità elettive” utilizza gli argomenti dell'affinità chimica (da cui il titolo) come metafora per le
relazioni interpersonali. Ora in effetti il carbonio ha affinità per se stesso… cioè si combina con se
stesso e questa è una proprietà rara da riscontrarsi tra gli elementi i quali, tendenzialmente,
preferiscono combinarsi con altri elementi.
Fra i caratteri ai composti
del carbonio peculiari,
è che in essi assai prevalgono
i legami non polari,
Il carbonio nei composti organici si combina con se stesso dando legami covalenti puri, con
l’idrogeno H dando legami sostanzialmente apolari, e con altri atomi più elettronegativi come
ossigeno O, azoto N, zolfo S, alogeni, dando legami discretamente polari. Le molecole organiche
risultano però nella maggior parte dei casi globalmente apolari.
e perciò gli atomi assumono
posizioni assai svariate,
dando origine a molecole
da stessi atomi formate,
mentre i corpi risultanti
differiscon tuttavia
ed è questa, in fondo in fondo,
la famosa isomeria.
Gli atomi delle molecole organiche, come vedremo meglio parlando degli idrocarburi, si possono
collegare tra loro in più modi, per cui si potranno avere molecole con caratteristiche chimico-fisiche
diverse ma composte dallo stesso tipo e numero di atomi. Tali molecole vengono dette isomeri ed il
fenomeno è detto ISOMERIA.
Quindi accade qualche volta
di trovar cento composti
che la formula hanno uguale
e i caratteri hanno opposti;
onde spesso ci si trova
nella grave congiuntura
che la greggia non ci basti:
ci vuol quella di struttura
Le sostanze inorganiche possono essere spesso identificate solo dalla formula “greggia” (= grezza o
bruta), che descrive solo il tipo ed il numero di atomi che costituiscono la molecola. Le sostanze
organiche, invece, necessitano anche della cosiddetta formula di struttura, che illustra in modo
sintetico come gli atomi sono collegati tra loro e dà quindi una idea della loro disposizione nello
spazio, oltre che della forma complessiva della molecola.
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E a cercarla gioveranno
due principi generali
che s'avverano pur sempre,
salvo casi eccezionali.
L'uno dice che un composto
per esistere - badate -
vuol che gli atomi abbian tutte
le valenze saturate;
l'altro afferma che il carbonio
può talor diversamente
comportarsi, ma di norma
si può dir tetravalente
Anche il concetto di valenza è sostanzialmente superato. La valenza è un termine usato per indicare
la capacità degli atomi di combinarsi con altri elementi: un atomo tetravalente è un atomo che può
formare 4 legami. Oggi si preferisce usare il numero di ossidazione, che esprime la carica fittizia che
un atomo assume quando si combina con un altro atomo e che dipende dal numero di elettroni che
l'atomo in questione assumerebbe se si assegnassero al più elettronegativo degli atomi interessati
dal legame tutti gli elettroni che danno origine al legame. Nei composti organici l’atomo di carbonio
forma sempre 4 legami.
E s'è inoltre constatato,
senza tema ormai d'errore,
che le sue quattro valenze
han l'identico valore
Questa affermazione non è del tutto condivisibile: avremo infatti, come vedremo, legami singoli,
doppi o tripli, e, quindi, lunghezze ed energie di legame diverse!
Le catene che fan gli atomi
son di due grandi sistemi:
o son chiuse, se ad anello
si congiungono agli estremi,
o, al contrario, sono aperte,
se ciascuna estremità,
dritta oppur ramificata,
per suo conto invece va.
Abbiamo dunque detto che il carbonio forma lunghe catene: queste possono essere aperte o chiuse
ad anello. Inoltre le catene possono avere delle ramificazioni, come accade al ramo di un albero.
A catena aperta sono
quei composti non invano
detti grassi, o detti pure
derivati del metano.
La cosiddetta serie grassa indicava gli idrocarburi saturi, oggi con il termine grassi si indicano i
trigliceridi ed altre sostanze di interesse prevalentemente biologico. Il metano è invece il composto
più semplice tra carbonio ed idrogeno, di formula grezza CH4.
Chi di chimica è digiuno,
di comprendermi non speri:
non è facile afferrare
questi lugubri misteri!
Speriamo che invece questo breve volo nel mondo della chimica organica vi aiuti a chiarire almeno
alcuni di questi misteri!
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La molecola dell’urea
L’importanza della chimica organica
Per chimica organica dunque s’intende comunemente la chimica dei
composti del carbonio.
Già abbiamo incontrato dei composti con questo elemento, il
monossido e il diossido di carbonio (CO e CO2) per esempio, l’anione
carbonato (CO3=), formalmente derivante dall’acido carbonico, l’acido
cianidrico (HCN) etc.: li consideriamo tutti composti inorganici.
Oggi la distinzione in auge fino alla prima metà dell’800, ovvero tra
chimica inorganica, che studia i
composti provenienti dal mondo
minerale e chimica organica, la quale
invece si occupa dei composti
provenienti dal mondo animale e vegetale, è accettata solo a livello
simbolico e storico; preferiamo considerare come “organici”, quei
composti in cui compare l’atomo di carbonio con numero di
ossidazione minore o uguale a +3 (con l’eccezione del monossido
di carbonio).
Fu il chimico svedese Jacob Berzelius a usare per la prima volta il termine
“chimica organica” nel 1807 e, come menzionato, fu il grande chimico tedesco
Friedrich Wöhler a dare l’avvio “ufficiale” all’epopea dei composti organici,
quando si rese conto di essere stato “in grado di preparare l’urea senza l’ausilio
di un rene” (lo scienziato la ottenne facendo reagire cianato d’argento con
cloruro d’ammonio, composti inorganici, con l’intenzione di ottenere cianato
d’ammonio); la sua scoperta ovviamente aprì un orizzonte pressoché illimitato
alla sintesi organica. Kekulè (Friedrich August Kekulé Von Stradonitz, che
avrebbe in seguito studiato a fondo il benzene), stabilì nel 1858 la tetravalenza
del carbonio, ovvero la proprietà di questo elemento di formare quattro legami.
Il Carbonio ha una grande affinità per i legami chimici con altri atomi leggeri, tra cui il carbonio
stesso; trovandosi inoltre al centro della tavola periodica (quarto gruppo, secondo periodo) il
carbonio non manifesta una grande attitudine né a perdere, né ad acquistare elettroni; piuttosto li
mette in compartecipazione, formando in tal modo legami covalenti con altri atomi.
Da qui l’attitudine a formare catene che possono, teoricamente,
arrivare all’infinito. Oggi si conoscono oltre diciotto milioni di
composti organici e un gran numero di questi si ottiene per
sintesi. Il grande sviluppo della chimica organica parte dalla
seconda metà del secolo XIX ed è parte integrante della
seconda rivoluzione industriale, al pari dell’avvento
dell’elettricità. Da allora tale sviluppo non conosce battute
d’arresto e oggi questa branca della chimica riveste
importanza vitale in molti campi; vediamone alcuni.
Friedrich Wohler
August Kekulé
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Biologia
Gli amminoacidi, costituenti primari delle proteine, le proteine stesse, gli enzimi, i carboidrati (zuccheri), i lipidi (grassi), i neuromediatori (adrenalina, acetilcolina, dopamina), strutture che
hanno il compito di tradurre il messaggio a livello delle terminazioni nervose, sono tutte molecole di
natura organica.
Il saccarosio è il comune zucchero da tavola, un disaccaride formato da due zuccheri semplici, così
come gli acidi nucleici (DNA, la cui complessa struttura a elica fu messa a punto da James Watson e
Francis Crick nel 1953, RNA), depositari dei caratteri e della trasmissione biologica, e gli enzimi,
veri e propri messaggeri biologici che “viaggiano” all’interno del nostro organismo.
Farmaci
La preparazione di medicamenti, utili a curare i disturbi
più vari, è un’attitudine tanto antica quanto l’uomo, che
conosce e usa le erbe fin dall’alba della sua storia e
intuisce già dall’inizio che queste contengono quelli che
oggi chiamiamo “princìpi attivi” (la frazione di farmaco
che possiede attività farmacologica).
Già nel 3000 a.c. comparvero i primi scritti che
tendevano a classificare le piante in base ai loro poteri
magici e terapeutici.
Gli antichi romani usavano succhiare la corteccia di salice allo scopo di alleviare il dolore; questa
contiene una sostanza (anche se i nostri antenati non lo sapevano), l’acido salicilico, una molecola
organica che, opportunamente modificata, è alla base della moderna aspirina.
Furono gli alchimisti del medioevo a decretare la nascita di una farmacologia chimica intesa in
senso moderno, come sviluppo ragionato della fitoterapia (la scienza che studia le piante in senso
più ampio, anche se il termine “fitoterapia” viene introdotto nel XIX secolo).
Intendiamo per “farmaco” un composto chimico, di origine naturale o sintetica, in grado di
effettuare un’azione terapeutica, inducendo una modificazione a livello dei processi biologici; gli
antichi non ne avevano consapevolezza ovviamente, ma i principi attivi presenti in natura erano in
realtà capolavori di ingegneria molecolare.
Oggi la ricerca farmacologica ha raggiunto livelli straordinari, soprattutto a partire dagli anni
sessanta del ventesimo secolo, grazie a un’approfondita conoscenza dei processi biologici e grazie
anche ai recenti sviluppi della biologia molecolare.
Watson e Crick DNA Saccarosio
La molecola dell’acido
acetilsalicilico (Aspirina)
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L’esatta individuazione dei vari processi biochimici permette alla moderna industria farmaceutica di
“disegnare” il farmaco più idoneo per quel tipo specifico di patologia; basti pensare ai moderni
preparati contro l’ipertensione, o agli anti-ulcera che riducono la secrezione acida a livello dello
stomaco.
Polimeri
I polimeri sono delle macromolecole (ad altissimo peso molecolare) che si formano dall’unione di
molecole semplici chiamate monomeri.
Sono polimeri naturali l’amido e la cellulosa, polisaccaridi (cioè lunghi filamenti composti da
zuccheri semplici) formati da lunghe catene di glucosio (il monomero) e molto diffusi nel regno
vegetale (l’amido si trova nelle patate e nei cereali), il glicogeno, polisaccaride di riserva dei tessuti
animali, le proteine, ovvero catene di amminoacidi, gli acidi nucleici (DNA,RNA), i cui monomeri
sono rappresentati dai nucleotidi.
Oggi praticamente gran parte dei materiali che ci circondano sono
costituiti da polimeri sintetici, i quali, a partire dalla seconda metà del
diciannovesimo secolo, hanno sostituito i più costosi materiali
naturali. L’industria dei polimeri sintetici è cresciuta di pari passo con
quella petrolifera ed è con essa in stretta relazione. Nel 1844 si ha una
prima produzione del “linoleum” a partire da olio di lino, mentre il
primo polimero sintetico, la “parkesine”, usato come
impermeabilizzante, è del 1856.
Nel 1865 John Hyatt utilizza un polimero analogo alla parkesine per
ricoprire le palle da biliardo e all’inizio del secolo successivo, nel
1907, Leo Baekeland sintetizza la “bakelite”.
Altre date importanti sono il 1912, anno in cui viene sintetizzato il PVC (polivinilicloruro), il 1930,
anno della messa a punto del polistirene (polistirolo) e il 1940, che vede la prima produzione del
nylon.
Struttura dell’amido
La molecola dell’atenololo principio introdotto nel 1976 per la cura dell’ipertensione
Telefono di bakelite degli
anni quaranta
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I nomi di molti polimeri sintetici ci risultano familiari e vengono impiegati per la fabbricazione di
oggetti di uso molto comune. Vediamo alcuni esempi:
POLIPROPILENE (moquettes, imballaggi)
POLIVINILCLORURO (PVC)
POLISTIRENE (polistirolo espanso)
POLIESTERI (fibre tessili, dacron, terital)
TETRAFLUOROETILENE (teflon, pentole)
POLIAMMIDI (nylon)
POLIETILENE (isolanti, buste di plastica)
POLIVINILI (colla, vinavil)
POLIMETILMETACRILATO (plexigas)
POLIETILENTEREFTALATO (PET, bottiglie)
Le comuni buste di plastica sono realizzate in polietilene
(il monomero è l’etilene, idrocarburo di formula CH2=CH2)
Il nylon (che si ottiene dalla reazione di due molecole organiche,
esametilendiammina e acido adipico), venne usato per la fabbricazione di
paracadute durante la seconda guerra mondiale
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Energia e Industria Petrolifera (idrocarburi)
Gli idrocarburi (composti organici formati unicamente da carbonio e idrogeno) sono i componenti
principali del petrolio e del gas naturale.
Il petrolio è attualmente il più importante dei combustibili fossili e si trova in giacimenti sugli strati
superficiali della crosta terrestre. È conosciuto da secoli (ne parla Marco Polo ne “Il Milione”,
secolo XIII) ed era già noto nell’antico oriente.
L'industria petrolifera nasce in USA nel 1850 e il primo pozzo viene aperto nel 1859. Il suo utilizzo
ha influenzato in maniera fondamentale lo sviluppo industriale, politico e sociale a partire dalla
seconda metà del XIX secolo; è stato inoltre fattore scatenante di numerosi conflitti (Guerra del
Golfo, 1990).
Il petrolio è una miscela complessa di idrocarburi formati nel corso di un tempo lunghissimo grazie
alla decomposizione di organismi animali e sostanze vegetali; tale decomposizione è dovuta
essenzialmente a batteri anaerobi. La teoria
biogenica indica che il petrolio deriva dalla
maturazione termica di materia organica rimasta
sepolta. In condizioni di elevatissima temperatura e
di fortissima pressione si formano miscele di
idrocarburi, all’interno delle quali si distinguono
una fase liquida (petrolio) e una gassosa (gas
naturale), principalmente costituita da metano, ma
anche da etano e propano. Sia la fase liquida che
quella gassosa tendono a migrare verso l’alto
attraverso rocce porose, finché incontrano degli
strati impermeabili dove restano intrappolate.
Il seguente schema illustra quali prodotti si ottengono dalla lavorazione (distillazione frazionata) del
petrolio.
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Le varie frazioni ottenute sono composte da idrocarburi a vario numero di atomi di carbonio: gli
idrocarburi gassosi (C1-C4), le benzine (C6-C12), il kerosene (C9-C15), il gasolio (C15-C18), olio
combustibile (C16-C20).
La benzina verde è ottenuta aggiungendo alla benzina anche una piccola quantità di benzene
(idrocarburo aromatico), per sostituire il pericoloso piombo tetraetile un tempo usato come
antidetonante; il benzene è una molecola molto stabile ma dotata di tossicità, che può comunque
contribuire all’inquinamento atmosferico.
L’industria petrolchimica, che si va affermando a partire dal 1930, si occupa di tutti quei processi di
lavorazione del petrolio e dei prodotti da esso ottenibili; con lo sviluppo dell’industria del petrolio,
il carbone, per lungo tempo fonte primaria dei prodotti chimici industriali, ha progressivamente
perso la sua importanza.
Diversi sono i processi possibili a carico del prezioso minerale, in particolare il cracking e il
reforming, tesi ad ottenere prodotti “intermedi” di grande importanza.
Il “cracking” è un processo utilizzato per ricavare idrocarburi più leggeri, tramite rottura dei legami
tra gli atomi di carbonio degli idrocarburi più pesanti; si possono ottenere in tal modo alcheni
leggeri (etilene, propilene, butadiene), idrocarburi ramificati o acetilenici, alcuni di questi di
fondamentale importanza per la produzione di materie plastiche, fibre tessili etc.
Il “reforming” è un processo che consente di trasformare frazioni petrolifere per migliorarne le
caratteristiche. Per esempio, la trasformazione di idrocarburi saturi alifatici in composti aromatici
consente un miglioramento delle caratteristiche antidetonanti delle benzine.
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Gli Idrocarburi
Sono detti idrocarburi i composti che il carbonio forma con l’idrogeno. In questi composti ogni
carbonio forma sempre quattro legami covalenti con atomi di idrogeno o altri atomi di carbonio.
Idrocarburi saturi. Se i legami tra atomi di carbonio sono tutti singoli avremo i cosiddetti idrocarburi saturi. In essi il carbonio è sempre legato ad altri quattro atomi. Gli idrocarburi saturi a catena aperta
vengono anche detti alcani, quelli a catena chiusa cicloalcani. Nella seguente tabella sono riportati i
nomi, la formula di struttura (che indica come sono collegati tra di loro gli atomi), la struttura condensata (che mette in evidenza i legami tra gli atomi di carbonio, cioè il cosiddetto scheletro
carbonioso) e il modello tridimensionale (a sfere e bastoncini, che dà un’idea della reale forma della
molecola).
Nome Formula di struttura Struttura
condensata Modello tridimensionale
Metano
CH4
Etano
CH3CH3
Propano
CH3CH2CH3
Butano
CH3CH2 CH2CH3
Ovviamente il carbonio può dare anche composti con molti più atomi di carbonio che verranno
battezzati con un nome che deriva dal numero di atomi di carbonio che li costituiscono (pentano,
esano, eptano, ottano, …).
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I nomi degli alcani semplici non ramificati sono costituiti da una radice che indica il numero di
carboni che costituisce la catena e dalla desinenza ano (definita anche suffisso) che indica la classe
di appartenenza. La tabella seguente riporta i nomi degli alcani lineari semplici.
Numero di C Radice Nome
1 Met- Metano
2 Et- Etano
3 Prop- Propano
4 But- Butano
5 Pent- Pentano
6 Es- Esano
7 Ept- Eptano
8 Ott- Ottano
9 Non- Nonano
10 Dec- Decano
Rimuovendo un idrogeno da una catena alchilica si ottiene un radicale alchilico. Il nome di un
radicale alchilico si ottiene sostituendo il suffisso ano dell’alcano corrispondente con il suffisso ile.
CH4 Metano CH3- Metile
CH3CH3 Etano CH3CH2- Etile
CH3CH2CH3 Propano CH3CH2CH2- Propile
Gli idrocarburi con 4 o più atomi di carbonio possono avere isomeri di struttura, cioè molecole che
pur avendo la stessa formula grezza hanno una diversa concatenazione degli atomi. Queste molecole
hanno anche diverso punto di fusione e diverso punto di ebollizione. Esistono ad esempio 2
possibili strutture che possiamo scrivere per un alcano con quattro atomi di carbonio (formula
molecolare C4H10): una struttura lineare e una ramificata. Butano e isobutano sono isomeri di struttura. Per un alcano di formula C5H12 possiamo scrivere 3 possibili strutture: una lineare, il
pentano, e due ramificate.
Butano e Isobutano
Pentano, Isopentano e Neopentano
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Per assegnare il nome ad alcani ramificati dobbiamo utilizzare le seguenti regole:
1. Individuare la catena carboniosa continua più lunga.
2. Individuare il sostituente e numerare la catena.
3. Il nome finale si costruisce scrivendo nell’ordine da sinistra a destra: posizione del
sostituente, trattino, nome del sostituente, nome della catena principale (fusi in un'unica
parola).
Un alcano con 15 atomi di C può avere 4.347 isomeri diversi,
mentre con 20 atomi di C possiamo costruire 366.319 isomeri
diversi! Questo dà una idea del perché il numero di composti
organici possa essere così grande. La formula generale degli alcani
è CnH2n+2 dove n è uguale al numero di atomi di carbonio che
costituiscono la molecola. Quindi, se un alcano ha 15 atomi di
carbonio la sua formula grezza sarà C15H32.
Queste sono invece le formule di alcuni ciclo alcani, il più importante dei quali è il cicloesano:
Gli alcani sono insolubili in acqua e solubili in solventi apolari (benzene, etere, cloroformio); hanno
inoltre bassi punti di fusione e bassi punti di ebollizione (infatti, essendo apolari, tra le molecole
degli alcani si instaurano deboli forze di Van der Waals):
Numero di C Nome Formula condensata Punto di Ebollizione (°C)
1 Metano CH4 -161
2 Etano CH3CH3 -88
3 Propano CH3CH2 CH3 -42
4 Butano CH3(CH2)2CH3 -0,5
5 Pentano CH3(CH2)3CH3 +36,1
6 Esano CH3(CH2)4CH3 +69
7 Eptano CH3(CH2)5CH3 +98
8 Ottano CH3(CH2)6CH3 +126
9 Nonano CH3(CH2)7CH3 +151
10 Decano CH3(CH2)8CH3 +174
La fonte principale degli alcani è il petrolio e, poiché la loro combustione è fortemente esotermica,
vengono utilizzati come combustibili. Questo utilizzo è in realtà poco razionale: essi sono infatti
anche una importantissima fonte di materie prime (non inesauribile!) utilizzate per la sintesi di molti
altri composti: finito il petrolio niente più materie plastiche, farmaci, pesticidi, collanti, vernici, etc
etc!!
ciclopropano ciclobutano ciclopentano cicloesano
4-Etil Ottano
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Idrocarburi insaturi. Vengono denominati idrocarburi insaturi quegli idrocarburi, detti alcheni, che
presentano doppi legami tra atomi di carbonio e quegli idrocarburi, detti alchini, che presentano
tripli legami tra atomi di carbonio. I loro nomi sono caratterizzati dalla desinenza
–ene per gli alcheni (es: pentene) e dalla desinenza –ino per gli alchini (es: esino). Se due molecole
di idrocarburi insaturi hanno la stessa formula greggia ma differiscono per la posizione nella catena
dei legami doppi o tripli ci troveremo di fronte ad un tipo di isomeria detta isomeria di posizione.
Il seguente composto è l’etino, detto anche acetilene, il più semplice degli alchini.
L’acetilene viene usato nei dispositivi di illuminazione utilizzati dagli speleologi dove viene
prodotto in situ a partire dal carburo di calcio facendolo reagire con l'acqua.
Idrocarburi Aromatici. Molte sono le sostanze, polveri, spezie
o piante medicinali utilizzate nel corso della storia. Cristoforo
Colombo (1451-1506), Vasco De Gama (1469-1524),
Ferdinando Magellano (1480-1521), Sir Francis Drake (1549-
1596) furono solo alcuni tra coloro che, durante i loro viaggi,
approfondirono la ricerca delle spezie; queste, unitamente alle
piante medicinali, furono le prime sostanze naturali studiate
dai chimici organici. Vediamone alcune.
Il toluene è un composto (idrocarburo) che si ottiene dal balsamo del tolù, grande
pianta (fino a venticinque metri) della famiglia delle fabaceae, presente soprattutto
in Venezuela; il balsamo è noto in erboristeria, perché in grado di favorire la
fluidificazione del catarro presente nei bronchi e di ridurre la tosse.
La benzaldeide è un composto isolato dall’olio di mandorle amare e dal
caratteristico odore; inoltre tale composto è il più semplice membro della
categoria delle aldeidi aromatiche nonché quello più sfruttato a livello
industriale.
Toluene
Benzaldeide
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L’alcol benzilico è un composto nocivo; una lozione
al 5% di alcool benzilico è stata proposta come
trattamento per la pediculosi (pidocchi). L’alcol
benzilico si ottiene dalla resina del Benzoino, una
pianta arbustiva delle Styracaceae che cresce nel sud-
est asiatico, dotata di proprietà emollienti ed
espettoranti.
Anche l’acido benzoico è un composto rintracciabile nella resina del
Benzoino. L’acido benzoico e i suoi sali sono usati come additivi
alimentari (E210); è inoltre usato nell’industria della plastica.
Altro composto aromatico è l’azulene (dallo spagnolo AZUL, azzurro),
molto usato in cosmetica, idrocarburo aromatico, solido di colore blu-
violetto.
Erodoto di Alicarnasso, storico greco vissuto quattro secoli
prima di Cristo, narrò nelle sue “Storie” che esisteva un
“popolo più resistente perché usava mangiare le foglie di
salice”. Queste contenevano l’acido salicilico, antesignano della
moderna Aspirina.
E potremmo citare tantissimi altri casi. Ma cosa hanno in comune tutti i composti fin qui citati?
Sono “composti aromatici” e il benzene è la struttura di base.
Alcol benzilico
Acido benzoico
Azulene
Acido salicilico
Due diverse rappresentazioni del Benzene
17
Il termine “aromatico” identificava tradizionalmente quei prodotti profumati e dall’aroma
caratteristico e i loro principi. In senso moderno questo termine identifica composti formati da uno
o più anelli planari contenenti doppi legami delocalizzati su tutto l’anello. Di questi composti il
benzene è quello più importante.
Il benzene fu isolato per la prima volta nel 1825 dal chimico inglese Michael
Faraday (1791-1867), che lo ottenne dal gas illuminante, ottenuto per
distillazione dal litantrace (ovvero il carbon fossile, ancora oggi carburante
di notevole importanza). Faraday lo chiamò Bicarburo d’Idrogeno. Nel
1845, il chimico inglese Charles Mansfield lo isolò dal catrame. Oggi il
benzene viene estratto dal petrolio.
La peculiare struttura a doppi legami alternati fu proposta nel 1865 da
August Kekulè. Egli avanzò l'ipotesi che i legami doppi e semplici della
molecola scambiassero la loro posizione lungo l'anello con velocità tanto
elevata che le reazioni caratteristiche degli alcheni non potevano
avvenire, conferendo la particolare stabilità e le proprietà chimiche del
benzene. La leggenda narra come egli fu ispirato in sogno da un
“serpente che si morde la coda” ed intuì che in realtà tali legami
“ruotano” continuamente, proprio a formare una nuvola ad anello.
Come già detto, può essere usato al posto del piombo tetraetile come antidetonante delle benzine
(oggi il piombo non si usa più). A temperatura ambiente è un liquido incolore e dall’odore
caratteristico, poco solubile in acqua e molto solubile nei solventi organici.
! oppure ?
18
I Derivati Funzionali
Gli idrocarburi sono solo una piccola parte dei composti organici. Da essi infatti derivano moltissimi
altri composti caratterizzati dalla presenza di altri atomi: l’ossigeno, l’azoto, gli alogeni. Come
conseguenza della presenza nella molecola, al posto di uno o più idrogeni, di questi atomi, avremo
dei composti con caratteristiche e reattività molto diverse.
Nomi dei composti Struttura Esempi Molecole in cui si
trovano
Alogenuri alchilici
clorometano
Solventi,
Insetticidi,
Anestetici
Alcoli
etanolo
Zuccheri,
Vitamine idrosolubili
Aldeidi
propanale
Alcuni zuccheri,
Formaldeide
Chetoni
acetone
Alcuni zuccheri,
“corpi chetonici”
nelle urine
Acidi carbossilici
acido acetico
Amminoacidi,
Proteine,
Alcune vitamine,
Acidi grassi
Esteri
acetato di metile
Aromi,
Grassi
Ammine
metilammina
Amminoacidi,
Proteine,
Urea nelle urine
19
La presenza di un certo gruppo funzionale nella molecola influenza la sua reattività conferendole
caratteristiche chimiche peculiari. I composti organici vengono pertanto raggruppati a seconda della
presenza di questi gruppi di atomi, fermo restando che in una stessa molecola possono essere
presenti più gruppi funzionali. Si tratta cioè di una comoda esemplificazione che ci consente di
studiare la reattività di quel determinato gruppo. Passeremo ora a trattare sinteticamente i principali
gruppi funzionali prendendo come esempi le molecole più comuni e diffuse di ogni gruppo.
Gli alogenuri alchilici. Se uno o più idrogeni di un idrocarburo viene sostituito da uno o più atomi di
alogeni avremo gli alogenuri alchilici. Vengono denominati anteponendo al nome dell’idrocarburo
da cui derivano il nome e la posizione dell’alogeno. Nella nomenclatura tradizionale si assegna il
suffisso -uro alla radice del nome dell’alogeno e si scrive il nome dell’alchile corrispondente (ad
esempio CH3Cl si chiamerà cloruro di metile (nome IUPAC clorometano).
Di seguito sono riportati gli alogenuri più interessanti e il loro utilizzo.
È molto usato come
solvente.
È un anestetico.
Il Freon-11 e il Freon-12, più noti come clorofluorocarburi,
sono dei fluidi refrigeranti molto economici. Venivano
utilizzati nei frigoriferi e come propellenti nelle bombolette
spray; oggi sono in disuso perché danneggiano lo strato di
ozono atmosferico che ci protegge dalle pericolose
radiazioni UV e sono sostituiti da composti meno dannosi
per l’ambiente.
Il cloroformio è stata la prima sostanza ad essere usata come anestetico, ma è
nocivo. Oggi è utilizzato come solvente.
Il tricloroetilene è un ottimo solvente: si può usare per decaffeinare il
caffè, per estrarre olio dai semi ma anche per il cosiddetto lavaggio a
secco degli indumenti. Quest’ultimo uso è stato abbandonato per la
sua tossicità ed al suo posto viene utilizzato il tetracloroetilene.
Il tetracloroetilene viene utilizzato nelle lavanderie a secco, come solvente
per lo sgrassaggio dei metalli, nell'industria chimica e farmaceutica,
nell'uso domestico.
1,2 dicloroetano Aloetano
Freon-11 Freon-12
CHCl3
cloroformio
CHCl=CCl2
tricloroetilene (trielina)
CCl2=CCl2
Ll2 tetracloroetilene
(percloroetilene)
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Il DDT (diclorodifeniltricloroetano) è stato il primo
insetticida ad essere utilizzato (1939) ed essendo efficace
contro la zanzara che la trasmette, ha contribuito ad eliminare
la malaria da vaste zone del mondo. Oggi è accusato di
accumularsi nei tessuti e di essere cancerogeno. L’OMS però
né ha consigliato l’uso nelle zone infestate dalla zanzara nelle
quali i rischi per la salute legati alla malaria sono di molto
superiori rispetto a quello di ammalarsi di cancro.
La diossina è molto tossica e cancerogena. Si produce
durante le combustioni (anche nel fumo di sigaretta…).
Costituisce il principale ostacolo alla combustione
indiscriminata dei rifiuti in quanto si produce in discrete
quantità, se in questi ultimi sono presenti materiali
plastici.
Gli alcoli. Sono molecole caratterizzate dalla presenza di un gruppo –OH (ossidrile). Vengono
generalmente rappresentati con la formula generale ROH, dove R rappresenta la parte idrocarburica
della molecola. Il loro nome deriva dall’idrocarburo: ad esempio se prendo il metano CH4 e
sostituisco un suo idrogeno con un OH otterrò il metanolo o alcool metilico CH3OH, se prendo
l’etano C2H6 e sostituisco un suo idrogeno con un OH otterrò l’ etanolo o alcool etilico C2H5OH e
così via. Il gruppo OH è fortemente polarizzato e può dare legami a idrogeno, pertanto gli alcoli a
basso peso molecolare sono più alto bollenti degli idrocarburi da cui derivano e sono solubili in
acqua. All’allungarsi della catena idrocarburica l’influenza del gruppo OH sulle proprietà della
molecola diminuisce e gli alcoli diventano insolubili in acqua.
Se nella molecola sono presenti due ossidrili avrò i dioli, se tre i trioli.
L’alcool metilico (CH3OH) è un composto che si ottiene dalla
distillazione del legno – veniva infatti chiamato spirito di legno (“spirito”
è un vecchio modo di indicare gli alcoli) – ma si forma in piccole
quantità anche durante la fermentazione alcolica. È un composto
estremamente pericoloso anche in quantità molto piccole (non può
superare lo 0,25% nei vini e l’1% nei superalcolici), in quanto il fegato lo
trasforma in formaldeide, una sostanza molto tossica. Negli anni ’80 si
verificarono delle intossicazioni molto gravi, che portarono in qualche
caso anche alla morte, causate dal consumo di vino adulterato con
metanolo per aumentarne il grado alcolico.
L’alcool etilico (C2H5OH) è il costituente principale del
vino e delle bevande alcoliche. È noto sin dalla antichità e
si ottiene dalla fermentazione (trasformazione ad opera di
alcuni microrganismi) degli zuccheri contenuti nell’uva
(vino) o in altra frutta (sidro, cherry…) o cereali (birra,
whisky….). Nel fegato l’alcool etilico viene convertito
nella tossica acetaldeide; per questo motivo è bene
limitarne l’uso. Ha inoltre un effetto neurotossico
DDT
Diossina
Alcool metilico
Alcool etilico
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(danneggia i neuroni) con conseguenze sulle funzioni psichiche e motorie. Se
assunto in eccesso può dare il cosiddetto “coma etilico” che può portare anche
alla morte. Dà dipendenza e danni fisici gravi soprattutto al fegato in caso di
abuso prolungato nel tempo. Gli effetti sulla vigilanza, sulla memoria, sulla
coscienza (fino al delirio…), sulla coordinazione motoria e sui tempi di reazione
hanno indotto il legislatore a mettere dei limiti alla sua assunzione per i guidatori.
Per i neopatentati tale limite è zero! Vuol dire divieto di assumere alcolici se ci si
mette alla guida….
Il Glicol etilenico (CH2OHCH2OH) è un diolo e viene usato come additivo anticongelante
nell’acqua di raffreddamento dei motori della automobili. È tossico se ingerito.
La Glicerina (CH2OHCHOHCH2OH) è un triolo utilizzato come emolliente in molti prodotti
cosmetici (saponi, creme, detergenti…); è anche il composto da cui si parte per produrre la
nitroglicerina (un potente esplosivo ma anche un efficace vasodilatatore usato nelle
malattie dell’apparato cardiovascolare).
Se l’ossidrile è unito ad un anello benzenico, i composti vengono detti fenoli. Sono
acidi deboli, tanto che il fenolo (il più semplice di questi composti) è anche detto
acido fenico ed è usato come disinfettante.
Le aldeidi. Sono composti caratterizzati dalla presenza di un
carbonile, cioè di un ossigeno legato con un doppio legame
ad un carbonio.
L’aldeide più semplice ma anche la più famosa è la
formaldeide. La sua soluzione acquosa al 37%, detta
formalina, veniva usata per conservare reperti biologici
o piccoli animali e come disinfettante. La maggior
parte della produzione della formaldeide è utilizzata
per produrre polimeri. Trova impiego come collante nei truciolati: i mobili
costruiti con essi rilasciano formaldeide nel tempo e questo è un problema
perché questo composto è inserito dal 2004 nell’elenco delle sostanze
cancerogene. C’è da dire che la quantità emessa è veramente molto piccola e
ignoriamo il fatto che fumare quattro sigarette in una stanza fa raggiungere il
massimo livello tollerabile di formaldeide (che è solo una delle tante sostanze tossiche che si
sviluppano dalla loro combustione). Morale: abbiamo trovato un altro ottimo motivo per non
fumare!
Esistono altre aldeidi decisamente più piacevoli, come quella che dà il profumo alla citronella, la
pianta con la cui essenza si possono preparare candele utili a tenere lontane le zanzare nelle sere
d’estate.
Fenolo
Aldeide
Formaldeide
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La benzaldeide (di cui abbiamo già parlato a proposito dei derivati del
benzene) è una aldeide aromatica dal caratteristico odore di mandorle
amare. Viene utilizzata come aroma per i dolci a base di mandorle ed è
da preferire alle mandorle amare perché queste ultime contengono acido
cianidrico, un veleno molto pericoloso! Come vedete non tutte le cose
“naturali” sono benefiche!
I chetoni. Sono parenti stretti delle aldeidi.
Il chetone più conosciuto è l’acetone, quella sostanza
che viene utilizzata per togliere lo smalto dalle
unghie. L’acetone viene infatti utilizzato
principalmente come solvente (riesce a sciogliere
anche l’Attak!) ma trova utilizzo anche nella
produzione di polimeri acrilici.
Acidi carbossilici. Sono caratterizzati dalla presenza del carbossile, cioè il gruppo –COOH.
L’acido carbossilico più importante è l’acido acetico che si ottiene
dall’acetificazione del vino e che è noto sin dall’antichità. È un acido
debole: per questo non è pericoloso condire l’insalata con l’aceto!
Quest’ultimo è in grado di denaturare le proteine
(un processo che avviene durante la cottura degli
alimenti che le contengono), per cui può essere
utilizzato per preparare delle ottime acciughe
marinate nell’aceto! (Se abitate in montagna prendete delle acciughe
sotto sale, sciacquatele bene, mettetele sotto aceto per qualche ora,
sgocciolatele, conditele con olio e un po’ di aglio tritato e scoprirete che
la chimica non è fatta solo di schifezze!).
L’acido carbossilico più semplice è l’acido formico, quello che le “simpatiche”
formiche rosse vi iniettano se vi pizzicano. I corvi, animali più intelligenti di
quel che si pensa, molestano le formiche in modo da farsi spruzzare di acido
formico: in questo modo gli uccelli si liberano dei loro parassiti! L’acido
formico uccide la salmonella, il batterio responsabile di pericolose
intossicazioni alimentari: può quindi essere addizionato ai mangimi dei
pollami per prevenire la contaminazione delle loro carni e delle uova con la
salmonella.
Molto importanti sono anche gli acidi grassi, di cui parleremo nel paragrafo dedicato alle
biomolecole.
Chetoni
Acetone
Benzaldeide
Acidi Carbossilici
Acido acetico
Acido formico
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Gli esteri. Derivano dalla reazione tra alcoli e acidi carbossilici. Gli esteri
hanno solitamente odori gradevoli e danno il loro profumo caratteristico a
molti frutti.
Le ammine. Sono composti molto interessanti caratterizzati dalla presenza del gruppo –NH2. Noi ci
soffermeremo sull’anilina, dalla quale un chimico inglese, William Henry Perkin, ricavò nel 1856
un colorante viola, il primo colorante sintetico, detto polvere di anilina o malveina. Ovviamente in quell’anno il viola malva fu
molto di moda, anche perché era un colorante molto meno costoso
di quelli di origine naturale. Dall’anilina successivamente si
sintetizzarono molti altri coloranti; oggi però si sa che l’anilina è
cancerogena. Fate attenzione specialmente con le scarpe: se vi
macchiano i piedi non le usate più perché potrebbero essere state
colorate con coloranti all’anilina!
Esteri
Ammine Anilina
24
Le Biomolecole
Gli organismi viventi sono in grado di sintetizzare
circa mille miliardi di molecole differenti, molte
delle quali indispensabili per la vita; a ben pensarci
i “pochi” milioni di molecole create artificialmente
in laboratorio sono poca cosa rispetto a tutto ciò!
Noi traiamo energia da carboidrati e grassi, i nostri
muscoli sono formati da proteine; non potremmo
neanche funzionare tanto bene senza piccoli
messaggeri dalla importante struttura detti
“ormoni”, o senza le proverbiali vitamine.
Il nostro sistema nervoso funziona per mezzo di
certi mediatori chimici ai quali è affidato il
compito di trasferire l’impulso; inoltre, le
particolari informazioni riguardanti il nostro essere
sono fedelmente e impeccabilmente riportate nel
nostro DNA (acido desossiribonucleico),
esponente di spicco della categoria degli acidi
nucleici insieme all’RNA (acido ribonucleico).
Proteine, zuccheri e acidi nucleici sono “polimeri”,
ossia molecole ad altissimo peso molecolare
formate da unità più semplici dette monomeri
(rispettivamente, amminoacidi, monosaccaridi e
nucleotidi); più precisamente, si usa definirli
polimeri naturali, per distinguerli dalla categoria
dei “polimeri sintetici” di cui abbiamo accennato
in precedenza.
Carboidrati: chiamati anche glucidi, zuccheri o
saccaridi, i carboidrati sono composti organici tra i
più abbondanti in natura e rappresentano una indispensabile fonte di energia. A questa categoria
appartiene ad esempio il glucosio, prodotto dalle piante per mezzo della fotosintesi clorofilliana.
Quest’ultima è un meccanismo biologico molto raffinato, nel quale viene sintetizzata una molecola
energeticamente molto utile a partire da molecole inorganiche comuni. Inoltre, durante questo
processo, viene trasformata energia luminosa in energia chimica. Un grammo di glucosio contiene
circa 17kJ di energia.
I carboidrati erano classicamente indicati come “idrati di carbonio”, in quanto la loro formula
generale è Cn(H2O)n.
25
In base alla loro struttura vengono classificati come monosaccaridi, zuccheri semplici che non
possono essere ulteriormente idrolizzati a zuccheri più semplici, oligosaccaridi, formati da poche
unità di monosaccaride (i disaccaridi sono i più importanti), e polisaccaridi, glucidi complessi che
contengono numerosissime unità di monosaccaride; in tutti i casi, oligo e polisaccaridi, le molecole
di monosaccaride sono saldate per mezzo di un legame detto legame glicosidico.
I monosaccaridi rappresentano la più importante forma di energia; quando non utilizzati, vengono
immagazzinati dagli organismi sotto varie forme (es. glicogeno nel fegato degli animali, amido
nelle piante etc.). Caratteristica comune a tutti i monosaccaridi è la presenza simultanea di un
gruppo funzionale carbonilico, aldeidico o chetonico, e di gruppi ossidrile; li definiamo
poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni.
Distinguiamo i monosaccaridi in aldosi e chetosi, a seconda che contengano la funzione aldeidica o
chetonica, e in triosi, tetrosi, pentosi, esosi, a seconda che contengano, tre, quattro, cinque o sei
atomi di carbonio.
Più precisamente, il fruttosio sarà un cheto-esoso, in quanto contenente sei atomi di carbonio e il
gruppo chetonico; per contro il glucosio sarà un aldo-esoso e il ribosio un aldo-pentoso e così via.
Il glucosio è l’esponente di spicco della categoria dei monosaccaridi, oltre ad essere probabilmente
il composto organico più presente in natura; attraverso il processo della glicolisi, è coinvolto nella
produzione di ATP, strettamente connesso al contenuto energetico delle cellule.
Gliceraldeide
(capostipite degli aldosi)
funzione
aldeidica
Diidrossiacetone
(capostipite dei chetosi)
funzione
chetonica
Fruttosio
(cheto-esoso)
Ribosio
(aldo-pentoso)
Gliceraldeide
(aldo-trioso)
Glucosio
(aldo-esoso)
Eritrosio
(aldo-tetroso)
26
Altro monosaccaride estremamente importante è il fruttosio, che forma insieme al glucosio il
disaccaride saccarosio (il comune zucchero da tavola!).
I monosaccaridi si presentano sia in forma aperta, come quelle riportate finora, che in forma chiusa,
ciclica, in equilibrio con la forma aperta.
Come accennato, gli oligosaccaridi sono costituiti da due o più (in genere poche) unità di
monosaccaride; a seconda del numero vengono denominati di-, tri- tetrasaccaridi etc.
I disaccaridi sono i più importanti e sono formati da due unità di zucchero semplice.
Nella formazione dei disaccaridi si instaura un legame tra le due molecole di monosaccaride
(legame glicosidico), con perdita di una molecola di acqua.
Tra i principali disaccaridi abbiamo:
Il lattosio, formato da glucosio e galattosio, è uno dei principali disaccaridi ed è il
componente zuccherino del latte (vedi figura sopra).
Il maltosio è formato da due molecole di glucosio e deriva dall’idrolisi del malto.
Il saccarosio è lo zucchero di canna o di barbabietola ed è il dolcificante più comune nelle
nostre tavole; è formato da una molecola di glucosio e una di fruttosio.
D-Galattosio D-Glucosio Legame glicosidico
Lattosio
Glucosio
(struttura aperta di Fischer)
β-D-Glucosio
(struttura ciclica di Haworth)
27
Cellulosa, amido e glicogeno sono senz’altro tra i polisaccaridi più importanti in natura; i
polisaccaridi sono polimeri naturali ad elevatissimo peso molecolare.
La cellulosa è il polisaccaride più presente in natura ed è materiale di sostegno dei tessuti vegetali
(il legno è costituito per il 50% da cellulosa); è composta da lunghissime catene di -D-Glucosio e
da essa si ricava, tra gli altri prodotti, la carta. L’uomo, mancante degli enzimi appropriati, non è in
grado di digerirla, al contrario dei ruminanti.
L’amido rappresenta un’eccellente bacino di riserva delle piante; è presente nei cereali, nel grano e
nel riso e consiste in una catena di molecole di -D-Glucosio.
Distinguiamo due forme, l’amilosio a catena lineare e l’amilopectina, a struttura ramificata.
Il glicogeno, come accennato, è invece il polisaccaride di riserva degli organismi viventi ed è
rintracciabile soprattutto nel fegato e nei muscoli; al momento del bisogno, l’organismo demolisce il
glicogeno allo scopo di ottenere glucosio (glicogenolisi).
La molecola del saccarosio
(formata da glucosio, a sinistra, e da fruttosio)
Struttura dell’amido
La cellulosa è il principale
materiale di sostegno delle
piante
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Lipidi: alla classe dei lipidi appartengono sostanze strutturalmente molto diverse tra loro, con
diverse funzioni; caratteristica comune a queste sostanze è di essere insolubili in
acqua e solubili in solventi apolari (etere). I lipidi (dal greco “lipos”, grasso)
rappresentano un’importante riserva energetica; durante l’attività fisica vengono
consumati insieme ai carboidrati (un grammo di “grasso” produce ben 37 kJ di
energia contro i 17 kJ dei carboidrati!). Quella energetica non è l’unica funzione
biologica dei lipidi, che svolgono anche mansione strutturale e di trasporto
(fosfolipidi, lipoproteine, ormoni di natura steroidea etc.).
Grassi e oli sono i lipidi più semplici e i più comuni, solidi i primi e liquidi i
secondi; da un punto di vista strutturale essi sono esteri del glicerolo o, meglio,
triesteri, dato che il glicerolo è un alcol che contiene tre funzioni alcoliche.
I trigliceridi si ottengono dall’esterificazione delle funzioni alcoliche del
glicerolo con tre molecole di acido grasso. Gli acidi grassi sono acidi
monocarbossilici alifatici, con un numero pari di atomi di carbonio (in genere
tra 4 e 30). In base alla presenza o meno di doppi legami, distinguiamo gli
acidi grassi in saturi e insaturi.
Ecco alcuni esempi di acidi grassi saturi:
CH3-(CH2)10-COOH
acido laurico
CH3-(CH2)12-COOH
acido miristico
CH3-(CH2)16-COOH
acido stearico
I grassi liquidi (oli) contengono invece una percentuale piuttosto elevata di acidi grassi insaturi,
come l’oleico o il linoleico:
CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH
acido oleico
CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH
acido linoleico
Un opportuno processo di idrogenazione a carico dei doppi
legami consente di ottenere un “indurimento” dei grassi
liquidi di origine vegetale; tale processo è alla base della
produzione delle cosiddette margarine.
Glicerolo
CH2-O-COR
CH-O-COR
CH2-O-COR
Un trigliceride
29
Proteine: sono polimeri naturali che si compongono di amminoacidi (i monomeri) legati tra loro
mediante un legame ammidico (-CONH-) detto legame peptidico; sono essenziali per la struttura, il
funzionamento e la riproduzione dei viventi.
Gli aminoacidi, monomeri delle proteine, rappresentano il 15% del peso
del corpo umano; dal nome si deduce che sono caratterizzati da un gruppo
amminico (-NH2) e da un gruppo carbossilico (-COOH). Il gruppo –R è
quello che caratterizza i vari amminoacidi. Nonostante il gran numero di
proteine conosciute, gli amminoacidi presenti in natura sono solo venti.
Poiché l'organismo umano non è in grado di
sintetizzare alcuni amminoacidi o, se lo è, la velocità di sintesi non è
sufficiente al bisogno, esso deve assumere questi amminoacidi
dall'esterno, mediante l'alimentazione, e ciò ad evitare la comparsa di
manifestazioni morbose. Tali amminoacidi sono detti "amminoacidi
essenziali" e sono: leucina, isoleucina, treonina, metionina, lisina,
fenilalanina, triptofano, valina e, sicuramente per i neonati, istidina.
Come detto, gli amminoacidi si saldano tra loro tramite legame peptidico per formare catene
peptidiche; tale legame fu ipotizzato da Emil Fischer e riguarda il gruppo carbossile di un
amminoacido e il gruppo amminico dell’amminoacido adiacente:
Gli oligopeptidi (di-, tri-, tetra peptidi etc. fino a circa dieci unità) sono catene costituite da pochi
amminoacidi; catene più lunghe vengono definite propriamente peptidi. Alcuni peptidi sono molto
importanti a livello biologico e fisiologico, pur non concorrendo alla formazione di proteine (ad
esempio la bradichinina, nonapeptide che interviene nella regolazione della pressione sanguigna,
l’ossitocina, secreta dal lobo posteriore dell’ipofisi, o la vasopressina, ancora un nonapeptide che
concorre alla regolazione della pressione arteriosa).
La descrizione della struttura delle proteine è abbastanza complessa; distinguiamo quattro tipi di
struttura: primaria, secondaria, terziaria e quaternaria.
La struttura primaria descrive il numero, il tipo e la sequenza degli amminoacidi impegnati nella
catena:
legame peptidico
Gly –Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Thr-Ser-Leu-Tyr
Struttura primaria di un frammento della catena dell’insulina
Struttura di un
amminoacido
Glicina, il più semplice
degli amminoacidi
30
La struttura secondaria riguarda il modo in cui tale catena si dispone; fondamentalmente sono
possibili due tipi di struttura, ad elica (-elica) o a foglietto:
A determinare la struttura secondaria concorrono deboli legami a
idrogeno (quelli tratteggiati nelle figure) che si formano tra
l’idrogeno legato all’azoto e l’ossigeno del gruppo carbonilico.
Il modo in cui si ripiegano le -eliche o i foglietti, ovvero la
sistemazione nello spazio tridimensionale, riguarda invece la struttura
terziaria, dipendente in gran parte dai gruppi alchilici –R.
Infine, alcune proteine sono in realtà costituite da due o più sub-unità (struttura quaternaria); è il caso dell’emoglobina, struttura
formata da quattro sub-unità peptidiche.
Acidi nucleici: sono svariati milioni gli organismi viventi in grado di riprodursi; ciò vale sia per gli
organismi monocellulari, che per gli individui strutturalmente superiori. Questa capacità di
riprodursi si esplica attraverso un meccanismo altamente sofisticato che porta alla generazione di un
individuo del tutto simile al progenitore. Ogni cellula dovrà dunque possedere un “codice” in grado
di tradurre tutte le informazioni necessarie alla “progettazione” e alla costruzione del nuovo essere.
Questo complesso “dossier” di informazioni, chiamato genoma, è contenuto nel DNA, acido
desossiribonucleico, sostanza a cui si deve la biosintesi delle proteine, nonché la costruzione di un
indispensabile messaggero, l’acido ribonucleico, RNA, l’altro esponente degli acidi nucleici.
Il DNA fu isolato per la prima volta nel 1869 dal biochimico svizzero Friedrich Miescher, il quale
gli assegnò il nome di “nucleina”. Una struttura definitiva fu invece proposta nel 1953 da James
Watson e Francis Crick, in servizio presso il Cavendish Laboratory di Cambridge.
Struttura dell’-elica Struttura del foglietto β
Emoglobina
Friedrich Miescher James Watson e Francis Crick
31
Strutturalmente DNA e RNA sono piuttosto simili; entrambi sono polimeri costituiti da nucleotidi e
questi ultimi sono formati da acido fosforico, da uno zucchero (ribosio nel caso dell’RNA e
desossiribosio nel DNA) e da una base organica eterociclica, purinica o pirimidinica.
Ciascun acido nucleico contiene quattro diverse basi, due puriniche, guanina e adenina, e due
pirimidiniche, timina e citosina; nell’RNA l’uracile è al posto della timina.
La molecola di zucchero e quella della base (legate tramite legame glicosidico) costituiscono il
nucleoside, il quale, legato al gruppo fosfato (mediante legame estereo), forma il nucleotide.
La struttura a doppia elica proposta da Watson e Crick, prevede due catene di DNA in cui le basi si
attraggono mediante legame a idrogeno. L’accoppiamento non è casuale; infatti l’adenina si lega
sempre alla timina e la guanina alla citosina.
Adenina Timina
Guanina Citosina
N
N
NH
N
NH2
adenina
N
NH
NH
N
NH2
O
guanina
basi puriniche
NH
NH
O uracile
NH
NH
O
O timina
N
NH
NH2
O citosina
basi pirimidiniche
Ribosio Desossiribosio
un nucleotide
32
Come accennato prima, il DNA contiene le informazioni adeguate per la
sintesi delle proteine; ad ogni tripletta di basi (codone) corrisponde un
determinato amminoacido. Il codice genetico, universale e comune a tutti
gli organismi, può essere definito come la relazione tra DNA, che contiene
il “messaggio” e lo trascrive su un opportuno frammento di RNA, detto
messaggero, e la sequenza degli amminoacidi che vanno a costruire una
data proteina.
Le cellule contengono tre tipi di RNA: l’ RNA messaggero (mRNA), il
quale presiede alla trascrizione del codice genetico (il DNA è confinato nel
nucleo e per “dirigere” la biosintesi delle proteine, che avviene nei
ribosomi, ha bisogno di un mediatore, l’mRNA appunto); l’RNA transfer,
che ha il compito di trasportare gli aminoacidi per la formazione dei
legami peptidici (il t-RNA ha in altre parole il compito di tradurre le triplette del codice genetico nel “linguaggio” degli amminoacidi) e l’RNA
ribosomiale (rRNA), principale componente dei ribosomi.
L’essere umano è dunque “costruito” in base alle istruzioni impartite dal DNA; una cellula contiene
circa due metri di acido nucleico, il quale a sua volta porta svariati miliardi di nucleotidi.
Il DNA ha la capacità di replicarsi, cioè è capace di sintetizzare dei filamenti identici a sé stesso; il
filamento serve per la sintesi dell’RNA, il tutto catalizzato da una serie di enzimi, tra cui DNA
sintetasi e RNA sintetasi.
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L’RNA messaggero passa dunque nei ribosomi, dove si trovano frammenti di RNA transfert,
ognuna delle quali contenente una tripletta di nucleotidi in grado di trasportare un determinato
amminoacido:
Il codice genetico: a ogni tripletta di basi corrisponde un amminoacido
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Concludiamo il nostro viaggio nella chimica del carbonio così come lo avevamo iniziato, con il
nostro amico chimico-poeta Alberto Cavaliere che, sempre a suo modo e cioè in versi, ci fornisce la
composizione chimica del corpo umano:
IL CORPO UMANO
Ecco un'analisi non troppo amena, che ha fatto un màcabro dottore a Jena:
preso un cadavere, l'ha decomposto, con molto scrupolo stimando il costo.
L'ossa forniscono tanta calcina dal far l'intonaco d'una cucina,
e si ricupera tanta grafite da far al massimo cento matite
I grassi abbondano - strano contrasto! - pure in chi è solito saltare il pasto.
Da tutto il fosforo, piedi compresi, al più ci scappano mille svedesi,
mentre distillasi dal corpo vile d'acqua…potabile tutto un barile.
Il ferro è in minime tracce, di modo che non ci fabbrichi neppure un chiodo:
fatto stranissimo perché da vivi di chiodi, in genere, non siamo privi.
Ma ciò che supera le previsioni più catastrofiche sono i bottoni;
ne ottieni un numero fenomenale, sì che un legittimo dubbio t'assale:
fece l'analisi quell'alchimista sopra lo scheletro d'un giornalista?
Volendo vendere questi elementi ai poco modici prezzi correnti,
ci si ricavano venti lirette: alcune scatole di sigarette!
Che cifra misera! Solo conforto, se si considera che l'uomo morto,
oscuro o celebre, ricco o pezzente, sciocco o filosofo, vale ugualmente.
Ed è ridicolo, in fondo in fondo, che, mentre vivono su questo mondo,
sia dian cert'arie tanti mortali, se poi gli scheletri son tutti uguali!
