Cinetica chimica E’ la disciplina che studia la velocità e il meccanismo delle reazioni chimiche Dalle caratteristiche termodinamiche dei reagenti e dei prodotti si può prevedere se una reazione chimica sia realizzabíle e fino a qual punto ( in altre parole se avvenga spontaneamente e quale sia il punto di equilibrio); ma da queste non si può ottenere alcuna informazione circa la sua velocità e il suo meccanismo. Queste informazioni ci vengono dalle misurazioni cinetiche il cui obiettivo è proprio quello di determinare come e con quale velocità le molecole reagiscono tra loro.

PERCHE’ una reazione chimica avviene? A+B = C+D Affinchè questa reazione avvenga bisogna che vengano soddisfatte le seguenti condizioni: 1.Le molecole A e B si urtino 2.Si urtino nel punto giusto 3.L’urto deve essere efficace 4.Che i prodotti abbiano una energia minore dei reagenti 5.Che A e B superino l’energia di attivazione (l’energia che serve perché avvenga la reazione)

Velocità di reazione. Consideriamo una generica reazione A+B = P+Q Questa equazione ci dice che A reagisce con B, dando origine a P e Q In che modo ci accorgiamo che la reazione "parte e va avanti"? Ebbene, il fenomeno che all'esterno ci avvisa che le cose cambiano all'interno della soluzione è che le concentrazioni di A e B diminuiscono mentre quelle di P e Q aumentano. Esprimiamo perciò la velocità di un processo chimico in un certo periodo di tempo come: il rapporto tra la variazione di concentrazione di un reagente o di un prodotto ed il valore di quell' intervallo di tempo.

L' espressione matematica della velocità di reazione è la seguente: dove il segno - indica la variazione negativa della concentrazione dei reagenti

La velocità di reazione dipende da vari fattori: Natura dei reagenti Concentrazione dei reagenti +++ Temperatura di reazione Presenza di eventuali catalizzatori Superficie dell’interfaccia (se la reazione avviene tra reagenti in due fasi diverse)

La velocità di reazione dipende dalla concentrazione dei reagenti attraverso l' equazione di velocità : A B v= k [A] A + B C v= k [A] [B] A + B + C D v= k [A] [B] [C] o v= k [A] [B]2 se due componenti sono uguali generalizzando

mentre m ed n sono coefficienti che possono essere pari a zero, numeri interi o frazionari, il cui valore può essere determinato solo sperimentalmente Ogni coefficiente determina l' ordine di reazione, rispetto al proprio componente, mentre la somma m+n determina l'ordine globale della reazione da non confondersi con la molecolarità che rappresenta il numero delle molecole effettivamente coinvolte nella reazione e che urtandosi in modo efficace si trasformano nei prodotti finali Es una reazione può essere bimolecolare A+B = C ed essere di ordine primo (quando la concentrazione di uno dei reagenti è così alta da ritenersi costante per cui la reazione dipende solo dalla concentrazione di uno solo dei reagenti (es reazioni di idrolisi l’acqua è cost)

dove k è la costante di velocità ed indica la misura della velocità di reazione quando i reagenti sono in concentrazione unitaria e dipende dal FATTORE STERICO(A) e TEMPERATURA (ci dice se la reazione è intrinsecamente rapida o lenta) Arrhenius ha dimostrato che k = A N E N E = N * e –E/RT NA =B k = B e –E/RT (legge di ARRHENIUS) Tenedo conto di Boltzman per cui E è l’energia di attivazione All’aumentare della T la velocità di una reazione aumenta

Applicazioni alla medicina La febbre è una risposta fisiologica dell'organismo a stimoli endogeni o esogeni caratterizzata dalla elevazione della temperatura corporea al di sopra del valore considerato normale (circa 37 gradi Celsius per gli esseri umani) dove avvengono le normali reazioni dell’organismo Ad un incremento di 10°C raddoppia la v di reazione e quindi anche l’aumento di 1°C rende le reazioni sensibilmente più veloci La febbre è un meccanismo di protezione che permette all’organismo di uccidere più velocemente i batteri grazie ad una risposta più rapida del sistema immunitario l’aumento però deve essere contenuto (entro i 3°C) altrimenti diventa pericoloso Si rileva l’aumento della velocità di reazione in un paziente con febbre alta dall’aumento delle pulsazioni e respirazione più veloce. Aalogamente se la temperatura si abbassa sotto la norma (ipotermia) Può essere pericoloso perché la v di reazione diinuisce

Il meccanismo con cui avviene una REAZIONE CHIMICA è dato da:  NUMERO DELLE MOLECOLE CHE DEVONO REAGIRE PER DARE I PRODOTTI (Reazioni mono - bi - tri molecolari)  SU BASE CINETICA in BASE all’ORDINE DI REAZIONE Es avremo reazioni di ordine zero, primo, secondo e terzo ordine a seconda di come la velocità di reazione è influenzata dalla concentrazione dei reagenti in determinate condizioni

Meccanismo di reazione Per meccanismo di reazione si intende la descrizione dettagliata a livello molecolare del modo in cui i reagenti si combinano tra di loro per dare i prodotti della reazione Processo elementare: collisione fra molecole che, in un solo tempo,conduce ad una trasformazione Una reazione avviene di solito attraverso uno o più stadi (processi elementari) in cui le molecole si urtano e si trasformano L’insieme dei processi elementari che, in accordo con la stechiometria della reazione, trasformano i reagenti nei prodotti, rappresenta il meccanismo della reazione Il meccanismo di reazione si determina per via sperimentale Ogni processo elementare ha una sua velocità, espressa da un’equazione cinetica..

Molecolarità della reazione Il numero di molecole che reagiscono in una reazione elementare si chiama molecolarità. La molecolarità, diversamente dall’ordine della reazione, è data dai coefficienti stechiometrici della reazione elementare. Ordine della reazione gli esponenti delle varie concentrazioni che compaiono nella legge di velocità non sono necessariamente uguali ai coefficienti stechiometrici di reazione. Ciò è dovuto al fatto che la velocità non è determinata dalla stechiometria della reazione complessiva, ma dalla successione delle diverse reazioni elementari che costituiscono il cosiddetto meccanismo di reazione. Gli esponenti delle concentrazioni che compaiono nella legge di velocità si chiamano ordini relativi ; la loro somma si chiama invece ordine globale della reazione. Si noti che gli ordini di reazione sono quantità che si determinano sperimentalmente per ogni reazione. In base a queste definizioni la forma generale della legge di velocità è dunque in cui m, n, p... sono gli ordini relativi rispetto ad A, B, C..., e la somma m + n + p... è l’ordine globale. Solo nel caso di una reazione elementare molecolarità e ordine sono necessariamente coincidenti. Invece per una reazione globale è definibile solo l’ordine di reazione sperimentale, che non necessariamente implica uguale molecolarità. Esempi Tutte le reazioni bimolecolari sono del secondo ordine. Ma non vale l’inverso, in quanto molte reazioni del secondo ordine hanno meccanismo non bimolecolare. Tutte le reazioni monolecolari, come le isomerizzazioni o le decomposizioni, sono del primo ordine. Ma si hanno reazioni del primo ordine che non sono monomolecolari.

In genere le reazioni sono costituite da una successione di processi elementari,ciascuno caratterizzato da una propria velocità. La velocità complessiva della reazione è determinata dalla velocità dello stadio più lento; tale stadio determina quindi la velocità dell’intera reazione (rate determining step, r.d.s.)

Reazioni di primo ordine è di 1° ordine perché sperimentalmente si trova che : V = k [N 2 O 5 ] 3 H 3 He + e - Il decadimento radioattivo del trizio è di primo ordine in quanto la sua velocità dipende linearmente dalla concentrazione dell’isotopo La velocità iniziale dipende SOLO dalla concentrazione del reagente Nelle reazioni di I° ordine la velocità può essere espressa in emivita

l'equazione cinetica di una reazione di ordine 2 è: anche in questo caso, l'equazione cinetica può riferirsi a due diverse reazioni: v = - k [A] 2 2A P A + B P Nel primo caso, due molecole di A reagiscono velocemente per dare P e la reazione dipende evidentemente dalla sola concentrazione di A; Nel secondo caso, si consideri il seguente meccanismo in questo caso, la velocità di reazione è data dallo stadio più lento bimolecolare, è : v = k [A*] [B]

NO 2 + CONO + CO 2 Reazione del 2° ordine La specie intermedia è più instabile rispetto ai reagenti ed ai prodotti. Possiede una Energia Potenziale piu’ elevata. Pertanto Essa puo’ evolvere nella stessa maniera o verso i reagenti o verso i prodotti. L’evento critico che determina la velocità di reazione è l’incontro tra due molecole di NO 2 e di CO che porta alla formazione dello stato intermedio Altro es

La probabilità che ci sia un incontro tra le due molecole dipende dalla loro concentrazione. DA QUESTO DERIVA LA CINETICA DEL secondo ORDINE. Però non basta un urto tra le due particelle….

L’urto deve essere EFFICACE. I reagenti devono avere energia cinetica sufficiente per portare alla formazione del complesso attivato. Inoltre devono urtarsi con la giusta orientazione reciproca k = Be -E a /RT

L’ordine di reazione ci dice se la velocità di una reazione dipende dalla concentrazione di un solo reagente (I° ordine), di due o più reagenti (II°, III°, etc.), di nessuno (ordine 0) e non và confuso con la molecolarità di reazione che indica il numero di reagenti che partecipano alla reazione (somma dei coefficienti stechiometrici)

H 2 + Br 2  2 HBrmolecolarità = 2 V = K[H 2 ][Br 2 ] 1/2 ordine di reaz. = 1+1/2=3/2 Br 2  2 Br Br + H 2  HBr + H H + Br  HBr V = K[H 2 ][Br] = K[H 2 ][Br 2 ] 1/2 TAPPA LENTA es

Energia di Attivazione L’energia di Attivazione è la barriera energetica che si deve superare affinché si formi il complesso attivato e la reazione possa procedere verso la formazione dei prodotti Essa determina la Costante di velocità. Maggiore è l’Energia di Attivazione, minore sarà la costante di velocità k = Be -Ea/RT

Esempio NO 2 + CONO + CO 2

Ricorda! L’ORDINE DI UNA REAZIONE è DETERMINATO SOLO DALLE CONDIZIONI IN CUI ESSA HA LUOGO E NON DAL FATTO CHE SIA MONO BI O TRI MOLECOLARE Un reagente è in eccesso Reazione di pseudo 1°ordine un reagente viene continuamente rigenerato (IMP in biochimica) A +B lenta C rapida D + prodotti Possiamo avere reazioni di 1° ordine o

legge cineticaordine globale di reazionenm a b b c c Lo studio empirico delle reazioni permette di definirne i meccanismi e di stabilirrne la legge cinetica; in pratica permette di determinare gli esponenti m ed n. Nella tabella seguente sono rappresentati i casi più comuni.

Per calcolare l' ordine globale della reazione si procede nel seguente modo: in una reazione in cui A e B siano gli unici partecipanti, si determina dapprima la velocità di reazione facendo variare A e tenendo fissa la concentrazione di B, e successivamente la velocità di reazione tenendo fisso A e variando la concentrazione di B. Se il risultato sperimentale è quello rappresentato nella figura sottostante, ovvero la velocità di reazione è direttamente proporzionale a [A] 2 e a [B], allora la reazione è di secondo ordine rispetto ad A e di primo ordine rispetto a B.

Qual’ è l’ordine globale di reazione? Se sperimentalmente si trova che la velocità di reazione è direttamente proporzionale a [A] 2 e a [B] allora la reazione è di 2 ° ordine rispetto ad A e di 1 ° ordine rispetto a B La reazione è globalmente di 3° ordine

La reazione è globalmente di terzo ordine e l' equazione di velocità totale è: 2° ordine c) 1° ordine b)

Alcune reazioni chimiche sono indipendenti dalla concentrazione di qualsiasi reagente SONO LE REAZIONI DI ORDINE ZERO Molte reazioni catalizzate da enzimi sono di ordine zero In questo caso la velocità della reazione dipende dalla concentrazione del catalizzatore o da qualche altro fattore indipendente dalle concentrazione delle specie molecolari Le applicazioni della cinetica chimica sono numerose, ma quelle che presentano un interesse per il biochimico sono quelle che riguardano le reazioni catalizzate ed i meccanismi di reazione. v [ ] a)

Ricapitolando Tra i fattori che possono influenzare la velocità di una reazione chimica, abbiamo visto per esempio: la natura dei reagenti (durante la reazione si debbono rompere dei legami) la concentrazione dei reagenti (con la concentrazione varia il numero di collisioni possibili) la temperatura (con la T varia il numero di urti efficaci, dato che cambia l'energia cinetica) l'area di contatto tra le fasi (nel caso di reazioni eterogenee) l'agitazione della miscela...etc i catalizzatori (fanno aumentare la velocità)

Legge di Azione delle masse Consideriamo una reazione generica A+B = C+D Può essere Reversibile (quando in una reazione chimica i prodotti della reazione reagiscono tra loro per riformare i reagenti) All’EQUILIBRIO ( quando la VELOCITA’ con cui si formano i prodotti diventa uguale alla velocità con cui si formano i reagenti)

A+B C+D Questa reazione all’equilibrio avrà una v1= v2 E quindi con passaggi matematici si arriva all’enunciato finale della legge di azione delle masse per cui la costante di equilibrio di una reazione è data da rapporto tra il prodotto delle concentrazioni dei prodotti e il prodotto della concentrazione dei reagenti [C] [D] Keq = [A] [B] Significato un alto valore di Keq indica che l’equilibrio della reazione è spostato verso destra A+B C+D Un basso valore della costante di equilibrio significa che l’equilibrio della reazione è spostato verso sinistra A+B C+D v1 v2 La Keq dipende solo dalla temperatura La Keq Si scrive anche Kc

Quando si tratta di gas, si usano spesso le pressioni parziali anziché le concentrazioni (basta ricordare che, per la legge di Dalton sulle miscele gassose ideali, la p i è proporzionale a n i ); otterremo, in questo caso, una K p.

La spinta che fa avvenire una reazione chimica è la diminuzione di energia libera. Mano a mano che i reagenti diminuiscono il loro contributo all’energia libera del sistema diminuisce, mentre contemporaneamente aumenta il contributo dei prodotti. Quando l’energia libera dei reagenti e dei prodotti è uguale qualsiasi ulteriore cambiamento può provocare soltanto un aumento dell’energia, quindi all’equilibrio DG = 0. Il contributo all’energia libera di un composto può essere diviso in due parti. Una parte è l’energia libera standard G°, una proprietà delle singole sostanze in condizioni ben definite (25 °C, 1 atm per i gas, liquidi e solidi puri, soluti alla concentrazione 1 Molare). Una seconda parte rappresenta quanto si discosta la sostanza dalla condizioni standard, ed ha la forma RTln(attività), dove l’attività è in pratica la concentrazione espressa con le unità di misura prima indicate. Quindi per una sostanza generica A posta in soluzione avremo che il suo contributo all’energia libera del sistema sarà: G = G° + RTln[A] Dalla termodinamica…

G reagenti = G A + G B = G° A + RT ln[A] + G° B + RTln[B] Per la reazione generica A + B = C + D G prodotti = G C + G D = G° C + RT ln[C] + G° D + RTln[D] La variazione di energia libera della reazione sarà  G =  G° + RT ln [C][D] [A][B]

 =  G° + RT lnKeq  G =  G° + RT ln [C][D] [A][B] La reazione procede finché  G è negativo, ma con l’aumentare della concentrazione dei prodotti il  G diminuisce fino a diventare zero A questo punto non c’è più energia per far procedere la reazione, cioè avremo ha raggiunto l’equilibrio chimico. In una reazione all’equilibrio il  G = 0 [C][D] [A][B] K eq = RTlnKeq = -  G° La costante di equilibrio di una reazione dipende dal valore di  G° All’equilibrio avremo allora

Nota: nello stato standard tutte le specie chimiche sono a concentrazione unitaria, quindi anche gli H+ dovrebbero avere una concentrazione 1.0 M, cioè pH = 0. I sistemi biologici operano normalmente a pH neutro, si può quindi utilizzare un nuovo stato standard a pH 7.0 indicato con G°’ G°’ = G° + RTln(10 -7 )  G° RT lnK eq = -  G° RT 1  G° RT = 0 K eq = 1  G° RT > 0 K eq < 1 Quindi se

G° reagenti prodotti  G° < 0 K eq > 1 G° reagenti prodotti  G° = 0 K eq = 1 G° reagenti prodotti  G° > 0 K eq < 1

Ricordiamo che G è una funzione di stato, quindi: Dipende solo dallo stato iniziale e dallo stato finale Non dice niente sulla velocità con cui avviene la reazione Non dice niente sugli stati intermedi della reazione

Si puo’ razionalizzare considerando l’espressione della costante di equilibrio e di come varia cambiando p e T Henri Le Chatelier ( ) Principio di Le Chatelier Un sistema all’equilibrio, soggetto ad una perturbazione, risponde in modo da minimizzare l’effetto della perturbazione

Principio di Le Chatelier Modificazione della concentrazione di un reagente o di un prodotto Consideriamo la generica reazione : A + B  C Supponiamo di avere all’equilibrio: 10 A + 10 B 10 C [C] [10] Keq = _______ = __________ = 0.1 [A] [B] [10] [10] Immaginiamo di aggiungere 5 C alla miscela in equilibrio 10 A + 10 B 10 C Quello che accade è che delle 5 molecole di C 2 vengono convertite in 2 A e 2B generando il nuovo equilibrio: 12 A + 12 B 13 C [13] K = __________  0.1 [12] [12]

Variazione di Temperatura Secondo il principio di Le Chatelier –aumentando la temperatura, l’equilibrio si sposta verso la reazione endotermica –Diminuendo la temperatura, l’equilibrio si sposta verso la reazione esotermica Vediamo come possiamo razionalizzare questa osservazione

Ottimizzazione di Reazioni Le considerazioni precedenti permettono di ottimizzare la resa di una reazione chimica Prendiamo ad esempio la sintesi dell’ammoniaca N2(g) + 3H2(g) = 2NH 3 (g) + 21 kcal

Ottimizzazione di Reazioni La reazione è esotermica, quindi i prodotti sono favoriti a basse temperature… Tuttavia a basse temperature la velocità delle reazioni è molto bassa Aumentando la pressione, l’equilibrio di sposta verso destra, diminuendo il numero di moli Possiamo poi sottrarre NH 3 dall’equilibrio ad esempio liquefandola N2(g) + 3H2(g) = 2NH 3 (g) + 21 kcal

Es biologico Consideriamo la reazione CO2 + H2O = H2CO3 L’anidride carbonica è un prodotto di scarto delle nostre cellule e quando viene a contatto con il sangue essa viene trasformata in acido carbonico Man mano che il sangue circola la sua concentrazione aumenta e quindi in base al principio dell’Equilibrio mobile l’equilibrio si sposta verso destra con aumento dell’acido carbonico Nei polmoni dove la Co2 viene eliminata l’equilibrio si sposta verso sinistra

Le trasformazioni che hanno luogo durante una reazione chimica portano ad una diminuzione dell'energia totale del sistema. In effetti, in una molecola o in un cristallo, l'organizzazione reciproca degli atomi implica un'energia, che è l’energia di legame; infatti perché un legame venga rotto è necessario fornire al sistema una quantità di energia almeno pari all'energia di legame. Quando gli atomi si ricombianano, formando nuovi legami, tale energia viene liberata. Al termine di una reazione, l'energia immagazzinata nei legami dei prodotti di reazione è minore di quella iniziamlmente presente nei legami dei reagenti iniziali. Durante la reazione, tuttavia, esiste un momento in cui i vecchi legami si sono rotti e quelli nuovi non si sono ancora formati, è lo stato di transizione dove l'energia del sistema è massima, cosa che costituisce una vera barriera per la realizzazione della reazione ENERGIA di ATTIVAZIONE (Ea)

La reazione avviene solo se l’energia cinetica delle due molecole collidenti è maggiore di E a.

In generale: un catalizzatore non prende parte alla reazione, ma cambia (diminuisce) l’energia dello stato di transizione. reagenti prodotti stato di transizione con il catalizzatore

I CATALIZZATORI Sono sostanze che : accelerano la velocità di una reazione chimica Non spostano l’equilibrio della reazione Viene usato in quantità non stechiometriche Non viene consumato nella reazione Non compare tra i reagentie i prodotti Abbassa l’energia di attivazione

come lavorano gli enzimi la velocità di una reazione, misurata come quantità di prodotto ottenuto in un tempo definito, dipende dalla energia di attivazione alzare la temperatura: si incrementa il numero di molecole che hanno una quantità sufficiente di energia per superare la barriera di energia posso abbassare l’energia di attivazione aggiungendo un catalizzatore diagramma delle variazioni di energia in una reazione S P gli enzimi modificano solo la velocità della reazione e non gli equilibri interazioni deboli non covalenti tra S ed E, provocano un rilascio di energia libera abbassamento energia di attivazione rende enzimi specifici

Gli enzimi sono dei catalizzatori che permettono e agevolano la realizzazione di sintesi e scissioni molecolari, e quindi favoriscono le reazioni chimiche nelle cellule dei tessuti esempio H 2 O 2 e catalasi 2 H 2 O 2  2 H 2 O + O 2 Catalizzata da catalasi Reazione spostata a destra (K eq alta) ma molto lenta (k di velocità bassa)

Enzima (dal greco = fermento). E' una sostanza proteica che accelera in maniera specifica certe reazioni chimiche, in substrati particolari, senza partecipare alle reazioni stesse. Il substrato-molecola A deve unirsi al substrato-molecola B. L'enzima specifico per questo tipo di reazione chimica interviene unendo la molecola A e la molecola B. Le lascia unite e poi si ritira, pronto per una nuova reazione su substrati dello stesso tipo

Il substrato verde ha 2 componenti che devono essere scissi in una determinata reazione chimica. L'enzima specifico accoglie il substrato e fornisce il prodotto della reazione con il risultato di avere A e B scissi. A questo punto l'enzima specifico di questa reazione è pronto per una nuova reazione su un nuovo substrato dello stesso tipo.

Gli enzimi sono catalizzatori delle reazioni biochimiche Un catalizzatore è una sostanza che non partecipa direttamente alla reazione chimica (si trova nella stessa quantità prima e dopo la reazione stessa), ma la accelera o la rende possibile in condizioni ambientali più favorevoli. Ad esempio la scissione del glucosio richiede una temperatura di 100° e tempi lunghissimi, mentre gli enzimi permettono una rapida reazione all’interno del corpo umano. I catalizzatori sono anche il cardine della moderna chimica industriale, e gran parte della ricerca si concentra sul ritrovamento di nuovi catalizzatori che rendano i processi più economici. Nell’organismo gli enzimi sono indispensabili alla vita: per capire la loro importanza basta pensare che le reazioni chimiche connesse con un singolo respiro, in assenza di enzimi, durerebbero ore.

Mappa metabolica La glicolisi la glicolisi una via metabolica

Mappa metabolica Tutte le reazioni che avvengono nelle cellule sono reazioni catalizzate I catalizzatori di tali reazioni prendono il nome di enzimi Gli enzimi sono grosse molecole chiamate proteine Le proteine vengono formate dentro la cellula unendo tra di loro molecole più piccole, gli amminoacidi

 G° = KJ/mol la Keq = ([F6P]/[G6P]) eq = Essendo K < 1 la reazione prevede un equilibrio spostato a sinistra O OH CH 2 PO 3 2- CH 2 OH OH HO H H O CH 2 PO 3 2- OH HO OH H H H H Glucoso 6P Fruttoso 6P [0.665] [0.335]

Glucosio 6 P Fruttosio 6 P  G =  G° + RT ln Q = 1.7+ RT ln[F6P]/[G6P] Sistema all’equilibrio  G, KJ/mol Condizioni in stato-stazionario intracellulare O OH CH 2 PO CH 2 PO 4 OH HO H H Fruttoso 1,6bis P O OH CH 2 PO CH 2 OH OH HO H H O CH 2 PO OH HO OH H H H H Glucoso 6P Fruttoso 6P

Sistema isolato Tende a raggiungere l’equilibrio G6P/F6P= 0.5 = KeqG6P/F6P= 0.25 = Q stato stazionario Sistema aperto Tende a mantenere uno stato stazionario

Mappa metabolica Tutte le reazioni che avvengono nelle cellule sono reazioni catalizzate I catalizzatori di tali reazioni prendono il nome di enzimi Gli enzimi sono grosse molecole chiamate proteine Le proteine vengono formate dentro la cellula unendo tra di loro molecole più piccole, gli amminoacidi

Anche le reazioni di sintesi e di degradazione delle proteine richiedono la presenza di enzimi Tutto ciò sarà oggetto della biochimica

Anche le reazioni di sintesi e di degradazione delle proteine richiedono la presenza di enzimi Tutto ciò sarà oggetto della biochimica