Capitolo campione - I think chimica e biologia in evoluzione (Scientifica SS2) by Mondadori Education

SEZIONE

Chimica organica

Nell’Ottocento lo scienziato svedese Jöns Jacob Berzelius coniò il termine “organica” riferito a una branca della chimica, mentre a Titusville, in Pennsylvania, Edwin Drake stava progettando il primo pozzo petrolifero. Da allora la chimica organica e l’industria petrolifera hanno visto una brusca accelerazione scientifico-tecnologica. Perché conoscere le basi della chimica organica ci aiuta a comprendere meglio il ruolo dei combustibili fossili nella crisi climatica e negli equilibri geopolitici globali? Mettetevi in gioco guardando il film e associando le idee nell’attività proposta qui a fianco.

La febbre dell’oro nero Collega Il petroliere è un film del 2007 diretto da Paul Thomas Anderson e racconta la storia di un uomo ambizioso che si arricchisce scoprendo l’oro nero in un piccolo villaggio della California. Guardate il film e concentratevi sui termini chimici utilizzati. In seguito, riflettete sulla differenza tra petrolio, idrocarburi e combustibili fossili, collegandoli con esempi e situazioni nella vita quotidiana. Dopo aver approfondito lo studio della chimica organica, svolgete il percorso di educazione civica proposto a fine sezione.

Gli idrocarburi

Orientati con la mappa Che cosa sono gli idrocarburi? In che settori sono utilizzati? Rispondi a queste domande studiando gli argomenti del Capitolo e orientandoti con la mappa. studia

La chimica organica

che possono essere caratterizzati da

isomeria

i composti del carbonio

le cui

interazioni intermolecolari

caratteristiche molecolari

determinano le

determinano il

proprietà fisiche

comportamento chimico

2.1

VIDEO

Gli idrocarburi

IN PREPARAZIONE

ollega

Scienze della Terra e/o Fisica

Puoi fare un collegamento con gli idrocarburi e le fonti di energia

tra cui

Capitolo 2 Gli idrocarburi

Survey the landscape in a map

IN PREPARAZIONE

gli idrocarburi come

da cui derivano

alcani e cicloalcani

alogenuri alchilici

alcheni

alcoli e fenoli

alchini

eteri

areni

aldeidi e chetoni acidi carbossilici eterocicli polimeri

Gli idrocarburi sono i più semplici composti organici

La complessità e la numerosità delle molecole organiche ha reso necessaria una loro classificazione. In questo Capitolo studieremo la classe degli idrocarburi, i composti organici più semplici costituiti solo da atomi di idrogeno e carbonio, come indica il nome stesso. In natura i combustibili fossili, quali petrolio e gas naturale, sono la principale fonte di idrocarburi. Gli idrocarburi sono poi suddivisi in due principali categorie: alifatici e aromatici. Gli idrocarburi alifatici (dal greco áleiphar, olio), così denominati per le loro proprietà simili a quelle delle molecole presenti nei grassi animali e vegetali, si distinguono in due classi in base alla tipologia di legame, che unisce gli atomi di carbonio. Tutte le molecole composte solo da atomi di carbonio ibridizzati sp3, e quindi legati tra loro solo da legami singoli di tipo σ, sono idrocarburi saturi, in cui il termine “saturo” indica appunto che ciascun atomo di carbonio forma il numero massimo di legami singoli, ovvero quattro. Gli idrocarburi saturi, a loro volta, formano catene aperte lineari o ramificate (alcani), oppure strutture ad anello (cicloalcani). Gli idrocarburi alifatici che hanno almeno un legame multiplo (doppio o triplo) tra due atomi di carbonio appartengono alla classe degli idrocarburi insaturi. Questi, quando sono in forma aperta lineare o ramificata con almeno un doppio legame tra due atomi di carbonio (quindi, con almeno due atomi C ibridizzati sp2), appartengono alla sottoclasse degli alcheni 1 .

1 I semi di amaranto. Utilizzati in alternativa ai cereali perché privi di glutine, sono ricchi di squalene, un idrocarburo insaturo. Sotto alla foto è riportata la struttura a scheletro dello squalene.

Le molecole contenenti almeno un triplo legame tra due atomi di carbonio ibridizzati sp sono invece chiamate alchini. Anche gli idrocarburi insaturi formano molecole cicliche, denominate cicloalcheni, se gli anelli hanno almeno un doppio legame, o cicloalchini, se hanno almeno un triplo legame. Gli idrocarburi aromatici o areni sono invece molecole cicliche polinsature con caratteristiche chimico-fisiche peculiari. Il primo idrocarburo aromatico scoperto fu il benzene, molecola dal caratteristico odore dolciastro dal quale deriva l’attributo “aromatici”. Gli idrocarburi aromatici monociclici sono costituiti da un unico anello di atomi di carbonio, mentre quelli policiclici contengono due o più anelli legati tra loro nella struttura.

Prima di andare avanti 1. RIASSUMI IN UN MINUTO Quali sono le differenze tra idrocarburi saturi e insaturi? 2. DESCRIVI IN TRE RIGHE Da dove derivano i termini “idrocarburi”, “alifatico” e “aromatico”? 3. RIPETI CON LA MAPPA Inserisci i termini mancanti e collega i concetti.

IDROCARBURI alifatici

aromatici (areni)

insaturi

saturi

metano

CH2

ciclopropano

cicloalcheni

—

CH2

—

H—C—H

CH2

alcheni

................................

—

— —

cicloalcani

................................

—

alcani

................................

CH2

C=C

etene

ciclopropene

alchini

................................

cicloalchini

................................

monociclici

policiclici

ciclottino

benzene

naftalene

—C—H H—C— etino

2.1 Gli idrocarburi sono i più semplici composti organici

2.2 Gli alcani e i cicloalcani sono

gli idrocarburi più semplici

In classe • Proiettate la mappa alla LIM e arricchitela

confrontandovi con i vostri compagni e con il docente. • Divisi in gruppi, svolgete l’esercizio 69 a p. 52. Confrontate le conclusioni a cui siete giunti con quelle del resto della classe usando la Google Jamboard.

Tabella 1 Numero di isomeri costituzionali di alcuni alcani

Atomi di carbonio

Isomeri di struttura

4347

CnH2n+2 dove n è il numero di atomi di carbonio della molecola. Per n crescente si ha, quindi, una serie omologa, ovvero una serie di composti che differiscono dall’elemento precedente e da quello successivo per un’unità strutturale costante, che nel caso degli alcani è —CH2—. Il primo elemento della serie degli alcani è il metano (CH4), seguito dall’etano (C2H6), dal propano (C3H8) e così via. H

H H

H H H

H—C—C—H

H—C—C—C—H

H H

H H H

metano

etano

propano

H—C—H H

— — — — — —

idrocarburi: gli alcani. • Leggi il paragrafo 2.2 Gli alcani e i cicloalcani sono gli idrocarburi più semplici, allenati con l’esercizio guidato e rispondi alle domande di Prima di andare avanti. • Svolgi gli esercizi 12, 18 e 26 a p. 49.

Nei primi tre elementi della serie degli alcani, gli atomi di carbonio si combinano in un’unica sequenza, ma a partire dal quarto elemento, il butano (C4H10), presentano isomeria di catena poiché gli atomi di carbonio possono connettersi in sequenza diversa. L’elevata auto-affinità dell’atomo di carbonio fa sì che anche composti con un esiguo numero di atomi C abbiano un elevato numero di isomeri costituzionali Tabella 1. A causa dell’ibridizzazione sp3, gli atomi di carbonio degli alcani si dispongono secondo una geometria tetraedrica e formano angoli di legame di 109,5°. Spesso si ha a che fare con alcani a catena lunga e ramificata, perciò si utilizzano formule razionali o a scheletro (riportate in basso), sebbene l’esatta geometria molecolare sia meglio visualizzabile con i modelli ball&stick 2 . CH3—CH2—CH2—CH3

CH3—CH—CH3 —

A casa • Esplora la mappa I capostipiti degli

— — — —

Studia con la mappa I capostipiti degli idrocarburi: gli alcani

Le molecole organiche strutturalmente più semplici sono gli alcani, idrocarburi nei quali sono presenti solo atomi di carbonio ibridizzati sp3 che formano legami singoli di tipo σ, carbonio-carbonio o carbonio-idrogeno. La classe degli alcani è quindi rappresentata da idrocarburi alifatici saturi, che generalizziamo con la formula molecolare:

— —

IN PREPARAZIONE

CH3

n-butano

isobutano

A. La nomenclatura degli alcani

2 I modelli ball&stick dei due isomeri del butano. Gli alcani contengono solo atomi di carbonio ibridizzati sp3 e, quindi, tutti gli angoli di legame sono di 109,5°.

Capitolo 2 Gli idrocarburi

Molti composti organici sono noti con i nomi assegnati nel momento della loro scoperta, in genere associati al luogo o alla sostanza in cui sono stati identificati la prima volta. Tale nomenclatura, definita tradizionale, è diventata però complessa e inefficace per indicare i numerosi composti organici via via individuati. Pertanto, la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ha adottato una serie di regole per assegnare i nomi ai composti organici, definendo la nomenclatura IUPAC, basata su convenzioni in grado di associare in maniera univoca un nome a una formula di struttura e viceversa.

Il nome IUPAC degli alcani formati da catene lineari è composto da una radice che indica il numero di atomi di carbonio della catena e dal suffisso -ano che identifica il composto come idrocarburo alifatico saturo. Solo per i primi quattro alcani, le radici derivano dalla nomenclatura tradizionale, mentre per indicare molecole a cinque o più atomi di carbonio si usano i prefissi numerici derivanti dal latino o dal greco Tabella 2. Nel caso di alcani a catena ramificata, l’utilizzo dei soli prefissi può creare ambiguità; pertanto, la nomenclatura IUPAC assegna il nome alla catena più lunga, al quale si aggiunge il nome del o dei sostituente/i a essa legato/i. I sostituenti derivati dagli alcani per rimozione di un atomo di idrogeno sono chiamati gruppi (o radicali) alchilici, indicati genericamente con il simbolo R—. Il loro nome deriva da quello del corrispondente alcano a catena lineare, nel quale il suffisso -ano è sostituito dal suffisso -ile. Pertanto, il gruppo CH3—, ottenuto per rimozione di un H dal metano, è chiamato metile, il gruppo CH3CH2— è chiamato etile e così via. Vediamo come assegnare il nome IUPAC ad alcani con strutture complesse. Fase 1. Per prima cosa si individua la catena più lunga nella molecola. Questa fase è spesso complicata, tanto da indurre in errore. Prendiamo come esempio l’alcano riportato di seguito. Guardando la molecola così rappresentata, si potrebbe definire la catena più lunga partendo dall’atomo di carbonio più a sinistra e continuando a contare in linea retta verso destra (numerazione in verde). Avendo sei atomi di carbonio, saremmo di fronte a un esano sostituito:

Tabella 2 Radici dei nomi dei primi dieci ele-

menti della serie degli alcani e qualche esempio successivo

Radice

N. atomi di carbonio

met-

et-

prop-

but-

pent-

es-

ept-

ott-

non-

dec-

pentadec-

eicos-

tetracos-

— —

CH2—CH3

CH3—C—CH2—CH—CH2—CH3 2

CH3

—

CH2—CH3

Tuttavia, non sempre la catena più lunga è quella rappresentata in maniera orizzontale, ma in alcuni casi segue una linea spezzata. Nell’alcano preso come esempio, la catena più lunga è infatti costituita da sette atomi di carbonio (numerazione in rosso), quindi si tratta di un eptano. In tale molecola, però, individuiamo due catene differenti aventi la stessa lunghezza, a seconda di quale atomo di carbonio si considera come numero 6 della catena: 2

— —

CH2—CH3

CH3

—

CH3—C—CH2—CH—CH2—CH3 6

CH2—CH3

Quando sono presenti due o più catene di uguale lunghezza, si sceglie la catena con il maggior numero di sostituenti. Nel nostro esempio, tuttavia, il numero di sostituenti nelle due catene è uguale, quindi qualsiasi catena scegliamo, il nome assegnato all’alcano è sempre lo stesso.

Ricorda Si chiamano sostituenti i gruppi legati alla catena principale.

Fase 2. Dopo aver assegnato il nome alla catena più lunga, si individuano e si denominano tutti i sostituenti. Nell’eptano usato come esempio sono presenti due sostituenti metilici e uno etilico: — —

CH2—CH3 CH3

metile

—

CH3—C—CH2—CH—CH2—CH3 CH2—CH3 etile

2.2 Gli alcani e i cicloalcani sono gli idrocarburi più semplici

— —

CH2—CH3

SÌ 5

NO 3

CH3—C—CH2—CH—CH2—CH3

—

CH3—C—CH2—CH—CH2—CH3 CH2—CH3

CH3

CH2—CH3

—

Per essere certo che la numerazione assegnata sia corretta puoi usare un espediente: per ogni numerazione possibile somma tutti i numeri assegnati ai sostituenti; la giusta numerazione è quella con cui si ottiene la somma più bassa.

Fase 3. Nella fase successiva si numerano gli atomi della catena principale partendo dall’estremità più vicina al primo punto di ramificazione, in modo da assegnare ai sostituenti i numeri più bassi possibile. Nel nostro eptano, numerando come riportato a sinistra (in rosso) nelle formule seguenti, avremmo il primo sostituente in posizione 3, così come numerando dall’altra estremità (in blu). Nel caso in cui ci siano più sostituenti, come nell’esempio che stiamo esaminando, se la prima ramificazione è alla stessa distanza dalle due estremità, si numera dall’estremità più vicina alla seconda ramificazione. In questo esempio, quindi, la numerazione corretta è quella in rosso, poiché anche il secondo metile è in posizione 3: — —

Approfondisci

CH2—CH3

CH3

In alcune molecole ci sono solo due ramificazioni, situate in posizioni corrispondenti rispetto alle due estremità della catena principale. In tal caso, si attribuisce il numero più basso al sostituente che ha la priorità in ordine alfabetico: 1

CH3

—

metile in posizione 4

NO 5

—

CH3—CH2—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH2—CH3 CH2—CH3

CH3

—

SÌ 5

—

CH3—CH2—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH2—CH3 CH2—CH3

Nome IUPAC/ Nome comune

Formula

metile/ metile

CH3—

etile/ etile

CH3—CH2— CH3—CH2—CH2—

1-metiletile/ isopropile

—CH—CH3 —

propile/ n-propile

CH3

CH3—CH2—CH2—CH2—

1-metilpropile/ sec-butile

CH3—CH—CH2—CH3

2-metilpropile/ isobutile

—CH2—CH—CH3

—

CH3 CH3

— —

1,1-dimetiletile/ terz-butile

—

butile/ n-butile

CH3—C—CH3

Capitolo 2 Gli idrocarburi

CH2—CH3

CH3—C—CH2—CH—CH2—CH3 CH3

—

alchilici più frequenti

Fase 4. A questo punto si assegna il nome al composto, riportando: ▶ prima tutti i nomi dei sostituenti in ordine alfabetico, facendoli precedere dal numero dell’atomo di carbonio della catena principale al quale sono legati e da un trattino di separazione tra questo numero e il nome del sostituente; ▶ poi il nome dell’alcano che costituisce la catena principale. Se lo stesso sostituente compare più di una volta, si indica il numero di ricorrenze con un prefisso numerale (di-, tri-, tetra- e così via), che non è considerato ai fini dell’ordine alfabetico. In questi casi, si riportano tutti i numeri che indicano le posizioni (anche se ripetuti) separati tra loro da una virgola. L’ultimo sostituente forma un’unica parola con il nome della catena principale. Quindi, l’alcano utilizzato nel nostro esempio ha il seguente nome: — —

Tabella 3 Nomi IUPAC e comuni dei gruppi

etile in posizione 4

CH2—CH3

5-etil-3,3-dimetileptano

Negli idrocarburi si ritrovano spesso sostituenti ramificati Tabella 3. In tal caso, il nome del sostituente si assegna seguendo le fasi appena descritte, ma la numerazione parte sempre dall’atomo di carbonio legato alla catena principale. Nell’alcano riportato di seguito, la catena principale è un decano ramificato in posizione 4. Nella ramificazione la catena più lunga ha due atomi di carbonio: è quindi un etile con un sostituente metilico in posizione 1. Il nome di tutto il gruppo sostituente è 1-metiletile.

In casi come l’idrocarburo considerato, il nome del gruppo alchilico ramificato è scritto tra parentesi e perde la -e finale: gruppo alchilico ramificato

IN PREPARAZIONE

—

CH2—CH2—CH3

Assegna il nome a un alcano

VIDEO

—

CH3—CH—CH—CH2—CH2—CH2 CH2—CH2—CH3

CH3

4-(1-metiletil)decano

Per assegnare il nome ai gruppi alchilici, nella nomenclatura tradizionale si utilizzano i prefissi n-, sec- e terz- che sono le abbreviazioni di normale, secondario e terziario. Il prefisso iso- indica una catena lineare che termina con (R)2CHCH2—, mentre il prefisso neo- si usa quando la catena termina con (R)3CCH2—. Il diagramma di flusso in figura 3 illustra la successione dei passaggi da seguire secondo le regole IUPAC per assegnare il nome a un alcano.

3 Regole per assegnare il nome IUPAC a un alcano.

Come assegnare il nome IUPAC a un alcano

Assegna il nome, composto dalla radice che indica il numero di atomi di carbonio + il suffisso -ano

SÌ

È lineare?

Individua la catena contenente più sostituenti

Individua la catena più lunga

Ci sono più catene della stessa lunghezza?

SÌ

Numera la catena partendo dall’estremo più vicino al primo sostituente

Ci sono due sostituenti alla stessa distanza dalle due estremità della catena?

Individua e denomina i sostituenti

SÌ SÌ

Ci sono altri sostituenti? NO

Numera la catena partendo dall’estremità più vicina alla seconda ramificazione

Numera la catena partendo dal sostituente che viene prima in ordine alfabetico

Assegna il nome mettendo prima i sostituenti in ordine alfabetico, poi il nome della catena più lunga, composto dalla radice che indica il numero di atomi di carbonio + il suffisso -ano

2.2 Gli alcani e i cicloalcani sono gli idrocarburi più semplici

Esercizio

guidato

Assegna il nome IUPAC al seguente alcano ramificato. 8 1

Analizza il problema Hai davanti una struttura a scheletro, in cui l’estremo di ogni segmento rappresenta un atomo di carbonio. Per assegnare il nome IUPAC a un alcano è necessario seguire tutte le fasi appena studiate e presenti in figura 3, facendo attenzione a individuare tutte le ramificazioni del composto e il loro nome. Applica le tue conoscenze Osserva la molecola e individua la catena più lunga contenente il maggior numero di ramificazioni. La catena più lunga è composta da otto atomi di carbonio; quindi, il nome della catena lineare è ottano. Individua tutti i sostituenti presenti sull’ottano: due gruppi metile e un gruppo 1,1-dimetiletile (o terz-butile, secondo la nomenclatura comune). A questo punto, è necessario numerare la catena a partire dall’estremità più vicina alla prima ramificazione (vedi figura a lato).

7 2

5 6 3

3 6

2 7

1 8

Nella molecola riportata si riconoscono un gruppo metile sul quarto atomo di carbonio partendo da un’estremità (numeri in rosso nella figura), e un gruppo metile sul secondo carbonio partendo dall’altra estremità (numeri in blu). Seguendo la regola IUPAC utilizziamo la numerazione blu. A questo punto, riportiamo il nome esatto dell’alcano: 4-(1,1-dimetiletil)-2,5-dimetilottano. metile 8 1

7 2

5 6 3

4 5

3 6

1,1-dimetiletile

1 8

metile

Commenta il risultato Nella molecola esaminata, la numerazione in rosso attribuirebbe numeri più alti alle posizioni dei sostituenti. In generale, ricorda di individuare sempre l’estremità più vicina al primo sostituente. Nominando i sostituenti con la nomenclatura comune si può denominare la molecola come 4-terz-butil-2,5-dimetilottano.

B. I cicloalcani e la loro nomenclatura I cicloalcani sono idrocarburi saturi (come gli alcani) in cui il primo e l’ultimo atomo di carbonio della catena si legano per formare un anello. Come nei poligoni geometrici, per chiudere l’anello sono necessari almeno tre atomi di carbonio e, in teoria, non ci sono limiti superiori alla dimensione del ciclo. Il legame tra i due C che chiudono l’anello comporta la perdita di due atomi di idrogeno rispetto alla corrispondente catena aperta: pertanto, i cicloalcani si generalizzano con la formula molecolare: CnH2n Come per gli alcani, anche gli elementi della serie omologa dei cicloalcani differiscono dal precedente e dal successivo per un’unità —CH2—. I cicloalcani sono in genere rappresentati con le formule razionali o, ancora più spesso, le strutture a scheletro, in cui gli anelli sono dei poligoni regolari con ciascun vertice corrispondente a un atomo di carbonio. Il primo elemento della serie è un triangolo equilatero, il secondo un quadrato, il terzo un pentagono e così via: CH2 CH2

CH2 ciclopropano

CH2

CH2 ciclobutano

CH2 CH2

CH2

CH2 ciclopentano

CH2 CH2

CH2

CH2 CH2 cicloesano

Secondo la IUPAC, il nome di un cicloalcano è costituito dal prefisso ciclo- che precede il nome dell’alcano lineare corrispondente, ovvero con lo stesso numero di atomi C. Se sono presenti dei sostituenti alchilici, valgono le regole degli alcani. A differenza degli alcani lineari, però, se il sostituente è solo uno, non è necessario assegnare un numero, mentre nel caso in cui sono presenti due sostituenti si numerano gli atomi C dell’anello iniziando da quello a cui è legato il primo sostituente in ordine alfabetico. 30

Capitolo 2 Gli idrocarburi

Se i sostituenti sono più di due, invece, la numerazione deve assicurare la combinazione di numeri più bassi possibile. Come per gli alcani, i sostituenti sono elencati in ordine alfabetico nel nome; per esempio, l’etile deve precedere il metile: 4 5

2 1

2-etil-1,4-dimetilcicloesano

1-etil-2,5-dimetilcicloesano

I cicloalcani sostituiti possono presentare isomeria geometrica, poiché i sostituenti possono essere dalla stessa parte (cis) rispetto al piano dell’anello o da parti opposte (trans). Spesso nel nome è quindi specificata anche la configurazione dell’isomero: H

CH3

cis-1,2-dimetilciclobutano

Ricorda Nelle formule prospettiche, i cunei tratteggiati indicano legami che si trovano dietro al piano della pagina e i cunei neri quelli che puntano verso l’osservatore.

trans-1,2-dimetilciclobutano

La struttura e l’energia di un cicloalcano dipendono dalla dimensione dell’anello. Gli atomi di carbonio nei cicloalcani sono ibridizzati sp3 e, pertanto, formano angoli di legame di 109,5°. Nei cicloalcani con meno di sei atomi di carbonio, però, affinché la molecola si chiuda ad anello, gli angoli di legame sono inferiori a 109,5°. Ciò crea una forte tensione angolare nella molecola. La geometria dei cicloalcani deriva quindi da un compromesso tra la minore tensione angolare possibile e la minore tensione sterica dovuta all’ingombro fisico degli atomi di idrogeno o dei sostituenti che cercano di allontanarsi il più possibile tra loro. Per tale motivo, l’unico cicloalcano planare è quello a tre atomi di carbonio, che ha un’elevata energia interna a causa della compressione degli angoli di legame (da 109,5° a 60°), mentre gli omologhi superiori assumono conformazioni ripiegate a minore energia interna e quindi più stabili. Per esempio, i C del cicloesano si dispongono su più piani: se fosse una molecola planare avrebbe la geometria di un esagono regolare con angoli di 120°, ma sperimentalmente si trovano angoli di legame di 109,5°. Di questa, come di diverse molecole, esistono isomeri conformazionali più stabili di altri e quindi favoriti. Nel cicloesano le conformazioni favorite sono le due “a sedia” e quella “a barca”. Nella conformazione a sedia, gli H assiali (paralleli all’asse passante dal centro dell’anello) sono alternati sopra e sotto l’anello e gli H equatoriali (perpendicolari allo stesso asse) sono tutti sul piano dell’anello. In tal modo, gli H sono meno ravvicinati tra loro rispetto alla conformazione a barca, quindi la tensione sterica è minore e la conformazione a sedia è più stabile di quella a barca 4 . HH

H H H H

H H H

sedia

H H

H H HHH

H HH

H H H H

HH H

HH HH HH

sedia

H HH

H HH H H H H

4 Conformazioni “a sedia” e “a barca” del cicloesano. Nelle conformazioni sono evidenziati in blu gli H assiali e in nero gli H equatoriali.

H H

assiali equatoriali

H H

barca

2.2 Gli alcani e i cicloalcani sono gli idrocarburi più semplici

C. Le proprietà fisiche e chimiche di alcani e cicloalcani

5 Sversamento di benzina in mare. La benzina è una miscela di alcani che galleggiano sull’acqua avendo densità più bassa rispetto a quest’ultima.

Ricorda Una reazione esotermica è una reazione in cui la variazione di entalpia (ΔH), ovvero la quantità di calore scambiata con l’ambiente a pressione costante, è negativa. In tali reazioni è quindi rilasciata energia verso l’ambiente, sotto forma di calore. In una reazione endotermica i reagenti assorbono energia dall’ambiente per formare i prodotti.

Molecole appartenenti alla stessa serie omologa hanno proprietà chimiche molto simili, ma differiscono nelle proprietà fisiche, che dipendono dalla massa molecolare e dalle interazioni intermolecolari, che si instaurano a causa della forma della molecola. Negli alcani e nei cicloalcani sono presenti solo legami covalenti puri (C—C) o con una minima differenza di elettronegatività (C—H, Δχ = 0,3), che rendono le molecole apolari. Per tale motivo, tutti gli alcani e i cicloalcani sono idrofobi, ovvero insolubili in acqua. A temperatura e pressione normali (25 °C e 1 atm), i primi quattro composti della serie omologa degli alcani sono allo stato gassoso, mentre dal pentano all’eptadecano (C17H36) sono in forma liquida. Le molecole a catena più lunga hanno punti di fusione e di ebollizione maggiori, così da essere, in condizioni normali, allo stato solido. Le catene ramificate, a parità di lunghezza con quelle lineari, hanno p.e. inferiori. Con ramificazioni isolate, che allontanano tra loro le catene, si hanno i p.e. più bassi; quando le ramificazioni rendono la struttura simmetrica, i p.e. sono più alti, pur se inferiori alle catene lineari. Le densità degli alcani sono comprese tra 0,5 e 0,8 g/mL, inferiori a quella dell’acqua (1 g/mL). L’idrofobicità e la densità degli alcani rende le miscele alcani-acqua facilmente riconoscibili, con l’alcano che galleggia sull’acqua 5 . Dal punto di vista chimico alcani e cicloalcani sono poco reattivi verso la gran parte dei reagenti chimici a causa dell’apolarità delle molecole e dei forti legami covalenti di tipo σ. Da tale caratteristica deriva il loro antico nome di paraffine (dal latino parum, poco e affinis, affine), ancora oggi in uso. Tuttavia, alcani e cicloalcani non sono del tutto inerti e reagiscono con alcuni alogeni e con l’ossigeno. Ossidazione di alcani e cicloalcani Nonostante l’avvento di nuove tecnologie nel settore automobilistico, dal punto di vista economico l’ossidazione degli alcani è ancora oggi, su scala globale, la reazione più importante dei composti organici. Infatti, essa è alla base dell’uso degli idrocarburi saturi come fonte di energia per il riscaldamento (gas naturale, olio combustibile) e per sviluppare lavoro (benzina, gas petrolio liquefatto, o GPL, diesel). L’ossidazione degli idrocarburi saturi è chiamata combustione e forma diossido di carbonio, acqua ed energia, poiché esotermica. La reazione di ossidazione di un idrocarburo saturo si generalizza come: alcano

CnH2n+2 +

cicloalcano

CnH2n +

3n + 1 O2 ⎯⎯⎯→ nCO2 + (n + 1)H2O + energia 2

3 nO2 ⎯⎯⎯→ nCO2 + nH2O + energia 2

Se la reazione avviene in carenza di ossigeno, l’idrocarburo si ossida in modo parziale, trasformandosi in monossido di carbonio (CO) anziché CO2. Concentrazioni anche minime di CO atmosferico, prodotto da qualsiasi combustione incompleta (tra cui il fumo di tabacco), causano effetti tossicologici di entità variabile, fino a diventare letali. Infatti, il CO si associa all’emoglobina (Hb) con un legame circa 200 volte più stabile rispetto a quello di Hb con O2, impedendo il normale trasporto di O2 ai tessuti. Alogenazione degli alcani e dei cicloalcani Gli alogeni, in particolare il cloro (Cl2) e il bromo (Br2), reagiscono con alcani e cicloalcani sostituendo un atomo di idrogeno nella struttura dell’idrocarburo con un atomo di alogeno. Indicando con X un generico alogeno, l’alogenazione di un alcano si riassume nel seguente modo: hν (luce)

R—H + X2 ⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯⎯→ R—X + HX T (calore)

Capitolo 2 Gli idrocarburi

La reazione è classificata come sostituzione radicalica poiché la sostituzione tra H e X avviene con un meccanismo radicalico, che si sviluppa in tre stadi: inizio, propagazione e terminazione. ▶ Nello stadio di inizio, una fonte di energia, come luce o calore, scinde in maniera omolitica il legame covalente puro trai i due atomi di alogeno formando due radicali liberi (X•):

Ricorda Gli alogeni sono gli elementi del VII gruppo della tavola periodica, che formano i sali per reazione con i metalli (come il sale da cucina, NaCl).

hν (luce)

X—X ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ 2X T (calore)

▶ Nello stadio di propagazione, il radicale alogeno, molto reattivo, attacca una mo-

lecola di alcano o cicloalcano rimuovendo uno degli idrogeni grazie a una scissione omolitica del legame C—H. Si formano così una molecola di HX e un radicale alchilico: X + R—H ⎯⎯→ X—H + R

Il radicale alchilico attacca una molecola di X— e, a seguito della rottura omolitica R + X2 ⎯⎯→ R 2 X + X del legame X—X, si formano un alcano alogenato e un nuovo radicale alogeno, che X + R—H ⎯⎯→ X—H + R ricomincia il ciclo attaccando un’altra molecola di alcano: R + X2 ⎯⎯→ R—X + X

Si innesca così una reazione a catena in cui si ha la formazione continua di radicali alchilici e radicali alogeno che può continuare fino a quando sono presenti quantità abbondanti di alogeno e alcano (o cicloalcano). Con l’avanzare della reazione, però, la concentrazione di queste molecole diminuisce e aumenta la probabilità che si incontrino due radicali.

I mille volti del petrolio Tra i derivati della lavorazione del petrolio, si trovano alcuni composti noti come paraffina, o petrolati, composti da una miscela di idrocarburi, in prevalenza alcani, con un numero compreso tra i 20 ai 40 atomi di carbonio. Questi composti sono ingredienti spesso utilizzati in campo cosmetico e farmaceutico e alcuni esempi sono la vaselina e la paraffina liquida. La vaselina è impiegata nella formulazione di creme, pomate e medicamenti per uso esterno, ovvero da applicare su pelle, capelli o mucose esterne. La caratteristica principale delle paraffine è quella di essere emollienti, cioè sostanze con la capacità di formare una barriera protettiva sulla pelle, non consentendo l’evaporazione dell’acqua. Inoltre, i petrolati sono sempre stati apprezzati dall’industria farmaceutica e quella cosmetica per la loro stabilità poiché, a differenza degli oli naturali, permettono al prodotto di mantenere per tempi maggiori le sue proprietà e non degradarsi. Negli ultimi anni, il mercato è più attento nella selezione degli ingredienti utilizzati e predilige formulazioni più sostenibili e biologiche. Per questo motivo, di recente è aumentato il numero di prodotti cosmetici senza petrolati, con specifiche indicazioni sulle proprie confezioni. Questo rischia tuttavia di alimentare il falso mito che le paraffine non siano sostanze sicure. È importante evidenziare che un cosmetico deve essere conforme al Regolamento (CE) 1223/2009 per poter essere immesso sul mercato europeo. Questo regolamento assicura che gli ingredienti presenti in una formulazione siano nelle quantità consentite, non arrechino danni alla salute umana e garantiscano la sicurezza dei prodotti che utilizziamo. Nel caso dei derivati del petrolio, come la paraffina, il Regolamento europeo indica che

questi composti possono essere impiegati entro certe quantità nelle preparazioni di cosmetici per pelle e capelli perché non comportano pericoli per la nostra salute.

a Derivati del petrolio nei cosmetici. I cosmetici, come creme e altri prodotti da applicare sulla pelle, sono composti da formulazioni e ingredienti diversi, i quali sono sottoposti a una rigida regolamentazione e devono soddisfare alti standard di qualità.

Tocca a te! 1. Cittadinanza Nell’ambito cosmetico, molti ingredienti vengono indicati non correttamente come pericolosi. Fai una ricerca in Internet su quali sono questi composti e sul perché possono essere usati in sicurezza nei cosmetici. Scrivi un breve testo in cui riassumi le informazioni ottenute (massimo 3000 battute). 2.2 Gli alcani e i cicloalcani sono gli idrocarburi più semplici

La terminazione della reazione si verifica infatti quando uno o tutti i reagenti sono stati consumati oppure se i radicali formati reagiscono tra loro nei seguenti modi: R + R ⎯⎯→ R—R

Prima di andare avanti 1. RIPETI LA DEFINIZIONE Che cosa si

intende per serie omologa?

2. RIASSUMI IN UN MINUTO Descrivi le fasi

da seguire per assegnare il nome IUPAC a un alcano ramificato.

3. RIFLETTI E RISPONDI Perché, nella

reazione di alogenazione degli alcani, i due radicali formati nello stadio iniziale non reagiscono portando direttamente allo stadio di terminazione?

4. FAI LA TUA MAPPA Organizza e connetti

tra loro i termini evidenziati in grassetto nel paragrafo. Confronta la tua mappa con quella proposta nella sezione dedicata alla fine del volume.

ollega

Storia

Capitolo 2 Gli idrocarburi

Con la reazione di sostituzione radicalica si può ottenere l’alcano (o cicloalcano) monoalogenato, dialogenato e via via polialogenato, fino all’alcano in cui tutti gli idrogeni sono sostituiti dall’alogeno 6 . Se si vuole ottenere l’idrocarburo monosostituito si utilizza, nei reagenti di partenza, una quantità di alcano (o cicloalcano) in eccesso rispetto all’alogeno. Al contrario, per ottenere il prodotto completamente sostituito si fa reagire l’alcano con un grande eccesso di alogeno. In caso di alogenazione di alcani con almeno tre atomi di carbonio, la monoalogenazione può portare a più isomeri costituzionali. Per esempio, se l’alcano è il propano, l’alogeno si lega a uno degli atomi di carbonio terminali o a quello centrale, formando due diversi isomeri: X—CH2—CH2—CH3

CH3—CH—CH3 X

A causa della propria maggiore tensione angolare, il ciclopropano e il ciclobutano reagiscono con gli alogeni in maniera differente rispetto agli omologhi superiori, attraverso una reazione di addizione che porta all’apertura dell’anello e alla formazione di alcani lineari alogenati: + Cl2

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→

ciclopropano

1,3-dicloropropano

Gas mostarda e Guerra d’Etiopia

Nel 1915 i campi di battaglia della Prima Guerra Mondiale videro per la prima volta l’impiego di gas tossici per uso bellico. L’orrore suscitato nell’opinione pubblica mondiale dall’uso di armi chimiche durante la Grande Guerra portò alla firma, nel 1925, del Protocollo di Ginevra, che proibiva l’utilizzo di gas asfissianti e tossici sui campi di battaglia. Questo tuttavia non impedì il loro utilizzo anche durante la Seconda Guerra Mondiale. Nell’ottobre del 1935, l’Italia aprì le ostilità contro l’Impero di Etiopia, la cui annessione sarà completata il 9 maggio del 1936. Per l’Italia si trattava di guadagnarsi un posto fra le potenze coloniali e, sul fronte interno, consolidare il consenso popolare garantendo lavoro e ricchezza per gli emigrati italiani in un contesto di prevista segregazione razziale. L’Italia possedeva già l’Eritrea dal 1890, e dai primi decenni del Novecento la colonia della Somalia. L’impiego di gas fu massiccio sia lungo il fronte etiopico-eritreo sia su quello somalo. 34

X + X ⎯⎯→ X—X

—

6 Il cloroformio. Il cloroformio, CHCl3, si ottiene dal metano per policlorurazione. Tra la fine dell’Ottocento e l’inizio del Novecento il cloroformio era impiegato come anestetico, prima di essere sostituito con prodotti più sicuri e privi di tossicità.

R + X ⎯⎯→ R—X

Proprio come durante la Grande Guerra furono usati composti come l’iprite, il cui nome IUPAC è solfuro di 2,2’-diclorodietile. Si tratta di un aerosol vescicante che deve il suo nome comune alla città belga di Ypres, dove fu usato per la prima volta nel 1917 dai tedeschi contro le trincee anglo-canadesi, poi ribattezzato

gas mostarda per il suo colore giallo-marrone e l’odore di senape. I gas vennero usati direttamente contro le truppe nemiche o per creare sbarramenti alla loro avanzata, ma anche contro truppe in ritirata, civili, bestiame e corsi d’acqua a . Dopo la Seconda Guerra Mondiale una pubblicistica negazionista cercò di smentire l’uso di armi chimiche da parte italiana; oggi la realtà di questi crimini trova concordi gli storici. La conferma ufficiale è arrivata con una relazione del Ministro della Difesa in Parlamento solo nel 1996.

Tocca a te!

a Effetti dell’uso del gas mostarda. Effetti del gas mostarda utilizzato dalle truppe italiane su un soldato etiope nel 1936.

1. Colloquio Approfondisci lo studio della Guerra d’Etiopia (1935-1936) e continua tu a collegare le discipline esaminando la descrizione che il poeta Wilfred Owen fa della morte di un compagno a causa dell’iprite in Dulce et decorum est, testo che riprende antifrasticamente l’ode III,2 di Orazio.

—R′

2.3 Gli alcheni hanno almeno due atomi

di carbonio ibridizzati sp2

Gli alcheni sono idrocarburi alifatici insaturi che hanno almeno due atomi di carbonio ibridizzati sp2, quindi con almeno un legame doppio tra atomi di carbonio. Ne consegue che l’alchene più piccolo, l’etene (o etilene), è composto da due atomi di carbonio legati tra loro attraverso un doppio legame. Per alcheni a catena aperta e con un solo doppio legame, generalizziamo la formula molecolare con: CnH2n Tuttavia, in natura esistono alcheni con più di un doppio legame. Quando sono presenti due doppi legami, per esempio, questi possono essere consecutivi, alternati a legami singoli o separati da due o più legami singoli e i loro composti sono definiti, rispettivamente, dieni cumulati, coniugati e isolati 7 . ▶ I dieni cumulati hanno due insaturazioni consecutive: R—CH=C=CH—R′

R—CH=CH—CH=CH—R′

diene cumulato diene coniugato ▶ I dieni coniugati hanno le due insaturazioni separate da un legame semplice:

Oli= essenziali. Gli =essenziali R7—CH CH—CH2— CH—R′ di lavanCHoli da e arancio contengono dieni e altri compodiene isolato sti polinsaturi.

R—CH=C=CH—R′

R—CH=CH—CH=CH—R′

R—CH=CH—CH2—CH=CH—R′

diene cumulato

diene coniugato

diene isolato

▶ Nei dieni isolati le due insaturazioni sono separate da due o più legami singoli:

R—CH=CH—CH=CH—R′

R—CH=CH—CH2—CH=CH—R′

diene coniugato

diene isolato

Nel caso di alcheni ciclici, la chiusura dell’anello comporta la perdita di altri due idrogeni. Pertanto, i cicloalcheni che hanno una sola insaturazione si generalizzano con la formula molecolare: CnH2n–2 Abbiamo visto nel Capitolo 1 che due atomi di carbonio sp2 si legano tra loro con un legame σ, sovrapponendo due orbitali ibridi, e un legame π, formato dagli orbitali p di ogni atomo di carbonio non ibridizzati e paralleli tra loro. Affinché si possano sovrapporre i due p paralleli, i due atomi di carbonio sp2 e tutti gli altri atomi a essi legati devono stare sullo stesso piano. Applicando a questa geometria planare il modello della repulsione tra coppie di elettroni di valenza (VSEPR), comprendiamo perché atomi legati a un C sp2 si dispongono più lontani possibile formando angoli di legame di 120° (come confermato dai dati sperimentali) 8 .

sp2

sp2 sp2 sp2

sp2 sp2

8 Formazione degli orbitali molecolari che instaurano il doppio legame. Sovrapposizione tra orbitali p non ibridizzati per formare un legame π.

2.3 Gli alcheni hanno almeno due atomi di carbonio ibridizzati sp2

A. La nomenclatura di alcheni e cicloalcheni I nomi IUPAC degli alcheni lineari sono assegnati con lo stesso procedimento degli alcani, ma sostituendo il suffisso -ano con -ene. L’alchene lineare con tre atomi di carbonio, per esempio, è chiamato propene 9 . Nel caso in cui ci siano due, tre o più doppi legami, il suffisso diventa -diene, -triene e così via. Nei primi due elementi della serie degli alcheni non è necessario indicare la posizione del doppio legame, ma se la catena è più lunga sono possibili diversi isomeri di posizione ed è necessario precisare il punto di insaturazione, numerando la catena in modo da assegnare il numero più basso all’atomo di carbonio che reca il doppio legame: 8

4-nonene

CH2=CH—CH3

—

— — —

—

9 Il propene. L’alchene lineare contenente H tre atomi di carbonio, ilHpropene, è il composto H di partenza per la produzione del polipropilene C=C—C—H (PP), un materiale plastico che trova largo imH piego nel rivestimento di cavi H elettrici, nella fabbricazione di oggetti per la casa e dei paraurti propene delle automobili, così come nella filatura in fibre estremamente resistenti.

5-nonene

Anche per gli alcheni ramificati valgono le stesse regole viste per gli alcani, ovvero si numera la catena principale e si indicano la posizione e il nome di ogni sostituente. In questo caso, a differenza degli alcani, la catena principale non sempre è la più lunga, ma è quella che contiene tutti i doppi legami presenti, anche se è più corta di altre catene individuabili nella molecola. Inoltre, se l’insaturazione è equidistante dalle due estremità o se sono presenti più insaturazioni, la numerazione parte dall’estremità che permette di attribuire i numeri più bassi possibile prima ai doppi legami, poi ai sostituenti: 2

8-metil-3,5-nonadiene

2-metil-4,6-nonadiene

Il nome IUPAC dei cicloalcheni si assegna come per i cicloalcani, ma con il suffisso -ene. Se non ci sono sostituenti, non è necessario numerare l’anello, in caso contrario si numerano gli atomi di carbonio ibridizzati sp2 con 1 e 2 in modo che il primo sostituente abbia la numerazione più bassa: 1

2 4

3-metil-1-ciclopentene 1-metil-2-ciclopentene 5-metil-1-ciclopentene

—

cis-2-butene

Capitolo 2 Gli idrocarburi

CH3

—

C=C

—

CH3

—

CH3 IN PREPARAZIONE

—

Assegna il nome a un alchene

—

VIDEO

A causa della geometria planare del doppio legame e dell’incapacità di rotazione dello stesso, se gli atomi di carbonio del doppio legame legano gruppi diversi, sono possibili due configurazioni geometriche. Per assegnare un nome univoco, si individua, utilizzando le regole CIP già viste nel Capitolo 1, l’ordine di priorità tra i due gruppi legati a ognuno dei due C che formano il doppio legame. Se i sostituenti a priorità maggiore sono dalla stessa parte rispetto al doppio legame si parla di configurazione cis, se si trovano da parti opposte si parla di configurazione trans: H

C=C

CH3

trans-2-butene

Tuttavia, quando tutti gli idrogeni di ogni C del doppio legame sono sostituiti, il sistema cis/trans può creare ambiguità. Per tale motivo, si preferisce assegnare la configurazione con il sistema E/Z. Con questa nomenclatura si assegna la priorità ai sostituenti di ciascun atomo C del doppio legame utilizzando le regole CIP già viste. Se i due sostituenti a priorità maggiore sono dalla stessa parte rispetto al doppio legame si assegna la configurazione Z (dal tedesco zusammen, insieme). Se, invece, si trovano dalle parti opposte la configurazione è E (dal tedesco entgegen, opposto): —

CH2—CH3

CH3—CH2

(3Z)-3,4-dimetil-3-esene

CH2—CH3

—

CH3

—

CH3—CH2

C=C

—

CH3

—

CH3

C=C

CH3

(3E)-3,4-dimetil-3-esene

Nell’esempio riportato sopra, entrambi gli atomi di carbonio del doppio legame legano un gruppo metile e un gruppo etile: quest’ultimo ha priorità maggiore rispetto al metile; pertanto, al C in posizione 3 si assegna la configurazione Z se i due etili sono dalla stessa parte e la configurazione E se i due etili sono da parti opposte rispetto al doppio legame.

Esercizio

guidato

Assegna il nome al seguente alchene, specificando la sua configurazione E/Z.

Analizza il problema Osservando la molecola puoi notare che si tratta di un alchene ramificato. Innanzitutto, bisogna assegnare il nome IUPAC all’alchene, individuando la catena più lunga che contiene il doppio legame. Dopo aver dato il nome alla molecola, osserva i sostituenti sui due C del doppio legame e assegna la configurazione E/Z, se possibile. Applica le tue conoscenze Nell’alchene riportato, la catena più lunga che metile etile comprende il doppio legame è costituita da sette atomi di carbonio, come da numerazio3 4 ne nella figura. La numerazione che assegna il 1 2 5 6 numero più basso all’insaturazione parte da si7 nistra, quindi si tratta di un 3-eptene sostituito. I sostituenti sono un metile e un etile, quindi il nome IUPAC della molecola è 4-etil-3-metil-3-eptene. I due C del doppio legame legano gruppi diversi, quindi la molecola ha isomeria geometrica. Per individuare l’isomero, è necessario assegnare la priorità (secondo le regole CIP) ai due gruppi legati a ciascuno degli atomi di carbonio del doppio legame. Il C in posizione 3 lega un gruppo metile e un gruppo etile, pertanto il gruppo a maggiore priorità sul C in 3 è l’etile. Il C in 4 lega invece un etile e un propile, con quest’ultimo che ha maggiore priorità rispetto all’etile. A questo punto, osserva la figura nella sua totalità, prendendo in esame la posizione relativa tra i gruppi a maggiore priorità del C in posizione 3 e del C in posizione 4. Poiché sono entrambi dalla stessa parte rispetto al doppio legame, si tratta dell’isomero Z. Il nome completo dell’alchene è quindi: (3Z)-4-etil-3-metil-3-eptene. 3

gruppo a maggiore priorità sul C in 3

4 5

6 7

gruppo a maggiore priorità sul C in 4

Commenta il risultato È di particolare importanza assegnare le priorità ai gruppi legati all’insaturazione poiché, se errata, conduce a un errore nell’individuazione della configurazione. 2.3 Gli alcheni hanno almeno due atomi di carbonio ibridizzati sp2

B. Le proprietà fisiche e chimiche di alcheni e cicloalcheni Alcheni e cicloalcheni sono molecole apolari e hanno caratteristiche fisiche molto simili a quelle degli alcani. Infatti, anche gli alcheni sono insolubili in acqua e solubili in solventi organici. Hanno punti di ebollizione molto bassi, anche più degli alcani con lo stesso numero di atomi di carbonio, a causa della maggiore rigidità della molecola dovuta al doppio legame. Le proprietà chimiche di alcani e alcheni sono invece molto diverse. Gli alcheni hanno un’elevata reattività, perché il doppio legame C=C è un sito ad alta densità elettronica che attrae reagenti elettrofili. Per questi motivi, la tipica reazione di alcheni e cicloalcheni è la reazione di addizione elettrofila. Inoltre, gli alcheni danno anche reazioni di ossidoriduzione.

alchene

alcano bromurato

Reazioni di addizione A temperatura ambiente gli alcheni vanno incontro a reazioni di addizione di alogeni, in particolare Br2 e Cl2, formando il rispettivo alcano in cui due C consecutivi hanno l’alogeno come sostituente 10 : —

—

R—CH=CH—R′ + X2 ⎯⎯→ R—CH—CH—R′

Gli alcheni subiscono facilmente anche addizione di acidi alogenidrici (HCl, HBr e HI), formando il rispettivo alogenoalcano. Se l’alchene di partenza è simmetrico, ovvero i due C sp2 legano gli stessi sostituenti, si forma una sola molecola:

10 L’addizione di bromo a un alchene. Quando una soluzione acquosa di bromo di colore arancio viene aggiunta a una provetta contenente un alchene (a sinistra), il bromo si addiziona al doppio legame decolorando l’acqua (a destra).

—

H2O

CH3—CH=CH—CH3 + HX ⎯⎯→ CH3—CH—CH—CH3 2-butene

2-alogenobutano

Quando invece l’alchene è asimmetrico, si possono formare due isomeri di posizione a seconda di quale degli atomi di carbonio del doppio legame lega l’alogeno. I dati sperimentali dimostrano che l’addizione di acidi alogenidrici agli alcheni produce un solo isomero tra quelli possibili. Per esempio, nel caso del 2-metil-2-butene si forma solo il 2-alogeno-2-metilbutano, con l’alogeno legato al C terziario, mentre non si forma l’isomero con l’alogeno legato al C secondario. —

— —

Br2(aq)

CH3—CH—C—CH3

2-metil-2-butene

⎯⎯→

CH3

2-alogeno-2-metilbutano

— —

CH3

⎯⎯→

—

CH3—CH=C—CH3 + HX

CH3—CH—C—CH3 CH3

2-alogeno-3-metilbutano (non si forma)

VIDEO

Applica la regola di Markovnikov

IN PREPARAZIONE

Capitolo 2 Gli idrocarburi

Questa caratteristica delle reazioni di addizione agli alcheni fu notata la prima volta nel 1869 dal chimico russo Vladimir Markovnikov ed è ancora oggi nota come regola di Markovnikov: nell’addizione di un acido alogenidrico a un alchene asimmetrico, l’idrogeno dell’acido si lega all’atomo di carbonio del doppio legame a cui sono legati più H. Successivi esperimenti hanno chiarito le osservazioni di Markovnikov. Oggi sappiamo che l’addizione di HX agli alcheni avviene in due stadi. ▶ Nel primo stadio si forma un carbocatione in seguito all’addizione di un protone al doppio legame. Dei due carbocationi possibili, però, si ottiene solo quello più sostituito, perché più stabile; questo spiega la regola di Markovnikov:

—

CH3

nucleofilo

elettrofilo

⎯⎯→

CH3

carbocatione terziario

⎯⎯→

— —

—

CH3—CH=C—CH3 + H—X

—

CH3—CH—C—CH3 + X−

CH3—CH—C—CH3 + X− CH3

carbocatione secondario (non si forma)

▶ Nel secondo stadio, l’alogenuro reagisce con il carbocatione a dare l’alogenoalcano:

⎯⎯→

CH3—CH—C—CH3 CH3

CH3

nucleofilo

— —

CH3—CH—C—CH3

—

−

elettrofilo

alogenoalcano

In presenza di acidi forti come l’acido solforico, si ha addizione di acqua agli alcheni, in una reazione che segue la regola di Markovnikov. Il meccanismo è simile a quello visto per l’addizione di HX, con la formazione di un intermedio carbocationico, a cui poi si lega il gruppo —OH sull’atomo di carbonio più sostituito: OH

— —

—

H2SO4 R—CH=C—R′ + H2O ⎯⎯⎯→ R—CH—C—R′

R″

Reazioni di ossidoriduzione Gli alcheni danno differenti reazioni di ossidoriduzione. Per esempio, si ossidano a CO2 secondo la stessa generica reazione di combustione vista per i cicloalcani. Inoltre, gli alcheni si riducono addizionando idrogeno molecolare. Sebbene questa sia una reazione esotermica, è molto lenta e necessita di un catalizzatore metallico (Pt, Pd, Ni). Per tale motivo è denominata riduzione catalitica.

Esercizio

guidato

Prima di andare avanti 1. RIPETI LA DEFINIZIONE Che cosa afferma

la regola di Markovnikov?

2. RIASSUMI IN UN MINUTO Come si assegna

Scrivi la reazione tra 2-metil-2-esene e HCl. Quindi indica qual è il prodotto favorito, motivando la tua risposta. Analizza il problema La reazione proposta è un’addizione di acido alogenidrico a un alchene asimmetrico, che quindi segue la regola di Markovnikov. Applica le tue conoscenze Disegna la struttura del reagente e dei possibili prodotti, considerando che l’addizione di HCl porta alla rottura del doppio legame con formazione di un alcano sostituito con l’alogeno:

⎯⎯→ (CH3)2C(Cl)CH2CH2CH2CH3 (CH3)2C=CHCH2CH2CH3 + HCl ⎯⎯→ (CH3)2CHCH(Cl)CH2CH2CH2CH3

il nome a un alchene ramificato?

3. RIFLETTI E RISPONDI Quali sono le

differenze tra la reattività di alcani e alcheni? Perché?

4. RIPETI CON LA MAPPA Inserisci i termini

mancanti e collega i concetti. ALCHENI

a b

ossigeno

..............................................

idrogeno

acidi alogenidrici

Se nel primo stadio dell’addizione l’atomo di carbonio in posizione 2 attacca il protone, si forma un carbocatione secondario e il secondo stadio porta al prodotto in b. Se, invece, il protone si lega all’atomo di carbonio 3, si forma un intermedio carbocationico terziario, più stabile del precedente. In questo caso, l’addizione conduce al prodotto in a. Secondo la regola di Markovnikov, il prodotto in a è il favorito. Commenta il risultato La reazione di addizione di un acido alogenidrico a un alchene asimmetrico produce un alcano secondo la regola di Markovnikov.

alogeni

.............................................. .............................................. ..............................................

acqua

..............................................

reazione di ossidazione (combustione)

reazione di riduzione catalitica ................................................ ................................................ ................................................

reazione di addizione elettrofila

2.3 Gli alcheni hanno almeno due atomi di carbonio ibridizzati sp2

2.4 Gli alchini hanno il massimo grado

di insaturazione

Tra gli idrocarburi alifatici insaturi ci sono anche molecole in cui l’atomo di carbonio ha il massimo grado di insaturazione. Tali molecole, alchini e cicloalchini, sono idrocarburi contenenti almeno due atomi di carbonio ibridizzati sp, che formano tra loro un triplo legame, di cui uno σ e due π. Il primo elemento della serie omologa contiene due atomi di carbonio ed è conosciuto con il nome comune di acetilene 11 . Se consideriamo gli alchini a catena aperta e con un solo triplo legame, generalizziamo la formula molecolare con: CnH2n–2 H—C—C—H 11 L’acetilene. Il più semplice tra gli alchini, l’acetilene o etino (secondo la nomenclatura IUPAC) era utilizzato come combustibile nelle lampade dei minatori e degli speleologi. Oggi trova ancora impiego nella “fiamma acetilenica” usata dai saldatori.

Tuttavia, esistono idrocarburi con triplo legame che non rispettano tale formula generale poiché ne contengono più di uno o perché sono chiusi ad anello a formare i cicloalchini. Il legame σ del triplo legame deriva dalla sovrapposizione degli orbitali ibridi sp dei due atomi C, che si dispongono sulla stessa retta e, in accordo con la teoria VSEPR, formano un angolo di legame di 180°, portando a una geometria lineare intorno al triplo legame.

A. La nomenclatura di alchini e cicloalchini Le regole IUPAC assegnano il nome agli alchini lineari utilizzando la stessa procedura vista per alcani e alcheni, ma cambiando il suffisso in -ino. Come per gli alcheni, a parità di numero di atomi C possono esistere isomeri di posizione ed è quindi necessario specificare il numero del primo atomo di carbonio che forma il triplo legame. La scelta e la numerazione della catena principale si fa seguendo le regole già viste per gli alcheni: assegnando i numeri più bassi possibile ai C del triplo legame e agli eventuali sostituenti. Inoltre, se sono presenti due o più tripli legami se ne indicano le posizioni e si usano i suffissi -diino, -triino e così via: 2 1

3 4

6-metil-5-(1-metiletil)-3-eptino

2-metil-3-(1-metiletil)-4-eptino

Il più piccolo cicloalchino finora isolato è costituito da otto atomi di carbonio, il ciclottino. Alchini con un numero inferiore di atomi di carbonio non si chiudono a ciclo a causa della forte tensione angolare sul triplo legame (che ha un angolo di 180°). Data la linearità del triplo legame, gli alchini non hanno isomeria geometrica cis/trans. con Esplora con Avogadro Alcano, alchene, alchino: una questione di legami

IN PREPARAZIONE

Capitolo 2 Gli idrocarburi

B. Le proprietà fisiche e chimiche di alchini e cicloalchini Le caratteristiche fisiche di alchini e cicloalchini sono simili a quelle di alcani e alcheni. Anche queste molecole sono apolari e quindi insolubili in acqua o altri solventi polari. I p.e., così come la densità, sono vicini a quelli dei rispettivi alcheni.

Anche la reattività degli alchini è simile a quella degli alcheni, con una forte tendenza a dar luogo a reazioni di ossidoriduzione e di addizione elettrofila. Quest’ultima avviene con lo stesso meccanismo visto per gli alcheni e, quindi, segue la regola di Markovnikov. Inoltre, nelle reazioni di addizione, a seconda del rapporto stechiometrico utilizzato nei reagenti di partenza, si può giungere alla formazione di un alchene (se i reagenti sono in quantità stechiometriche o l’alchino è in eccesso) o di un alcano (se l’alchino è il reagente limitante): R′

— — — — —

—

⎯⎯⎯⎯⎯⎯→

C X R′ R X C

—

C=C

⎯⎯⎯⎯⎯⎯→

—

—C—R′ R—C—

—

alchino

dialogenoalchene

tetraalogenoalcano

Rispetto agli alcheni, gli alchini hanno invece una caratteristica chimica peculiare: quelli con il triplo legame all’estremità della catena carboniosa (alchini terminali) hanno il legame C—H parzialmente polarizzato a causa dell’attrazione degli elettroni di legame da parte dell’atomo carbonio ibridizzato sp, più forte di quella esercitata dai C ibridizzati sp2 o sp3 di alcheni e alcani. Per tale motivo, una base forte come la sodioammide (NaNH2) o l’idruro di sodio (NaH) scinde eteroliticamente il legame C—H e l’alchino si comporta da acido, rilasciando un protone (H+) e formando un carbanione, chiamato acetiluro: H C—

−

C •• + •• H

−

⎯⎯→

+ H2

anione acetiluro idrogeno molecolare In presenza di sola acqua, però, lo ione ossidrile (OH-) non è una base abbastanza 1-pentino

anione idruro

forte da strappare il protone all’alchino terminale, che quindi non si dissocia e resta insolubile come alcani e alcheni.

STEM

Prima di andare avanti 1. RIASSUMI IN UN MINUTO Perché gli atomi

di carbonio coinvolti nel triplo legame e i due atomi a essi legati si dispongono in maniera lineare?

2. RIFLETTI E RISPONDI Spiega perché gli

alchini terminali hanno proprietà acide.

3. CALCOLA E RISOLVI Scrivi la reazione di

addizione di H2O all’1-propino, indicando il prodotto finale nel caso in cui l’alchino sia il reagente in eccesso.

4. FAI LA TUA MAPPA Organizza e connetti

tra loro i termini evidenziati in grassetto nel paragrafo. Confronta la tua mappa con quella proposta nella sezione dedicata alla fine del volume.

I batteri mangia petrolio

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Lo sversamento di petrolio è una delle più gravi forme di contaminazione dell’ambiente marino. Quando si riversa nei mari e negli oceani, il petrolio forma una patina scura e oleosa che si estende sulla superficie dell’acqua e causa la morte di numerosi organismi. Questi danni sono difficilmente reversibili e sono in genere causati da riversamenti dalle piattaforme petrolifere, incidenti che coinvolgono navi e petroliere o dalla cattiva gestione di impianti industriali, oleodotti e raffinerie con il riversamento in mare di acque contaminate. Da anni, la comunità scientifica lavora a una soluzione per bonificare le aree contaminate e, in particolare, hanno individuato un gruppo di microrganismi che si nutrono di petrolio,

detti batteri idrocarburoclastici (BIC). Questi batteri utilizzano come fonte di carbonio ed energia idrocarburi e altre sostanze organiche a basso peso molecolare presenti nel petrolio. I BIC sono presenti in tutti gli ambienti oceanici e prosperano nelle aree inquinate da petrolio: si sono evoluti per adattarsi a condizioni ambientali estreme sviluppando la capacità di metabolizzare composti inquinanti, letali per molte altre forme di vita. Il principale ostacolo all’utilizzo dei BIC è legato al fatto che alcuni prodotti del metabolismo degli idrocarburi sono acidi carbossilici che aumentano la dispersione del petrolio in acqua. Ciò nonostante, i BIC sono un esempio di come in natura siano presenti organismi che, grazie a processi evolutivi, hanno sviluppato meccanismi utili per affrontare sfide ambientali. Ciò non significa che sia giusto continuare a perpetuare danni agli ecosiste-

mi, ma è uno stimolo per studiare strategie innovative per rimediare ai danni già compiuti.

Tocca a te! 1 Collabora Con un

compagno, fai una ricerca in Internet su altri batteri o microrganismi in grado di nutrirsi di composti chimici inquinanti, come la plastica, che potrebbero essere utilizzati per ridurre i danni ambientali. Quali sono i vantaggi e gli svantaggi?

2.4 Gli alchini hanno il massimo grado di insaturazione

2.5

O H aldeide cinnamica

12 L’aldeide cinnamica. L’aldeide cinnamica è una molecola aromatica presente nella cannella che conferisce a questa spezia il suo tipico sapore e odore.

Gli idrocarburi aromatici sono composti polinsaturi, ma stabili

In Gran Bretagna, agli inizi del XIX secolo, per illuminare strade e abitazioni si utilizzava un gas ricavato dal riscaldamento di una miscela di oli ottenuti da fonti diverse. Quando il gas era compresso nei serbatoi prima della distribuzione, si separava una sostanza liquida oleosa dall’odore dolciastro. Nel 1825 Michael Faraday isolò da questa un composto dall’aroma caratteristico, in seguito denominato benzene. Faraday dimostrò che il composto aveva formula molecolare C6H6: per la prima volta si identificò un idrocarburo con un rapporto C:H di 1:1, che suggeriva una struttura altamente insatura. Infatti, con tale formula molecolare il composto poteva essere un idrocarburo a catena aperta con quattro doppi legami o con due tripli legami o, ancora, con due doppi legami e un triplo legame; oppure un idrocarburo ciclico con differenti insaturazioni. Tuttavia, già dai primi esperimenti sulla reattività del composto si notò che il benzene non reagiva come se fosse un alchene o un alchino. Esso era infatti inerte nei confronti di agenti ossidanti e reagiva difficilmente con acidi alogenidrici, alogeni o altre sostanze che in genere si addizionano agli idrocarburi insaturi. Gli studi sperimentali, invece, dimostravano la tendenza del benzene a dare reazioni di sostituzione, come fanno gli alcani. Inoltre, da tali reazioni si ricavava sempre un unico prodotto monosostituito poiché tutti i sei idrogeni del benzene sono equivalenti. Verso la fine del XIX secolo, una serie di composti aventi un rapporto C:H simile a quello del benzene fu poi isolata da sostanze naturali: avendo tutti un odore gradevole, furono denominati composti aromatici (o anche areni, in analogia con alcani, alcheni e alchini). Differenti idrocarburi aromatici, per esempio, sono i principali componenti di numerosi oli essenziali estratti da organismi vegetali (tra cui cannella e garofano) e si utilizzano nell’industria alimentare, farmaceutica e cosmetica 12 .

A. La struttura dei composti aromatici Solo nel 1865, dopo numerosi studi sulla sua reattività e a partire dalla formula molecolare, il chimico August Kekulé fece una prima ipotesi sulla struttura del benzene, che consisteva in un ciclo a sei atomi C, ognuno dei quali legava un idrogeno. In questa prima struttura, però, l’atomo di carbonio era trivalente, quando già ai tempi era nota la sua tetravalenza. Nel 1872 poi, lo stesso Kekulé ipotizzò che l’anello contenesse tre doppi legami e ne giustificò la bassa reattività come conseguenza di un equilibrio dinamico dovuto al continuo spostamento dei doppi legami tra i sei atomi C: ⥪⥭

VIDEO

• Il benzene: dalla scoperta all’utilizzo • Gli idrocarburi aromatici

IN PREPARAZIONE

Capitolo 2 Gli idrocarburi

Solo negli anni Trenta del XX secolo, con la messa a punto della cristallografia ai raggi X e lo sviluppo della teoria sugli orbitali molecolari e della risonanza, i chimici chiarirono la struttura del benzene che meglio spiega le sue proprietà chimico-fisiche. Secondo la teoria degli orbitali molecolari, il benzene è caratterizzato da una struttura ciclica a sei atomi di carbonio, disposti tutti sullo stesso piano, che ha angoli di legame (sia C—C sia C—H) di 120°.

Tutti gli atomi C sono ibridizzati sp2 e ognuno forma due legami σ con i due atomi di carbonio adiacenti e un legame σ con un idrogeno. Tutti i C del ciclo hanno un orbitale 2p non ibridizzato, perpendicolare al piano del ciclo e contenente un elettrone 13a . Sebbene ogni orbitale 2p possa instaurare un legame π con uno o con l’altro orbitale 2p adiacente, i dati sperimentali evidenziano due nuvole elettroniche, una sopra e una sotto il piano dell’anello, che delocalizzano gli elettroni su tutti e sei i C del benzene, formando il cosiddetto sestetto aromatico 13b . Tale struttura è schematizzata nella formula a scheletro con un anello posto all’interno dell’esagono 13c . A supporto di questa ipotesi sulla struttura del benzene, nel 1930 sviH H Linus Pauling luppò la teoria della risonanza, secondo la quale molte molecole non possono essere H H rappresentate da un’unica struttura di Lewis, ma da due o più strutture che differiH H sco no tra loro solo per la disposizione degli elettroni di valenza. Solo la combinazione di tali strutture rappresenta la reale molecola. Le due o più strutture di Lewis che descrivono la molecola furono chiamate da Pauling strutture limite, mentre la reaH a questa teoria, rappresentiamo il H le molecola è definita ibrido di risonanza. In base benzene con due strutture limite, corrispondenti alle strutture di Kekulé, separate da H H una freccia a doppia punta, che indica H un ibrido diHrisonanza: ←→

Tuttavia, nessuna delle due strutture esiste davvero: la struttura reale del benzene è una sovrapposizione di entrambe e si disegna come riportato nella figura 13c . La delocalizzazione degli elettroni degli orbitali p non ibridizzati su tutto l’anello conferisce al benzene un’alta stabilità, da cui deriva la sua tendenza a partecipare a reazioni di sostituzione piuttosto che di addizione. Oggi conosciamo numerosi composti con caratteristiche simili al benzene. In generale, un composto è definito aromatico se rispetta i criteri di Hückel: ▶ è un composto ciclico o policiclico; ▶ ha un orbitale 2p per ogni atomo dell’anello; ▶ è planare, in modo che gli orbitali 2p si sovrappongano con continuità; ▶ ha 4n + 2 elettroni π su tutto l’anello, dove n è un numero intero.

a H

H H

13 Struttura elettronica del benzene. (a) Tutti gli atomi di carbonio del benzene sono ibridizzati sp2 e ognuno di loro ha un orbitale 2p, disposto perpendicolarmente al piano dell’anello e contenente un elettrone. (b) I sei elettroni degli orbitali 2p delocalizzano la densità elettronica formando una nuvola elettronica sopra e sotto l’anello. (c) Nella struttura a scheletro, tale delocalizzazione si rappresenta con un esagono contenente un cerchio al suo interno.

B. La nomenclatura degli idrocarburi aromatici La maggior parte degli idrocarburi aromatici deriva dal benzene e ha in gran parte ancora nomi tradizionali, tuttora accettati dalla nomenclatura IUPAC. I composti costituiti da catene alifatiche sostituite con un gruppo aromatico sono considerati derivati del benzene, che quindi ha la priorità rispetto ai gruppi alchilici. Per esempio, il benzene che lega un gruppo metilico, secondo la nomenclatura IUPAC è denominato metilbenzene, sebbene la stessa nomenclatura accetti anche il nome comune toluene: —

CH3

CH3 CH

—

CH3

CH=CH2

nome comune

toluene

cumene

stirene

nome IUPAC

metilbenzene

(1-metiletil)-benzene

etenilbenzene

benzenmetano

2.5 Gli idrocarburi aromatici sono composti polinsaturi, ma stabili

CH=CH2

L’anello benzenico può ospitare sostituenti su ognuno degli atomi di carbonio della molecola. Tuttavia, poiché gli atomi C sono tra loro equivalenti, quando il sostituente è solo uno non è necessario numerare l’anello e la nomenclatura IUPAC accetta anche i nomi comuni dei composti più frequenti, come lo stirene 14 . Quando sull’anello benzenico sono presenti due o più sostituenti è necessario numerare l’anello in modo da assegnare il numero più basso all’atomo di carbonio che lega il sostituente primo in ordine alfabetico. Come per gli idrocarburi alifatici, i sostituenti sono elencati in ordine alfabetico nel nome. Per i benzeni disostituiti è ancora molto utilizzata la nomenclatura comune, che definisce le posizioni rispetto al sostituente più importante (A). A partire dall’atomo di carbonio che lega A, le posizioni 2 e 6 sono denominate orto (o-), le posizioni 3 e 5 meta (m-) e la posizione 4 para (p-): A

stirene

orto

orto 2

etenilbenzene

14 Lo stirene. Lo stirene è il composto di partenza per la produzione del polistirolo; il nome IUPAC è etenilbenzene.

meta

para

In alcuni casi si rende necessario indicare l’anello benzenico o un suo derivato come sostituente. Così come un gruppo alchilico generico è indicato con R—, un sostituente derivato dalla rimozione di un idrogeno da un composto aromatico è chiamato gruppo arilico, indicato con Ar—. Nello specifico, il benzene che perde un idrogeno è detto fenile (Ph—), mentre un toluene che perde un H del gruppo metile è denominato benzile (Bn—): CH2— gruppo fenile

gruppo benzile

Oltre ai derivati del benzene, esistono idrocarburi aromatici costituiti da due o più anelli benzenici che condividono coppie di atomi di carbonio. Tali molecole sono chiamate idrocarburi policiclici aromatici (IPA), il più semplice dei quali è il naftalene (C10H8) o naftalina 15 . Alcuni IPA fanno parte di molecole complesse presenti negli organismi; quelli a più alta massa molecolare, inoltre, si formano dalla combustione incompleta di materiale organico (derivati di petrolio, legno, rifiuti) e possono essere tossici per la salute umana. Per esempio, il fenantrene è un IPA presente nel fumo di sigaretta, mentre il benzo[a]pirene, ottenuto dalla combustione incompleta del carbone, è la causa di alcune forme tumorali che colpivano gli spazzacamini.

15 Il naftalene. Il naftalene, o naftalina, tradizionalmente utilizzato nelle palline antitarme a protezione dei capi di lana, è ora fuori commercio perché cancerogeno.

naftalene

fenantrene

benzo[a]pirene

C. Le proprietà fisiche e chimiche degli areni La struttura dei composti aromatici fa sì che essi siano, come gli altri idrocarburi, dei composti apolari insolubili in acqua. Il benzene e alcuni suoi derivati sono degli ottimi solventi apolari in grado di solubilizzare sostanze apolari, organiche e inorganiche. 44

Capitolo 2 Gli idrocarburi

Tuttavia, sebbene il benzene a temperatura ambiente sia allo stato liquido (p.e. = 80 °C), esso è poco usato come solvente poiché altamente volatile e i suoi vapori provocano, nel breve termine, danni al sistema nervoso e all’apparato cardiovascolare, fino a causare alcune leucemie se si respirano per un tempo continuativo e prolungato. A causa della sua volatilità ed essendo uno dei componenti del petrolio, il benzene è ovunque nell’aria. La sua presenza dipende da eventi naturali (incendi boschivi o gas vulcanici) e, soprattutto, dalle attività antropiche che utilizzano petrolio greggio come combustibile per la produzione di solventi e collanti. Inoltre, anche i gas di scarico delle automobili contengono benzene: quest’ultimo è utilizzato come additivo antidetonante nella benzina, poiché abbassa il “battito in testa” dei motori a scoppio e quindi migliora l’efficienza del carburante 16 . Vista la tossicità del benzene, per ridurre le sue emissioni nell’atmosfera, sono state introdotte le marmitte catalitiche e la sua concentrazione nei carburanti, oggi non può superare l’1%. La reattività degli anelli aromatici, come abbiamo visto, è differente da quella tipica degli idrocarburi insaturi. La stabilità dei composti aromatici, infatti, non permette reazioni di addizione, ma solo di sostituzione, nello specifico denominata sostituzione elettrofila aromatica (SEA). La densità di elettroni π negli anelli aromatici attrae i composti elettrofili. Tuttavia, a causa dell’alta stabilità dell’anello non si forma un nuovo legame σ (come avviene nell’addizione), ma viene espulso un protone per ristabilire l’aromaticità. Il meccanismo di una generica SEA su un benzene non sostituito prevede due stadi. ▶ Nel primo stadio l’agente elettrofilo si lega a un atomo di carbonio dell’anello modificando la sua ibridizzazione da sp2 a sp3 e formando un carbocatione, non più aromatico, ma stabilizzato da risonanza. La carica positiva, infatti, è delocalizzata sull’anello e le strutture limite si rappresentano con la carica in posizione orto e para rispetto alla posizione dell’elettrofilo che si è legato: +

H + E+ ⎯⎯→ nucleofilo

elettrofilo

H E

←→ +

16 Gli effetti del “battito in testa”. Un motore danneggiato dal fenomeno del “battito in testa” (knocking), cioè dalla detonazione del carburante in zone lontane dalla candela di accensione.

←→ +

carbocatione stabilizzato per risonanza con la carica in orto e para

▶ Nel secondo stadio il carbocatione espelle l’idrogeno legato all’atomo di carbonio

sp3 sotto forma di H+, riappropriandosi dei due elettroni di legame e ripristinando l’aromaticità dell’anello, con formazione del derivato del benzene: +

E H

⎯⎯→

+ H+ E

Tutte le SEA producono un solo tipo di composto, senza isomeri di posizione, poiché tutti gli atomi di carbonio dell’anello sono equivalenti. Differenti elettrofili reagiscono con il benzene attraverso una SEA per formare numerosi derivati aromatici. Si aggiungono: ▶ alogeni (—Br e —Cl) attraverso l’alogenazione; ▶ nitrogruppi (—NO2) mediante la nitrazione; ▶ gruppi solfonici (—SO3H) con la solfonazione; ▶ gruppi alchilici o acilici (R—CO—) più o meno grandi mediante l’alchilazione o acilazione di Friedel-Crafts (dal nome degli scienziati che la proposero). Quest’ultima reazione è uno dei metodi più utilizzati per formare nuovi legami C—C sugli anelli aromatici. 2.5 Gli idrocarburi aromatici sono composti polinsaturi, ma stabili

Lo schema seguente riepiloga alcune delle SEA che si effettuano sul benzene. R

nitrazione

+ HX

⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ catalizzatore acido di Lewis (X=Cl, Br)

⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ AlX

alchilazione

HNO

O C

+ H2O

RCOX

⎯⎯⎯⎯⎯⎯→

acilazione

AlX3

SO3H solfonazione

+ HX

NO2

3 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ H SO 2

alogenazione

+ HX

3 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→

H2SO4

Prima di andare avanti 1. RIPETI LA DEFINIZIONE Che cosa afferma

Effetti di un sostituente su un’ulteriore SEA Se si effettua una SEA su un anello benzenico contenente già un sostituente, quest’ultimo modifica la reattività dell’anello nei confronti del reagente elettrofilo. A seconda della natura chimica del sostituente, infatti, questo può aumentare o diminuire la velocità della SEA rispetto a quella del benzene non sostituito. Sono detti attivanti i sostituenti che aumentano la velocità della sostituzione e disattivanti quelli che la rallentano Tabella 4. ▶ sono attivanti i gruppi elettron-donatori che stabilizzano la carica dell’intermedio cationico della reazione e che, per questo, abbassano l’energia di attivazione per la sua formazione, con conseguente aumento della velocità di reazione; ▶ al contrario, sono disattivanti i sostituenti elettron-attrattori. Quando si effettua una SEA su un benzene monosostituito si possono creare tre isomeri di posizione a seconda della posizione dell’elettrofilo (E) entrante rispetto al sostituente (Y) già presente. Y

la teoria della risonanza enunciata da Pauling?

2. RIASSUMI IN UN MINUTO Quali sono

gli effetti che un sostituente dell’anello benzenico può avere in una SEA?

3. DESCRIVI IN TRE RIGHE Quali sono i

criteri che un composto deve rispettare per poter essere definito aromatico?

4. FAI LA TUA MAPPA Organizza e connetti

tra loro i termini evidenziati in grassetto nel paragrafo. Confronta la tua mappa con quella proposta nella sezione dedicata alla fine del volume.

I dati sperimentali dimostrano che i gruppi attivanti, quindi elettron-donatori, favoriscono l’ingresso del secondo sostituente in posizione orto o para rispetto a sé, mentre i gruppi disattivanti ed elettron-attrattori favoriscono l’attacco dell’elettrofilo in posizione meta. Per tale motivo, i gruppi attivanti si definiscono orto/para-orientanti, i gruppi disattivanti si definiscono meta-orientanti Tabella 4.

Tabella 4 Alcuni tra i più comuni sostituenti attivanti e disattivanti della SEA —NH2 —NHR —NR2 —OH —OR

Moderatamente attivanti

Fortemente attivanti

—R —Ph

Debolmente disattivanti

—F —Cl —Br —I

Moderatamente disattivanti

Debolmente attivanti

—HN—C—R —HN—C—Ph —O—C—Ph —O—C—R

—C—H —C—R —C—O—H —C—O—R —C—NH2 Fortemente disattivanti

Capitolo 2 Gli idrocarburi

—NO2 —NH3+ —CF3 —CCl3

orto/para-orientanti

meta-orientanti

Le persone

Kathleen Yardley Lonsdale: una vita per la scienza e per la pace Che cosa ha scoperto Kathleen Yardley Lonsdale è stata la prima scienziata a dimostrare che nelle molecole di benzene gli atomi si dispongono in strutture esagonali complanari con legami chimici di lunghezza intermedia tra un legame doppio e un legame singolo. Questa scoperta ha gettato nuova luce sulle proprietà chimiche dei composti aromatici come il benzene, che fino ad allora non erano state chiarite.

Le origini e la formazione Kathleen Yardley nasce nel 1903 a Newbridge, in Irlanda, ultima di dieci figli. Nel 1908 la famiglia si trasferisce in Inghilterra, in un sobborgo di Londra. Tra il 1914 e il 1919 Kathleen frequenta un eccellente istituto femminile, dove però le materie scientifiche non ricevono un approfondimento adeguato rispetto ai suoi interessi e alle sue capacità. Segue con interesse dei corsi di fisica e chimica in un istituto maschile, anche se la direttrice della scuola le consiglia di lasciare perdere la scienza sperimentale, un campo dove una donna non avrebbe retto la competizione con gli uomini. Nel 1919, a sedici anni, entra all’università. Nel 1922 un componente della commissione d’esame le propone di lavorare con il suo gruppo di ricerca. Non si tratta di un professore qualunque, ma di William Henry Bragg, che nel 1915 aveva ricevuto il premio Nobel per la fisica insieme al figlio William Lawrence. I due avevano costruito il primo spettroscopio a raggi X, uno strumento che ha dato una svolta allo studio dei cristalli. Utilizzando i raggi X, avevano stabilito che esiste una correlazione tra la figura di diffrazione ottenuta da un cristallo e la disposizione degli atomi al suo interno. Tale correlazione è nota come legge di Bragg ed è stata fondamentale per gli studi della ricercatrice. Nel 1923 entra quindi nel team di Bragg alla Royal Institution di Londra.

La carriera e la vita Katleen Yardley assume il cognome con cui è nota quando sposa Thomas Lonsdale, nel 1927. Prosegue le sue ricerche presso l’università di Leeds, dove studia con la cristallografia a raggi X l’esametilbenzene e scopre che gli atomi di carbonio sono complanari e disposti secondo una geometria esagonale.

Nel 1929 arriva la prima figlia, seguita dalla seconda nel 1931 e dall’ultimogenito nel 1934. La carriera di una giovane scienziata sarebbe potuta finire così. Eppure, la sua più importante scoperta avviene proprio nel 1929, lavorando da casa e facendo i calcoli a mano. Nel 1931 è la prima scienziata a studiare la struttura dell’esaclorobenzene applicando la trasformata di Fourier veloce. Per raggiungere risultati così significativi, il talento, l’impegno e una ferrea organizzazione sono molto importanti. Altrettanto decisivo è il supporto di suo marito, che contribuisce a gestire il ménage familiare. William Bragg, dal canto suo, le fa ottenere dei finanziamenti che le permettano di avere un aiuto in casa. L’unica interruzione nella carriera di Lonsdale non è dovuta alle maternità, ma al carcere, dove sconta una pena di un mese per aver rifiutato, in coerenza con le sue convinzioni pacifiste, di prestare servizio civile durante la guerra. Questa esperienza la tocca profondamente e, uscita dal carcere, si impegna per migliorare la condizione dei detenuti.

Riconoscimenti e onorificenze Il primo riconoscimento ufficiale arriva nel 1945 quando viene nominata membro della Royal Society. Nel 1956 ottiene una delle più alte onorificenze del Regno Unito, quella di Dama comandante dell’Ordine dell’Impero Britannico (Dame Commander of the Order of the British Empire). Nel frattempo, a partire dal 1949 assume la cattedra di docente ordinaria alla University College di Londra, dove insegna fino al 1968, quando diventa docente emerita. Kathleen Yardley Lonsdale ha lavorato alacremente fino alla fine, anche mentre si curava per una neoplasia che l’ha condotta alla morte nel 1971.

My own research life has been greatly enriched by having been broken into by periods of enforced change. I was not idle while I had my three children; far from it. But it gave me the opportunity of standing back, as it were, and looking at my work. And I came back with new ideas.* Kathleen Yardley Lonsdale

VIDEO IN PREPARAZIONE

Tocca a te! 1. Cittadinanza Fai una ricerca in Internet

per saperne di più sulla Royal Society, quindi rielabora le informazioni in un breve testo.

2. Collabora Quali aspetti della vita di

Kathleen Yardley Lonsdale ti hanno colpito di più? Confrontati con il tuo compagno di banco.

3. Digitale Fai una ricerca in internet

sui principali ambiti di applicazione della cristallografia a raggi X e realizza una breve presentazione.

*La mia attività di ricercatrice è stata notevolmente arricchita da periodi di interruzione forzata e di cambiamento. Non ero certo inattiva quando ho avuto i miei tre figli; tutt’altro. Ma ciò mi ha dato la possibilità di fare un passo indietro e di ripensare al mio lavoro. E sono tornata con nuove idee.

Le persone

Tira le somme

Personalizza la mappa modificabile e ripassa con l’audiosintesi e la presentazione LIM

IN PREPARAZIONE

Gli idrocarburi si dividono in

alifatici

aromatici

possono essere

saturi

alcani

insaturi

cicloalcani

hanno solo

danno reazioni di

C sp3

ossidazione

alcheni

alchini

cicloalcheni

cicloalchini

hanno almeno

due C sp2

due C sp

monociclici

policiclici

hanno tutti

danno reazioni di

C sp2

sostituzione elettrofila aromatica guidata dalla presenza di

sostituenti sostituzione radicalica addizione con apertura dell’anello

possono essere danno reazioni di

ossidazione

attivanti

disattivanti

orto/paraorientanti

metaorientanti

addizione elettrofila riduzione catalitica

ORIENTATI CON LA MAPPA Rispondi alle domande che seguono facendo riferimento alla mappa e ai contenuti del Capitolo. 1. Paragona la mappa di inizio Capitolo con la mappa di questa pagina spiegando le connessioni tra alcani, alcheni, alchini e areni. 2. Spiega che cosa sono gli idrogeni assiali ed equatoriali del cicloesano. 3. Inserisci nella mappa il sistema di nomenclatura cis/trans. 4. Illustra il collegamento tra la regola di Markovnikov e la stabilità dei carbocationi. 5. Quali sono le teorie che spiegano la struttura e le proprietà del benzene? 6. Spiega che cosa sono e perché sono importanti gli IPA e inseriscili nella mappa. 7. Qual è la differenza tra un gruppo alchilico e un gruppo arilico? 8. Perché, nella serie dei cicloalcani, possono dare reazioni di addizione solo quelli a 3 o 4 atomi di carbonio? 9. Spiega la differenza strutturale tra un diene coniugato, uno cumulato e uno isolato. 10. Dall’addizione di alogeni agli alchini si ottengono prodotti diversi a seconda del rapporto tra la quantità di reagenti. Indica quali sono i prodotti e spiega il motivo per cui si ottengono gli uni piuttosto che gli altri.

Tira le somme

Quesiti e problemi

Puoi trovare una verifica già disponibile in Moduli Google tra i tuoi materiali docente in HUB Kit.

2.1 - 2.2 Struttura e proprietà di alcani

e cicloalcani

11. A quale classe appartengono i seguenti idrocarburi alifatici? Specifica anche se sono saturi o insaturi. a.

Studia con gli esercizi commentati 24 e 46

IN PREPARAZIONE

21. Qual è il prodotto di reazione dell’1,2,3-trimetilciclopropano con H2/Pt? A B C D

1,2-dimetilciclopropano 3-metilpentano Esano Propilciclopropano

22. Assegna il nome IUPAC al seguente cicloalcano.

c. d.

23. Completa la seguente reazione di combustione; quali coefficien-

12. Indica quale fra le seguenti formule brute corrisponde a una molecola di alcano. A B C D

C5H12 C2H2 C10H19 C25H52

ti bisogna inserire al posto di x e y? 2 CxH14 + y O2 → 12 CO2 + 14 H2O A B C D

13. Disegna la formula di struttura del seguente alcano: 2,2,3,4-

x = 6, y = 16 x = 7, y = 19 x = 6, y = 19 x = 12, y = 24

24. Assegna il nome IUPAC al seguente idrocarburo e determina se possiede centri chirali.

tetrametilnonano.

14. Disegna la struttura di Fischer del seguente alcano: (R)-3,5dietilottano.

15. Completa la seguente reazione di combustione: A B C D

4 H2O 2 CO H2O 3 H2O

C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + ?

16. Le seguenti reazioni sono di inizio, propagazione o terminazione?

a. R • + X • → R—X b. X—X → 2 X • c. R—H + X • → R • + HX d. R • + R • → R—R

17. Quanti prodotti si possono ottenere dalla clorurazione dell’etano? Quali sono? Scrivi la formula di struttura di ognuno dei possibili prodotti.

18. Assegna il nome IUPAC al seguente cicloalcano e determina la sua formula molecolare.

25. Disegna la struttura del 5-etil-2,3,7-trimetilottano utilizzando la rappresentazione con la formula razionale e con quella a scheletro.

26. Basandoti solo sulla struttura, ordina i seguenti idrocarburi in base al loro punto di ebollizione, dal più basso al più alto: a. butano b. 2-metilpropano c. 2-metilpentano d. propano

27. La molecola C7H16 ha due isomeri chirali. Disegnane le formu-

le di struttura indicando il centro chirale e assegna a ciascuna il nome IUPAC.

28. Disegna tutti i prodotti che si ottengono dalla bromurazione del metilciclobutano.

29. Disegna la formula di struttura dell’1-cloro-3-metilciclopentano e tutti gli isomeri derivanti dalla sua reazione di monoclorurazione.

19. Disegna la formula di struttura del seguente cicloalcano: 2-etil-1,4-dimetilcicloesano.

20. Disegna la struttura a scheletro dell’1,1-dimetil-4-(2-metilpropil)cicloesano.

30. Di seguito sono riportati i nomi IUPAC dei prodotti della reazio-

ne radicalica del 3-metilpentano con Br2. Disegna le strutture di tutte le molecole sotto e indica il prodotto favorito. a. 1-bromo-3-metilpentano b. 3-(bromometil)pentano

c. 2-bromo-3-metilpentano d. 3-bromo-3-metilpentano Quesiti e problemi

Quesiti e problemi 2.3 - 2.4 Gli idrocarburi insaturi:

40. Quale reagente si deve impiegare per ottenere il butano a partire dal 2-butino?

struttura e proprietà

31. Disegna la formula di struttura del 3-etil-6-metil-2-eptene. 32. Assegna il nome IUPAC, completo della configurazione cis/trans, al seguente composto:

A B C D

Cl2, con catalizzatore Pt Idrogeno e ossigeno H2, con catalizzatore Pt H+/H2O

41. Disegna la formula di struttura dell’1-etil-4-etinil-1-ciclopentene. 42. Individua tra i seguenti composti il diene coniugato e assegna a esso il nome secondo la nomenclatura IUPAC. a.

33. Assegna il nome IUPAC al seguente composto.

b. c.

43. Disegna la formula di struttura del 2-cis-4-trans-6-cis-3-etil-634. Scrivi il prodotto della reazione del 2-metil-1-butene con Br2. 35. Assegna il nome IUPAC alla seguente molecola:

metil-2,4,6-ottatriene.

44. Disegna la formula di struttura dell’1,5-dimetil-3-propil-1,3-ci-

cloesadiene; i doppi legami presenti sono cumulati, coniugati o isolati?

45. Indica i nomi IUPAC e la formula di struttura di tutti i possibili 36. Quale composto si ottiene riducendo completamente il 2,5-

prodotti che si potrebbero ottenere dalla seguente reazione, partendo da quantità equimolari dei due reagenti. In realtà si ottiene un solo prodotto. A tuo parere, quale? Motiva la tua risposta.

dimetil-3-esino con H2? B C D

H—C—C—CH2 + HCl ⎯⎯→

2,4-dimetilesano 2,5-dimetil-3-esene 3-esino 2,5-dimetilesano

—

CH3

46. Scrivi il prodotto che si ottiene nella reazione del 3-etil-1pentene con acqua e acido solforico.

37. Disegna la struttura del 3,3-dimetil-1,4-esadiino.

47. Quale dei seguenti prodotti si ottiene dalla reazione tra HCl e 2-butino in quantità equimolari? Prima di rispondere disegna la struttura del reagente e dei prodotti riportati in basso.

38. Indica il prodotto della seguente reazione:

+ Br2 ⎯⎯→

B C

48. Disegna la formula di struttura e indica il nome IUPAC dell’alchene che reagisce con acido cloridrico per dare l’1-(1,1-dimetiletil)-1-clorociclopentano.

49. Scrivi il prodotto di reazione del 2,3,4-trimetil-1,4-pentadiene

con HBr.

39. Osserva la seguente reazione. Quali affermazioni sono corrette? (due risposte esatte)

1-cloro-2-butene 2-clorobutano 2-cloro-2-butene 2,3-diclorobutano

NaNH2

C−Na+

50. Dopo aver assegnato il nome IUPAC al composto riportato in

basso, descrivi una possibile reazione che possa sintetizzare tale composto a partire da un alchene monoclorurato.

⎯⎯⎯→ A B C D

È una reazione acido-base Il prodotto è un acetiluro NaNH2 si comporta da acido Il prodotto di reazione è un acido forte Capitolo 2 Gli idrocarburi

51. Indica il prodotto che si ottiene dalla reazione tra il 2-butino e

l’HCl. Riporta la reazione completa rappresentando le molecole con la struttura di Lewis.

Quesiti e problemi 2.5 Gli idrocarburi aromatici

61. Assegna il nome IUPAC alla seguente struttura:

52. Disegna la formula di struttura del 4-bromo-1-cloro-2-etilbenzene.

53. Quali prodotti si ottengono dalla reazione fra clorobenzene e HNO3/H2SO4? Disegna le loro formule di struttura.

54. Disegna la formula di struttura dell’orto-clorotoluene e scrivi il suo nome IUPAC.

55. Assegna il nome IUPAC alla seguente struttura:

62. Quale fra i seguenti anelli aromatici è maggiormente attivato? OH

CH3

1,5-dicloro-4-fenil-2-esene

56. Secondo le regole di Hückel, quale dei seguenti composti è aromatico? Motiva la tua risposta. a.

— C

una struttura di Lewis rappresenta più molecole alcune molecole non possono essere rappresentate da un’unica struttura di Lewis tutte le molecole sono rappresentate da due o più strutture che differiscono tra loro per la disposizione degli elettroni di valenza nessuna molecola può essere rappresentata da più di una struttura di Lewis

58. Il difenilmetano è un composto aromatico utilizzato come aroma

nei prodotti cosmetici e in alcuni farmaci. Disegna la struttura a scheletro del difenilmetano e indica un suo possibile nome alternativo, basandoti su quanto hai studiato relativamente alla nomenclatura dei composti aromatici.

59. Qual è il prodotto di reazione del seguente composto con Br2/ AlCl3?

O NH2

60. Quale delle affermazioni relative alla seguente struttura è falsa? CF3 OH

CF3

Cl A B C D

NH3+Cl−

63. In una reazione di sintesi si fa reagire il fenolo con clorome-

pirrolo

57. Secondo la teoria della risonanza: B

SO3H

L’anello è disattivato La posizione in meta al gruppo —OH è la più reattiva La posizione in para al gruppo —OH è la più reattiva La posizione in meta al gruppo —Cl è la più reattiva

tano e tricloruro di alluminio. Scrivi la reazione chimica completa, indica la struttura del/dei prodotto/i che si forma/no e motiva la tua risposta. Assegna quindi il nome IUPAC al/i prodotto/i formato/i.

64. Un ricercatore effettua la metilazione di alcuni composti aromatici. In reazioni separate esegue la metilazione di benzene, amminobenzene (Ph-NH2) e nitrobenzene. Quale tra le tre reazioni ti aspetti sia la più veloce? Quale la più lenta? Motiva la tua risposta.

65. Disegna le strutture dei composti riportati e indica quali dei seguenti isomeri strutturali del triclorofenolo è il più semplice da sintetizzare a partire dal fenolo (fenolo è il nome comune dell’idrossibenzene, Ph-OH). A B C D

2,3,5-triclorofenolo 2,3,6-triclorofenolo 2,4,5-triclorofenolo 2,4,6-triclorofenolo

66. Si vuole sintetizzare il composto sotto riportato a partire da benzene, clorometano e acido nitrico, avendo a disposizione anche tricloruro di alluminio e acido nitrico. Assegna il nome IUPAC e/o comune alla molecola riportata e indica le due reazioni necessarie per sintetizzare tale composto e l’ordine di svolgimento di tali reazioni, motivando la tua scelta.

CH3

NO2 1-metil-3-nitrobenzene m-metilnitrobenzene 3-nitrotolueneQuesiti e problemi m-nitrotoluene

Verso l’esame di Stato 67.

Inglese Beta-carotene is an unsaturated hydrocarbon occurring in plants, fungi and fruits giving them an intense red-orange color as observed in carrots, tomatoes or pumpkins. As a pigment it is used in food coloring with code E160a but it is also a provitamin a useful nutrient: organisms can metabolize beta-carotene to synthesize vitamin A, an important compound for the maintenance of the immune system and good vision. Look at the molecule: its double bonds are isolated, conjugated or cumulated? Do you expect beta-carotene to be more soluble in water or ethanol?

Consulta il Glossario bilingue

Nella tabella sono mostrate le strutture di un alcano e quattro acidi grassi, tutti formati da catene di 18 atomi di carbonio, sia sature sia insature. a. Osserva le strutture e i punti di fusione dei composti: come sono correlati? b. Se al posto di —COOH sostituissimo dei gruppi —CH3, quale sarebbe il nome IUPAC dei composti? Nome comune ottadecano acido stearico

68.

69.

Indagine

Il propino possiede un isomero strutturale che ne condivide la formula bruta (C3H4) ma che non contiene tripli legami. Disegna la formula dell’isomero, scrivi il suo nome IUPAC e indica la sua caratteristica strutturale principale. Cittadinanza Gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) sono inquinanti diffusi in tutti gli ecosistemi e pericolosi in quanto cancerogeni. Le loro principali sorgenti sono attività antropiche come la combustione di benzina e gasolio. Gli IPA sono costantemente monitorati nell’aria, nelle acque e nei terreni, per verificare che la loro concentrazione non superi i livelli di soglia, regolamentati da leggi sull’ambiente. L’antracene (a) e il crisene (b) sono due fra gli IPA più noti, di cui viene mostrata di seguito la struttura senza insaturazioni. Inserisci tutte le insaturazioni necessarie e verifica l’aromaticità su tutta la struttura, applicando i criteri di Hückel. a.

70.

Calcolare Il monossido di carbonio, CO, è un gas tossico, molto pericoloso, che può formarsi facilmente per incompleta combustione degli idrocarburi, in mancanza di ossigeno sufficiente all’ossidazione completa. Per dimostrare l’effetto della carenza di ossigeno nella combustione osserva le reazioni 1 e 2 riportate sotto: in un caso si forma solo CO2 nell’altro solamente CO.

a. Bilancia le reazioni 1 e 2. b. Calcola la riduzione percentuale di O2 nella reazione 2 rispetto alla 1. c. Puoi bilanciare la reazione 1 con il quantitativo di ossigeno della reazione 2?

acido oleico

Strutture

O O O O

30 °C 69 °C

OH OH OH OH

O O O O

OH OH OH OH acido O O O O linoleico OH OH OH OH O acido O O O α-linolenico OH OH OH OH

72.

Punto di fusione

14 °C –8,5 °C –16,5 °C

Colloquio Osserva la fotografia e prenditi alcuni minuti per pensare alle possibili connessioni interdisciplinari, realizzando una mappa mentale. Poi esponila a voce.

1. 2 C4H10 + O2 → CO2 + H2O 2. 2 C4H10 + O2 → CO + H2O

71.

IN PREPARAZIONE

Fare connessioni logiche Gli acidi grassi sono una serie di composti organici a catena lunga biosintetizzati da piante e animali, in quanto fungono da scorta energetica per le attività metaboliche. Le molecole di acidi grassi, infatti, sono molto simili ai composti idrocarburici ma si differenziano per una “testa” idrofila costituita dal gruppo funzionale —COOH, che conferisce caratteristiche acide a questi composti, da cui il loro nome.

Verso l’esame di Stato

Incidente piattaforma Deepwater Horizon nel Golfo del Messico, 20 aprile 2010.

73.

Problem solving Le lampade ad acetilene (etino) hanno illuminato per lungo tempo le strade delle città. Tuttavia, l’acetilene, ancora oggi utilizzato in differenti settori della chimica, è un gas infiammabile al solo contatto con l’aria. Nel 1862 Friedrick Wöhler scoprì che l’acetilene si poteva produrre per reazione tra l’acqua e il carburo di calcio (CaC2). Nelle lampade, quindi, l’acqua cadeva sulla polvere di carburo di calcio, formando l’acetilene che, in quanto volatile, era incendiato all’uscita dal beccuccio. Oggi, l’acetilene è prodotto mediante il processo di cracking del petrolio, ovvero l’ossidazione di idrocarburi saturi in assenza di ossigeno che forma idrogeno gassoso a temperature intorno ai 1000 °C. Riporta le reazioni bilanciate di formazione dell’acetilene: quella a partire dal carburo di calcio e quella di cracking a partire dall’etano. Perché, a tuo parere, è più conveniente quella di cracking?

Test interattivo

Continua ad allenarti su HUB Test e scopri quanto sei preparato

24 min

IN PREPARAZIONE

Verso l’università Simula la parte di chimica di una prova di accesso all’università. Svolgi il test in modalità autocorrettiva sul libro digitale in 24 minuti e calcola il tuo punteggio.

Qual è la formula generale degli alcani? (n = 1, 2, 3, 4…) A B C D E

CnH2n CnH2n–2 CnH2n+2 CnH2n–6 CnH4n

B C D E

C6H8 C6H12

anidride carbonica e acqua un alchene e monossido di carbonio un alchino e acqua un chetone e un’aldeide anidride carbonica e monossido di carbonio

B C D E

B C

che non appartengono alla stessa serie omologa che hanno la stessa formula molecolare e diversa disposizione nello spazio con diversa formula molecolare ma stessa disposizione nello spazio che appartengono alla stessa serie omologa che hanno gli stessi punti di fusione

Affinché un composto sia aromatico è necessario che: A B C D E

2 and 3 only 1 and 2 only 1 and 3 only

B C D E

clopentadiene? A

(Medicina e chirurgia, aa 2010-2011)

12. Qual è lo stato di ibridizzazione degli orbitali del carbonio nel cicloesano?

B C E

sp2 sp

C D

sp3 d sp3

sp3 d2

possono essere cicloalcheni o alchini possono essere cicloalcani o alcheni sono sicuramente cicloalcani sono sicuramente alcheni sono sicuramente alchini (Medicina e chirurgia, odontoiatria e protesi dentaria, aa 2018-2019)

14. C5H10 è la formula bruta del:

C D

A B C

C2H2 C2H4

C3H8

Che tipo di reazione danno gli alcani? A

11. Quanti atomi di idrogeno sono presenti in una molecola di ci-

(Medicina veterinaria, aa 2012-2013)

(Medicina e chirurgia, odontoiatria e protesi dentaria, aa 2011-2012)

Propene Propano Propile Propanale Propino

C3H6 C2H6

1, 2 and 3 3 only

13. I composti con formula CnH2n:

Qual è la formula dell’etilene? A

(Medicina e chirurgia, aa 2010-2011)

(Medicina veterinaria, aa 2011-2012)

Come si chiama il gruppo con formula —CH2CH2CH3? A

(Admission test for the degree course in Medicine and Surgery, aa 2013-2014)

i suoi atomi siano ibridizzati sp3 contenga solo atomi di carbonio e idrogeno contenga elettroni π delocalizzati non sia ciclico contenga legami tripli (Medicina e chirurgia, odontoiatria e protesi dentaria, aa 2018-2019)

C6H6

10. Per quanti atomi di idrogeno il benzene differisce dal cicloesano?

(Medicina e chirurgia, aa 2008-2009)

1. The length of carbon to carbon bonds increases in the order C— —C, C=C, C—C. 2. The strength of the C=C bond is less than twice the strength of the C—C bond. —C bond. 3. The carbon atoms are joined by six electrons in the C— A

Si definiscono isomeri i composti: A

C6H10 C6H14

Which of the following are correct about carbon to carbon bonds?

(Medicina veterinaria, aa 2017-2018)

C D

(Medicina veterinaria, aa 2011-2012)

La combustione completa di un alcano in eccesso di ossigeno produce: A

Qual è la formula bruta del cicloesano? A

(Medicina e chirurgia, aa 2006-2007)

Addizione elettrofila Sostituzione nucleofila Sostituzione radicalica Sostituzione elettrofila Non danno nessuna reazione (Odontoiatria e protesi dentaria, aa 2008-2009)

pentene pentano pentadiene

D E

isopentano ciclopentene

(Medicina veterinaria, aa 2010-2011)

15. Individuare l’affermazione FALSA riguardo al doppio legame tra atomi di carbonio. A B C D E

È presente negli alcheni È più forte del legame semplice tra atomi di carbonio Gli atomi di carbonio che lo formano sono generalmente ibridati sp2 È più debole del legame triplo tra atomi di carbonio Non è mai presente nei chetoni (Medicina e chirurgia, odontoiatria e protesi dentaria, aa 2016-2017)

Test interattivo

Sezione H

Il tuo percorso di educazione civica

Combustibili fossili: quale futuro? Ogni attività industriale richiede una grande quantità di energia, ricavata in genere da combustibili fossili come carbone, gas e petrolio. L’impiego di questi materiali rappresenta una delle principali cause della crisi climatica. È quindi indispensabile cambiare rotta verso l’utilizzo di fonti pulite e rinnovabili. DENTRO LA STORIA

DENTRO IL PRESENTE

Nel 1859 i cittadini di un piccolo paese della Pennsylvania, TituLa combustione di fonti energetiche fossili nelle attività indusville, inaugurano il primo pozzo petrolifero della storia. Questriali rilascia nell’aria una grande quantità di gas climalteranti come CO2 e metano. L’eccessiva emissione di questi gas consto evento è il risultato delle ricerche del macchinista Edwin Drake, che è riuscito a costruire il primo derrick, ovvero la torre tribuisce all’innalzamento della temperatura terrestre perché di trivellazione usata per l’estrazione del petrolio dal terreno. aumenta la capacità dell’atmosfera di trattenere il calore. L’acDa quel momento, la corsa all’oro nero non si è più fermata. cordo di Parigi, stipulato nel 2015 da 195 Paesi, ha l’obiettivo di Il numero di giacimenti petroliferi e di impianti di estrazione è coordinare la risposta globale alla crisi climatica e di mantenecresciuto vertiginosamente tanto da trasformare gli Stati Uniti re l’innalzamento della temperatura sotto i 2 °C rispetto ai livelli nel maggiore produttore di petrolio. Dopo la Prima Guerra preindustriali. In linea con questo accordo, l’Unione Europea ha Mondiale, le aziende petrolifere estendono l’attenzione anpromesso di ridurre le emissioni di CO2 del 55% entro il 2030 e di che al Medio Oriente che si scopre dotato di enormi raggiungere la neutralità climatica (ovvero zero emissioriserve. Oggi, il petrolio fornisce l’energia per svolgere ni) entro il 2050. Perché questo impegno sia rispettato, una possibile soluzione è la transizione ecologica, che molte delle attività produttive e di conseguenza muoIN PREPARAZIONE consiste nell’aumentare l’uso di fonti rinnovabili e pulite ve gli equilibri economici e geopolitici del mondo. Se gli Stati Uniti producono il maggior numero di barili come l’idroelettrico, il fotovoltaico e l’eolico che riduco(706 milioni di tonnellate annue), l’Arabia Saudita rapno le emissioni delle sostanze inquinanti. presenta il primo paese esportatore al mondo con 352 Esplora Un recente rapporto ha indicato che in Europa si è regimilioni di tonnellate, seguita da Russia e Iraq. Tuttavia, l’immagine strato un calo del 17% nella produzione di combustibili questa risorsa è destinata a esaurirsi e il suo impiego è Dalla nascita fossili nella prima metà del 2023. In particolare, è dimidell’OPEC alla tra le cause della crisi climatica. Com’è possibile ridurre transizione nuita la produzione di gas metano del 13% e di carbone il suo sfruttamento? del 23% a favore dell’utilizzo di energia solare ed eolica. ecologica Produzione annuale di petrolio

In questa infografica è mostrata la produzione di petrolio annuale riferita all’anno 2021, misurata in terawattora (TWh). Non tutti i paesi hanno riserve di petrolio ma consumano quello acquistato dai paesi esportatori.

Fonte: Energy Institute Statistical Review of World Energy (2023)

Sezione H Chimica organica

0 TWh nessun dato

30 TWh

100 TWh

300 TWh 1000 TWh 3000 TWh 10000 TWh

Compito di realtà RISORSE E NAZIONALISMI Prerequisiti Introduzione alla chimica organica. Competenze attivate Analizza, Interpreta, Collabora, Digitale. Altre materie coinvolte Storia. Tempo previsto 2 ore in classe per contesto e restituzione, 2

settimane per procedimento. Prodotto atteso Infografica sull’utilizzo delle fonti rinnovabili negli Stati europei.

Contesto Il petrolio è conosciuto dall’essere umano già dalla preistoria ma le sue potenzialità sono state intuite solo con la seconda Rivoluzione industriale, quando inizia a essere impiegato come combustibile per l’illuminazione. Spinti dal desiderio di far fortuna, i pionieri del petrolio realizzano dal 1859 al 1861 oltre 340 pozzi estrattivi solo negli Stati Uniti e l’oro nero diventa quindi in poco tempo la principale fonte energetica a . In seguito, l’accesso a questa risorsa diviene uno dei fattori condizionanti i conflitti militari del XX secolo. Oggi, le ricerche scientifiche sottolineano due importanti limiti del petrolio: è una fonte non rinnovabile e il suo impiego è tra le maggiori cause della crisi climatica. Per risolvere questi problemi sono necessarie nuove soluzioni che permettono di usare energia pulita. Quali sono le fonti rinnovabili che possono sostituire il petrolio e i combustibili fossili?

Procedimento L’obiettivo dell’attività è rappresentare attraverso un’infografica l’utilizzo delle fonti rinnovabili in Europa. 1. Dividetevi in piccoli gruppi e raccogliete, cercando in Internet, i dati relativi al consumo di energia da fonti rinnovabili negli Stati europei. Esplorate in particolare le differenze tra le tipologie di fonti rinnovabili scelte dai diversi Paesi. Il sito Our World in Data (http://q3.hubscuola.it/93bf) colleziona

Fonti Il petroliere, regia di Paul Thomas Anderson, 2007; il sito In-

ternet di statistica Our World in Data del Global Change Data Lab. Obiettivo 2030 Comprendere perché promuovere azioni per combattere il cambiamento climatico contribuisce al raggiungimento dei target 13.1 e 13.2 dell’obiettivo 13.

dati su molti temi e contiene una sezione dedicata alle fonti rinnovabili, dove potrete trovare qualche informazione utile per questa attività. 2. Successivamente organizzate in un’infografica i dati ricavati dalla ricerca. L’infografica è un metodo per visualizzare in forma grafica un argomento attraverso l’utilizzo combinato di testi e immagini. Diversi programmi possono aiutare a costruire grafici: Excel permette di elaborare grafici statistici e Canva consente di realizzarli direttamente online senza l’uso di applicazioni. 3. Analizzate l’infografica ottenuta e provate a dare una spiegazione sul perché i singoli Paesi usano una fonte piuttosto che un’altra. Fatevi aiutare dalle informazioni che trovate in Internet sulle azioni che i vari Paesi stanno compiendo per favorire la loro transizione ecologica.

Autovalutazione a. Come ha influito l’armonia e la collaborazione del gruppo sul lavoro svolto? b. Perché è importante analizzare i dati quando si affronta un argomento complesso come questo? c. Quale tipologia di grafico avete scelto per realizzare l’infografica? Perché proprio quella? d. Quali sono i Paesi europei che producono più energia dalle fonti rinnovabili? Sai spiegare perché? a Chiazza di petrolio. Un sottile strato di olio sulla superficie di una pozzanghera origina uno spettro di colori a causa dall’interferenza della luce.

Educazione civica

Sezione H

Chemistry in english

The Thalidomide tragedy Chemical properties of molecules, such as their chirality, can have a huge impact on their biological activity and side effects. The history of Thalidomide shows how important it is to test thoughtfully every drug considering also their chemical structure and synthesis method. 1. Describing pictures Look at the pictures below and describe them as well as you can. Write down the IUPAC name of the compound.

Chiral center O

N H

Chiral center

R-Thalidomide

S-Thalidomide

2. Reading in detail Read the text below and prepare a five-column chart in which you list in each column the main information regarding: description of Thalidomide, effects on pregnant women, consequences on babies, discovery of the impairments caused by Thalidomide, and turning points due to Thalidomide. In the 1950s, scientists did not know that drug could pass through the placental barrier and impact a foetus in the womb, so the use of medications during pregnancy was not strictly controlled. Thalidomide, first commercialized as a sedative drug in 1956, was also often prescribed to pregnant women to prevent nausea, even though the drug was never tested on pregnant women before. Racemic mixtures are rare in nature, but many compounds are produced industrially as racemate. This occurs when the different spatial distribution of atoms around a chiral carbon atom produces two molecules called enantiomers that are one the mirror image of the other, and can be discriminated by their optical activity. The two molecules have different biological properties: the R-enantiomer had the desired property (sedative), whereas the S-isomer is teratogenic, causing malformations in embryos. Thalidomide, taken in early pregnancy, causes impairments such as limb difference, sight loss, hearing loss, facial paralysis, and also affects internal organs. It took five years before the connection between the Thalidomide and these impairments was made, and one reason why doctors were slow to make this connection was due to the wide range of changes involved in 98

Sezione H Chimica organica

foetal development. Another reason was that some of the limb difference impairments caused by the drug were, and are, very similar to certain genetic diseases. The first time the link between Thalidomide and its impact on development was made public was in a letter from an Australian doctor, William McBride, published in 1961, in The Lancet (a UK scientific medical journal). The drug was formally withdrawn in November 1961; but it has been estimated that worldwide more than 10,000 babies were affected by the drug. Around half died within months of being born. The babies who survived, and their families, still live with the effects of the drug. However, the Thalidomide tragedy marked a turning point in toxicity testing, as it prompted the United States and international regulatory agencies to develop systematic toxicity testing protocols; the use of Thalidomide as a tool in developmental biology also led to important discoveries in the biochemical pathways of limb development.

a Thalidomide. Thalidomide was commercialized as a sedative. However, its formulation was a racemic mixture and while one of the two enantiomers is therapeutic, the other is harmful. pregnancy gravidanza womb utero racemate racemo enantiomer enantiomero

chiral chirale teratogenic teratogeno impairment menomazione limb arto

3. Web quest Work in small groups and surf the Net to understand the ways in which pharmaceutical companies test their products now. Prepare a multimedia presentation of your research.

IN PREPARAZIONE

Listen to the text above and improve your knowledge with the CLIL module Isomers and isomerism

Le applicazioni delle biotecnologie

Orientati con la mappa Che cosa sono le biotecnologie? Quali sono le loro applicazioni? Rispondi a queste domande studiando gli argomenti del Capitolo e orientandoti con la mappa. fanno parte del

geni

DNA

biotecnologie

può essere manipolato in sfruttano il presenti in

sono soggetti a

DNA ricombinante virus

regolazione dell’espressione genica

procarioti eucarioti

sfruttando tecniche di

clonaggio

9.1 Ibridi, chimere e OGM

IN PREPARAZIONE

1 Pane egizio. Statuetta risalente all’antico Egitto che raffigura una persona intenta a impastare il pane.

252

si dividono in

moderne

tradizionali

utilizzate in diversi settori

agro-alimentare biomedico industriale

elementi mobili

VIDEO

IN PREPARAZIONE

Survey the landscape in a map

editing genetico

ambientale

Le biotecnologie hanno origini antiche

Il termine biotecnologie indica un insieme di tecniche che consentono di utilizzare organismi viventi per ottenere prodotti o processi che adducono vantaggi all’essere umano. Anche se il loro nome fa pensare a qualcosa di molto moderno, le biotecnologie esistono da migliaia di anni; in generale, possiamo distinguerle tra biotecnologie tradizionali e innovative. Le tracce più antiche di attività biotecnologica sono state scoperte nella valle del Giordano, nell’attuale Israele, dove circa 8000 anni fa gli agricoltori riuscirono a ottenere varietà di frumento domesticato caratterizzati da una spiga più rigida rispetto a quella del farro selvatico. Le tecniche di incrocio e selezione di specie vegetali e animali per ottenere una maggiore resa appartengono infatti alle biotecnologie tradizionali. Nel V millennio a.C. antichi egizi e sumeri erano in grado di utilizzare il processo biotecnologico della fermentazione per produrre bevande e alimenti come birra, yogurt e pane 1 . Solo nella seconda metà dell’Ottocento, però, lo scienziato francese Louis Pasteur riuscì a isolare i microrganismi responsabili dei processi di fermentazione, i lieviti, dando di fatto l’avvio alla produzione di alimenti fermentati su scala industriale con l’impiego di colture selezionate di microrganismi. L’inizio delle biotecnologie innovative, negli anni Settanta del secolo scorso, coincide con la nascita dell’ingegneria genetica, che consente la manipolazione del DNA. Le tecniche che abbiamo studiato nel Capitolo precedente consentono di creare organismi geneticamente modificati (OGM, o genetically modified organism, GMO), cioè organismi il cui materiale genetico è stato modificato artificialmente.

Capitolo 9 Le applicazioni delle biotecnologie

armi chimiche e biologiche

2 Colori delle biotecnologie. Ogni colore è associato a un campo di applicazione delle biotecnologie. Questa classificazione è stata elaborata nel 2012 dallo scienziato Pawel Kafarski.

biotecnologie industriali

brevetti e proprietà intellettuale

biotecnologie alimentari

biotecnologie per zone aride e deserti

biotecnologie ambientali

biotecnologie per ambiente marino e acquacoltura

biotecnologie biomediche biotecnologie agrarie

Gli OGM si possono ottenere inserendo nel genoma umano un gene esogeno proveniente da un individuo di specie diversa (organismi transgenici) o della stessa specie, oppure inattivando un determinato gene (organismi knock-out). Le biotecnologie hanno numerose e differenti applicazioni 2 . In questo Capitolo ne studieremo quattro categorie principali: ▶ biotecnologie verdi, riferite al settore agricolo; ▶ biotecnologie bianche, riferite ai processi industriali; ▶ biotecnologie grigie, che si occupano della tutela dell’ambiente; ▶ biotecnologie rosse, che riguardano la salute dell’essere umano.

Prima di andare avanti 1. RIPETI LA DEFINIZIONE Che cosa sono le

biotecnologie?

2. RIASSUMI IN UN MINUTO Qual è la

differenza tra biotecnologie tradizionali e innovative?

3. FAI LA TUA MAPPA Organizza e connetti

tra loro i termini evidenziati in grassetto nel paragrafo. Confronta la tua mappa con quella proposta nella sezione dedicata alla fine del volume.

Biotecnologie ecologiche Si è calcolato che, dagli anni Cinquanta al 2015, nel mondo sono stati prodotti più di 8 miliardi di tonnellate di plastica, di cui solo il 20% è stato riciclato, il resto è stato disperso nell’ambiente e una parte è stata trasformata in CO2 tramite l’incenerimento. Ovviamente, ciò comporta un grande danno dal punto di vista ecologico: basti pensare all’inquinamento degli ecosistemi marini e alla degradazione dei rifiuti in microplastiche, le quali sono ingerite dai pesci e finiscono così anche sulle nostre tavole. Gli scienziati hanno pensato di ricorrere alle biotecnologie per trovare una soluzione a questi problemi. Per il momento, le linee di ricerca si concentrano principalmente su due obiettivi: individuare un modo ecologico per smaltire la plastica e sostituire i derivati del petrolio con prodotti sintetizzati da microrganismi a . Il primo obiettivo è diventato di interesse biotecnologico nel 2016, quando un gruppo di ricercatori giapponesi ha scoperto il batterio Ideonella sakaiensis, che è in grado di metabolizzare il PET, ovvero la plastica di cui sono fatte le bottiglie. Grazie a questa scoperta, negli ultimi sette anni sono stati fatti molti passi avanti nell’utilizzo di organismi capaci di consumare in tempi brevi la plastica accumulata, realizzando dei bioinceneritori. L’uso delle biotecnologie per produrre bioplastiche e prodotti alternativi a quelli che normalmente derivano dal petrolio, invece, ha avuto inizio già nel secolo scorso, con la produzione di pellicole alimentari, aromi e cosmetici. Questi prodotti derivano principalmente da biomasse convertite da microrganismi ingegnerizzati, che

presentano diversi vantaggi rispetto alle plastiche tradizionali: le emissioni necessarie per la produzione vengono abbattute e i prodotti risultanti sono biodegradabili. Tuttavia, esistono ancora diversi problemi: per esempio, la produzione di bioplastiche è più costosa rispetto a quella tradizionale e le qualità tecniche e meccaniche sono spesso inferiori. Sarà compito della ricerca riuscire a offrire prodotti sempre migliori e a prezzi inferiori, così da diminuire la nostra dipendenza nei confronti dei derivati del petrolio. a Alternative alla plastica. Grazie alle biotecnologie diversi oggetti monouso, come piatti e posate di plastica, sono oggi fatti di bioplastica prodotta da microrganismi.

Tocca a te!

1. Digitale Fai una ricerca in Internet sull’utilizzo di organismi in grado di metabolizzare la plastica ed elencate quali sono stati i principali progressi ottenuti dalla ricerca scientifica. 9.1 Le biotecnologie hanno origini antiche

253

9.2

3 Antenati degli agrumi. Tutte le diverse varietà di agrumi coltivate oggi derivano da tre specie originarie (mandarino, cedro e pomelo) e sono state ottenute per mezzo di incroci.

Le biotecnologie sono utili in agricoltura

La selezione artificiale delle piante per mezzo di incroci selettivi è stata la prima tecnica biotecnologica a essere utilizzata dall’essere umano: attraverso l’incrocio di varietà differenti si aumenta la variabilità genetica della progenie e si ottengono nuove cultivar (o varietà) 3 . Questa manipolazione del genoma delle specie vegetali non è diretta ma è affidata alla ricombinazione casuale degli alleli e segue le leggi di Mendel; l’essere umano interviene selezionando gli individui con le caratteristiche desiderate, come una maggiore resistenza a parassiti e stress abiotici oppure migliori qualità organolettiche. Il lavoro di selezione richiede tempi lunghissimi per diverse ragioni: rispetta i cicli biologici, non consente di selezionare una singola caratteristica per volta e deve attendere la comparsa di mutazioni positive casuali. Per agevolare quest’ultimo aspetto, in passato sono stati utilizzati agenti mutageni di natura chimica o fisica per la produzione di mutanti indotti che avessero migliori qualità agronomiche. Tuttavia, l’impiego dei mutageni induce mutazioni casuali non sempre gradite, mentre le tecniche di ingegneria genetica oggi consentono di intervenire in modo mirato sul genoma delle piante per inattivare o inserire un nuovo gene e ottenere un OGM con i caratteri progettati.

A. Le piante GM

4 Generazione di una pianta GM. All’interno del plasmide Ti è inserito un gene che conferisce resistenza a un erbicida e il vettore così ottenuto è utilizzato per trasformare delle cellule di A. tumefaciens. A questo punto, il batterio infetta una cellula della pianta di tabacco, iniettando il plasmide Ti al suo interno. Quando la cellula si divide, ognuna delle cellule figlie eredita il gene per la resistenza all’erbicida e si ottiene quindi una pianta transgenica. ❶ plasmide Ti ricombinante

Uno dei metodi per ottenere piante geneticamente modificate (GM) prevede l’utilizzo di Agrobacterium tumefaciens, un batterio che infetta le cellule vegetali e inietta al loro interno il plasmide Ti (tumor inducing). Tale plasmide promuove la divisione della cellula ospite con la formazione di una massa simile a un tumore chiamata galla del colletto, all’intero della quale vive il batterio. Gli scienziati possono introdurre un inserto all’interno del plasmide Ti facendolo diventare, di fatto, un vettore ricombinante 4 : ❶ A. tumefaciens viene trasformato con il plasmide ricombinante contenente, per esempio, un gene per la resistenza a un erbicida; ❷ il batterio è usato per infettare delle cellule vegetali, le quali integrano il gene esogeno nel proprio DNA genomico; ❸ le cellule infettate, coltivate in vitro, generano piante transgeniche, con lo stesso genoma e che esprimono il gene per la resistenza agli erbicidi. Le piante così trasformate permettono agli agricoltori di eliminare le piante infestanti con gli erbicidi senza danneggiare il raccolto. Agrobacterium tumefaciens cromosoma gene per la resistenza all’erbicida

cromosoma

infezione

gene per la resistenza all’erbicida

❷ divisione cellulare ❸ cellula di pianta del tabacco

254

cellula di pianta del tabacco transgenica

Capitolo 9 Le applicazioni delle biotecnologie

divisione cellulare

In laboratorio, il plasmide Ti è stato utilizzato per creare varietà di mais e cotone GM in grado di produrre tossine insetticide. La tossina Bt (dal nome del batterio che la produce, Bacillus thuringiensis) è una proteina sintetizzata dal batterio durante la sporulazione e agisce soprattutto contro le larve dei lepidotteri 5 . Caratteristica essenziale della tossina Bt è di essere letale solamente per alcuni insetti, mentre è innocua se ingerita dall’essere umano o da altri vertebrati. Le larve di lepidottero, quando si cibano di piante ingegnerizzate che esprimono il gene Bt, muoiono e in questo modo si riduce drasticamente l’uso di insetticidi da parte degli agricoltori. Il mais Bt, uno degli esempi più noti di pianta GM, è stato ulteriormente modificato inserendo nel suo genoma la resistenza per un erbicida. Oltre a quelle resistenti agli erbicidi o in grado di produrre tossine con funzione insetticida, sono state create piante transgeniche resistenti a infezioni virali e a stress abiotici, oppure arricchite con alcuni nutrienti. Per esempio, il Golden rice è una varietà di riso GM arricchita con beta-carotene, precursore della vitamina A, pensato per aiutare quelle popolazioni la cui alimentazione si basa principalmente sul riso e che presentano spesso carenze di questa vitamina. L’arricchimento con il beta-carotene conferisce ai chicchi del riso un colore giallo ed è reso possibile dall’introduzione di due geni, il gene Psy presente nel genoma delle piante di narciso e il gene CrtI dal batterio Pantoea ananatis. Le modificazioni genetiche possono migliorare le caratteristiche dell’alimento a scopi commerciali, come nel caso del pomodoro Flavr Savr, immesso sul mercato nel 1994. Questa varietà contiene un gene modificato che inibisce il processo di marcescenza e il pomodoro rimane quindi in buone condizioni durante il trasporto, anche se raccolto già maturo anziché acerbo come era d’uso in precedenza. Come vedremo nel prossimo paragrafo, la produzione di piante GM ha notevoli vantaggi ma solleva molte polemiche. Per esempio, gli OGM sono accusati di ridurre la biodiversità, aumentare la resistenza a insetticidi ed erbicidi e creare nuovi allergeni.

STEM

5 Piralide del mais. La larva del lepidottero Ostrinia nubilalis danneggia gravemente le colture di mais, scavando delle gallerie nelle varie parti della pianta.

Se a produrre farmaci, anticorpi e vaccini sono le piante

A cura di

Da migliaia di anni le piante sono utilizzate come fonte di molecole di interesse farmacologico. Oggi, tramite l’ingegneria genetica, è possibile generare piante transgeniche in grado di produrre molecole utili per l’uomo come farmaci, anticorpi e vaccini a . Alcuni gruppi di ricerca hanno infatti utilizzato il microrganismo Agrobacterium tumefaciens come vettore per trasferire nelle piante i geni che codificano per queste proteine-farmaco. Una volta prodotte in grande quantità, queste molecole sono estratte dalla pianta, purificate, testate e formulate per la commercializzazione. Utilizzare piante transgeniche presenta numerosi vantaggi per la nostra salute, a partire dalla loro sicurezza. Le piante non sono infettate dagli stessi agenti patogeni che colpiscono l’essere umano e, di conseguenza, possono

garantire un prodotto senza contaminazioni. Inoltre, le piante sono in grado di produrre in modo corretto proteine umane in tempi più rapidi rispetto alle nostre cellule. Un altro grande vantaggio è dato dai bassi costi di produzione se comparati ad altre tecnologie poiché per es-

sere coltivate le piante necessitano unicamente di acqua, luce e nutrienti minerali. Una volta ottenuta la pianta transgenica desiderata, è sufficiente seminarne la quantità necessaria considerando che la resa di produzione della molecola di interesse è estremamente alta. Oggi queste tecnologie sono ancora in fase sperimentale, ma le potenzialità delle piante ingegnerizzate sono molteplici, con un grande impatto positivo anche sulla salute umana.

Tocca a te! 1. Digitale Quali sono altre possibili applicazioni di piante transgeniche oltre a quelle proposte nel testo? Fai una ricerca in Internet e realizza una breve presentazione. a Piante transgeniche. L’ingegneria genetica permette di creare piante transgeniche in grado di produrre molecole di interesse per la ricerca e l’industria, come farmaci e vaccini, con rese alte e costi contenuti.

2. Cittadinanza Quali potrebbero

essere gli impatti ambientali delle piante transgeniche? Potrebbero influenzare gli ecosistemi locali e la biodiversità? Fai una ricerca in Internet e realizza un’infografica.

9.2 Le biotecnologie sono utili in agricoltura

255

B. Il dibattito sugli OGM in agricoltura

6 Diffusione degli OGM nel mondo. La cartina raffigura i Paesi produttori di OGM e quelli in cui è vietata la produzione ma non l’importazione. Sotto sono elencati i dieci principali produttori di OGM (per estensione dei terreni dedicati alla loro coltivazione).

Il dibattito sulla coltivazione e l’utilizzo di piante GM ha una lunga storia. Nel 1998, la rivista scientifica Nature pubblicò un articolo che sintetizzava le valutazioni di alcuni esperti su rischi e vantaggi della coltivazione su larga scala di OGM, iniziata tre anni prima. Le perplessità evidenziate al tempo riguardavano la possibilità di: ▶ selezione di insetti e piante resistenti a insetticidi ed erbicidi; ▶ tossicità per gli insetti utili; ▶ perdita di biodiversità, dal momento che le piante GM possono diventare infestanti e modificare profondamente un ecosistema; ▶ rischio di passaggio genico da una specie all’altra, con conseguente creazione di organismi ibridi; ▶ rischi per la salute umana. Tali valutazioni furono fatte senza avere a disposizione la gran parte dei dati scientifici che abbiamo oggi, ottenuti in seguito alla diffusione delle coltivazioni OGM. Nel 2018, dopo 23 anni dalla loro commercializzazione, le piante GM (principalmente colza, soia, mais e cotone) sono coltivate in 26 Paesi nel mondo e coprono una superficie di 191,7 milioni di ettari. Tra i continenti che ospitano gli Stati coltivatori di OGM spiccano, per estensione, le Americhe, l’Australia e l’Asia meridionale 6 . La quasi totalità delle piante GM coltivate oggi contiene geni per la resistenza agli erbicidi e/o agli insetti. La principale problematica che la coltura estensiva di queste piante ha creato è la comparsa di specie vegetali infestanti e di insetti resistenti, rendendo le colture più vulnerabili a questi e nuovi parassiti. Invece, il passaggio dei transgeni tra le piante è raro e gli effetti sulla biodiversità sono da imputare più all’agricoltura intensiva, la quale converte aree naturali in terreno agricolo per monocoltura, che alla coltivazione delle piante GM.

Slovacchia Repubblica Ceca Spagna Portogallo

Stati Uniti

Canada

Cina

Messico Honduras

Nigeria

Costa Rica

Filippine Pakistan

Camerun Colombia

Paraguay Cile

Etiopia

Uruguay

Kenya

Australia

Uganda

Argentina

Paesi che importano OGM

Indonesia

India Bangladesh

Brasile

Bolivia Paesi che coltivano OGM

Myanmar

Sudan

Sudafrica I PRIMI 10 PRODUTTORI DI OGM

USA

256

Brasile

Argentina

Canada

Capitolo 9 Le applicazioni delle biotecnologie

India

Paraguay

Pakistan

Cina

Sudafrica

Uruguay

Le ricerche scientifiche condotte finora non hanno trovato prove che le piante GM possano rappresentare un rischio per la salute umana. Tuttavia, nel corso del tempo sono emerse questioni economiche e sociali derivanti dall’uso di OGM in agricoltura, che fanno sì che l’opinione pubblica sia ancora fortemente divisa. Per esempio, i costi per l’acquisto dei semi delle piante transgeniche sono molto elevati e il rischio è che solo poche e grandi compagnie biotecnologiche riescano ad aggiudicarsi il monopolio nella vendita dei semi. OGM in America e in Europa Nel 2018, l’ISAAA (International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications), considerando il numero di Paesi in via di sviluppo che coltivano piante GM, ha dichiarato che le coltivazioni biotecnologiche sono una potente arma per combattere la fame e la malnutrizione, grazie all’incremento della resa e alla riduzione delle perdite di prodotti alimentari. Nel continente americano, l’utilizzo degli OGM è una realtà consolidata, che non si limita alle specie vegetali. Per esempio, nel 2020 è arrivato sulle tavole dei canadesi il salmone AquAdvantage, approvato dalla FDA (Food and Drug Administration). Questo animale GM raggiunge le dimensioni adeguate per il commercio in soli 18 mesi (circa la metà del tempo necessario ai salmoni selvatici) e ciò comporta un grosso vantaggio in termini commerciali e ambientali, considerando la grande richiesta di salmone sul mercato. AquAdvantage ha aperto quindi la strada all’approvazione di altri brevetti di animali transgenici per la commercializzazione a scopo alimentare. In Europa, invece, la situazione è ben diversa: la normativa vigente non consente la coltivazione di piante GM, fatta eccezione per Spagna, Portogallo, Repubblica Ceca e Slovacchia, ma permette l’importazione di OGM come materie prime per la lavorazione o come componenti di un prodotto lavorato. Infatti l’EFSA (European food safety authority) ha autorizzato l’importazione di più di 90 piante GM, valutandole sicure per la salute dell’essere umano, degli animali e dell’ambiente 7 . Nonostante queste rassicurazioni, sono ancora molte le persone in Italia che si dichiarano contrarie agli OGM e, di conseguenza, diversi marchi alimentari si impegnano ad assicurare la completa assenza di ingredienti geneticamente modificati dai propri prodotti. 7 Principali OGM per uso alimentare. In figura sono rappresentati gli alimenti e i prodotti di largo consumo geneticamente modificati più consumati al mondo.

pomodoro

riso

zucca estiva

cotone

Prima di andare avanti 1. DESCRIVI IN TRE RIGHE Come viene

frumento

papaya

barbabietola da zucchero

piselli

utilizzato il plasmide Ti?

2. RIASSUMI IN UN MINUTO Indica quali

sono i principali scopi degli OGM vegetali e fornisci una breve descrizione.

3. FAI LA TUA MAPPA Organizza e connetti

soia

lievito

mais

olio di canola

tra loro i termini evidenziati in grassetto nel paragrafo. Confronta la tua mappa con quella proposta nella sezione dedicata alla fine del volume.

9.2 Le biotecnologie sono utili in agricoltura

257

9.3

Ricorda Un catalizzatore è un agente che aumenta la velocità di una reazione senza esserne consumato; gli enzimi sono catalizzatori biologici.

Le biotecnologie sono usate nei processi industriali

Le biotecnologie industriali utilizzano biocatalizzatori (enzimi o microrganismi) per generare reazioni fermentative o enzimatiche su scala industriale all’interno di bioreattori. I microrganismi (o gli enzimi da essi isolati) sono infatti dei catalizzatori versatili ed efficienti. Le biotecnologie industriali hanno numerosi campi di applicazione, dall’industria agro-alimentare per la produzione di alimenti fermentati o di sostanze come l’acido citrico 8 a quella chimica per la produzione di biocatalizzatori, biopolimeri e bioenergia. Gli obiettivi delle biotecnologie industriali sono abbassare i consumi energetici e ridurre i prodotti di scarto dei processi di produzione.

A. Le bioplastiche VIDEO

Le bioplastiche

IN PREPARAZIONE

Uno dei primi traguardi delle biotecnologie industriali è stata la produzione di bioplastiche, ossia biopolimeri realizzati a partire da fonti rinnovabili e sostenibili. I primi materiali commercializzati sono di origine vegetale, come le bioplastiche a base di amido di mais. Molto utilizzato è l’acido polilattico (polylactic acid, PLA) che deriva dalla fermentazione degli zuccheri di biomasse come il mais, la barbabietola e la canna da zucchero da parte di lattobacilli che producono acido lattico; adatto al contatto con gli alimenti, è impiegato per la produzione di materiale monouso. I poliidrossialcanoati (polyhydroxyalkanoates, PHA), invece, sono polimeri poliesteri sintetizzati da batteri come riserva di energia; hanno proprietà simili ai polimeri termoplastici sintetici ma sono completamente e rapidamente degradati nell’acqua o nel suolo. La produzione di PHA da parte di batteri ha il vantaggio di non utilizzare biomasse alimentari, riducendo lo sfruttamento del suolo e l’impatto ambientale.

B. I biocombustibili

8 Acido citrico negli alimenti. L’acido citrico, un tempo estratto da alcuni frutti, oggi è prodotto a livello industriale con il nome di E330 sfruttando speciali microrganismi. È usato come antiossidante, conservante e correttore di acidità in alimenti come il gelato.

258

La necessità di ridurre il consumo di combustibili fossili ha portato allo sviluppo di biocombustibili (o biocarburanti) quali biodiesel, bioetanolo e biogas partendo da biomasse. In un primo momento, le biomasse erano rappresentate da piante destinate al consumo alimentare. Questo tipo di biocarburanti non può essere definito sostenibile: la quantità di CO2 emessa durante la combustione coincide con quella fissata dalle piante durante la crescita e si sottraggono risorse alla produzione di prodotti alimentari, contribuendo anche alla distruzione della foresta pluviale per aumentare la superficie coltivabile. In seguito, sono stati sviluppati dei processi alternativi per sfruttare biomasse costituite da scarti dell’industria agro-alimentare o da microalghe. Il biodiesel nasce nel 1853 con la reazione di transesterificazione dell’olio vegetale realizzata dal chimico irlandese Patrick J. Duffy 9 . All’inizio sono stati utilizzati oli a uso alimentare, sostituiti poi con oli prodotti da lieviti che degradano gli zuccheri nei rifiuti organici solidi o biomasse lignee. Tuttavia, la digestione della lignina e della cellulosa per liberare gli zuccheri semplici richiede processi ad alte temperature o l’utilizzo di solventi chimici con costi elevati. Minore è l’impatto ambientale del biodiesel prodotto da alghe unicellulari come Schizochytrium limacinum, che sintetizzano lipidi fissando il CO2 atmosferico grazie all’energia solare, poi transesterificati con metanolo per ottenere biodiesel e glicerolo (sottoprodotto a elevato valore aggiunto).

Capitolo 9 Le applicazioni delle biotecnologie

olio di semi di girasole (trigliceridi) fotosintesi

CH2—OCOR

— —

semi di girasole

9 Biodiesel. Oli o grassi di origine vegetale sono raffinati e transesterificati con alcol per la produzione di biodiesel; il glicerolo è un sottoprodotto della reazione.

CH—OCOR

CH2—OCOR

CO2 combustione del biodiesel

biodiesel (esteri di acidi grassi)

3 CH3—OH metanolo

— —

CH2—OH CH—OH

3 RCOO—CH3

CH2—OH glicerolo

Anche il bioetanolo ha, come il biodiesel, un’origine non recente: già negli anni Trenta del secolo scorso Henry Ford propose un modello di auto sostenibile (Ford Cannabis) alimentata con etanolo derivato dalla canapa. Il bioetanolo è un biocombustibile prodotto tramite microorganismi come Saccharomyces cerevisiae (il comune lievito di birra) o Zymomonas mobilis (un batterio Gram-negativo), i quali utilizzano la fermentazione alcolica per trasformare in etanolo gli zuccheri contenuti nelle biomasse. L’ultima frontiera della ricerca biotecnologica è rappresentata da bioetanolo prodotto da cianobatteri GM in grado di fissare il diossido di carbonio atmosferico in etanolo grazie all’energia solare. Questo processo elimina l’uso delle biomasse e i vari processi di lavorazione che caratterizzano le altre produzioni. Infine il biogas è un biocombustibile prodotto attraverso il trattamento anaerobico di scarti agro-alimentari, liquami e fanghi di acque reflue, che consiste in una miscela di metano e diossido di carbonio. Differenti batteri GM agiscono sulla materia organica determinando in primo luogo l’idrolisi delle macromolecole in monomeri più semplici; in seguito, questi sono fermentati ad acidi organici che rappresentano il substrato di batteri metanogeni per la produzione del biogas. Il biogas prodotto dalla fermentazione anaerobica può essere utilizzato per generare calore ed energia elettrica. Durante questo processo si ottiene anche un sottoprodotto, detto digestato. Il digestato può essere a sua volta utilizzato come fertilizzante nelle coltivazioni agricole 10 .

Prima di andare avanti 1. RIPETI LA DEFINIZIONE Cos’è e come è

prodotto il bioetanolo?

2. RIASSUMI IN UN MINUTO Indica le tappe

fondamentali nella produzione di biodiesel da scarti agro-alimentari.

3. DESCRIVI IN TRE RIGHE come si ottiene

il biogas?

4. RIPETI CON LA MAPPA Inserisci i termini

scarti allevamenti

scarti agricoltura

acque reflue

mancanti e collega i concetti.

rifiuti organici

BIOCOMBUSTIBILI

calore

10 Produzione di biogas. Materiale organico di scarto, proveniente dalla filiera zootecnica, agricola o dai rifiuti solidi urbani, è utilizzato da microrganismi per la produzione di biogas e digestato mediante digestione anaerobica.

fermentazione

biogas elettricità

digestore digestato

fertilizzante

biodiesel

..............................................

esteri di acidi grassi

bioetanolo

..............................................

biogas

metano e diossido di carbonio ................................................ ................................................ ................................................

9.3 Le biotecnologie sono usate nei processi industriali

259

ore

9.4

Le biotecnologie aiutano l’ambiente

La produzione di bioplastiche e biocombustibili rappresenta una scelta responsabile per limitare i danni ambientali causati dalle attività antropiche. Le biotecnologie ambientali, invece, intervengono direttamente sull’ambiente per identificare o eliminare inquinanti e tossine.

A. Il biorisanamento

11 Biofiltri. Vasche contenenti materia organica porosa (trucioli e pezzi di corteccia) che ospita la flora microbica in grado di decomporre sostanze tossiche e maleodoranti; questo particolare biofiltro è utilizzato per purificare l’aria.

componente biologica

trasduttore

Alcuni ceppi di lieviti e batteri sono in grado di metabolizzare sostanze tossiche come metalli pesanti o idrocarburi ciclici e alifatici; queste specie si evolvono naturalmente in ambienti ostili, caratterizzati da alte concentrazioni di inquinanti, e si adattano per metabolizzare tali sostanze. Di conseguenza, possono essere sfruttati per operare una bonifica delle aree inquinate. Il biorisanamento è il processo che utilizza microrganismi per rimuovere sostanze tossiche da acqua, aria o suolo. Un’applicazione pratica del biorisanamento è la rimozione degli idrocarburi sversati in mare, come accadde per l’incidente della petroliera Exxon Valdez che nel 1989 riversò vicino alle coste dell’Alaska circa 35 000 tonnellate di greggio. In quell’occasione, infatti, furono impiegate diverse tonnellate di fertilizzanti per promuovere la crescita nell’ambiente di batteri idrocarburoclastici (batteri mangia-petrolio). Il biorisanamento è utilizzato sia per limitare i disastri ambientali associati al rilascio di grandi quantità di idrocarburi in mare sia per decontaminare acque reflue di processi industriali. In quest’ultimo caso, oltre ai microrganismi, sono impiegate alcune specie vegetali in grado di assorbire sostanze inquinanti, soprattutto metalli pesanti; tale processo è detto fitodepurazione. Grazie alle moderne tecniche di ingegneria genetica, sono stati creati microrganismi e piante GM per aumentare l’efficienza del processo di risanamento. A Fidenza, dove aveva sede uno stabilimento produttivo di benzene, xilene e toluene che ha contaminato una vasta area di suolo, nel 2016 è stato adottato un programma di risanamento che sfrutta funghi sostanza target e batteri selezionati in laboratorio.

B. I biofiltri anticorpo

sostanza target segnale elettrico

12 Biosensore. Un biosensore è formato da una componente biologica (in questo caso, anticorpi) e da un trasduttore. (a) Se le molecole target riconosciute in maniera selettiva dagli anticorpi non sono presenti nell’ambiente, il biosensore non si attiva; (b) se invece sono presenti, legano gli anticorpi e il trasduttore genera un segnale elettrico.

260

segnale elettrico

Alcuni microrganismi (spesso geneticamente modificati) presenti in un substrato poroso costituiscono i biofiltri impiegati nella decontaminazione di aria o acqua da sob stanze inquinanti 11 . I metodi di filtraggio tradizionali si basano su sistemi, come i filtri a carboni attivi, che si limitano a intrappolare le sostanze tossiche in supporti di materiale organico, di cui sono composti. I biofiltri contengono invece microrganismi, come batteri e lieviti, in grado di degradare completamente tali sostanze. I biofiltri sono inoltre un sistema economico e molto efficiente, utilizzato anche negli impianti industriali, per esempio per eliminare i cattivi odori o assorbire inquinanti prima dell’immissione degli scarti gassosi nell’ambiente.

C. I biosensori I biosensori sono dispositivi costituiti da una componente biologica (microrganismi, enzimi o anticorpi) e un trasduttore in grado di rilevare e quantificare la presenza di una determinata sostanza nell’ambiente 12 .

Capitolo 9 Le applicazioni delle biotecnologie

La sostanza da rilevare può essere, per esempio, il substrato di una reazione, che quindi è riconosciuto in modo specifico da un enzima che lo trasforma in prodotto. La concentrazione del prodotto determina variazioni di pH o di differenza di potenziale, grandezze fisiche che sono convertite dal trasduttore in segnale elettrico, il quale è a sua volta tradotto in un dato numerico da un software. In campo agricolo, i ricercatori hanno creato dei biosensori basati sul fotosistema II per rilevare la presenza di inquinanti. Il fotosistema, isolato e opportunamente immobilizzato, catalizza il trasferimento di elettroni dall’acqua a un chinone, in un processo che produce ossigeno. Metalli pesanti, erbicidi e altre sostanze chimiche inibiscono la catena di trasporto degli elettroni, e quindi la produzione di ossigeno. Queste variazioni sono lette dal sistema elettrochimico del trasduttore, che rivela così la presenza delle sostanze inquinanti. I biosensori sono utilizzati anche in campo medico per la rilevazione dei livelli di alcune molecole nel sangue. Il glucometro rileva la glicemia (la concentrazione di glucosio ematica) grazie alla reazione di ossidazione catalizzata dall’enzima glucosio ossidasi, che è la componente biologica del sensore.

D. Il compostaggio L’uso irrazionale e indiscriminato di fertilizzanti chimici ha prodotto una grave contaminazione dei suoli e delle falde acquifere, con ingenti danni sia per l’ambiente sia per la salute umana. Una pratica di agricoltura sostenibile prevede la sostituzione dei fertilizzanti chimici con il compost, un fertilizzante derivato dalla decomposizione e umidificazione di scarti agroalimentari a opera di microrganismi presenti nel terreno. Batteri, funghi e protozoi decompongono la sostanza organica in composti più semplici rendendo disponibili i nutrienti per le piante. Attualmente il processo è riprodotto su scala industriale in impianti associati alla produzione di biogas, generato dal metabolismo degli organismi che decompongono la materia organica (come abbiamo già visto nel paragrafo precedente) 13 .

Esercizio

13 Compostaggio. Impianto industriale per la produzione di compost. Notare il vapore che si solleva dai mucchi di compost: grazie all’attività metabolica dei microrganismi che fermentano la biomassa si raggiungono temperature anche molto elevate, che determinano l’evaporazione dell’acqua.

guidato

Il potere calorifico dei rifiuti urbani solidi dipende dalla percentuale di umidità della materia utilizzata: maggiore è la quantità di acqua contenuta nei rifiuti, minore è la resa energetica della loro combustione in un termovalorizzatore. Nel 1976 si potevano ottenere 1290 kcal per ogni kg di rifiuti non differenziati; all’inizio del nuovo millennio, con la frazione di rifiuti che rientrano nella raccolta differenziata pari al 20%, questo valore è aumentato fino a 2000 kcal/kg. Come si è ottenuto questo vantaggio energetico? È possibile ottenere altri prodotti o forme di energia dai rifiuti? Analizza il problema In 25 anni, l’energia sviluppata per ogni kg di rifiuti solidi urbani mediante processo di termovalorizzazione è aumentata perché la percentuale di umidità di questa frazione di rifiuti è diminuita grazie alla raccolta differenziata. Applica le tue conoscenze La maggiore quantità di acqua si trova nella frazione organica. Questa, separata mediante raccolta differenziata, è impiegata per la produzione di compost. Gli impianti industriali di compostaggio sono accoppiati alla produzione di biogas, prodotto dal metabolismo dei batteri anaerobi che digeriscono la materia organica. Commenta il risultato La raccolta differenziata, con la separazione della frazione organica da quella secca, consente di ottenere una maggiore quantità di energia dalla combustione dei rifiuti solidi urbani, riducendone la percentuale di umidità. Il compostaggio dei rifiuti organici produce materiale fertilizzante, il compost, e biogas.

Prima di andare avanti 1. RIPETI LA DEFINIZIONE Che cosa si

intende per biosensore?

2. FAI LA TUA MAPPA Organizza e connetti

tra loro i termini evidenziati in grassetto nel paragrafo. Confronta la tua mappa con quella proposta nella sezione dedicata alla fine del volume.

9.4 Le biotecnologie aiutano l’ambiente

261

9.5 IN PREPARAZIONE Studia con la mappa Le biotecnologie mediche

A casa • Esplora la mappa Le biotecnologie mediche. • Leggi il paragrafo 9.5 La medicina utilizza

le biotecnologie e rispondi alle domande di Prima di andare avanti a fine paragrafo. • Svolgi gli esercizi 20 a p. 277 e 7, 8, 10, 11 e 12 a p. 279.

In classe • Proiettate la mappa alla LIM e arricchitela confrontandovi con i vostri compagni e con il docente. • Divisi in gruppi, svolgete l’esercizio 31 a p. 278. Confrontate le conclusioni a cui siete giunti con quelle del resto della classe usando la Google Jamboard.

La medicina utilizza le biotecnologie

Le biotecnologie trovano largo impiego in campo medico per la produzione di farmaci, come per esempio antibiotici prodotti da microrganismi o vaccini, e per lo sviluppo di nuove terapie.

A. Gli antibiotici Gli antibiotici sono stati i primi farmaci biotecnologici naturali a essere utilizzati dall’essere umano; sono molecole complesse, prodotte da batteri o funghi, in grado di eliminare batteri patogeni per l’essere umano. Gli antibiotici sono utilizzati dagli organismi che li producono come “armi” nei confronti di altri batteri. Dal momento che non sono essenziali alla sopravvivenza della cellula che li sintetizza, sono detti metaboliti secondari. Il primo antibiotico, la penicillina, fu scoperto nel 1928 dallo scienziato scozzese Alexander Fleming, che rivoluzionò così il mondo della medicina. Fleming, infatti, si accorse che in una piastra di Staphylococcus aureus contaminata da una muffa verde, Penicillium notatum, la crescita batterica era inibita o rallentata 14 . Fleming dimostrò l’azione battericida della sostanza prodotta dalla muffa, ma ci vollero più di dieci anni per purificarla e utilizzarla sull’essere umano; ciò fu possibile grazie al lavoro degli scienziati Howard Walter Florey ed Ernst Boris Chain. Oggi, gli antibiotici sono al centro di un grande problema di sanità pubblica: l’antibiotico-resistenza. Il fenomeno è dovuto all’uso eccessivo e scorretto di questi farmaci. I batteri sensibili all’antibiotico muoiono grazie alla terapia, ma è possibile che nella popolazione siano presenti anche batteri diventati resistenti per l’insorgenza e l’accumulo di mutazioni casuali. I batteri resistenti sopravvivono in presenza di antibiotico e si riproducono trasmettendo il gene per la resistenza. Se inoltre l’antibiotico è usato in modo scorretto, la carica batterica antibiotico-sensibile non è azzerata ma solo ridotta, favorendo la selezione di mutazioni resistenti, fino a soppiantare i ceppi di origine, sensibili agli antibiotici.

B. I biofarmaci 14 Scoperta della penicillina. Questa fotografia raffigura la piastra originale che ha portato Fleming alla scoperta della penicillina. La muffa P. notatum produce questa sostanza antibiotica, causando la lisi delle colonie di S. aureus in prossimità della muffa.

Approfondisci I vettori possono essere di clonaggio per amplificare l’inserto (sequenza di DNA non codificante o un gene), o di espressione per amplificare ed esprimere l’inserto (gene). Questi ultimi possono essere di origine plasmidica o virale (da fagi o virus che infettano cellule eucariotiche).

262

L’ingegneria genetica ha consentito la produzione di biofarmaci, molecole biologicamente attive con proprietà terapeutiche prodotte da organismi transgenici. Gli antibiotici non sono considerati biofarmaci, perché sono prodotti da microrganismi non ingegnerizzati, successivamente purificati e, se necessario, modificati. Alcuni biofarmaci sono detti endofarmaci, perché mimano la funzione di molecole endogene come gli ormoni. Endofarmaci Grazie alle tecniche del DNA ricombinante, nel 1978 è stato prodotto il primo biofarmaco: l’insulina. Questo ormone regola i livelli di glucosio nel sangue ed è indispensabile per il trattamento del diabete. Prima degli anni Ottanta del secolo scorso, si era soliti somministrare ai pazienti diabetici l’insulina estratta dal pancreas di suini o di bovini. L’insulina ricombinante ottenuta da colture di E. coli trasformate con vettori di espressione, invece, è codificata dal gene umano e quindi il suo impiego è molto più sicuro; per esempio, riduce il rischio dell’insorgenza di infezioni o reazioni immunologiche date dall’uso di insulina animale.

Capitolo 9 Le applicazioni delle biotecnologie

Molte altre molecole come l’ormone della crescita o il fattore VIII della coagulazione, impiegati per il trattamento rispettivamente della carenza o assenza dell’ormone della crescita (growth hormone deficiency, GHD) e dell’emofilia, sono attualmente prodotte da microrganismi GM 15 . I biofarmaci possono essere prodotti anche da animali transgenici. Per esempio, il gene per la produzione di una proteina terapeutica può essere inserito sotto il controllo di un promotore attivo solo nelle ghiandole mammarie, così che la proteina sia secreta nel latte e sia facilmente purificabile. È questo il caso dell’antitrombina-alfa, un agente anticoagulante che viene prodotto da capre transgeniche 16 .

capra donatrice

antitrombina-alfa purificata

ovulo fecondato

latte

trasferimento del gene che codifica per l’antitrombina-alfa

impianto dell’ovulo nella capra ricevente

gli animali che discendono dalla capra ricevente producono l’antitrombina-alfa nella ghiandola mammaria

Immunoglobuline Le immunoglobuline, o anticorpi, rappresentano un’importante classe di biofarmaci; sono glicoproteine prodotte dai linfociti B maturi (ovvero le plasmacellule) che hanno la capacità di riconoscere e legare un determinato antigene. All’interno di un organismo, differenti cloni di linfociti B producono anticorpi che riconoscono diverse porzioni (dette determinanti antigenici) che appartengono a uno stesso antigene. Gli anticorpi policlonali sono miscele di anticorpi in grado di riconoscere diverse molecole con affinità variabile. Il modo più rapido ed economico di ottenere anticorpi policlonali è iniettare in un animale un antigene, rappresentato da cellule batteriche (vive o morte), tossine o altre molecole in grado di attivare la risposta immunitaria. Dopo l’immunizzazione, si preleva il siero dell’animale e si purifica la miscela anticorpale. Gli animali più utilizzati per la produzione di anticorpi policlonali sono topi, conigli e capre. Tuttavia, ai fini diagnostici e terapeutici è importante utilizzare anticorpi con elevata selettività e specificità derivati dai cloni di una sola plasmacellula, vale a dire anticorpi monoclonali 17 . La tecnica di produzione di tali anticorpi è stata messa a punto nel 1975 da Georges Köhler e César Milstein e prevede l’utilizzo di un ibridoma, ossia una cellula ottenuta dalla fusione di una plasmacellula con una cellula di mieloma (una cellula tumorale). ❶ Il primo passo per produrre anticorpi monoclonali è l’immunizzazione di un animale contro un antigene di interesse. ❷ Le plasmacellule dell’animale sono estratte dalla milza e fuse con le cellule di mieloma (linfociti immortalizzati) difettive per la sintesi di nucleotidi.

15 Impianto per la produzione di biofarmaci. Questi impianti industriali constano di bioreattori per la crescita dei batteri in colture liquide e di sistemi per la purificazione dei farmaci prodotti.

16 Produzione di farmaci da animali GM. Alcuni mammiferi possono essere modificati geneticamente per secernere nel latte proteine a scopi terapeutici.

Ricorda Le plasmacellule sono i linfociti B effettori che, mediante la produzione e la secrezione di anticorpi, dirigono la risposta immunitaria umorale.

9.5 La medicina utilizza le biotecnologie

263

17 Anticorpi monoclonali. Un antigene è iniettato in un topo. Dopo la risposta anticorpale, le cellule della milza sono prelevate e i linfociti B estratti sono fusi con le cellule di mieloma. Gli ibridomi sono coltivati su terreno selettivo e diluiti in modo che ogni clone sia isolato; infine, dal terreno si estrae un solo tipo di anticorpo.

anticorpi monoclonali

antigene determinanti antigenici

❶ ❹ cellule di mieloma

prelievo delle plasmacellule dalla milza

clone 1 clone 2 clone 3 clone 4 terreno selettivo

diluizione ❸

fusione ❷ plasmacellule

2,5 µm TEM (falsi colori)

18 Ibridoma. L’ibridoma è un ibrido tra una plasmacellula e una cellula di mieloma; è utilizzata per la produzione di anticorpi monoclonali.

264

ibridomi

❸ Le cellule sono fatte crescere per quattordici giorni su un terreno di coltura selettivo, carente di nucleotidi; in questo terreno non possono sopravvivere né le cellule di mieloma, perché non sono in grado di sintetizzare i nucleotidi, né le plasmacellule, perché hanno un ciclo vitale inferiore alle due settimane. Al contrario, gli ibridomi sopravvivono, perché hanno acquisito l’immortalità della cellula di mieloma e i geni per la sintesi dei nucleotidi dalla plasmacellula. ❹ La miscela di ibridomi è diluita in modo che ogni clone sia isolato e gli anticorpi che si estraggono dal terreno di coltura siano prodotti da un solo tipo di ibridoma. Infine, si seleziona il clone che produce una buona quantità di anticorpo con un’elevata specificità per l’antigene di interesse. L’ibridoma isolato è una fabbrica di quantità potenzialmente illimitate di anticorpo monoclonale 18 . Le immunoglobuline riconoscono e legano in modo specifico una molecola; ciò le rende versatili e molto utili in campo medico, a fini diagnostici e terapeutici, e nei laboratori di ricerca. La diagnosi di molte malattie infettive o tumorali avviene mediante esami diagnostici che utilizzano anticorpi monoclonali. Questi sono molto sensibili e riescono a rivelare la presenza di virus, batteri o marcatori tumorali nelle fasi di insorgenza della patologia. Anche i test di gravidanza, il test HIV o altri test a uso domestico utilizzano anticorpi monoclonali. Nell’immunoterapia, alte concentrazioni di immunoglobuline sono infuse per via endovenosa in modo da aumentare il livello anticorpale dei pazienti. Gli anticorpi possono riconoscere e inattivare una molecola che causa una patologia o che ha effetti sull’organismo, oppure possono essere coniugati a un farmaco; in questo caso, l’anticorpo veicola il farmaco solo dove è necessario, riducendo gli effetti collaterali di alcune terapie. Nella terapia per il tumore al seno si utilizzano anticorpi monoclonali contro il recettore per il fattore di crescita HER2 espresso dalle cellule tumorali: il sistema immunitario le riconosce come estranee grazie agli anticorpi legati e le elimina. In alternativa, gli anticorpi che riconoscono il recettore di HER2 sono coniugati a un chemioterapico che così agisce solo sulle cellule tumorali. Nei laboratori di ricerca gli anticorpi monoclonali e policlonali sono molto utilizzati all’interno di diverse tecniche sperimentali poiché sono efficaci per individuare e quantificare proteine oggetto di studio.

Capitolo 9 Le applicazioni delle biotecnologie

C. I vaccini Il primo vaccino della storia ha permesso di debellare il vaiolo, una malattia incurabile che aveva effetti devastanti sulla popolazione umana poiché, oltre ad avere un alto tasso di mortalità, lasciava evidenti conseguenze nei sopravvissuti. Nel 1796 il medico inglese Edward Jenner utilizzò il virus del vaiolo bovino (Vaccinia virus) per conferire alle persone l’immunità nei confronti del vaiolo umano. Entrambi i virus appartengono alla famiglia Poxviridae, ma il vaiolo bovino ha effetti lievi sulla salute degli esseri umani. Con un vaccino è possibile attivare la risposta immunitaria che protegge dall’infezione in caso di successivo contatto con il patogeno. Infatti, nelle persone vaccinate la risposta immunitaria è rapida ed efficace grazie ai meccanismi della memoria immunologica. La produzione dei vaccini tradizionali si basa su diverse strategie: l’utilizzo di patogeni vivi ma meno virulenti (detti attenuati, cioè indeboliti) oppure di patogeni morti (inattivati), l’uso di tossine prodotte dai batteri patogeni e, infine, lo sfruttamento di subunità proteiche purificate dal patogeno stesso Tabella 1. Le biotecnologie mediche, tuttavia, hanno rivoluzionato anche questo settore della medicina attraverso la scoperta e l’introduzione di vaccini ad acidi nucleici (DNA e RNA) e vaccini ricombinanti. Vaccini ad acidi nucleici Negli ultimi anni la pandemia da COVID-19 ha dato un’enorme spinta alla ricerca di nuove tecnologie per la produzione dei vaccini, in particolare quelli ad acidi nucleici. Già all’inizio del secolo erano stati studiati diversi vaccini che utilizzavano il DNA di un agente patogeno per indurre la risposta immunitaria nelle persone, ma il successo maggiore è stato ottenuto con i vaccini a mRNA 19 . Nei vaccini a mRNA, la sequenza di mRNA di una proteina appartenente al virus (che costituisce l’antigene) è sintetizzata in laboratorio ed è inserita in una vescicola lipidica per facilitarne l’ingresso all’interno delle cellule eucariotiche.

Ricorda Un vaccino è una preparazione artificiale che stimola l’immunità adattiva contro un patogeno senza far insorgere la malattia.

Tabella 1 Tipi di vaccino Formulazione dei vaccini

Patologie

Patogeno vivo Poliomielite (vaccino attenuato orale di Sabin), morbillo, (indebolito) parotite, rosolia, vaiolo Patogeno inattivato

Poliomielite (vaccino iniettabile di Salk), influenza, epatite A

Tossine inattivate

Tetano, difterite

Subunità

Pertosse, epatite B, HPV, malattia di Lyme

Ricombinante

Meningococco B, epatite B

Acidi nucleici

Sars-CoV-2

anticorpi plasmacellule mRNA

❷

❶

vescicola lipidica

linfociti B con recettori per gli antigeni

❼

❸ vescicola lipidica

❹ ❻

❺

mRNA

ribosoma

proteine virali

19 Produzione e azione di un vaccino a mRNA. ❶ Per produrre il vaccino, un mRNA sintetico contenente la sequenza codificante per l’antigene è incapsulato in vescicole lipidiche. ❷ Il vaccino è poi somministrato tramite iniezione. ❸ Nel corpo le vescicole si fondono con la membrana delle cellule e ❹ liberano l’mRNA nel citoplasma, ❺ dove avviene la traduzione delle proteine virali. ❻ Le proteine virali prodotte, esposte sulla membrana plasmatica o secrete all’esterno della cellula, attivano la risposta immunitaria. ❼ Questo comporta la produzione di anticorpi da parte delle plasmacellule e l’attivazione della memoria immunologica nel soggetto vaccinato.

9.5 La medicina utilizza le biotecnologie

265

VIDEO

How mRNA vaccines work (online)

IN PREPARAZIONE

45 µm TEM (falsi colori)

20 Adenovirus. L’adenovirus è il principale tipo di virus utilizzato nei vaccini con vettori virali.

Approfondisci In genere, le proteine antigeniche che costituiscono i vaccini devono essere conservate in ambienti refrigerati per mantenere la struttura e svolgere la loro funzione.

266

Al momento sono in uso diversi vaccini a mRNA per prevenire l’infezione da SARS-CoV-2, in cui la proteina scelta come antigene è la proteina S (di cui abbiamo parlato nel Capitolo 7). In questi vaccini, l’mRNA della proteina S è sintetizzato in laboratorio e inserito all’interno di vescicole lipidiche che hanno la funzione di proteggerlo dall’azione di enzimi che catalizzano la degradazione dell’RNA (RNasi). Dopo la somministrazione del vaccino, le vescicole si fondono con la membrana plasmatica delle cellule e l’mRNA è rilasciato all’interno del citoplasma, dove è riconosciuto dai ribosomi e tradotto nella proteina S. Come avviene per gli altri mRNA, anche quello introdotto con il vaccino è poi degradato in pochi giorni. Le proteine prodotte sono esposte sulla membrana plasmatica, o rilasciate nel sangue, e sono riconosciute dai linfociti B, i quali si attivano e si differenziano sia in plasmacellule che producono anticorpi sia in cellule della memoria immunologica. Un vantaggio nell’utilizzo dei vaccini a mRNA è dato dalla possibilità di modificare la loro composizione in tempi brevi, variando la sequenza di mRNA utilizzata: in questo modo è possibile far fronte alla comparsa di nuove varianti di virus. Il successo dei vaccini a mRNA contro SARS-CoV-2 ha dato slancio per lo sviluppo di un vaccino a mRNA contro l’HIV, virus per cui al momento non esiste nessuna terapia preventiva. Vaccini ricombinanti I vaccini ricombinanti utilizzano la tecnologia del DNA ricombinate. Questa tipologia di vaccini offre diversi vantaggi, tra cui: minori effetti collaterali rispetto ai vaccini tradizionali e una maggiore sicurezza per la salute; inoltre, possono essere prodotti in grandi quantità e ciò rende più semplice la vaccinazione di consistenti percentuali di popolazione. Esistono diversi tipi di vaccini ricombinanti, sviluppati in base alle tipologie di agenti patogeni. Due esempi di vaccini ricombinanti sono i vaccini con subunità proteiche ricombinanti e i vaccini a vettore virale. I vaccini con subunità proteiche ricombinanti sono prodotti attraverso un sistema di espressione eterologa. Questo sistema consente a un organismo, come una cellula di lievito, di esprimere una o più proteine che di norma non esprime. Per produrre il vaccino si costruisce un vettore di espressione ricombinante, contenente il DNA codificante per una o più proteine dell’agente patogeno verso cui si vuole attivare la risposta immunitaria. Queste proteine rappresentano, infatti, l’antigene. Il vettore ricombinante è, quindi, trasferito all’interno di cellule di lievito, che sintetizzano la proteina (o le proteine) del virus o del batterio. Particolari fermentatori, in cui sono ricreate le condizioni ideali per far moltiplicare le cellule di lievito, sono impiegati per ottenere grandi quantità di proteina. Infine, le proteine sono purificate e usate per produrre il vaccino. Quando il vaccino è inoculato in un individuo, si attivano i meccanismi della risposta immunitaria. Al momento si producono in questo modo il vaccino contro il virus dell’epatite B (HBV) e il meningococco B, un batterio che causa una grave forma di meningite. La stessa tecnologia è impiegata per i vaccini contro i papilloma virus umani (HPV). L’infezione da HPV avviene per trasmissione sessuale ed è correlata allo sviluppo del cancro alla cervice uterina (nel 70% dei casi) e anche di altri tumori. Poiché esistono molti ceppi di HPV, nel 2017 è stato sviluppato un vaccino efficace contro nove ceppi diversi. Un’altra classe di vaccini ricombinanti è quella dei vaccini con vettori virali che sfruttano la capacità dei virus, come adenovirus 20 , di iniettare il loro genoma all’interno della cellula ospite. In genere, gli adenovirus sono scelti come vettori perché non causano malattie pericolose, inducono una forte risposta immunitaria e non sono ca-

Capitolo 9 Le applicazioni delle biotecnologie

paci di integrare il loro genoma in quello della cellula ospite. Inoltre, gli adenovirus usati come vettori virali sono attenuati per garantire maggiore sicurezza per la salute. Per produrre il vaccino, il genoma virale è sostituito da DNA ricombinante che codifica per uno o più antigeni selezionati del patogeno contro cui si vuole formulare il vaccino. Dopo la vaccinazione, gli adenovirus ricombinanti innescano la produzione degli antigeni che, dopo essere stati inseriti nella membrana cellulare dell’ospite o rilasciati nel sangue, sono riconosciuti dai linfociti B e scatenano la risposta immunitaria con la produzione di anticorpi e l’attivazione di cellule della memoria immunologica 21 . Questi vaccini sono molto stabili e facili da conservare e distribuire. A questa categoria appartengono vaccini contro le infezioni di COVID-19, ebola, tubercolosi, influenza aviaria o suina. anticorpi

linfociti B con recettori per gli antigeni

vettore virale

proteine (antigeni)

vaccinazione

21 Vaccini a vettore virale. Gli adenovirus sono in genere usati nella produzione dei vaccini ricombinanti a vettori virali. Una volta modificati, questi virus permettono l’ingresso nella cellula del materiale genetico codificante per la proteina di un patogeno (antigene). Dopo essere stati sintetizzati dalla cellula, gli antigeni attivano il sistema immunitario.

plasmacellule

ribosoma nucleo

mRNA

Produzione di un vaccino Come per qualsiasi farmaco, la filiera di sviluppo, produzione e commercializzazione di un nuovo vaccino prevede un tempo molto lungo che può superare anche i quindici anni. ❶ La prima fase, quella di ricerca e sviluppo, porta all’individuazione dell’antigene e all’allestimento di diversi preparati vaccinali. ❷ Quando sono identificati i preparati più stabili, si passa alla sperimentazione preclinica. In questa fase i potenziali vaccini sono analizzati in laboratorio con esperimenti in vitro (su colture cellulari) e in vivo (su modelli animali) per valutarne la tossicità e la capacità di stimolare la risposta del sistema immunitario. ❸ Solo i preparati vaccinali più efficaci e sicuri passano alla sperimentazione clinica, che è composta da tre diverse fasi condotte su un numero crescente di esseri umani con lo scopo di valutare gli effetti collaterali e l’efficacia del preparato. ❹ Alla fine della sperimentazione clinica, il vaccino più efficace deve ottenere l’approvazione delle autorità competenti prima di essere messo sul mercato. ❺ Dopo la produzione e la distribuzione, gli effetti collaterali e l’efficacia del vaccino sono monitorati. L’emergenza della pandemia da COVID-19 ha contratto i tempi di ricerca e sperimentazione consentendo di ottenere in dodici mesi i primi vaccini approvati e pronti per la somministrazione. Queste tempistiche sono comunque simili a quelle necessarie per lo sviluppo del vaccino contro il virus dell’influenza stagionale.

Approfondisci La produzione di un vaccino e guarda il video in 3D Come si produce un vaccino

IN PREPARAZIONE

9.5 La medicina utilizza le biotecnologie

267

VIDEO

La terapia genica

IN PREPARAZIONE

D. La terapia genica Nel secolo scorso le malattie genetiche non avevano una vera cura, ma si poteva ricorrere solo a terapie che ne attenuassero i sintomi. Un esempio noto è costituito dalla fibrosi cistica, malattia causata da una mutazione nel gene CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator, regolatore della conduttanza transmembrana della fibrosi cistica). Questo gene codifica per un trasportatore del cloro, una proteina di membrana che regola la secrezione e l’assorbimento di ioni e acqua nelle cellule epiteliali. Le mutazioni di questa proteina causano la formazione di un muco molto denso che determina il malfunzionamento di polmoni, seni paranasali, intestino e apparato riproduttivo. Oggi si sta cercando di arrivare a una cura grazie alla terapia genica, che si pone come obiettivo la sostituzione del gene mutato, causa della malattia, con un gene normale, ripristinandone così la funzione 22 . Altre volte, invece, la terapia genica è utilizzata per inattivare un gene che causa una patologia, sfruttando il meccanismo dell’RNAi, affrontato nel Capitolo 7. Per esempio è possibile, mediante virus ingegnerizzati, veicolare nelle cellule i siRNA diretti contro l’mRNA di un gene associato allo sviluppo di un tumore, bloccandone la traduzione.

gene CFTR

mutazione

cromosoma 7 ❶ Le persone affette da fibrosi cistica presentano una mutazione nel gene CFTR ; le cellule dei polmoni sintetizzano delle proteine CFTR anomale.

❹ Le cellule dei polmoni producono la proteina CFTR normale.

proteina CFTR normale

proteina CFTR anomala

❷ Il gene CFTR non mutato è inserito all’interno di un vettore virale.

❸ Il paziente inala i vettori virali, che trasportano il gene CFTR funzionale nelle cellule dei polmoni.

22 Terapia genica. Lo scopo della terapia genica è spesso la sostituzione di un gene mutato con uno normale. Nel caso della fibrosi cistica, un virus modificato trasporta il gene CFTR sano nei polmoni di un soggetto malato.

268

Capitolo 9 Le applicazioni delle biotecnologie

Le difficoltà incontrate inizialmente nell’uso della terapia genica erano: ▶ riuscire a infettare solo le cellule bersaglio; ▶ riuscire a introdurre il DNA esogeno in un punto specifico del genoma per evitare mutazioni dannose per la salute dell’individuo; ▶ conservare il gene sano per evitare il ritorno della malattia; ▶ evitare la risposta immunitaria del paziente contro i vettori virali. Oggi, molte di queste problematiche sono state superate. Per esempio, si utilizzano come vettori i retrovirus attenuati, cioè virus vivi in grado di entrare nelle cellule e integrare il proprio genoma in quello dell’ospite senza causare la malattia. Inoltre, per evitare la risposta immunitaria del soggetto è stata sviluppata una terapia ex vivo: alcune cellule del midollo del paziente sono prelevate, modificate in vitro e poi infuse nuovamente nel soggetto. Questo è l’approccio che ha permesso di curare bambini affetti da patologie del sistema immunitario come le immunodeficienze. Al giorno d’oggi la terapia genica è utilizzata per curare alcune malattie del sistema nervoso come la leucodistrofia metacromica, cecità congenite e anche forme di tumori del sangue. Contro i tumori è stata sviluppata la terapia genica CAR-T (chimeric antigen receptor T-cell therapy) che utilizza linfociti T del paziente, dopo averli isolati, ingegnerizzati e reinfusi in modo da attivare il sistema immunitario solo verso le cellule tumorali. CRISPR/Cas9 Al momento i medici hanno a disposizione una tecnologia chiamata sistema CRISPR/Cas9, che consente di effettuare un editing genetico, un tipo di ingegneria genetica, in modo molto accurato: permette, cioè, di modificare il genoma del paziente senza correre il rischio di mutazioni. Il sistema consta di due componenti: ▶ la nucleasi Cas9, enzima in grado di tagliare il DNA; ▶ un RNA guida sintetico. L’RNA guida lega la sequenza del gene da modificare, grazie alla complementarità delle basi azotate. A questo punto, l’endonucleasi Cas9, giunta sul sito bersaglio grazie all’RNA guida (a cui è ancorata), taglia entrambi i filamenti di DNA in un punto. Se a Cas9 non fosse aggiunto del DNA esogeno, il taglio attiverebbe il sistema di riparazione non omologo del DNA detto NHEJ (non-homologous end joining), che introduce brevi sequenze per saldare i due filamenti ma altera la sequenza del gene introducendo nuove mutazioni. Invece, nel sistema CRISPR/Cas9 è prevista la presenza di DNA esogeno, contenente la sequenza di interesse affiancata da due sequenze omologhe al sito di taglio di Cas9. Il taglio dell’endonucleasi attiva quindi il sistema di riparazione omologa del DNA detto HDR (homology directed repair) che introduce la sequenza desiderata attraverso la ricombinazione omologa 23 . In questo modo, il sistema CRISPR/Cas9 può effettuare modificazioni mirate nella sequenza di DNA per inattivare o ripristinare la funzionalità di un gene. La tecnologia CRISPR/Cas9 deriva dai batteri, che la utilizzano come sistema di difesa da virus e plasmidi; nel 2012 è stata isolata per essere utilizzata in vitro e nel 2020 è valsa il premio Nobel per la chimica alle scienziate Emmanuelle Charpentier e Jennifer A. Doudna. Tale tecnologia può essere applicata per modificare il genoma di animali, piante e anche dell’essere umano per la cura di specifiche patologie. In quest’ultimo ambito, sono moltissimi gli studi in cui CRISPR/Cas9 è utilizzato per curare malattie genetiche come la fibrosi cistica o la beta-talassemia, diversi tipi di cancro e malattie autoimmuni. Il noto sistema è stato applicato anche alla cura di infezioni virali causate da HIV, HPV e HBV. Nonostante la versatilità e l’efficacia di questa tecnica in vitro, sono ancora da testare gli effetti a lungo termine e i possibili errori di taglio che rappresentano un rischio non trascurabile per le applicazioni terapeutiche.

Guarda la lezione interattiva CRISPR/Cas9 e l’editing genetico e guarda il video in 3D Editing genetico con sistema CRISPR/Cas9

DNA bersaglio

IN PREPARAZIONE

RNA guida

Cas9

ricombinazione omologa

gene esogeno

23 CRISPR/Cas9. L’endonucleasi Cas9 taglia il DNA bersaglio in corrispondenza della sequenza riconosciuta dall’RNA guida. In quel punto è possibile inserire un gene esogeno sfruttando la ricombinazione omologa.

Prima di andare avanti 1. DESCRIVI IN TRE RIGHE Come sono

prodotte le immunoglobuline?

2. RIASSUMI IN UN MINUTO Spiega come la

terapia genica può silenziare un gene.

3. FAI LA TUA MAPPA Organizza e connetti

tra loro i termini evidenziati in grassetto nel paragrafo. Confronta la tua mappa con quella proposta nella sezione dedicata alla fine del volume.

9.5 La medicina utilizza le biotecnologie

269

Le persone

Lydia Villa-Komaroff: l’importanza della diversità nella scienza Che cosa ha scoperto Lydia Villa-Komaroff è la terza donna ispano-americana a ottenere un dottorato, in Scienze naturali, nel 1975. La sua scoperta più importante risale al 1978 quando, durante il post dottorato, pubblica un articolo in cui si dimostra che l’insulina può essere prodotta dai batteri.

L’insulina, un farmaco salvavita

You will not get anything that you don’t ask for. You will not get anything that you don’t apply for. So, do it. Just apply for it.*

L’insulina è un farmaco salvavita per tutti coloro che soffrono di diabete, ma fino agli anni Ottanta del secolo scorso veniva ricavata dal pancreas di altri animali, soprattutto maiali e bovini. L’insulina animale, oltre a richiedere procedure complesse, non era priva di effetti collaterali: spesso causava allergie e a lungo andare provocava danni all’organismo, soprattutto al fegato e alla vista. La produzione di insulina in laboratorio, invece, permette di ottenere una molecola del tutto analoga a quella prodotta dall’organismo umano.

Origini e formazione

*Non otterrai mai niente senza chiederlo. Non otterrai mai niente senza farti avanti. Quindi fa’ così. Semplicemente, fatti avanti.

270

Lydia Villa nasce nel 1947 a Santa Fe, in New Mexico (Stati Uniti). Suo padre è insegnante e musicista, mentre sua madre è un’assistente sociale. Lydia Villa si avvicina alla scienza ad appena nove anni: suo zio, un chimico, le mostra un articolo che ha appena pubblicato su un’importante rivista accademica e lei ne rimane molto impressionata. È importante anche l’influenza della madre, che nutre una grande passione per le piante; avrebbe voluto diventare una botanica, ma purtroppo una febbre reumatica aveva compromesso i suoi studi quando era ancora in giovane età. Anche il percorso di studi di Lydia Villa, inizialmente, è piuttosto travagliato: nel 1965 si iscrive al corso di studi in chimica dell’Università di Washington a Seattle ma, nonostante alle superiori avesse ottimi voti, riscontra molte difficoltà. Quando si rivolge al suo tutor, lui le dice che la chimica non è adatta per le ragazze e le consiglia di cambiare corso. Lydia trascorre un anno frequentando i corsi più disparati e alla fine decide di iscriversi a biologia. Nel 1970 prende il suo secondo cognome sposando Anthony Komaroff. I due si trasferiscono a Boston, dove Lydia cerca di entrare in diversi corsi di dottorato, ma tutte le sue candidature vengono rifiutate. Alla fine, inaspettatamente, è ammessa al Massachusetts Institute of Technology (MIT),

Capitolo 9 Le applicazioni delle biotecnologie

un ambiente notoriamente maschile, soprattutto in quegli anni. Nel 1975 completa il dottorato in biologia cellulare e inizia il post dottorato a Harvard, concentrando i suoi studi sulla tecnologia del DNA ricombinante. La ricerca in quell’ambito viene bruscamente interrotta a causa dei timori riguardo alla sicurezza delle tecnologie di manipolazione genetica. Per continuare le sue ricerche, Lydia Villa-Komaroff deve trasferirsi al Cold Springs Harbor Laboratory di New York. Dopo un anno di lavoro infruttuoso, torna a Harvard, dove nel frattempo il divieto di fare ricerca sulle tecnologie del DNA è stato annullato. Lydia comincia così a collaborare con il team di Walter Gilbert alla produzione di insulina ricombinante.

Ulteriori sviluppi Lydia Villa-Komaroff impiega la tecnologia del DNA ricombinante in molti altri campi, dalla neurologia, alla biologia evolutiva, all’endocrinologia. Fondamentale è il suo contributo nella scoperta di una molecola coinvolta nello sviluppo dell’Alzheimer. Nel 1996 abbandona il laboratorio per ricoprire importanti ruoli in ambito accademico e all’interno di aziende biotecnologiche. Nonostante i successi, Lydia Villa-Komaroff non ha mai dimenticato le sue origini: nel 1973, quando ancora frequentava il dottorato, è stata tra i membri fondatori di una associazione a sostegno della formazione scientifica dei ragazzi di origine ispanica e nativi americani. Inoltre, è attivista e sostenitrice dell’importanza della diversità nella scienza, che deve includere donne e membri delle minoranze.

Tocca a te! 1. Cittadinanza Fai una ricerca in Internet per approfondire quali sono stati gli impatti sociali dell’utilizzo dell’insulina ricombinante. Quindi, rielabora le informazioni in un breve testo (massimo 1000 battute).

2. Digitale Fai una ricerca in Internet su

quali fossero le preoccupazioni e le limitazioni imposte sull’uso del DNA ricombinante e in che modo sono state superate. Realizza una breve presentazione (massimo 5 diapositive).

3. Collabora Quali aspetti della vita di

Lydia Villa-Komaroff ti hanno colpito di più? Confrontati con il tuo compagno di banco.

9.6

Le cellule staminali generano altre cellule

L’essere umano si sviluppa da un’unica cellula uovo fecondata che va incontro a numerose divisioni mitotiche. Durante lo sviluppo, le varie cellule si specializzano per formare muscoli, fegato, polmoni, cervello e tutti gli altri organi che costituiscono l’organismo. Pur condividendo lo stesso genoma, ogni tipo cellulare spegne per sempre alcuni geni per restare una cellula specializzata. Tuttavia, non tutte le cellule dell’organismo condividono questo destino: alcune, le cellule staminali, restano indifferenziate così da poter generare cellule specializzate quando è necessario. Le cellule staminali si dividono in due categorie: embrionali e adulte 24 . Le cellule staminali embrionali che danno origine a un intero organismo sono definite totipotenti e sono le cellule che caratterizzano gli stadi embrionali dallo zigote alla blastocisti. Le cellule degli stadi embrionali successivi sono pluripotenti, perché danno origine a tutti i tipi cellulari dell’organismo ma non agli annessi extraembrionali, come per esempio la placenta. Le cellule staminali adulte hanno iniziato il processo di differenziamento e possono dare origine a un numero limitato di tipi cellulari, per questo motivo sono definite multipotenti. Le cellule staminali del midollo osseo, per esempio, generano tutte le cellule specializzate del sangue. Infine, esistono anche le cellule staminali unipotenti, presenti in molti tessuti dell’organismo adulto, che possono originare un solo tipo cellulare; è questo il caso delle cellule staminali dell’epidermide o dell’intestino, che si specializzano per sostituire le cellule perse ogni giorno. a

Cellule staminali embrionali

zigote zygote

Ricorda La blastocisti è uno stadio iniziale dello sviluppo embrionale, caratterizzato dalla comparsa di una cavità interna che si riempie di fluido.

24 Cellule staminali. (a) Le cellule staminali embrionali derivano dagli stadi iniziali dello sviluppo embrionale. Queste cellule possono dare origine a tutti i tipi cellulari del corpo umano. (b) Anche l’organismo adulto possiede cellule staminali che possono però differenziarsi solo in alcuni tipi cellulari.

Cellule staminali adulte

cellule staminali embrionali embryonic stem cells

midollo osseo bone marrow

embrione (5-6 giorni dopo la fecondazione) embryo (5-6 days from fertilization)

neuroni neurons

cellule staminali adulte (due tipologie) adult stem cells

fibre muscolari muscle fibers

eritrociti erythrocytes

eritrociti e leucociti erythrocytes and leukocytes

adipociti adipocytes

cellule del tessuto osseo bone cells

9.6 Le cellule staminali generanoaltre cellule

271

Molti considerano le cellule staminali una possibile soluzione a gravi malattie. Le cellule staminali embrionali, a causa della loro origine, hanno da subito acceso un dibattito etico sulle possibilità del loro utilizzo per scopi medici e di ricerca. Inoltre, il trapianto di cellule staminali embrionali può attivare la risposta immunitaria (rigetto) del paziente ricevente. Per questi motivi la ricerca si è incentrata soprattutto sull’uso di cellule staminali adulte. Fonti di cellule staminali adulte sono midollo osseo, sangue periferico e tessuto adiposo. Queste cellule, se trattate con opportuni stimoli ormonali e fattori di crescita, possono essere differenziate in fibroblasti, osteoblasti, adipociti e neuroni.

Ricorda Una sperimentazione clinica è uno studio scientifico che definisce, attraverso protocolli sperimentali rigorosi, l’efficacia e la sicurezza di un nuovo farmaco. I risultati dello studio, frutto di anni di sperimentazioni, devono essere valutati e approvati da un ente governativo dedicato prima che il farmaco possa essere immesso nel mercato.

Cellule staminali pluripotenti indotte Le cellule staminali isolate da un paziente, ingegnerizzate e infuse per la terapia genica, sono riconosciute come proprie dall’organismo e quindi non scatenano la risposta immunitaria. La difficoltà di isolare cellule staminali adulte, però, ha dato un forte impulso allo sviluppo di una linea di ricerca che ha l’obiettivo di riprogrammare cellule adulte per trasformarle in cellule staminali. Lo scienziato Shinya Yamanaka, nel 2006, è riuscito a trasformare una cellula epiteliale di topo in una cellula pluripotente introducendo dei geni che codificano per fattori di trascrizione, molto espressi nelle cellule staminali, responsabili del processo di riprogrammazione. La cellula fa “un viaggio nel tempo” che le conferisce la capacità di generare tutti gli altri tipi cellulari 25 . Le cellule riprogrammate sono chiamate iPSC (induced pluripotent stem cell), ossia cellule staminali pluripotenti indotte. Le iPSC sono facilmente reperibili e senza rischio di rigetto per il paziente perché provengono dai suoi stessi tessuti. L’invenzione delle iPSC ha avviato le sperimentazioni per la ricerca di nuove terapie geniche. Nel 2019 è stata autorizzata negli USA la prima sperimentazione clinica per valutare la sicurezza del trapianto di iPSC in pazienti con degenerazione maculare, malattia che causa cecità. Grandi speranze sono affidate alla terapia genica con iPSC per le malattie neurodegenerative, come il morbo di Parkinson o i danni al midollo spinale, un tempo considerate incurabili data l’incapacità dei neuroni di rigenerarsi. aggiunta di geni (KLF4, SOX2, c-Myc, Nanog, Oct-3/4, LIN-28)

riprogrammazione cellulare

fibroblasti adulti

Prima di andare avanti

iPSC

1. DESCRIVI IN TRE RIGHE Quali

caratteristiche hanno le cellule staminali e come si classificano?

2. RIASSUMI IN UN MINUTO Come avviene

la riprogrammazione delle cellule adulte in iPSC?

cellule del tessuto osseo

3. FAI LA TUA MAPPA Organizza e connetti

tra loro i termini evidenziati in grassetto nel paragrafo. Confronta la tua mappa con quella proposta nella sezione dedicata alla fine del volume.

272

adipociti

cellule del sangue

fibre muscolari

neuroni

25 Terapia genica con iPSC. Le cellule specializzate di un individuo sono prelevate, riprogrammate in cellule staminali iPSC, geneticamente modificate e reinfuse per la terapia genica.

Capitolo 9 Le applicazioni delle biotecnologie

9.7

La clonazione genera organismi identici

I vertebrati non generano spontaneamente cloni di se stessi ma, nel 1996 al Roslin Institute di Edimburgo, un gruppo di ricerca guidato da Ian Wilmut creò la famosa pecora Dolly, il primo mammifero clonato da una cellula somatica. La tecnica utilizzata fu il trasferimento nucleare da cellule somatiche: il nucleo di una cellula differenziata presa dalla mammella di una pecora adulta è prelevato e inserito in una cellula uovo denucleata proveniente da una pecora diversa. L’ovocita così modificato inizia le divisioni cellulari dando origine a un embrione, il quale è impiantato nell’utero di una terza pecora, la madre surrogata 26 . L’utilizzo di tre pecore diverse ha permesso di dimostrare l’effettiva clonazione della pecora da cui sono state prelevate le cellule somatiche. Lo stato di salute della pecora Dolly era buono e nei suoi sei anni di vita ha partorito sei agnellini. Sebbene abbia sviluppato una forma di osteoartrite precoce, è morta per un tumore polmonare dovuto a un’infezione virale. Il dibattito sugli effetti della clonazione su longevità e condizioni di salute di organismi clonati complessi è ancora in atto. La ricerca di Wilmut ha rivoluzionato alcune certezze della biologia: fino ad allora, si era convinti che una cellula differenziata non potesse “tornare indietro nel tempo”. Con la clonazione, tuttavia, Wilmut ha dimostrato che il nucleo di una cellula somatica è in grado di guidare lo sviluppo embrionale e dare origine a un intero organismo. animale da clonare

cellule somatiche adulte

nucleo isolato

Approfondisci La bioetica IN PREPARAZIONE

Prima di andare avanti 1. RIASSUMI IN UN MINUTO Che cos’è la

clonazione?

2. FAI LA TUA MAPPA Organizza e connetti

tra loro i termini evidenziati in grassetto nel paragrafo. Confronta la tua mappa con quella proposta nella sezione dedicata alla fine del volume.

embrione

ovocita

animale donatore

il nucleo dell’ovocita è rimosso

cellula uovo denucleata

il nucleo della cellula somatica è inserito nell’ovocita

si origina un embrione per divisione cellulare

l’embrione è impiantato nell’utero di una madre surrogata

pecora Dolly

26 Clonazione. Per ottenere la pecora Dolly, in un ovocita denucleato di una pecora è stato inserito il nucleo di una cellula somatica di un altro esemplare. La cellula così ottenuta si è divisa originando un embrione, che è stato impiantato nell’utero di una madre surrogata.

ollega

Biotecnologie e letteratura inglese

Strange Case of Dr. Jekyll and Mr. Hyde è un romanzo breve dello scrittore scozzese Robert Louis Stevenson, pubblicato nel 1886 e subito diventato un successo. La storia è stata a lungo interpretata come una rappresentazione della biforcazione dell’io vittoriano. Il dottor Jekyll è un gentiluomo, ma sotto la superficie cela desideri più bassi e perversi che rimangono inespressi fino allo sdoppiamento in Hyde, la sua controparte malvagia. Rendendosi conto di non poter più controllare Hyde, che aveva nel frattempo preso il sopravvento e commesso diversi crimini e omicidi, Jekyll decide di confessare tutto in una lettera e suicidarsi con il veleno. Nel racconto vi sono continui riferimenti alla medicina, alla scienza e alla pseudoscienza

Jekyll e Hyde, la superbia della scienza

(come l’antropologia criminale ipotizzata da Lombroso), che generano avidità, brama di fama e potere. Jekyll, come il dottor Frankenstein, si serve della scienza per modificare la natura che considera fallace, ritenendo di poter fare meglio e facendosi trasportare dalla superbia nel peccato. Il tema della superbia e degli eccessi della scienza si ripropone ciclicamente non solo nella fiction, ma anche nella realtà. Ne è un esempio il primo esperimento di clonazione animale ideato e condotto da Ian Wilmut nel 1996. La nascita della pecora Dolly, infatti, sollevò subito diverse questioni etiche, prima fra tutte la preoccupazione per un’eventuale applicazione della tecnica sugli esseri umani. Il dibattito che ne è generato ha comunque

permesso di regolamentare in maniera stringente la clonazione animale consentita solo per scopi di ricerca (vietata per l’essere umano). Il vero lascito di Dolly è oltre la clonazione, consiste nell’aver dimostrato che il programma genetico è reversibile, in opportune condizioni, dando l’opportunità di curare le persone attraverso terapie cellulari.

Tocca a te! 1 Colloquio Approfondisci lo studio del

romanzo Strange Case of Dr. Jekyll and Mr. Hyde di Robert Louis Stevenson e continua tu a collegare le discipline analizzando le ricerche psicoanalitiche di Sigmund Freud e in particolare la natura conflittuale dei rapporti tra Io, Es e Super-Io.

9.7 La clonazione genera organismi identici

273

Le idee

Dalla selezione naturale all’ingegneria genetica

Modifica la linea del tempo usando la bacheca di Padlet

8000 a.C

1735

1928

La preistoria delle biotecnologie

Linneo introduce il sistema di classificazione degli esseri viventi basato sulla nomenclatura binomiale; tuttavia, l’idea dominante è che le specie siano immutabili (fissismo).

Lewis John Stadler sperimenta

Dopo l’invenzione dell’agricoltura, l’essere umano ha iniziato a indurre nelle piante e negli animali le modifiche più utili ai suoi scopi attraverso la selezione e l’incrocio.

IN PREPARAZIONE

gli effetti delle radiazioni per il miglioramento genetico di cereali come il mais e il frumento, in modo da ottenere piante più resistenti e produttive.

1859 Charles Darwin pubblica L’origine delle specie per selezione naturale, in cui sostiene la sua teoria dell’evoluzione: le specie non sono immutabili, ma si trasformano nel tempo per accumulo di mutazioni casuali su cui agisce la selezione naturale.

1953 James Watson

e Francis Crick presentano il modello del DNA a doppia elica.

1961 Francis Jacob e Jacques Monod

elaborano la teoria dell’operone, uno dei meccanismi alla base della regolazione genica dei procarioti.

1865 Gregor Mendel espone la sua teoria sulla

trasmissione ereditaria dei caratteri: inizialmente passati inosservati, i suoi studi hanno invece posto le basi della genetica.

1972 Paul Berg ottiene la prima molecola

di DNA ricombinante. Per questo riceve il premio Nobel per la chimica nel 1980, in condivisione con Walter Gilbert e Frederick Sanger.

1974 Alessandro Bozzini

e Carlo Mosconi brevettano il grano Creso, una mutazione ottenuta per irraggiamento del frumento duro Cappelli.

274

Capitolo 9 Le applicazioni delle biotecnologie

1978

2002

Gli scienziati della Genentech, una società biotecnologica statunitense, inseriscono nel DNA di E. coli il gene dell’insulina, ottenendo l’ insulina umana di sintesi, il primo endofarmaco della storia.

Luigi Naldini e Alessandro Aiuti mettono a punto una terapia genica per il trattamento della ADA-SCID, una grave forma di immunodeficienza di origine genetica. La terapia, disponibile dal 2016, permette di modificare le cellule del paziente in modo da introdurre il gene sano e correggere definitivamente il gene ADA che provoca la patologia.

2003 International Human Genome Sequencing Consortium e Celera Genomics portano a

1983

termine lo Human Genome Project (HGP), il progetto di sequenziamento del genoma umano a cui hanno partecipato scienziati di tutto il mondo.

Kary Mullis inventa la PCR, che permette di ottenere moltissime copie di un segmento di DNA.

2010 1996

Ian Wilmut del Roslin Institute di Edimburgo,

crea la pecora Dolly, il primo mammifero clonato da una cellula somatica.

Craig Venter annuncia di aver

ottenuto la prima cellula artificiale. Tuttavia, la comunità scientifica non accetta questo risultato, poiché Venter non ha prodotto una cellula ex novo ma ha sostituito il materiale genetico di una cellula già esistente con DNA di sintesi.

2020 Jennifer Doudna e Emmanuelle Charpentier vincono il premio Nobel per lo sviluppo del sistema CRISPR/Cas9, la tecnologia che permette di tagliare e modificare il genoma in maniera estremamente precisa, ottenendo le modifiche genetiche desiderate.

Lavora su carta e in digitale con Padlet Apri la linea del tempo su Padlet e svolgi le seguenti attività.

1. La produzione scientifica è un processo in continuo divenire: alcune ipotesi sono supportate da prove sperimentali e con il tempo vengono confermate, mentre altre vengono smentite. Colora in rosso i post contenenti ipotesi ormai smentite e in verde quelli riguardanti affermazioni tutt’ora riconosciute come valide.

2. Nel corso del Capitolo hai incontrato almeno uno/a scienziato/a

che potrebbe essere inserito/a nella timeline? Completa la linea del tempo inserendo il suo contributo all’evoluzione del pensiero biologico. 3. Individua una persona o un evento collegato con un’altra materia, se non è presente individualo con una ricerca in Internet. Le idee

275

Tira le somme

Personalizza la mappa modificabile e ripassa con l’audiosintesi e la presentazione LIM

IN PREPARAZIONE

BIOTECNOLOGIE

possono essere

si dividono in più tipologie tra cui

tradizionali

innovative

agro-alimentari

biomediche

industriali

ambientali

utilizzano

producono

organismi in natura

DNA ricombinante

piante GM

biofarmaci

biocombustibili

biorisanamento

vaccini ad acidi nucleici

bioplastiche

biofiltri

vaccini ricombinanti

biosensori

antibiotici anticorpi terapie geniche

resistenti a

per scopi

pesticidi ed erbicidi

nutrizionali e commerciali

ORIENTATI CON LA MAPPA Rispondi alle domande che seguono facendo riferimento alla mappa e ai contenuti del Capitolo. 1. Paragona la mappa di inizio Capitolo con la mappa di questa pagina, spiegando le connessioni tra DNA ricombinante, piante GM, biofarmaci, vaccini ad acidi nucleici, biocombustibili e biofiltri. 2. Dai una definizione di biotecnologie e distingui quelle tradizionali da quelle innovative. 3. Inserisci nella mappa il termine plasmide Ti. 4. In che modo il fotosistema II può far parte di un biosensore? 5. Inserisci nella mappa il termine compostaggio. 6. Perché si generano batteri resistenti agli antibiotici? 7. Spiega come è prodotto e agisce un vaccino a mRNA. 8. Da cosa si ottengono gli anticorpi monoclonali? 9. Quali sono le differenze tra cellule staminali embrionali, adulte e iPSC? 10. Cos’è il trasferimento nucleare da cellule somatiche?

276

Tira le somme

Quesiti e problemi

Studia con gli esercizi commentati 15 e 30

9.1 Le origini delle biotecnologie

9.4 - 9.5 Le biotecnologie ambientali

e mediche

11. La differenza tra biotecnologie classiche e innovative è: A B C D

l’anno di produzione del prodotto o processo biotecnologico l’uso della tecnologia del DNA ricombinante l’uso di microrganismi o parti di essi la produzione su scala industriale del prodotto

12. Quale dei seguenti è un organismo transgenico? A B C D

Un embrione umano in cui è presente un allele mutato Una persona affetta da malattia genica in cui è stata introdotta una copia del gene sano Un batterio che esprime una proteina umana Nessuna delle risposte precedenti

IN PREPARAZIONE

17. Per realizzare un esperimento di terapia genica ex vivo: A B C D

le cellule devono essere modificate in vitro non si può praticare nell’essere umano si iniettano nel paziente cellule staminali si infetta il paziente con virus ingegnerizzati

18. Lo scarico di acque reflue non depurate è un grave problema per i nostri mari: in che modo le biotecnologie possono intervenire per risolvere il problema?

9.2 - 9.3 Le biotecnologie agroalimentari

e industriali

13. Quale tra i seguenti combustibili NON si può considerare a “emissioni zero” di CO2? A B C D

velli troppo alti di nitrati dovuti all’uso di fertilizzanti chimici. Quale alternativa può utilizzare l’agricoltore per diminuire i livelli di nitrati e in che modo può monitorare tali livelli?

Metano da impianti di compostaggio Metano da estrazione nel sottosuolo Biodiesel da microalghe Bioetanolo da cianobatteri

20. Quale ruolo può svolgere un virus nella terapia genica? A

14. Il Golden rice può essere utilizzato per: A B C D

migliorare la salute delle persone con dieta non variata ridurre l’uso di pesticidi nei campi coltivati accorciare i tempi di coltivazione migliorare l’aspetto dei chicchi di riso

15. Nelle Hawaii, gli agricoltori sono stati messi a dura prova da un

virus che ha distrutto intere coltivazioni di papaya. Il virus PRSVI è trasmesso dagli afidi e non esiste cura per una pianta infetta. I ricercatori hanno pensato di infettare le piante con virus attenuati per innescare la risposta immunitaria della pianta. La tecnica funziona ma la resistenza al virus non è trasmessa alla progenie, che resta suscettibile all’infezione. Come si è riusciti a ottenere piante resistenti al virus?

16. La produzione di biocarburanti si è evoluta nel tempo, grazie a

notevoli modifiche al processo di produzione. Analizza la tabella in cui sono comparati i biocarburanti delle quattro generazioni rispetto alla fonte di carbonio e ai microrganismi impiegati nel processo biotecnologico: quale biocarburante è più sostenibile per l’ambiente? Motiva la tua risposta. Biocarburante

Generazione

Fonte di carbonio

Bioetanolo/ biodiesel

Biomasse alimentari

Bioetanolo/ biodiesel

Biodiesel

III

Bioetanolo

19. In un terreno agricolo, le analisi chimiche hanno rilevato li-

Microrganismi

Con fermentazione Biomasse di alcolica/lattica scarto

CO2 atmosferico

Alghe unicellulari

CO2 atmosferico

Cianobatteri

C D

Causare la malattia che la terapia genica vuole curare Introdurre nelle cellule del paziente DNA ricombinante per eliminare la causa della malattia Eliminare dalle cellule del paziente il DNA causa della malattia Rivelare quali cellule contengono il DNA mutato che causa la malattia

21. In futuro, il doping genetico potrebbe consentire di aumentare l’espressione di determinati geni per implementare le prestazioni degli atleti. Un esempio è dato dal gene che codifica per l’eritropoietina, proteina che stimola la formazione delle cellule del sangue. Secondo te, qual è la differenza tra doping genetico e terapia genica? A B C D

La tecnica utilizzata Che il doping genetico non modifica il genoma Che il doping genetico non cura una malattia La tipologia di vettore

9.6 - 9.7 Le cellule staminali

e la clonazione

22. L’uso di cellule staminali embrionali ha sollevato forti questioni

etiche, che hanno indotto molti scienziati a cercare nuove strade per creare trattamenti a malattie rare o incurabili. Qual è la principale questione etica legata alle staminali embrionali? Come è stata risolta?

23. Red, un gatto ottenuto mediante trasferimento nucleare di cellule somatiche, è geneticamente uguale all’animale che: A B C D

lo ha partorito ha donato la cellula uovo ha donato i cromosomi nessuna delle risposte precedenti è corretta Quesiti e problemi

277

Verso l’esame di Stato

Consulta il Glossario bilingue

24.

Lessico

25.

Lessico Spiega, utilizzando il linguaggio scientifico, la differenza tra i seguenti termini:

Qual è la differenza tra clonaggio e clonazione?

31.

Fare connessioni logiche Nel mondo scientifico, è opinione comune che le potenzialità della terapia genica classica, che di recente ha iniziato a ottenere successi rilevanti, potrebbero essere ulteriormente incrementate dall’utilizzo della tecnica di editing CRISPR/Cas9. Quali sono i vantaggi che CRISPR/Cas9 potrebbe apportare?

32.

Colloquio Osserva l’immagine e prenditi alcuni minuti per pensare alle possibili connessioni interdisciplinari, realizzando una mappa mentale. Poi esponila a voce.

a. animale geneticamente modificato b. animale transgenico

26.

Inglese Put the following steps involved in creating a transgenic plant in the right order.

a. Obtain a Ti plasmid b. Grow up transgenic plants that express exogenous gene c. Create recombinant DNA d. Acquire source DNA e. Infect plant cells f. Insert the recombinant Ti plasmid in A. tumefaciens

27.

...............

6 3 ............... 1 ............... 5 ............... 4 ............... ...............

Metodo scientifico Il test di gravidanza è un comune esempio di biosensore. Esso si basa sulla rilevazione della gonadotropina umana (hCG), un ormone che viene prodotto in seguito alla fecondazione e che può essere rilevato in campioni di sangue o urina. Il test è un piccolo dispositivo colorimetrico su cui sono immobilizzate una striscia di anti-hCG e una di un anticorpo policlonale non selettivo che funge da controllo. anti hGC

controllo

33.

a. Che cosa significa “anti-hCG”? b. Che cosa si intende con dispositivo colorimetrico? c. Illustra i possibili risultati ottenibili con tale test. d. Descrivi con parole tue il meccanismo con cui funziona il test. e. A cosa serve il controllo?

28.

29.

30.

278

IN PREPARAZIONE

Interpretare informazioni

L’uso di piante GM riduce l’impiego di erbicidi e pesticidi, con grande vantaggio per l’ambiente. Tuttavia, la coltivazione e l’uso di piante GM per scopi alimentari in Italia è vietato per legge. Perché l’argomento OGM è così controverso? Dividete la classe in due gruppi che sosterranno due tesi contrapposte, documentatevi tramite una ricerca in Internet e intavolate una discussione critica. Cittadinanza Nel mondo si producono circa 2,2 miliardi di tonnellate di rifiuti ogni anno, con una spesa di circa 200 euro a tonnellata per lo smaltimento in discarica. I rifiuti solidi urbani rappresentano il 12% delle emissioni di metano e il 5% della produzione di CO2. In gruppo, progetta una locandina per sensibilizzare il tuo quartiere sulla raccolta differenziata; in particolare, spiega come la componente organica dei rifiuti solidi possa creare energia e nuovi prodotti. Problem solving Una terapia per curare i malati di leucemia è il trapianto di midollo osseo: una trasfusione di cellule staminali ematopoietiche per la sostituzione delle cellule malate con cellule sane. Il principale rischio della trasfusione è la possibilità di rigetto del midollo del donatore. Immagina di essere un medico: quale terapia puoi proporre al paziente per evitare tale rischio? Descrivi in cosa consiste la tecnica utilizzata.

Verso l’esame di Stato

Metodo scientifico L’ormone della crescita, secreto dall’adenoipofisi, è indispensabile per il corretto sviluppo corporeo. In alcune patologie questo ormone non è prodotto in quantità sufficiente ed è quindi necessaria la sua somministrazione. In passato, questo ormone poteva essere isolato solo da cadaveri, ma nel 1979 il gruppo di ricerca guidato da John D. Baxter mise a punto una tecnica per produrre l’ormone della crescita umano in E. coli. Osservando lo schema rispondi alle seguenti domande.

a. Quale tecnica è stata utilizzata per sintetizzare l’ormone della crescita? b. Elenca le fasi necessarie alla produzione. EcoRI gene per l’ormone della crescita umano

cellula umana EcoRI

E. coli

plasmide

genoma batterico

E. coli geneticamente modificato

Test interattivo

Continua ad allenarti su HUB Test e scopri quanto sei preparato

25 min

IN PREPARAZIONE

Verso l’università Simula la parte di biologia di una prova di accesso all’università. Svolgi il test in modalità autocorrettiva sul libro digitale in 25 minuti e calcola il tuo punteggio.

Piante geneticamente modificate si ottengono mediante: A B C D E

B C D E

possono essere prodotti di sintesi chimica sono sempre efficaci sono molecole complesse prodotte da batteri o funghi sono biofarmaci non possono essere prodotti mediante OGM

L’antibiotico penicillina è stato scoperto perché: A B C D E

la fitodepurazione la reazione di transesterificazione il biorisanamento il compostaggio la digestione anaerobica

Gli antibiotici: A

Un paziente affetto da fibrosi cistica sottoposto a terapia genica Un embrione umano modificato per non sviluppare una malattia genetica Una pianta di pomodoro in cui si induce l’espressione di un gene represso Una cellula di lievito che esprime il gene di un pesce tutte le risposte precedenti

Il processo che utilizza microrganismi per rimuovere sostanze tossiche da acqua, aria o suolo è: A

polimeri poliesteri sintetizzati da batteri polimeri biodegradabili ma non compostabili polimeri poliesteri sintetizzati da muffe polimeri di origine vegetale polimeri derivati da fermentazione di zuccheri di biomasse

Indica quale, tra i seguenti, è un organismo geneticamente modificato. A

A. tumefaciens A. tumefaciens contenente un plasmide Ti modificato trasformazione coniugazione clonaggio molecolare

I poliidrossialcanoati sono bioplastiche costituite da: A

inibiva la crescita di Penicillum aumentava la crescita di Penicillum inibiva la crescita di Staphylococcus aureus inibiva la crescita di Klebsiella pneumoniae aumentava la crescita di Klebsiella pneumoniae

L’insulina terapeutica è un ormone: A B C D E

ottenuto dal pancreas di volontari estratto da animali GM che alza la glicemia ottenuto da colonie di E. coli trasformate che deve essere somministrato con glucagone

Gli anticorpi monoclonali: A B C D E

non possono essere prodotti da OGM sono prodotti esclusivamente da ibridomi sono prodotti da cellule di mieloma sono prodotti da plasmacellule nessuna delle risposte precedenti è corretta

Il trattamento anaerobico di scarti agro-alimentari produce: A B C D E

bioetanolo biogas biodiesel bioplastiche compost

10. La terapia genica usa: A B C D E

animali geneticamente modificati per produrre biofarmaci la DNA polimerasi per produrre molte copie di un gene target enzimi di restrizione per alterare il genoma batterico piante geneticamente modificate per produrre farmaci tutte le risposte precedenti sono corrette

11. Nei vaccini a mRNA: A B C D E

si usano virus inattivati l’mRNA è contenuto in vescicole lipidiche l’mRNA è rilasciato nel nucleo si usano virus attenuati le proteine sono prodotte in cellule di lievito

12. CRISPR/Cas9 NON è un sistema: A B C D E

costituito da due componenti proveniente dai batteri come sistema di difesa per modificare il genoma umano a scopo terapeutico per curare malattie virali di produzione di immunoglobuline

13. Che cos’è una cellula staminale pluripotente indotta? A B C D E

Una cellula isolata da una blastocisti Una cellula il cui nucleo è stato rimosso Una cellula somatica riprogrammata per differenziarsi in qualsiasi tipo cellulare Una cellula staminale embrionale trattata per differenziarsi in un solo tipo cellulare Una cellula staminale che può differenziarsi solo in alcuni tipi cellulari

14. La nascita della pecora Dolly ha rappresentato il primo caso documentato di: A B C D E

clonazione clonazione di vertebrato clonazione di mammifero clonazione di un mammifero a partire dal nucleo di una cellula adulta fecondazione artificiale di mammifero (Veterinaria, aa 2010-2011)

Test interattivo

279