Di solito l’idrolisi è un processo chimico in cui una molecola di acqua viene aggiunta a una sostanza. A volte questa aggiunta fa sì che sia la sostanza che la molecola d’acqua si dividano in due parti. In tali reazioni, un frammento della molecola bersaglio (o molecola genitore) ottiene uno hydrogen idrogeno. Rompe un legame chimico nel composto.
SaltsEdit
Un tipo comune di idrolisi si verifica quando un sale di un acido debole o di una base debole (o entrambi) viene sciolto in acqua. L’acqua ionizza spontaneamente in anioni di idrossido e cationi di idronio. Il sale si dissocia anche nei suoi anioni e cationi costituenti. Ad esempio, l’acetato di sodio si dissocia in acqua in ioni sodio e acetato. Gli ioni di sodio reagiscono molto poco con gli ioni idrossido mentre gli ioni acetato si combinano con gli ioni idronio per produrre acido acetico. In questo caso il risultato netto è un eccesso relativo di ioni idrossido, producendo una soluzione di base.
Anche gli acidi forti subiscono l’idrolisi. Ad esempio, la dissoluzione dell’acido solforico (H2SO4) in acqua è accompagnata dall’idrolisi per dare idronio e bisolfato, la base coniugata dell’acido solforico. Per una discussione più tecnica di ciò che si verifica durante tale idrolisi, vedi Teoria acido–base di Brønsted–Lowry.
Esteri e ammidesedit
Le idrolisi acido–base-catalizzate sono molto comuni; un esempio è l’idrolisi di ammidi o esteri. La loro idrolisi si verifica quando il nucleofilo (un agente di ricerca del nucleo, ad esempio acqua o hydrox idrossile) attacca il carbonio del gruppo carbonilico dell’estere o dell’ammide. In una base acquosa, gli ioni idrossile sono nucleofili migliori delle molecole polari come l’acqua. Negli acidi, il gruppo carbonilico diventa protonato e questo porta ad un attacco nucleofilo molto più facile. I prodotti per entrambe le idrolizzazioni sono composti con gruppi di acidi carbossilici.
Forse il più antico esempio commercialmente praticato di idrolisi estere è saponificazione (formazione di sapone). È l’idrolisi di un trigliceride (grasso) con una base acquosa come l’idrossido di sodio (NaOH). Durante il processo, si forma il glicerolo e gli acidi grassi reagiscono con la base, convertendoli in sali. Questi sali sono chiamati saponi, comunemente usati nelle famiglie.
Inoltre, nei sistemi viventi, la maggior parte delle reazioni biochimiche (inclusa l’idrolisi dell’ATP) avviene durante la catalisi degli enzimi. L’azione catalitica degli enzimi consente l’idrolisi di proteine, grassi, oli e carboidrati. Ad esempio, si possono considerare le proteasi (enzimi che aiutano la digestione causando l’idrolisi dei legami peptidici nelle proteine). Catalizzano l’idrolisi dei legami peptidici interni nelle catene peptidiche, al contrario delle esopeptidasi (un’altra classe di enzimi, che catalizzano l’idrolisi dei legami peptidici terminali, liberando un amminoacido libero alla volta).
Tuttavia, le proteasi non catalizzano l’idrolisi di tutti i tipi di proteine. La loro azione è stereo-selettiva: solo le proteine con una certa struttura terziaria sono mirate in quanto è necessaria una sorta di forza di orientamento per posizionare il gruppo ammidico nella posizione corretta per la catalisi. I contatti necessari tra un enzima e i suoi substrati (proteine) vengono creati perché l’enzima si piega in modo tale da formare una fessura in cui si inserisce il substrato; la fessura contiene anche i gruppi catalitici. Pertanto, le proteine che non si adattano alla fessura non subiranno idrolisi. Questa specificità preserva l’integrità di altre proteine come gli ormoni, e quindi il sistema biologico continua a funzionare normalmente.
Dopo l’idrolisi, un’ammide si converte in un acido carbossilico e un’ammina o ammoniaca (che in presenza di acido vengono immediatamente convertite in sali di ammonio). Uno dei due gruppi di ossigeno sull’acido carbossilico deriva da una molecola d’acqua e l’ammina (o ammoniaca) guadagna lo hydrogen idrogeno. L’idrolisi dei peptidi dà aminoacidi.
Molti polimeri poliammidici come il nylon 6,6 si idrolizzano in presenza di acidi forti. Il processo porta alla depolimerizzazione. Per questo motivo i prodotti in nylon falliscono fratturandosi quando esposti a piccole quantità di acqua acida. I poliesteri sono anche suscettibili a simili reazioni di degradazione dei polimeri. Il problema è noto come cracking da stress ambientale.
ATPEdit
L’idrolisi è correlata al metabolismo energetico e allo stoccaggio. Tutte le cellule viventi richiedono una fornitura continua di energia per due scopi principali: la biosintesi di micro e macromolecole e il trasporto attivo di ioni e molecole attraverso le membrane cellulari. L’energia derivata dall’ossidazione dei nutrienti non viene utilizzata direttamente ma, mediante una complessa e lunga sequenza di reazioni, viene convogliata in una speciale molecola di accumulo di energia, l’adenosina trifosfato (ATP). La molecola di ATP contiene legami di pirofosfato (legami formati quando due unità di fosfato sono combinate insieme) che rilasciano energia quando necessario. L’ATP può subire l’idrolisi in due modi: In primo luogo, la rimozione del fosfato terminale per formare adenosina difosfato (ADP) e fosfato inorganico, con la reazione:
ATP + H
2O → ADP + Pi
In secondo luogo, la rimozione di un difosfato terminale per produrre adenosina monofosfato (AMP) e pirofosfato. Quest’ultimo di solito subisce un’ulteriore scissione nei suoi due fosfati costituenti. Ciò si traduce in reazioni di biosintesi, che di solito si verificano in catene, che possono essere guidate nella direzione della sintesi quando i legami fosfatici hanno subito idrolisi.
Polisaccaridimodifica
I monosaccaridi possono essere collegati tra loro da legami glicosidici, che possono essere scissi per idrolisi. Due, tre, diversi o molti monosaccaridi quindi collegati formano disaccaridi, trisaccaridi, oligosaccaridi o polisaccaridi, rispettivamente. Gli enzimi che idrolizzano i legami glicosidici sono chiamati “idrolasi glicosidiche”o ” glicosidasi”.
Il disaccaride più noto è il saccarosio (zucchero da tavola). L’idrolisi del saccarosio produce glucosio e fruttosio. L’invertasi è una sucrasi utilizzata industrialmente per l’idrolisi del saccarosio nel cosiddetto zucchero invertito. La lattasi è essenziale per l’idrolisi digestiva del lattosio nel latte; molti esseri umani adulti non producono lattasi e non possono digerire il lattosio nel latte.
L’idrolisi dei polisaccaridi in zuccheri solubili può essere riconosciuta come saccarificazione. Il malto ottenuto dall’orzo viene utilizzato come fonte di β-amilasi per abbattere l’amido nel maltosio disaccaridico, che può essere utilizzato dal lievito per produrre birra. Altri enzimi amilasi possono convertire l’amido in glucosio o in oligosaccaridi. La cellulosa viene prima idrolizzata a cellobiosio dalla cellulasi e quindi cellobiosio viene ulteriormente idrolizzato a glucosio dalla beta-glucosidasi. I ruminanti come le mucche sono in grado di idrolizzare la cellulosa in cellobiosio e quindi glucosio a causa di batteri simbiotici che producono cellulasi.
Metallo aqua ionsEdit
Gli ioni metallici sono acidi di Lewis e in soluzione acquosa formano complessi metallici aquo della formula generale M (H2O)nm+. Gli ioni aqua subiscono idrolisi, in misura maggiore o minore. Il primo passo di idrolisi è dato genericamente come
M (H2O)nm + + H2O M M(H2O)n−1(OH) (m−1)+ + H3O+
Quindi i cationi aqua si comportano come acidi in termini di teoria acido-base di Brønsted-Lowry. Questo effetto è facilmente spiegabile considerando l’effetto induttivo dello ion metallico caricato positivamente, che indebolisce il legame O-H di una molecola d’acqua attaccata, rendendo la liberazione di un protone relativamente facile.
La costante di dissociazione, pKa, per questa reazione è più o meno linearmente correlata al rapporto carica-dimensione dello ion metallico. Gli ioni con cariche basse, come Na + sono acidi molto deboli con idrolisi quasi impercettibile. Grandi ioni bivalenti come Ca2+, Zn2+, Sn2 + e Pb2 + hanno un pKa di 6 o più e normalmente non sarebbero classificati come acidi, ma piccoli ioni bivalenti come Be2+ subiscono un’idrolisi estesa. Gli ioni trivalenti come Al3 + e Fe3 + sono acidi deboli il cui pKa è paragonabile a quello dell’acido acetico. Soluzioni di sali come BeCl2 o Al(NO3)3 in acqua sono notevolmente acide; l’idrolisi può essere soppressa aggiungendo un acido come l’acido nitrico, rendendo la soluzione più acida.
L’idrolisi può procedere oltre la prima fase, spesso con la formazione di specie polinucleari attraverso il processo di olazione. Alcune specie “esotiche” come Sn3(OH)42+ sono ben caratterizzate. L’idrolisi tende a procedere quando il pH aumenta portando, in molti casi, alla precipitazione di un idrossido come Al(OH)3 o AlO(OH). Queste sostanze, costituenti principali della bauxite, sono note come lateriti e si formano per lisciviazione dalle rocce della maggior parte degli ioni diversi dall’alluminio e dal ferro e successiva idrolisi dell’alluminio e del ferro rimanenti.