Forza delle Interazioni Idrofobiche: Caratteristiche e Dipendenze

L’effetto idrofobico è il fenomeno attraverso il quale le molecole non polari hanno la tendenza ad aggregarsi in una soluzione acquosa, escludendo le molecole di acqua. Tale comportamento fu scoperto da Walter Kauzmann durante i suoi studi sulla stabilità termodinamica delle proteine.

Le molecole idrofobe sono considerate molecole apolari caratterizzate spesso da una lunga catena di atomi di carbonio e con una bassa solubilità in acqua, una molecola polare. Le interazioni idrofobiche descrivono le relazioni tra l’acqua e le molecole idrofobe, come nel caso del miscuglio acqua-olio.

Quando una specie non polare entra in contatto con l’acqua, si verificherà la rottura dei legami a idrogeno preesistenti, e intorno alla specie apolare si formerà una sorta di gabbia con una struttura ordinata, chiamata clatrato. Quest’ultimo è composto da inclusione, ed è caratterizzato dal recludere le molecole ospiti all’interno di una gabbia, formata dalle molecole ospitanti.

Aspetto Termodinamico

Secondo il Secondo Principio della Termodinamica, i fenomeni spontanei avvengono con un aumento del grado di disordine o dell’entropia, mentre in caso di effetto idrofobico si verifica una diminuzione dell’entropia (ΔS < 0). La variazione di entalpia può essere minore di zero, uguale a zero, o maggiore di zero, ma il contributo di ΔH è trascurabile rispetto al valore di ΔS. La variazione di energia libera ΔG, essendo ΔH un valore molto piccolo sia positivo che negativo e ΔS minore di zero assumerà un valore positivo. Ciò implica che il processo di mescolamento di una specie idrofoba con acqua non è spontaneo, tuttavia le interazioni tra specie idrofobe lo sono. Quando le specie idrofobe si associano e interagiscono reciprocamente, aumenta l'entalpia. Alcuni dei legami a idrogeno che formano la struttura a gabbia si rompono, comportando un aumento di entropia. Di conseguenza, con ΔH positivo e ΔS alto positivo si ha che ΔG < 0; pertanto, le interazioni idrofobiche avvengono spontaneamente.

Forza delle Interazioni Idrofobiche

Le interazioni idrofobiche sono considerevolmente più forti rispetto alle altre forze intermolecolari, come le forze di van der Waals e i legami a idrogeno. La loro intensità dipende da differenti fattori: 1) Temperatura: aumentando la temperatura, aumenta la forza delle interazioni idrofobiche. 2) Numero di atomi di carbonio presenti nella specie idrofoba: le molecole con un maggior numero di atomi di carbonio mostrano una maggiore interazione idrofobica. 3) Forma della specie idrofoba: le molecole alifatiche presentano interazioni più forti rispetto a quelle aromatiche. Le ramificazioni sulla catena diminuiscono l'effetto idrofobico, mentre un isomero lineare mostra maggiori interazioni idrofobiche a causa dell'ingombro sterico minore.