Legătură de hidrogen

O legătură de hidrogen  este o formă de asociere între un atom electronegativ și un atom de hidrogen H legat covalent la un alt atom electronegativ . Atomii electronegativi pot fi N , O sau F. Legăturile de hidrogen pot fi intermoleculare sau intramoleculare . [unu]

Natura

Adesea, legătura de hidrogen este privită ca o interacțiune electrostatică îmbunătățită de dimensiunea mică a hidrogenului, care permite apropierea dipolilor care interacționează. Apoi vorbesc despre el ca pe un fel de legătură donor-acceptor , o interacțiune nevalentă între atomul de hidrogen H , legat covalent de atomul A al grupului AH al moleculei RA-H și atomul electronegativ B al altei molecule ( sau o grupare funcţională a aceleiaşi molecule) BR ' . Aceste interacțiuni au ca rezultat complecși RA-H···BR′ de diferite grade de stabilitate, în care atomul de hidrogen acționează ca o „punte” care leagă fragmentele RA și BR′ .

Caracteristicile legăturii de hidrogen, conform cărora se distinge ca tip separat, sunt rezistența sa nu foarte mare [2] , prevalența și importanța sa, în special în compușii organici [3] , precum și unele efecte secundare asociate cu mici dimensiunile și absența electronilor suplimentari în hidrogen.

În prezent, în cadrul teoriei orbitalilor moleculari , o legătură de hidrogen este considerată un caz special al unei legături covalente cu delocalizarea densității electronilor de-a lungul unui lanț de atomi și formarea de legături cu patru electroni în trei centre (de exemplu, -H···[FH···F]- ).

Istorie

În The Nature of Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals de Linus Pauling , publicată pentru prima dată în 1939, prima mențiune a legăturii de hidrogen este atribuită lui Moore și Winmill. Ei au folosit legături de hidrogen pentru a justifica faptul că hidroxidul de trimetilamoniu este o bază mai slabă decât hidroxidul de tetrametilamoniu . [4] Descrierea legăturilor de hidrogen din apă a fost făcută în 1920 de Latimer și Rodebush [5] .

Proprietăți

Energia unei legături de hidrogen este mult mai mică decât energia unei legături covalente obișnuite (nu depășește 40 kJ/mol). Cu toate acestea, această energie este suficientă pentru a provoca asocierea moleculelor, adică asocierea lor în dimeri sau polimeri . Asocierea de molecule este cea care determină punctele anormal de ridicate de topire și fierbere ale unor substanțe precum fluorura de hidrogen , apa , amoniacul . Acest tip de legătură, deși mai slab decât legăturile ionice și covalente , joacă un rol foarte important în interacțiunile intra și intermoleculare. Legăturile de hidrogen determină în mare măsură proprietățile fizice ale apei și ale multor lichide organice (alcooli, acizi carboxilici, amide ale acizilor carboxilici, esteri ). Puterea legăturii de hidrogen ( entalpia de formare a complexului) depinde de polaritatea complexului și variază de la ~ 6 kJ/mol pentru complexe de molecule de halogenură de hidrogen cu gaze inerte până la 160 kJ/mol pentru complexe ion-moleculare ( AHB) ± ; deci, pentru complexul (H 2 O • H • OH 2 ) + format din H 2 O şi H 3 O +  - 132 kJ / mol în fază gazoasă.

În apă

Mecanismul Grotgus

Capacitatea termică anormal de mare a apei, precum și conductivitatea termică a alcoolilor polihidroxilici, este asigurată de numeroase legături de hidrogen. O moleculă de apă poate forma până la patru legături clasice de hidrogen cu vecinii săi (până la 5-6 ținând cont de legăturile H bifurcate).

Legăturile de hidrogen cresc punctul de fierbere , vâscozitatea și tensiunea superficială a lichidelor. Sunt responsabili pentru multe alte proprietăți unice ale apei.

Ciorchine de apă

Conform conceptelor moderne, prezența legăturilor de hidrogen între moleculele de apă duce la formarea așa-numitelor clustere sau complexe de apă. Cel mai simplu exemplu al unui astfel de grup este un dimer de apă :

Energia legăturii de hidrogen într-un dimer de apă este de 0,2 eV (≈ 5 kcal / mol ), ceea ce este doar cu un ordin de mărime mai mare decât energia caracteristică a mișcării termice la 300 K. În același timp, energia legăturii covalente OH este de 200 de ori mai mare decât energia termică. Astfel, legăturile de hidrogen sunt relativ slabe și instabile: se presupune că se pot forma și dispărea cu ușurință ca urmare a fluctuațiilor termice . Acest lucru, în special, duce la faptul că apa ar trebui considerată nu ca un „simplu”, ci ca un „lichid legat”: apa este reprezentată ca o rețea de molecule conectate prin legături de hidrogen [6] .

În acizi nucleici și proteine

Legătura de hidrogen determină în mare măsură proprietățile unor substanțe importante din punct de vedere biologic precum proteinele și acizii nucleici . În special, elementele de structură secundară (de exemplu , elice α , pliuri β ) și elementele de structură terțiară din moleculele de proteine , ARN și ADN sunt stabilizate prin legături de hidrogen. În aceste macromolecule, legăturile de hidrogen țin împreună părți ale aceleiași macromolecule, determinând-o să se plieze într-o anumită formă. De exemplu, structura cu dublu helix a ADN-ului este determinată în mare parte de prezența legăturilor de hidrogen care leagă perechi de nucleotide care leagă o catenă complementară de alta.

În polimeri

Mulți polimeri sunt întăriți cu legături de hidrogen în coloana vertebrală. Dintre polimerii sintetici, cel mai faimos exemplu este nylonul , unde legăturile de hidrogen joacă un rol major în cristalizarea materialului. Legăturile de hidrogen sunt, de asemenea, importante în structura polimerilor produși artificial (cum ar fi celuloza ) și în multe forme diferite în natură, cum ar fi lemnul , bumbacul și inul .

Vezi și

• legătură chimică
• Plierea proteinelor

Note

1. ↑ Definiția IUPAC . Preluat la 5 mai 2011. Arhivat din original la 19 martie 2008. (nedefinit)
2. ↑ Energia legăturii H N = 8 kJ/mol, legături H O aproximativ 21 kJ/mol, legături H F aproximativ 36 kJ/mol [1] Arhivat 22 septembrie 2011 la Wayback Machine . Pentru comparație, energia legăturii covalente  este de 400–900 kJ/mol [2] Arhivat 18 septembrie 2010 la Wayback Machine
3. ↑ De exemplu, forma moleculei de ADN este determinată de legături de hidrogen
4. ↑ T.S. Moore și T.F. Winmill. Starea aminelor în soluție apoasă  (engleză)  // J. Chem. Soc.. - 1912. - Vol. 101. - P. 1635-1676. - doi : 10.1039/CT9120101635 .
5. ↑ Wendell M. Latimer, Worth H. Rodebush. POLARITATEA ȘI IONIZAREA DIN PUNTUL TEORIEI LEWIS A VALENTEI. (engleză)  // J. Am. Chim. Soc.. - 1920. - Vol. 42. - P. 1419-1433. - doi : 10.1021/ja01452a015 .
6. ↑ Dominik Marx. Transferul de protoni la 200 de ani după von Grotthuss: Perspective din Simulările Ab Initio   // ChemPhysChem . - 2006. - Vol. 7. - P. 1848-1870. - doi : 10.1002/cphc.200600128 .

Literatură

• Enciclopedia chimică. Enciclopedia Sovietică. - M. , 1988.
• V. V. Moscova. Legătura de hidrogen în chimia organică. Soros Educational Journal, 11999, N 2, pp. 58-64 [3] Arhivat 7 septembrie 2011 la Wayback Machine
• Pimentel J., O. McClellan. Legătură de hidrogen, trans. din engleză. - M. , 1964.
• Epstein L.M., Shubina E.S. Legătură de hidrogen pe mai multe laturi // „Natura”. - 2003. - Nr. 1 .
• Legătură de hidrogen. sat. Art. - M. , 1964.
• Pauling L. Legătura chimică. - N.Y. , 1967.

Link -uri

• Legătura de hidrogen - un articol din enciclopedia „Circumnavigation”
• Legătura de hidrogen / Johansen A. V. // Marea Enciclopedie Sovietică  : [în 30 de volume]  / cap. ed. A. M. Prohorov . - Ed. a 3-a. - M .  : Enciclopedia Sovietică, 1969-1978.