Enlace de hidrógeno

Un enlace de hidrógeno  es una forma de asociación entre un átomo electronegativo y un átomo de hidrógeno H unido covalentemente a otro átomo electronegativo . Los átomos electronegativos pueden ser N , O o F. Los puentes de hidrógeno pueden ser intermoleculares o intramoleculares . [una]

Naturaleza

A menudo, los enlaces de hidrógeno se ven como una interacción electrostática mejorada por el pequeño tamaño del hidrógeno, lo que permite la proximidad de los dipolos que interactúan. Luego hablan de él como una especie de enlace donante-aceptor , una interacción no valente entre el átomo de hidrógeno H , unido covalentemente al átomo A del grupo AH de la molécula RA-H y el átomo electronegativo B de otra molécula ( o un grupo funcional de la misma molécula) BR' . Estas interacciones dan como resultado complejos RA-H···BR′ de diversos grados de estabilidad, en los que el átomo de hidrógeno actúa como un “puente” que une los fragmentos RA y BR′ .

Las características del enlace de hidrógeno, según las cuales se distingue como un tipo separado, son su fuerza no muy alta [2] , su prevalencia e importancia, especialmente en compuestos orgánicos [3] , así como algunos efectos secundarios asociados con pequeñas tamaños y la ausencia de electrones adicionales en el hidrógeno.

Actualmente, en el marco de la teoría de los orbitales moleculares , un enlace de hidrógeno se considera como un caso especial de un enlace covalente con deslocalización de la densidad electrónica a lo largo de una cadena de átomos y la formación de enlaces de cuatro electrones de tres centros (por ejemplo, -H···[FH···F]- ).

Historia

En The Nature of Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals de Linus Pauling , publicado por primera vez en 1939, la primera mención del enlace de hidrógeno se atribuye a Moore y Winmill. Usaron enlaces de hidrógeno para justificar el hecho de que el hidróxido de trimetilamonio es una base más débil que el hidróxido de tetrametilamonio . [4] La descripción de los enlaces de hidrógeno en el agua fue realizada en 1920 por Latimer y Rodebush [5] .

Propiedades

La energía de un enlace de hidrógeno es mucho menor que la energía de un enlace covalente ordinario (no supera los 40 kJ/mol). Sin embargo, esta energía es suficiente para provocar la asociación de moléculas, es decir, su asociación en dímeros o polímeros . Es la asociación de moléculas lo que provoca los puntos de fusión y ebullición anormalmente altos de sustancias como el fluoruro de hidrógeno , el agua y el amoníaco . Este tipo de enlace, aunque más débil que los enlaces iónicos y covalentes , juega un papel muy importante en las interacciones intramoleculares e intermoleculares. Los enlaces de hidrógeno determinan en gran medida las propiedades físicas del agua y de muchos líquidos orgánicos (alcoholes, ácidos carboxílicos, amidas de ácidos carboxílicos, ésteres ). La fuerza del enlace de hidrógeno ( la entalpía de formación del complejo) depende de la polaridad del complejo y varía desde ~ 6 kJ/mol para complejos de moléculas de haluro de hidrógeno con gases inertes hasta 160 kJ/mol para complejos ion-moleculares ( AHB) ± ; así, para el complejo (H 2 O • H • OH 2 ) + formado por H 2 O y H 3 O +  - 132 kJ/mol en la fase gaseosa.

En el agua

Mecanismo de Grotgus

La capacidad calorífica anómalamente alta del agua, así como la conductividad térmica de los alcoholes polihídricos, la proporcionan numerosos enlaces de hidrógeno. Una molécula de agua puede formar hasta cuatro enlaces de hidrógeno clásicos con sus vecinas (hasta 5-6 teniendo en cuenta los enlaces de hidrógeno bifurcados).

Los puentes de hidrógeno aumentan el punto de ebullición , la viscosidad y la tensión superficial de los líquidos. Son responsables de muchas otras propiedades únicas del agua.

Grupos de agua

De acuerdo con los conceptos modernos, la presencia de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua conduce a la formación de los llamados grupos o complejos de agua. El ejemplo más simple de un grupo de este tipo es un dímero de agua :

La energía del enlace de hidrógeno en un dímero de agua es de 0,2 eV (≈ 5 kcal / mol ), que es solo un orden de magnitud mayor que la energía de movimiento térmico característica a 300 K. Al mismo tiempo, la energía del enlace covalente OH es 200 veces mayor que la energía térmica. Por lo tanto, los enlaces de hidrógeno son relativamente débiles e inestables: se supone que pueden formarse y desaparecer fácilmente como resultado de las fluctuaciones térmicas . Esto, en particular, lleva al hecho de que el agua no debe ser considerada como un “simple”, sino como un “líquido ligado”: ​​el agua se representa como una red de moléculas conectadas por puentes de hidrógeno [6] .

En ácidos nucleicos y proteínas

El enlace de hidrógeno determina en gran medida las propiedades de sustancias biológicamente importantes como las proteínas y los ácidos nucleicos . En particular, los elementos de estructura secundaria (por ejemplo , hélices α , pliegues β ) y elementos de estructura terciaria en proteínas , ARN y moléculas de ADN se estabilizan mediante enlaces de hidrógeno. En estas macromoléculas, los enlaces de hidrógeno mantienen unidas partes de la misma macromolécula, lo que hace que se pliegue en una forma particular. Por ejemplo, la estructura de doble hélice del ADN está determinada en gran parte por la presencia de enlaces de hidrógeno que unen pares de nucleótidos que unen una hebra complementaria con otra.

En polímeros

Muchos polímeros están reforzados con enlaces de hidrógeno en su columna vertebral. Entre los polímeros sintéticos, el ejemplo más famoso es el nailon , donde los enlaces de hidrógeno juegan un papel importante en la cristalización del material. Los enlaces de hidrógeno también son importantes en la estructura de los polímeros producidos artificialmente (como la celulosa ) y en muchas formas diferentes en la naturaleza, como la madera , el algodón y el lino .

Véase también

• enlace químico
• plegamiento de proteínas

Notas

1. ↑ Definición de la IUPAC . Consultado el 5 de mayo de 2011. Archivado desde el original el 19 de marzo de 2008. (indefinido)
2. ↑ Energía de enlace H N = 8 kJ/mol, enlaces H O alrededor de 21 kJ/mol, enlaces H F alrededor de 36 kJ/mol [1] Archivado el 22 de septiembre de 2011 en Wayback Machine . A modo de comparación, la energía del enlace covalente  es de 400–900 kJ/mol [2] Archivado el 18 de septiembre de 2010 en Wayback Machine .
3. ↑ Por ejemplo, la forma de la molécula de ADN está determinada por enlaces de hidrógeno
4. ↑ TS Moore y TF Winmill. El estado de las aminas en solución acuosa  (inglés)  // J. Chem. Soc.. - 1912. - Vol. 101. - Pág. 1635-1676. -doi : 10.1039/ CT9120101635 .
5. ↑ Wendell M. Latimer, Worth H. Rodebush. POLARIDAD E IONIZACIÓN DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA TEORÍA DE LA VALENCIA DE LEWIS. (inglés)  // J. Am. química Soc.. - 1920. - Vol. 42. - Pág. 1419-1433. -doi : 10.1021/ ja01452a015 .
6. ↑ Dominic Marx. Transferencia de protones 200 años después de von Grotthuss: conocimientos de simulaciones de Ab Initio   // ChemPhysChem . - 2006. - vol. 7.- Pág. 1848-1870. -doi : 10.1002/ cphc.200600128 .

Literatura

• Enciclopedia Química. Enciclopedia soviética. - M. , 1988.
• V. V. Moscú. Enlace de hidrógeno en química orgánica. Soros Educational Journal, 11999, N 2, pp. 58-64 [3] Archivado el 7 de septiembre de 2011 en Wayback Machine .
• Pimentel J., O. McClellan. Enlace de hidrógeno, trans. del inglés - M. , 1964.
• Epstein LM, Shubina ES Enlace de hidrógeno multifacético // "Naturaleza". - 2003. - Nº 1 .
• Enlace de hidrógeno. Se sentó. Art. - M. , 1964.
• Pauling L. El enlace químico. - Nueva York , 1967.

Enlaces

• Enlace de hidrógeno : un artículo de la enciclopedia "Circumnavigation"
• Enlace de hidrógeno / Johansen A. V. // Gran Enciclopedia Soviética  : [en 30 volúmenes]  / cap. edición A. M. Projorov . - 3ra ed. - M.  : Enciclopedia soviética, 1969-1978.