Vodíková vazba

Vodíková vazba  je forma spojení mezi elektronegativním atomem a atomem vodíku H vázaným kovalentně k jinému elektronegativnímu atomu. Elektronegativní atomy mohou být N , O nebo F. Vodíkové vazby mohou být intermolekulární nebo intramolekulární . [jeden]

Příroda

Často je vodíková vazba vnímána jako elektrostatická interakce zesílená malou velikostí vodíku, která umožňuje blízkost interagujících dipólů. Pak o ní mluví jako o jakési vazbě donor-akceptor , nevalentní interakci mezi atomem vodíku H , kovalentně vázaným na atom A skupiny AH molekuly RA-H a elektronegativním atomem B jiné molekuly ( nebo funkční skupina stejné molekuly) BR' . Výsledkem těchto interakcí jsou komplexy RA-H···BR′ různého stupně stability, ve kterých atom vodíku působí jako „most“ spojující fragmenty RA a BR′ .

Znaky vodíkové vazby, podle kterých se rozlišuje jako samostatný typ, jsou její nepříliš vysoká pevnost [2] , její rozšířenost a význam zejména v organických sloučeninách [3] , jakož i některé vedlejší účinky spojené s malými velikosti a nepřítomnosti dalších elektronů ve vodíku.

V současné době je v rámci teorie molekulárních orbitalů vodíková vazba považována za speciální případ kovalentní vazby s delokalizací elektronové hustoty podél řetězce atomů a tvorbou třístředových čtyřelektronových vazeb (např. -H···[FH···F]- ).

Historie

V knize Linuse Paulinga The Nature of Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals , poprvé publikované v roce 1939, je první zmínka o vodíkové vazbě připisována Moorovi a Winmillovi. Použili vodíkové vazby, aby ospravedlnili skutečnost, že trimethylammoniumhydroxid je slabší zásada než tetramethylammoniumhydroxid . [4] Popis vodíkových vazeb ve vodě provedli v roce 1920 Latimer a Rodebush [5] .

Vlastnosti

Energie vodíkové vazby je mnohem menší než energie běžné kovalentní vazby (nepřesahuje 40 kJ/mol). Tato energie je však dostatečná k tomu, aby způsobila asociaci molekul, to znamená jejich asociaci do dimerů nebo polymerů . Je to asociace molekul, která způsobuje abnormálně vysoké body tání a varu látek, jako je fluorovodík , voda , čpavek . Tento typ vazby, i když je slabší než iontové a kovalentní vazby, hraje velmi důležitou roli v intra- a intermolekulárních interakcích. Vodíkové vazby do značné míry určují fyzikální vlastnosti vody a mnoha organických kapalin (alkoholy, karboxylové kyseliny, amidy karboxylových kyselin, estery ). Síla vodíkové vazby ( entalpie tvorby komplexu) závisí na polaritě komplexu a pohybuje se od ~ 6 kJ/mol pro komplexy molekul halogenovodíku s inertními plyny do 160 kJ/mol pro iontově-molekulární komplexy ( AHB) ± ; takže pro komplex (H 2 O • H • OH 2 ) + tvořený H 2 O a H 3 O +  - 132 kJ / mol v plynné fázi.

Ve vodě

Mechanismus Grotgus

Anomálně vysokou tepelnou kapacitu vody, stejně jako tepelnou vodivost vícesytných alkoholů, zajišťují četné vodíkové vazby. Jedna molekula vody může vytvořit až čtyři klasické vodíkové vazby se svými sousedy (až 5-6 s přihlédnutím k rozvětveným H-vazbám).

Vodíkové vazby zvyšují bod varu , viskozitu a povrchové napětí kapalin. Jsou zodpovědné za mnoho dalších jedinečných vlastností vody.

Vodní shluky

Podle moderních koncepcí vede přítomnost vodíkových vazeb mezi molekulami vody ke vzniku tzv. vodních shluků neboli komplexů. Nejjednodušším příkladem takového shluku je vodní dimer :

Energie vodíkové vazby ve vodním dimeru je 0,2 eV (≈ 5 kcal / mol ), což je pouze o řád větší než charakteristická tepelná pohybová energie při 300 K. Současně je energie kovalentní vazby OH 200krát větší. větší než tepelná energie. Vodíkové vazby jsou tedy relativně slabé a nestabilní: předpokládá se, že se mohou snadno tvořit a zanikat v důsledku teplotních výkyvů . To vede zejména k tomu, že voda by neměla být považována za „prostou“, ale za „vázanou kapalinu“: voda je reprezentována jako síť molekul spojených vodíkovými můstky [6] .

V nukleových kyselinách a proteinech

Vodíková vazba do značné míry určuje vlastnosti tak biologicky důležitých látek, jako jsou proteiny a nukleové kyseliny . Zejména prvky sekundární struktury (např. a-helixy , β-záhyby ) a prvky terciární struktury v molekulách proteinu , RNA a DNA jsou stabilizovány vodíkovými vazbami. V těchto makromolekulách drží vodíkové vazby části stejné makromolekuly pohromadě, což způsobuje, že se složí do určitého tvaru. Například struktura dvoušroubovice DNA je z velké části určena přítomností vodíkových vazeb spojujících páry nukleotidů, které spojují jeden komplementární řetězec s druhým.

V polymerech

Mnoho polymerů je vyztuženo vodíkovými vazbami v jejich páteřích. Mezi syntetickými polymery je nejznámějším příkladem nylon , kde vodíkové vazby hrají hlavní roli při krystalizaci materiálu. Vodíkové vazby jsou také důležité ve struktuře uměle vyrobených polymerů (jako je celulóza ) a v mnoha různých formách v přírodě, jako je dřevo , bavlna a len .

Viz také

• chemická vazba
• Skládání bílkovin

Poznámky

1. ↑ Definice IUPAC . Získáno 5. května 2011. Archivováno z originálu dne 19. března 2008. (neurčitý)
2. ↑ Energie vazby H N = 8 kJ/mol, vazby H O asi 21 kJ/mol, vazby HF asi 36 kJ/mol [1] Archivováno 22. září 2011 ve Wayback Machine . Pro srovnání, energie kovalentní vazby  je 400–900 kJ/mol [2] Archivováno 18. září 2010 na Wayback Machine
3. ↑ Například tvar molekuly DNA je určen vodíkovými vazbami
4. ↑ T.S. Moore a T.F. Winmill. Stav aminů ve vodném roztoku  (anglicky)  // J. Chem. Soc.. - 1912. - Sv. 101. - S. 1635-1676. - doi : 10.1039/CT9120101635 .
5. ↑ Wendell M. Latimer, Worth H. Rodebush. POLARITA A IONIZACE Z HLEDISKA LEWISOVY TEORIE VALENCE. (anglicky)  // J. Am. Chem. Soc.. - 1920. - Sv. 42. - S. 1419-1433. - doi : 10.1021/ja01452a015 .
6. ↑ Dominik Marx. Protonový přenos 200 let po von Grotthuss: Postřehy z Ab Initio Simulations   // ChemPhysChem . - 2006. - Sv. 7. - S. 1848-1870. - doi : 10.1002/cphc.200600128 .

Literatura

• Chemická encyklopedie. Sovětská encyklopedie. - M. , 1988.
• V. V. Moskva. Vodíková vazba v organické chemii. Soros Educational Journal, 11999, N 2, s. 58-64 [3] Archivováno 7. září 2011 na Wayback Machine
• Pimentel J., O. McClellan. Vodíková vazba, trans. z angličtiny. - M. , 1964.
• Epstein L.M., Shubina E.S. Mnohostranná vodíková vazba // "Příroda". - 2003. - č. 1 .
• Vodíková vazba. So. Umění - M. , 1964.
• Pauling L. Chemická vazba. - NY , 1967.

Odkazy

• Vodíková vazba - článek z encyklopedie "Circumnavigation"
• Vodíková vazba / Johansen A. V. // Velká sovětská encyklopedie  : [ve 30 svazcích]  / kap. vyd. A. M. Prochorov . - 3. vyd. - M  .: Sovětská encyklopedie, 1969-1978.