Hydrogenbinding

En hydrogenbinding  er en form for association mellem et elektronegativt atom og et H- hydrogenatom bundet kovalent til et andet elektronegativt atom. De elektronegative atomer kan være N , O eller F. Hydrogenbindinger kan være intermolekylære eller intramolekylære . [en]

Natur

Ofte ses hydrogenbinding som en elektrostatisk vekselvirkning forstærket af den lille størrelse af brinten, som tillader nærheden af ​​de interagerende dipoler. Så taler de om det som en slags donor-acceptorbinding , en ikke-valent interaktion mellem hydrogenatomet H , kovalent bundet til A -atomet i AH -gruppen i RA-H- molekylet og det elektronegative B - atom i et andet molekyle ( eller en funktionel gruppe af det samme molekyle) BR' . Disse interaktioner resulterer i RA-H··BR′- komplekser af varierende grader af stabilitet, hvor hydrogenatomet fungerer som en "bro", der forbinder RA- og BR′- fragmenterne .

Egenskaberne ved hydrogenbindingen, hvorefter den skelnes som en separat type, er dens ikke særlig høje styrke [2] , dens udbredelse og betydning, især i organiske forbindelser [3] samt nogle bivirkninger forbundet med små størrelser og fraværet af yderligere elektroner i brint.

I øjeblikket, inden for rammerne af teorien om molekylære orbitaler , betragtes en hydrogenbinding som et særligt tilfælde af en kovalent binding med delokalisering af elektrontæthed langs en kæde af atomer og dannelsen af ​​tre-center fire-elektronbindinger (f.eks. -H···[FH···F]- ).

Historie

I Linus Paulings The Nature of Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals , første gang udgivet i 1939, tilskrives den første omtale af hydrogenbindingen Moore og Winmill. De brugte hydrogenbinding til at retfærdiggøre det faktum, at trimethylammoniumhydroxid er en svagere base end tetramethylammoniumhydroxid . [4] Beskrivelsen af ​​hydrogenbindinger i vand blev lavet i 1920 af Latimer og Rodebush [5] .

Egenskaber

Energien af ​​en brintbinding er meget mindre end energien af ​​en almindelig kovalent binding (overstiger ikke 40 kJ/mol). Imidlertid er denne energi tilstrækkelig til at forårsage association af molekyler, det vil sige deres association til dimerer eller polymerer . Det er sammenslutningen af ​​molekyler, der forårsager de unormalt høje smelte- og kogepunkter for stoffer som hydrogenfluorid , vand , ammoniak . Denne type binding, selvom den er svagere end ioniske og kovalente bindinger, spiller en meget vigtig rolle i intra- og intermolekylære interaktioner. Hydrogenbindinger bestemmer i høj grad de fysiske egenskaber af vand og mange organiske væsker (alkoholer, carboxylsyrer, amider af carboxylsyrer, estere ). Styrken af ​​hydrogenbindingen ( entalpien for dannelse af komplekset) afhænger af kompleksets polaritet og varierer fra ~ 6 kJ/mol for komplekser af hydrogenhalogenidmolekyler med inerte gasser til 160 kJ/mol for ion-molekylære komplekser ( AHB) ± ; så for komplekset (H 2 O • H • OH 2 ) + dannet af H 2 O og H 3 O +  - 132 kJ/mol i gasfasen.

I vandet

Grotgus mekanisme

Vandets unormalt høje varmekapacitet , såvel som den termiske ledningsevne af polyvalente alkoholer, er tilvejebragt af talrige hydrogenbindinger. Et vandmolekyle kan danne op til fire klassiske hydrogenbindinger med sine naboer (op til 5-6 under hensyntagen til todelte H-bindinger).

Hydrogenbindinger øger væskers kogepunkt , viskositet og overfladespænding . De er ansvarlige for mange andre unikke egenskaber ved vand.

Vandklynger

Ifølge moderne koncepter fører tilstedeværelsen af ​​brintbindinger mellem vandmolekyler til dannelsen af ​​såkaldte vandklynger eller komplekser. Det enkleste eksempel på en sådan klynge er en vanddimer :

Hydrogenbindingsenergien i en vanddimer er 0,2 eV (≈ 5 kcal / mol ), hvilket kun er en størrelsesorden større end den karakteristiske termiske bevægelsesenergi ved 300 K. Samtidig er den kovalente OH-bindingsenergi 200 gange større end den termiske energi. Hydrogenbindinger er således relativt svage og ustabile: det antages, at de let kan dannes og forsvinde som følge af termiske udsving . Dette fører især til, at vand ikke skal betragtes som en "simpel", men som en "bundet væske": vand er repræsenteret som et netværk af molekyler forbundet med brintbindinger [6] .

I nukleinsyrer og proteiner

Hydrogenbindingen bestemmer i høj grad egenskaberne af så biologisk vigtige stoffer som proteiner og nukleinsyrer . Især er sekundære strukturelementer (f.eks. α-helixer , β-folds ) og tertiære strukturelementer i protein- , RNA- og DNA- molekyler stabiliseret af hydrogenbindinger. I disse makromolekyler holder hydrogenbindinger dele af det samme makromolekyle sammen, hvilket får det til at folde sig til en bestemt form. For eksempel bestemmes den dobbelte helixstruktur af DNA for en stor del af tilstedeværelsen af ​​hydrogenbindinger, der forbinder par af nukleotider, der forbinder en komplementær streng til en anden.

I polymerer

Mange polymerer er forstærket med hydrogenbindinger i deres rygrad. Blandt syntetiske polymerer er det mest berømte eksempel nylon , hvor hydrogenbindinger spiller en stor rolle i krystallisationen af ​​materialet. Hydrogenbindinger er også vigtige i strukturen af ​​kunstigt fremstillede polymerer (såsom cellulose ) og i mange forskellige former i naturen, såsom træ , bomuld og hør .

Se også

Noter

  1. ↑ IUPAC definition . Hentet 5. maj 2011. Arkiveret fra originalen 19. marts 2008.
  2. ↑ H N bindingsenergi = 8 kJ/mol, H O binder omkring 21 kJ/mol, HF binder omkring 36 kJ/mol [1] Arkiveret 22. september 2011 på Wayback Machine . Til sammenligning er den kovalente bindingsenergi  400-900 kJ/mol [2] Arkiveret 18. september 2010 på Wayback Machine
  3. ↑ For eksempel er formen på DNA- molekylet bestemt af hydrogenbindinger
  4. ↑ T.S. Moore og T.F. Winmill. Aminernes tilstand i vandig opløsning  (engelsk)  // J. Chem. Soc.. - 1912. - Bd. 101. - P. 1635-1676. - doi : 10.1039/CT9120101635 .
  5. ↑ Wendell M. Latimer, Worth H. Rodebush. POLARITET OG IONISERING FRA STANDPUNKTET AF LEWIS VALENSTEORIEN. (engelsk)  // J. Am. Chem. Soc.. - 1920. - Bd. 42. - P. 1419-1433. - doi : 10.1021/ja01452a015 .
  6. ↑ Dominik Marx. Proton Transfer 200 Years after von Grotthuss: Insights fromAb Initio Simulations   // ChemPhysChem . - 2006. - Bd. 7. - P. 1848-1870. - doi : 10.1002/cphc.200600128 .

Litteratur

Links

 kemisk binding
Intramolekylær
interaktion
kovalent binding
enkeltbinding
Multipel binding
Koordinerende link
Andet
Andet
Intermolekylær
interaktion