Verbindung durch Wasserstoffbrücke: Eigenschaften, Verbindung im Wasser und in der DNA

Wasserstoffbrückenbindung ist eine elektrostatische Anziehung zwischen zwei polaren Gruppen, die auftritt, wenn ein an ein hoch elektronegatives Atom gebundenes Wasserstoffatom (H) das elektrostatische Feld eines anderen elektronegativ geladenen Atoms in der Nähe anzieht.

In der Physik und Chemie gibt es Kräfte, die eine Wechselwirkung zwischen zwei oder mehr Molekülen erzeugen, einschließlich Anziehungs- oder Abstoßungskräften, die zwischen diesen und anderen nahe gelegenen Partikeln (wie Atomen und Ionen) wirken können. Diese Kräfte werden intermolekulare Kräfte genannt.

Die intermolaren Kräfte sind von Natur aus schwächer als diejenigen, die die Teile eines Moleküls von innen nach außen verbinden (die intramolekularen Kräfte).

Es gibt vier Arten attraktiver intermolekularer Kräfte: Ionen-Dipolkräfte, Dipol-Dipolkräfte, Van-der-Waals-Kräfte und Wasserstoffbrücken.

Eigenschaften der Wasserstoffbrückenverbindung

Die Wasserstoffbrückenbindung besteht zwischen einem "Donor" -Atom (dem Elektronegativ mit Wasserstoff) und einem "Rezeptor" (dem Elektronegativ ohne Wasserstoff).

Es erzeugt normalerweise eine Energie zwischen 1 und 40 Kcal / mol, wodurch diese Anziehung erheblich stärker als die bei der Van-der-Waals-Wechselwirkung auftretende ist, jedoch schwächer als die kovalenten und ionischen Bindungen.

Es tritt normalerweise zwischen Molekülen mit Atomen wie Stickstoff (N), Sauerstoff (O) oder Fluor (F) auf, obwohl es auch bei Kohlenstoffatomen (C) beobachtet wird, wenn diese an stark elektronegative Atome gebunden sind, wie im Fall von Chloroform ( CHCl ₃ ).

Warum findet die Gewerkschaft statt?

Diese Vereinigung findet statt, weil Wasserstoff (ein kleines Atom mit einer typischen neutralen Ladung) an ein hoch elektronegatives Atom gebunden ist und eine teilweise positive Ladung erhält, die dazu führt, dass es andere elektronegative Atome anzieht.

Daraus entsteht eine Vereinigung, die, obwohl sie nicht als vollständig kovalent eingestuft werden kann, Wasserstoff und sein elektronegatives Atom an dieses andere Atom bindet.

Die ersten Hinweise auf das Vorhandensein dieser Bindungen wurden durch eine Studie beobachtet, in der die Siedepunkte gemessen wurden. Es wurde festgestellt, dass nicht alle davon erwartungsgemäß mit dem Molekulargewicht zunahmen, sondern dass es bestimmte Verbindungen gab, die zum Kochen eine höhere Temperatur erforderten als vorhergesagt.

Von hier aus beobachteten wir die Existenz von Wasserstoffbrücken in elektronegativen Molekülen.

Länge des Links

Das wichtigste Merkmal für die Messung einer Wasserstoffbrücke ist ihre Länge (die längere, weniger starke), die in Angström (Å) gemessen wird.

Diese Länge hängt wiederum von der Klebkraft, der Temperatur und dem Druck ab. Im Folgenden wird beschrieben, wie diese Faktoren die Stärke einer Wasserstoffbrücke beeinflussen.

Verbindungsstärke

Die Klebkraft ist an sich abhängig von Druck, Temperatur, Klebwinkel und Umgebung (die durch eine lokale Dielektrizitätskonstante gekennzeichnet ist).

Zum Beispiel ist die Vereinigung für Moleküle mit linearer Geometrie schwächer, weil Wasserstoff von einem Atom weiter entfernt ist als von einem anderen, aber bei mehr geschlossenen Winkeln wächst diese Kraft.

Temperatur

Es wurde untersucht, dass Wasserstoffbrückenbindungen bei niedrigeren Temperaturen zur Bildung neigen, da die Abnahme der Dichte und die Zunahme der Molekülbewegung bei höheren Temperaturen Schwierigkeiten bei der Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen verursachen.

Die Bindungen können mit zunehmender Temperatur vorübergehend und / oder dauerhaft aufgebrochen werden, es ist jedoch zu beachten, dass die Bindungen auch eine höhere Siedebeständigkeit der Verbindungen bewirken, wie dies bei Wasser der Fall ist.

Druck

Je höher der Druck ist, desto stärker ist die Wasserstoffbrücke. Dies geschieht, weil bei höheren Drücken die Atome des Moleküls (wie zum Beispiel im Eis) kompakter sind und dies dazu beiträgt, dass der Abstand zwischen den Komponenten der Verknüpfung kleiner wird.

Tatsächlich ist dieser Wert nahezu linear, wenn in einem Diagramm Eis untersucht wird, in dem die mit dem Druck ermittelte Verbindungslänge geschätzt wird.

Verbindung durch Wasserstoffbrücke im Wasser

Das Wassermolekül (H ₂ O) gilt als perfekter Fall einer Wasserstoffbindung: Jedes Molekül kann vier potenzielle Wasserstoffbindungen mit nahegelegenen Wassermolekülen eingehen.

In jedem Molekül befindet sich die perfekte Menge an positiv geladenen Wasserstoffatomen und ungebundenen Elektronenpaaren, sodass alle an der Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen beteiligt sein können.

Deshalb hat Wasser einen höheren Siedepunkt als andere Moleküle wie beispielsweise Ammoniak (NH ₃ ) und Fluorwasserstoff (HF).

Im ersten Fall hat das Stickstoffatom nur ein Paar freier Elektronen, und dies bedeutet, dass in einer Gruppe von Ammoniakmolekülen nicht genügend freie Paare vorhanden sind, um die Bedürfnisse aller Wasserstoffatome zu befriedigen.

Man sagt, dass für jedes Ammoniakmolekül eine Wasserstoffbrücke eine Einfachbindung bildet und die anderen H-Atome "verschwendet" werden.

Im Falle von Fluorid besteht eher ein Mangel an Wasserstoff und "Elektronenpaare" werden "verschwendet". Auch hier ist eine ausreichende Menge an Wasserstoff und Elektronenpaaren im Wasser vorhanden, sodass dieses System perfekt zusammenwirkt.

Verbindung durch Wasserstoffbrücke in DNA und anderen Molekülen

In Proteinen und DNA können auch Wasserstoffbrückenbindungen beobachtet werden: Im Fall von DNA ist die Doppelhelixform auf die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren (den Blöcken, aus denen die Helix besteht) zurückzuführen, die es ermöglichen Diese Moleküle werden repliziert und es gibt das Leben, wie wir es kennen.

Im Falle von Proteinen bilden Wasserstoffe Bindungen zwischen Sauerstoff und Amidwasserstoffen; In Abhängigkeit von der Position, an der es auftritt, werden unterschiedliche resultierende Proteinstrukturen gebildet.

Wasserstoffbrückenbindungen sind auch in natürlichen und synthetischen Polymeren und in organischen Molekülen vorhanden, die Stickstoff enthalten, und andere Moleküle mit dieser Art von Vereinigung werden in der Welt der Chemie noch untersucht.