Wiązanie wodorowe

Opisane do tej pory oddziaływania nie są ograniczone do cząsteczek o określonym składzie. Jednakże istnieje jedno ważne oddziaływanie międzycząsteczkowe specyficzne dla cząsteczek zawierających atom tlenu, azotu lub fluoru, który jest połączony z atomem wodoru. Tym oddziaływaniem jest wiązanie wodorowe, oddziaływanie o postaci A-H—B, gdzie A i B są atomami któregokolwiek z trzech wyżej wymienionych pierwiastków, a atom wodoru leży na linii prostej pomiędzy jądrami A i B. Wiązanie wodorowe jest około 10 razy silniejsze niż inne oddziaływania opisane powyżej, a gdy występuje, dominuje nad wszystkimi innymi rodzajami oddziaływań międzycząsteczkowych. Jest ono odpowiedzialne, na przykład, za istnienie wody jako cieczy w normalnej temperaturze; ze względu na jej niską masę molową, woda powinna być gazem. Wiązanie wodorowe jest również odpowiedzialny za istnienie jako ciała stałego wielu cząsteczek organicznych zawierających grupy hydroksylowe (-OH); cukry glukozy i sacharozy są examples.

Wiele interpretacji wiązania wodorowego zostały zaproponowane. Jedną z nich, która pasuje do ogólnego schematu tego artykułu jest myślenie o jednostce A-H jako składającej się z atomowego orbitalu A i orbitalu 1s wodoru i rozważanie samotnej pary elektronów na B jako zajmującej orbital B. Kiedy trzy atomy są ustawione w jednej linii, te trzy orbitale mogą tworzyć trzy orbitale molekularne: jeden wiążący, jeden w dużym stopniu niewiążący i jeden antywiążący. Istnieją cztery elektrony do przyjęcia (dwa z oryginalnego wiązania A-H i dwa z samotnej pary). Zajmują one orbitale wiążące i niewiążące, pozostawiając wolny orbital antywiążący. Efektem netto jest więc obniżenie energii ugrupowania AHB, a więc powstanie wiązania międzycząsteczkowego. Po raz kolejny, napotykając na wiązanie wodorowe, spotykamy się ze zmianą konwencjonalnego podejścia; pytanie, jakie rodzi ta interpretacja, nie dotyczy tego, dlaczego takie wiązanie występuje, ale dlaczego nie występuje ono bardziej ogólnie. Wyjaśnienie leży w małym rozmiarze atomu wodoru, który umożliwia równowagę energii w molekularnym schemacie orbitali, aby być korzystne dla bonding.

Wiązanie wodorowe występuje do atomów innych niż azot, tlen i fluor, jeśli noszą one ładunek ujemny, a więc są bogate w łatwo dostępnych elektronów. Tak więc, wiązanie wodorowe jest jednym z głównych mechanizmów hydratacji anionów w roztworze wodnym (wiązanie cząsteczek H2O do rozpuszczalnika), a tym samym przyczynia się do zdolności wody do działania jako dobry rozpuszczalnik dla związków jonowych. Przyczynia się również do hydratacji związków organicznych zawierających atomy tlenu lub azotu, a zatem stanowi o znacznie większej rozpuszczalności wodnej alkoholi niż węglowodorów.

Wiązania wodorowe mają duże znaczenie w określaniu struktury związków biologicznie istotnych, w szczególności białek i kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA). Ważną cechą struktury białek (które są polipeptydami, czyli polimerami utworzonymi z aminokwasów) jest istnienie ogniwa peptydowego, grupy -CO-NH-, która występuje pomiędzy każdą parą sąsiadujących aminokwasów. Łącznik ten dostarcza grupę NH, która może tworzyć wiązanie wodorowe z odpowiednim atomem akceptora i atomem tlenu, który może działać jako odpowiedni receptor. Zatem, połączenie peptydowe dostarcza dwóch podstawowych składników wiązania wodorowego. Łączenie takich grup peptydowych za pomocą wiązania wodorowego typu przedstawionego na Rysunku 17 było szczegółowo badane przez Paulinga i Roberta Coreya, którzy sformułowali zestaw reguł, reguły Paulinga-Coreya, do jego realizacji. Implikacją tych reguł jest istnienie dwóch rodzajów struktury polipeptydu, która jest albo formą helikalną (helisa α), albo formą plisowanej wstęgi (plisowana wstęga β). Wszystkie polipeptydy mają jedną lub drugą strukturę, a często mają naprzemiennie występujące regiony każdej z nich. Ponieważ właściwości i zachowanie cząsteczki enzymu (szczególnej klasy polipeptydów) są określone przez jej kształt, a w szczególności przez kształt regionu, do którego musi przyłączyć się cząsteczka, na którą działa, wynika z tego, że wiązania wodorowe są centralnie ważne dla funkcji życiowych.

wiązanie wodorowe
wiązanie wodorowe

Rysunek 17: Łączenie atomów w dwóch ogniwach peptydowych przez wiązania wodorowe, które mogą tworzyć. Ogniwa te mogą być częścią tego samego łańcucha polipeptydowego, który uległ podwojeniu, lub mogą należeć do różnych łańcuchów.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Wiązania wodorowe są również odpowiedzialne za przekazywanie informacji genetycznej z pokolenia na pokolenie, ponieważ są one odpowiedzialne za specyficzne łączenie cytozyny z guaniną i tyminy z adeniną, które charakteryzuje strukturę podwójnej helisy DNA.

.

Leave a Reply

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.