Link di Hydrogen Bridge: caratteristiche, collegamento nell'acqua e nel DNA

Il legame ponte con l'idrogeno è un'attrazione elettrostatica tra due gruppi polari che si verifica quando un atomo di idrogeno (H) collegato ad un atomo altamente elettronegativo esercita attrazione sul campo elettrostatico di un altro atomo vicino caricato elettronicamente.

In fisica e chimica ci sono forze che generano l'interazione tra due o più molecole, comprese le forze di attrazione o repulsione, che possono agire tra queste e altre particelle vicine (come atomi e ioni). Queste forze sono chiamate forze intermolecolari.

Le forze intermolari sono di natura più debole di quelle che uniscono le parti di una molecola dall'interno verso l'esterno (le forze intramolecolari).

Esistono quattro tipi di attraenti forze intermolecolari: forze di ione-dipolo, forze dipolo-dipolo, forze di van der Waals e legami a idrogeno.

Caratteristiche del collegamento del ponte dell'idrogeno

Il legame tra ponte di idrogeno è tra un atomo "donatore" (l'elettronegativo che ha idrogeno) e un "recettore" (l'elettronegativo senza idrogeno).

Generalmente genera un'energia compresa tra 1 e 40 Kcal / mol, rendendo questa attrazione considerevolmente più forte di quella che si è verificata nell'interazione di van der Waals, ma più debole dei legami covalenti e ionici.

Di solito si verifica tra molecole con atomi come azoto (N), ossigeno (O) o fluoro (F), sebbene sia anche osservato con atomi di carbonio (C) quando questi sono collegati ad atomi altamente elettronegativi, come nel caso del cloroformio ( CHCl ₃ ).

Perché l'unione avviene?

Questa unione avviene perché, essendo attaccato ad un atomo altamente elettronegativo, l'idrogeno (un piccolo atomo con una carica tipicamente neutra) acquisisce una carica parzialmente positiva, facendola iniziare ad attrarre altri atomi elettronegativi verso se stessa.

Da ciò deriva un'unione che, sebbene non possa essere classificata come totalmente covalente, lega l'idrogeno e il suo atomo elettronegativo a questo altro atomo.

Le prime prove dell'esistenza di questi legami sono state osservate da uno studio che ha misurato i punti di ebollizione. Si è notato che non tutti questi aumentavano in base al peso molecolare, come previsto, ma che c'erano alcuni composti che richiedevano una temperatura più alta di quella del previsto.

Da qui, abbiamo iniziato a osservare l'esistenza di legami idrogeno in molecole elettronegative.

Lunghezza del collegamento

La caratteristica più importante da misurare in un legame idrogeno è la lunghezza (più lunga, meno forte) misurata in angstrom (Å).

A sua volta, questa lunghezza dipende dalla forza del legame, dalla temperatura e dalla pressione. Quanto segue descrive come questi fattori influenzano la forza di un legame a idrogeno.

Link forza

La forza di adesione dipende da sola dalla pressione, dalla temperatura, dall'angolo di legame e dall'ambiente (che è caratterizzato da una costante dielettrica locale).

Per esempio, per le molecole di geometria lineare l'unione è più debole perché l'idrogeno è più lontano da un atomo che da un altro, ma a angoli più chiusi questa forza cresce.

temperatura

È stato studiato che i legami idrogeno tendono a formarsi a temperature più basse, poiché la diminuzione della densità e l'aumento del movimento molecolare a temperature più elevate causano difficoltà nella formazione di legami idrogeno.

I legami possono essere interrotti temporaneamente e / o in modo permanente con l'aumento della temperatura, ma è importante notare che i legami rendono anche i composti più resistenti all'ebollizione, come nel caso dell'acqua.

pressione

Maggiore è la pressione, maggiore è la forza del legame idrogeno. Ciò accade perché a pressioni più elevate, gli atomi della molecola (come, per esempio, nel ghiaccio) saranno più compatti e questo aiuterà a ridurre la distanza tra i componenti del collegamento.

In realtà, questo valore è quasi lineare quando si studia per il ghiaccio in un grafico in cui viene apprezzata la lunghezza del collegamento rilevata con la pressione.

Collegamento tramite ponte a idrogeno nell'acqua

La molecola d'acqua (H ₂ O) è considerata un caso perfetto di legame idrogeno: ogni molecola può formare quattro potenziali legami idrogeno con molecole d'acqua vicine.

In ogni molecola c'è la quantità perfetta di idrogeni caricati positivamente e coppie di elettroni non legate, rendendo possibile che tutti siano coinvolti nella formazione di legami di idrogeno.

Questo è il motivo per cui l'acqua ha un punto di ebollizione più alto rispetto ad altre molecole come, per esempio, ammoniaca (NH ₃ ) e acido fluoridrico (HF).

Nel caso del primo, l'atomo di azoto ha solo una coppia di elettroni liberi, e questo significa che in un gruppo di molecole di ammoniaca non ci sono abbastanza coppie libere per soddisfare i bisogni di tutti gli idrogeni.

Si dice che per ogni molecola di ammoniaca un singolo legame è formato da un ponte di idrogeno e che gli altri atomi di H sono "sprecati".

Nel caso del fluoruro, c'è piuttosto un deficit di idrogeni e "coppie" di elettroni sono "sprecate". Di nuovo, c'è un'adeguata quantità di idrogeni e coppie di elettroni nell'acqua, quindi questo sistema si lega perfettamente.

Collegamento mediante ponte dell'idrogeno nel DNA e altre molecole

Nelle proteine ​​e nei legami DNA si possono osservare anche i legami idrogeno: nel caso del DNA, la forma a doppia elica è dovuta ai legami idrogeno tra le sue coppie di basi (i blocchi che costituiscono l'elica), che consentono queste molecole sono replicate e c'è vita come la conosciamo.

Nel caso delle proteine, gli idrogeni formano legami tra gli ossigeni e gli idrogeni dell'ammide; a seconda della posizione in cui si verifica, verranno formate diverse strutture proteiche risultanti.

I legami idrogeno sono presenti anche nei polimeri naturali e sintetici e nelle molecole organiche che contengono azoto, e altre molecole con questo tipo di unione sono ancora studiate nel mondo della chimica.