Водородная связь это кратко в биологии
Обновлено: 03.07.2024
ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ (Н-связь) – особый тип взаимодействия между реакционно-способными группами, при этом одна из групп содержит атом водорода, склонный к такому взаимодействию. Водородная связь – глобальное явление, охватывающее всю химию. В отличие от обычных химических связей, Н-связь появляется не в результате целенаправленного синтеза, а возникает в подходящих условиях сама и проявляется в виде межмолекулярных или внутримолекулярных взаимодействий.
Особенности водородной связи.
Отличительная черта водородной связи – сравнительно низкая прочность, ее энергия в 5–10 раз ниже, чем энергия химической связи. По энергии она занимает промежуточное положение между химическими связями и Ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, теми, что удерживают молекулы в твердой или жидкой фазе.
В образовании Н-связи определяющую роль играет электроотрицательность участвующих в связи атомов – способность оттягивать на себя электроны химической связи от атома – партнера, участвующего в этой связи. В результате на атоме А с повышенной электроотрицательностью возникает частичный отрицательный заряд d- , а на атоме-партнере – положительный d+, химическая связь при этом поляризуется: А d- –Н d+ .
Возникший частичный положительный заряд на атоме водорода позволяет ему притягивать другую молекулу, также содержащую электроотрицательный элемент, таким образом, основную долю в образование Н-связи вносят электростатические взаимодействия.
Атомов – доноров А, поставляющих Н для образования Н-связей, не много, практически всего три: N, O и F, в то же время набор атомов-акцепторов Б весьма широк.
Точно такое же отклонение наблюдается для аммиака в ряду родственных соединений: NН3, Н3P, Н3As, Н3Sb. Его истинная температура кипения (–33° С) на 80° С выше ожидаемого значения.
При кипении жидкости разрушаются только Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия, те, что удерживают молекулы в жидкой фазе. Если температуры кипения неожиданно высокие, то, следовательно, молекулы связаны дополнительно еще какими-то силами. В данном случае это и есть водородные связи.
Точно также повышенная температура кипения спиртов (в сравнении с соединениями, не содержащими группу -ОН) – результат образования водородных связей.
В настоящее время надежный способ обнаружить Н-связи дают спектральные методы (чаще всего инфракрасная спектроскопия). Спектральные характеристики групп АН, связанных водородными связями, заметно отличаются от тех случаев, когда такая связь отсутствует. Кроме того, если структурные исследования показывают, что расстояние между атомами Б – Н меньше суммы Ван-дер-Ваальсовых радиусов, то считают, что присутствие Н-связи установлено.
Помимо повышенной температуры кипения водородные связи проявляются себя также при формировании кристаллической структуры вещества, повышая его температуру плавления. В кристаллической структуре льда Н-связи образуют объемную сетку, при этом молекулы воды располагаются таким образом, чтобы атомы водорода одной молекулы были направлены к атомам кислорода соседних молекул:
Борная кислота В(ОН)3 имеет слоистую кристаллическую структуру, каждая молекула связана водородными связями с тремя другими молекулами. Упаковка молекул в слое образует паркетный узор, собранный из шестиугольников:
Большинство органических веществ не растворимо в воде, когда такое правило нарушается, то, чаще всего, это результат вмешательства водородных связей.
Существует эмпирическое правило: если органическое вещество содержит не более трех атомов углерода на один атом кислорода, то оно легко растворяется в воде:
Бензол весьма незначительно растворим в воде, но если заменить одну группу СН на N, то получим пиридин С5Н5N, который смешивается с водой в любых соотношениях.
Этот факт нашел важное техническое применение, ацетилен, находящийся под давлением, очень чувствителен к легким сотрясениям и легко взрывается, а его раствор в ацетоне под давлением безопасен в обращении.
Важную роль играют водородные связи в полимерах и биополимерах. В целлюлозе – основном компоненте древесины – гидроксильные группы, расположены в виде боковых групп полимерной цепи, собранной из циклических фрагментов. Несмотря на сравнительно слабую энергию каждой отдельной Н-связи, их взаимодействие на всем протяжении полимерной молекулы приводит к столь мощному межмолекулярному взаимодействию, что растворение целлюлозы становится возможным лишь при использовании экзотического высокополярного растворителя – реактива Швейцера (аммиачный комплекс гидроксида меди).
В полиамидах (капрон, нейлон) Н-связи возникают между карбонильными и аминогруппами >С=О···Н–N С=О···Н–N d+ –Н d- , соединениях, содержащих связь металл – водород. Если гидрид металла взаимодействует с донором протона средней силы (например, фторированным трет-бутанолом), то возникает необычный диводородный мостик, где водород сам с собой организует Н-связь: М d+ –Н d- ···Н d+ –А d- :
В показанном комплексе клиновидными линиями со сплошной заливкой или поперечной штриховкой обозначены химические связи, направленные к вершинам октаэдра.
Водородные связи позволяют полимерным цепям соединяться в специфические трехмерные структуры, приобретающие при этом функциональную биологическую активность, структуры, с одной стороны достаточно прочные (за счет образования большого числа водородных связей), а с другой — достаточно чутко реагирующие на изменение внешних условий (например, приближение той или иной молекулы) именно из-за того, что эти взаимодействия являются слабыми.
Разрыв таких связей лишает белки или нуклеиновые кислоты их биологических функций. Отсюда, в частности, видна исключительно важная роль водородных связей, которую они играют в биологических процессах на молекулярном уровне. Понятно и то важное значение исследований и понимания природы водородных связей, которым в последние время было уделено столь пристальное внимание ученых различных направлений.
Общей причиной возникновения водородной связи, как, впрочем, и других выделяемых обычно типов химических связей, является главным образом электростатическое, кулоновское взаимодействие разноименных зарядов тех частиц, которые образуют молекулу. Правда, это взаимодействие отличается от того, которое встречается в классической теории, поскольку оно не определяется только лишь плотностью распределения положительного и отрицательного зарядов, а выражается более сложным образом с помощью волновых функций, определяющих состояния молекулярной системы. Поэтому естественно стремление найти некоторые более простые образы, которые давали бы возможность наглядно представить себе, как же все-таки образуется химическая связь.
Водородная связь по своему происхождению не представляет собой нечто отличающееся от того, что характерно для химических связей вообще. Ее определяют главным образом поляризация электронного распределения в мономерных звеньях (в общем случае в молекулах, образующих такую связь) и отличная от мономерных звеньев динамика колебательного движения атомов в водородно-связанном фрагменте. Пристальное внимание к изучению систем с водородными связями давно уже определяется не спецификой этой связи как таковой, а широкой распространенностью водородных связей, особенно в биологических объектах, и той важной ролью, которую они играют в биополимерах и жизненно важных процессах с их участием.
Примеры соединений с водородной связью
Во многих случаях, когда имеется сильная связь между молекулами или разными группами одной и той же молекулы, эту связь можно приписать атомам водорода, проявляющим двухвалентный характер. Таковы, например, димеры алифатических кислот, ион дифторида и димер HF, структура которых приведена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 Некоторые примеры структур с водородной связью
Водород служит в качестве связующего атома в другом важном классе соединений – бороводородах. Простейшим членом этого семейства является диборан (В2 Н6 ). Однако бороводороды обычно не рассматривают в качестве соединений с водородной связью, так как их нельзя разбить на фрагменты, представляющие собой стабильные молекулы. Рассмотрим эти соединения лишь для того, чтобы сопоставить их с комплексами с водородной связью.
Бороводороды были названы электронодефицитнымимолекулами (термин электронодефицитный в применении к бороводородам не совсем оправдан, так как во всех случаях электронов достаточно для заполнения всех связывающих молекулярных орбиталей), так как они не имеют достаточно электронов для образования того количества двухэлектронных связей, которое, по-видимому, подразумевается их молекулярной геометрией. Диборан имеет восемь связей В–Н, но только четырнадцать валентных электронов. Расчеты на основе метода молекулярных орбиталей показывают, что концевые связи представляют собой нормальные двухэлектронные связи, а мостиковые связи следует описывать как трехцентровые двухэлектронные связи.
Описание на основе метода молекулярных орбиталей иона дифторида полностью отличается от описания диборана, поскольку для образования мостиковых связей здесь имеются четыре электрона. Равновесная конфигурация молекулы линейная, причем водород находится посредине отрезка F–F. Две наивысшие заполненные молекулярные орбитали образованы в основном 2p σ -орбиталями фтора п ls -орбиталями водорода с некоторой добавкой 2s -орбиталей фтора. Низшая из двух орбиталей имеет симметрию σ g и является связывающей для всех трех атомов. Более высокая орбиталь σ u (ее узел приходится на атом водорода) – разрыхляющая по отношению к атомам фтора. Однако атомы фтора достаточно удалены друг от друга, так что разрыхляющий эффект мал, и орбиталь σ u имеет отрицательную энергию (т. е. связывает электроны), что обусловлено большой электроотрицательностью атома фтора.
Можно преобразовать σ g — и σ u -орбитали в эквивалентные орбитали θ1 = σ g + σ u и θ2 = σ g – σ u , локализованные на двух связях F–Н, что демонстрирует отличие от мостиков в бороводородах, орбитали которых не могут быть локализованы на связях.
Ион дифторида не типичен для соединений с водородными связями в том отношении, что атом водорода расположен посредине между двумя тяжелыми атомами. Обычно энергии водородных связей намного меньше, чем для иона дифторида, а водород более тесно связан с одним из атомов, чем с другим, как в димере муравьиной кислоты (рис. 1.1). В действительности геометрия двух компонентов, составляющих комплекс, немного отличается от их геометрии в изолированных состояниях.
Таблица 1.1 Энергии димеризации некоторых газофазных димеров с водородной связью
| Димер | Энергия димеризации, кДж/моль -1 |
| (HF)2 | 29±4 |
| (H2 O)2 | 22±6 |
| (NH3 )2 | 19±2 |
| (HCl)2 | 9±1 |
| (H2 S)2 | 7±1 |
Димер HF
Геометрическая конфигурация, колебания, энергия связи
На рисунке 1.2 изображена равновесная геометрическая конфигурация комплекса, одновременно и понятная и непредсказуемая. Все четыре атома располагаются в одной плоскости. Расстояния между атомами фтора и водорода, относящиеся к составным (мономерным) частям комплекса Fb –Hb и Ff –Hf , равны соответственно 0,922 и 0,920 Å и мало отличаются от равновесного расстояния 0,917 Å в молекуле HF. Расстояние между атомами Hb …Ff равно 1,82 Å, что характерно для водородной связи. Расположение всех трех участников водородной связи Fb –Hb …Ff близко к линейному. Это все предсказуемые черты межмолекулярного комплекса с водородной связью. Непредсказуемыми из простых принципов оказываются значения углов θ1 = 7 ̊ (между направлениями Fb Ff и Ff Hb) и θ2 = 69 ̊ (Fb Ff и Ff Hf ).
Рисунок 1.2 Равновесная геометрическая конфигурация комплекса (HF)2
Ключевые слова конспекта: Водородная химическая связь: меж- и внутримолекулярная. Значение водородной связи в природе и жизни человека.
Молекулы электронейтральны, однако и между ними могут возникнуть силы взаимного притяжения, получившие название вандервальсова взаимодействия в честь голландского учёного, лауреата Нобелевской премии Йоханнеса Дидерика Ван-дер-Ваальса. Причиной такого притяжения является электромагнитное взаимодействие электронов и ядер одной молекулы с электронами и ядрами другой. Межмолекулярные связи значительно менее прочные, чем химические. Однако именно они приводят к тому, что вещества молекулярного строения могут существовать в конденсированном, т. е. жидком или твёрдом, состоянии.
Силы Ван-дер-Ваальса — предмет изучения физики. Однако к межмолекулярному взаимодействию относят и водородную связь, которая имеет большое значение в химии и биологии.
Энергия водородной связи составляет всего лишь 4—40 кДж/моль, т. е. соответствует энергетической характеристике межмолекулярных сил. Поэтому её можно рассматривать как частный случай вандерваальсовых сил взаимодействия. Несмотря на низкие энергетические характеристики, а может быть именно благодаря им, водородная связь — основа организации и функционирования живой материи на нашей планете.
Это определение справедливо для межмолекулярной водородной связи.
Рассмотрим образование водородной связи на примере воды. Как вы уже знаете, молекула воды имеет угловое строение. Помимо двух общих с атомами водорода электронных пар, атом кислорода имеет две неподелённые электронные пары. Кислород, как атом более электроотрицательного элемента, обладает частичным отрицательным зарядом δ – . Атомы водорода несут частичный положительный заряд δ + . Вполне естественно, что между атомом водорода одной молекулы и неподелённой электронной парой атома кислорода другой молекулы возникает электростатическое притяжение (водородную связь обозначают троеточием):
В молекуле воды — два атома водорода и две неподелённые электронные пары. Следовательно, каждая молекула способна к образованию не одной, а четырёх водородных связей. Образуется своеобразный пространственный каркас, скрепляющий между собой множество молекул воды.
Водородная связь может возникать между атомами водорода и атомами неметаллов с высокой электроотрицательностью (фтора, кислорода, азота), обладающих неподелёнными парами электронов.
Водородная связь примерно в 10 раз слабее, чем ковалентная полярная, однако она сцепляет молекулы воды друг с другом. В результате вода приобретает аномальные свойства, которые позволяют считать её самым удивительным веществом на Земле.
Например, для того чтобы оторвать одну молекулу воды от другой, требуется затратить некоторое количество энергии. Если бы водородных связей не было, вода закипала бы при температуре –80 °С, а замерзала бы при –100 °С. В таком случае наша Земля превратилась бы в безжизненную пустыню: все реки, моря и океаны выкипели бы, а на небе не было бы ни облачка, ни тучки.
Удивительная красота и многообразие снежинок — также результат работы водородных связей.
Благодаря водородным связям вещества с низкими относительными молекулярными массами ассоциированы в жидкости, например, первые члены гомологических рядов предельных одноатомных спиртов и карбоновых кислот. Эти вещества, как и некоторые многоатомные спирты (этиленгликоль, глицерин), благодаря водородным связям неограниченно растворимы в воде:
Водородная связь способствует лёгкому переходу некоторых веществ (например, аммиака, фтороводорода) из газообразного состояния в жидкое и обратно:
Это свойство аммиака позволяет использовать его в качестве хладагента в промышленных холодильных установках.
Рассмотрим ещё одну разновидность водородной связи, которая играет большую роль в организации структур таких важнейших биополимеров, как белки и нуклеиновые кислоты. Так как эта связь возникает внутри полимерных молекул, она называется внутримолекулярная водородная связь. Именно эта связь определяет вторичную структуру белка и двойную спираль ДНК.
Разрушение вторичной структуры белка приводит к его денатурации.
Каждая половинка двойной спирали представляет собой полимер, построенный из четырёх видов нуклеотидов, — полинуклеотид. Строгий порядок расположения остатков нуклеотидов одной цепи ДНК напротив нуклеотидов другой формируется именно за счёт водородных связей по принципу комплементарности: между остатками аденинового (А) и тиминового (Т) нуклеотидов — две водородные связи, между цитозиновым (Ц) и гуаниновым (Г) — три водородные связи.
Водородные связи играют важную роль в процессе передачи наследственной информации. При самоудвоении ДНК водородные связи материнской молекулы разрываются и синтезируются две новые цепи полинуклеотидов, в соответствии с принципом комлементарности. В итоге возникают две новые молекулы ДНК, в каждой из которых одна цепь была взята из материнской ДНК, а вторая, комплементарная ей, была выстроена заново.
Водородные связи — основа соблюдения строгой программы синтеза мРНК и затем соответствующего белка. Следовательно, без водородных связей невозможно было бы существование белковых организмов на нашей планете.
За открытие структуры двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) американские биологи Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик были удостоены Нобелевской премии.
Между атомами водорода и атомом элемента, обладающим высокой электроотрицательностью, возникает особый тип связи – водородная химическая связь. Она может образовываться не только внутри молекулы, но и между соседними молекулами.
Общее описание
Электроотрицательность – способность атома удерживать валентные электроны на внешнем энергетическом уровне или количественная характеристика, показывающая, с какой силой притягиваются электроны к ядру атома. Наиболее электроотрицательными элементами являются фтор, азот и кислород.
Рис. 1. Ряд электроотрицательности.
Сильное электростатическое взаимодействие между атомом водорода и электроотрицательными атомами обуславливается небольшими размерами атома водорода и силой притяжения атомов элементов. В результате возникает частный случай ковалентной полярной связи. Примерами водородной химической связи являются:
- плавиковая кислота (HF);
- вода (H2O);
- аммиак (NH3);
- соляная кислота (HCl);
- сероводород (H2S).
Наличие водородной связи обуславливает физические и химические свойства вещества. В частности определяет температуру плавления, кипения, растворимость, кислотность.
Особенностью связи является её невысокая прочность и распространённость, особенно в органических веществах.
Водородная связь бывают двух типов:
- межмолекулярная, возникающая между несколькими однотипными молекулами;
- внутримолекулярная, возникающая внутри одной молекулы.
Например, молекула воды образована одним атомом кислорода и двумя атомами водорода. За счёт высокой электроотрицательности кислород, на внешнем энергетическом уровне которого шесть электронов, притягивает единственные электроны двух атомов водорода. Две пары электронов кислорода остаются свободными. При этом у водорода освобождается орбиталь. Другая аналогичная молекула может присоединиться в месте свободных электронных пар атома кислорода, заполнив освободившуюся орбиталь водорода. Возникает межмолекулярная водородная связь.
Рис. 2. Строение молекулы воды.
Аналогичным образом соединяются молекулы плавиковой кислоты и аммиака. Однако связь между азотом и водородом будет слабее, чем между водородом и кислородом. Также молекулы плавиковой кислоты сильнее притягиваются друг к другу, чем молекулы воды. Это объясняется величиной электроотрицательности.
Внутримолекулярная водородная связь чаще всего возникает внутри сложных молекул органических веществ – белков, ДНК, аренов. Например, водородная связь образуется в молекуле салициловой кислоты между атомом водорода гидроксильной группы и кислорода, входящего в функциональную группу -СООН.
Рис. 3. Водородная связь в салициловой кислоте.
Водородные связи графически изображаются точками.
Что мы узнали?
Между атомами водорода и атомами неметаллов возникает водородная связь, основанная на электростатическом взаимодействии атомов. Это частный случай ковалентной полярной связи, характеризующийся взаимодействием водорода и атомов с высокой электроотрицательностью. Связь бывает двух типов: межмолекулярная, возникающая между молекулами вещества, и внутримолекулярная, возникающая между водородом и атомом другого элемента в одной молекуле. Водородная связь присуща неорганическим и органическим веществам.
Читайте также: