¿Qué es el enlace de hidrógeno?
Sabemos que la formación de la estructura molecular se produce en realidad a través de la disposición acumulativa tridimensional entre los átomos y a través de la energía del enlace de valencia del orden de 50-200 kcal/mol (200-400 kJ/mol). La energía gravitacional entre las moléculas es muy débil, del orden de una décima parte de una kilocaloría por mol. Estas fuerzas, que llamamos fuerzas de van der Waal (fuerzas de van der Waal, algunos libros las llaman fuerzas de van der Waal), se forman mediante atracción electrostática. Generalmente pueden ser entre dipolos, dipolos, dipolos inducidos, dipolos o incluso debido a. otras fuerzas, y depende en gran medida de la licuefacción del gas y de una temperatura suficientemente baja. Las energías de los enlaces de valencia analizadas en este capítulo serán del orden de 2 a 10 kcal/mol, y este nivel de energía es para algunas moléculas agrupadas. Analizaremos una clase de moléculas que se juntan pero no se atraen entre sí.
El enlace de hidrógeno se refiere a la combinación de grupos funcionales A-H y un átomo o un grupo de átomos B en la misma o diferentes moléculas. Con pocas excepciones, los enlaces de hidrógeno se forman sólo cuando A es oxígeno, nitrógeno o flúor o cuando B es oxígeno, nitrógeno o flúor. El átomo de oxígeno puede tener un enlace simple, un doble enlace; el átomo de nitrógeno puede tener un enlace simple, un doble enlace o un triple enlace.
Los enlaces de hidrógeno pueden existir en fase sólida, líquida o en solución. Muchas reacciones orgánicas discutirán los medios de solución, y los enlaces de hidrógeno son exactamente un factor que afecta los medios de solución acuosa naturales. Incluso los enlaces de hidrógeno extremadamente fuertes en fases gaseosas pueden unir compuestos. Por ejemplo, el ácido acético en fase gaseosa suele existir como un dímero a menos que la presión sea muy baja, como se mencionó anteriormente. En soluciones o equivalentes líquidos, los enlaces de hidrógeno se forman rápidamente pero se rompen rápidamente. La vida media del enlace de hidrógeno NH3-H2O es 2×10^-12s. Excepto por algunos enlaces de hidrógeno muy fuertes, como el enlace FH--F-, cuya intensidad energética puede alcanzar 210 kJ/mol, el enlace de hidrógeno más fuerte es el enlace FH--F, que puede conectar directamente otro ácido carboxílico. Estas energías oscilan entre 25 y 30 kJ/mol (para los ácidos carboxílicos, esto depende de la energía de cada enlace). En general, los enlaces de hidrógeno de corta distancia que conectan el flúor con el HO o el NH son bastante raros. Otros, como los enlaces OH--O y NH--H, tienen 12-25 kJ/mol. El enlace de hidrógeno intramolecular O-H--N también es muy fuerte en el disolvente de hidroxilamina.
Como aproximación aproximada, la fuerza de los enlaces de hidrógeno aumenta con la acidez de A-H y la basicidad de B, pero no se aplica por igual en todos los casos. Se ha establecido un método cuantitativo para medir la fuerza de los enlaces de hidrógeno, que incluye el uso de α como escala para expresar la acidez que contribuye a los enlaces de hidrógeno y β como escala para la alcalinidad que acepta los enlaces de hidrógeno. Usando β como escala, a menudo se introduce un parámetro e (sigema minúscula), lo que permite relacionar la basicidad de los enlaces de hidrógeno con la basicidad (valor pK) en el equilibrio de transferencia de protones. La base de datos estructural de Cambridge ha incluido todos los datos posibles de enlaces de hidrógeno cíclicos bimoleculares que se pueden localizar, y los parámetros polares relacionados con el toma y daca también se pueden utilizar para calcular la fuerza del enlace de hidrógeno mediante condiciones de disolvente específicas.
Cuando dos compuestos que interactúan a través de enlaces de hidrógeno se disuelven en agua, la fuerza de enlace de hidrógeno entre las dos moléculas se debilitará enormemente o incluso se eliminará por completo, porque las moléculas suelen formar enlaces con las moléculas de hidrógeno del disolvente. enlaces en lugar de las moléculas de soluto mismas, especialmente cuando dominan las moléculas de solvente. Por ejemplo, después de que los compuestos amino se disuelven en agua, los átomos de oxígeno tienden a protonarse o formar complejos.
Se han estudiado muchas teorías geométricas sobre los enlaces de hidrógeno. Varios indicios indican que la mayoría (pero no todos) los átomos de hidrógeno de las sustancias están dispuestos en la línea recta que conecta A y B o en esta línea recta cercana. Esta situación se ha confirmado en materiales sólidos (el descubrimiento fue confirmado mediante experimentos de difracción de rayos X de monocristal y experimentos de difracción de neutrones) y en soluciones.
También descubrimos que los enlaces de hidrógeno intramoleculares se forman principalmente en moléculas que tienen la capacidad de formar anillos intramoleculares de seis miembros (los propios átomos de hidrógeno también participan en la formación de anillos), y la teoría geométrica también demuestra que la linealidad mecánica en este momento es la mejor. En comparación, el anillo de cinco miembros no es tan estable, aunque un pequeño número de moléculas también pueden formar enlaces de hidrógeno a través del anillo de cinco miembros. Excepto en casos especiales como los enlaces FH-F-hidrógeno, en los que los átomos de hidrógeno no están equidistantes de A y B. Por ejemplo: la distancia entre O-H en el hielo es 0,97 A (A es una unidad de distancia), pero la distancia entre los enlaces de hidrógeno H--O es 1,79 A. Otro ejemplo es: el enlace de hidrógeno enol en malondialdehído tiene una forma asimétrica con el átomo de hidrógeno cuando se disuelve en un disolvente orgánico. De hecho, el enlace de hidrógeno está más inclinado hacia el átomo de oxígeno básico.