Co je vodíková vazba
Atom vodíku se nachází v I.A skupině, má tedy k dispozici jeden valenční elektron, a proto může být vodík ve svých sloučeninách pouze jednovazný. Přesto však existují různé shluky molekul, u nichž se atom vodíku vyskytuje uprostřed dvou atomů (a to buď stejných či různých). Schematicky to lze naznačit následovně:
A — H … A nebo A — H … B
Jednotlivé molekuly jsou v těcho případech vázány dalším druhem mezimolekulových interakcí, tzv. vodíkovou vazbou (= vodíkovým můstkem).
Vznik a povaha vodíkové vazby
Vodíková vazba vzniká u většiny sloučenin, které obsahují atom vodíku kovalentně vázán na atom fluoru, kyslíku a dusíku, tj. na atomy prvků o vysoké elektronegativitě, obsahující volný elektronový pár.
Příklad:
Pro ilustraci se podíváme na vodu. Každá molekula vody se chová jako dipól. Atom kyslíku má vyšší elektronegativitu než atomy vodíku a v důsledku toho k sobě částečně přitahuje elektrony chemické vazby. Na atomu kyslíku se tak vytváří částečný (parciální) záporný náboj (δ-) a na atomech vodíku parciální kladný náboj (δ+). Tak vzniká dipól. Tedy ke kladným pólům (atomy vodíku) jsou přitahovány atomy kyslíku sousedních molekul. K zápornému pólu (atom kyslíku) jsou naopak přitahovány atomy vodíku sousedních molekul. Tyto elektrostatické síly působí nejvíce při teplotě 4°C a způsobují, že molekuly vody jsou v prostoru nejhustěji uspořádány.
DEPARTMENT OF BIOCHEMISTRY AND MOLECULAR BIOPHYSICS, THE UNIVERSITY OF ARIZONA: The Chemistry of water [online]. [cit. 2008-07-05]. Dostupné z http://www.biology.arizona.edu/biochemistry/tutorials/chemistry/page3.html
Látky, u nichž mezi jednotlivými molekulami existuji vodíkové můstky, vytvářejí shluky molekul. Často vznikají klastry s lomenou strukturou (rovinnou či prostorovou), které existují v pevném či kapalném stavu.
Tato mezimolekulová interakce se skládá z interakcí elektrostatických a kvantově mechanických. Elektrostatické síly mají obdobný charakter jako van der Waalsovy síly (interakce dipól – dipól), kvantově mechanické interakce se podobají donor – akceptorové (koordinačně kovalentní) vazbě. Ke vzniku koordinačně kovalentní vazby mezi jednovazným atomem vodíku a nějakým prvkem sousední molekuly přispívá jednak existence silně polární kovalentní vazby, jednak i fakt, že vodík má jako jediný prvek pouze jeden elektron. Odčerpávání valenčního elektronu k atomu s vyšší elektronegativitou bude mít atom vodíku „prázdný obal“, do něhož může přijmout elektronový pár od sousedního atomu.
Tedy povaha vodíkové vazby je velice složitá a zahrnuje elektrostatickou a kvantově mechanickou interakci.
Energie vodíkové vazby
Energie vodíkové vazby závisí na druhu obou partnerů vodíku a bývá mezi 8 a 40 kJ.mol-1. Experimentálně bylo zjištěno, že klesá v řadě:
FH > OH > NH
Pro ilustraci jsou v následující tabulce uvedeny hodnoty energie různých typů vodíkových vazeb.
Vodíková vazba |
Příklad sloučeniny |
Vazebné energie (kJ.mol-1) |
F — H … F |
HF |
28 |
O — H … O |
H2O (s) |
18,9 |
HCOOH |
29,5 |
|
CH3COOH |
34,3 |
|
C2H5OH |
26 |
|
N — H … N |
NH3 |
5,44 |
Voda jako nejvýznamnější rozpouštědlo
Mezi nejvýznamnější sloučeninu, u které se projevuje vodíková vazba, patří voda. Ve vodě se jednotlivé molekuly sdružují prostřednictvím vodíkových vazeb.
Vodíkové vazby můžeme nalézt i v ledu, kde se každá molekula vody pravidelně váže s dalšími čtyřmi molekulami vodíkovými vazbami
a vytvářejí se ohromné struktury se šestičlennými kruhy s prázdnými dutinami, které jsou podobné včelí plástvi.
Struktura ledu – uspořádání molekul vody a vyznačení vrstvy
citováno z: VACÍK: Přehled SŠ chemie, 1999, str. 171, obr. 3390.3, upraveno
včelí plástev
KATEŘINA SVOBODOVÁ: Včela medonosná jako domácí zvíře [online]. [cit. 2008-05-26]. Dostupné z http://www.gymfry.cz/zmp0506/svobodovak/plast.jpg
Typy vodíkových vazeb
Vodíkové můstky mají velký význam i v přírodě, protože stabilizují prostorovou strukturu látek, což ovlivňuje jejich biologické vlastnosti. Rozlišujeme čtyři typy vodíkových vazeb:
-
Intermolekulární s trojrozměrnou strukturou
Vodíkové můstky mezi molekulami vytvářejí prostorovou síť. Tento systém je vytvořen mezi molekulami vody.
-
Intermolekulární s lineárním řetězcem
Vodíkové můstky mezi molekulami vytvářejí lineární lomený řetězec. Příkladem je kapalný fluorovodík.
-
Intermolekulární
Mezi sebou jsou vázány dvě molekuly (vzniká dimer). Příkladem může být vazba mezi jednoduchými monokarboxylovými kyselinami.
-
Intramolekulární
Vodík je vázán ke dvěma atomům v rámci jedné molekuly (vazba kovalentní a vodíková). Příkladem může být molekula o-hydroxybenzoové kyseliny.
-
Intraiontová
Vodík je vázán ke dvěma atomům stejného iontu. Příkladem je hydrogenfluoridový anion.
Fyzikální důsledky vodíkové vazby
Vodíková vazba je podstatně slabší než vazba kovalentní, přesto však ovlivňuje zejména fyzikální vlastnosti sloučenin (např. teplotu varu, teplotu tání atd.)
Existence těchto mezimolekulových sil v NH3, H2O a HF vysvětluje jejich anomální teplotu varu v porovnání s teplotou varu hydridů dalších prvků v periodickém systému. V podstatě platí, že s rostoucí molární hmotností látek roste teplota varu. Ale vazba vodíkovým můstkem tento obecný trend porušuje. Například voda, přestože její relativní molekulová hmotnost je 18, má podstatně větší teplotu varu než sulfan (relativní molekulová hmotnost je 34).
Graf závislosti teploty tání na periodě sloučenin IV.A až VII.A skupiny s vodíkem
citováno z: VACÍK: Přehled SŠ chemie, 1999, str. 171, obr. 3390.2
Graf závislosti teploty varu na periodě sloučenin IV.A až VII.A skupiny s vodíkem
citováno z: VACÍK: Přehled SŠ chemie, 1999, str. 171, obr. 3390.2
Vazba v biopolymerech
Vodíková vazby hraje velmi významnou roli především v biopolymerech. Jedná se o látky, které mají obrovský význam pro život. Patří mezi ně bílkoviny, nukleové kyseliny a polysacharidy. Nejdříve bude následovat stručná charakteristika přírodních látek a poté aplikace vazby vodíkovým můstkem.
1) Bílkoviny bývají označovány jako základní stavební kameny živé hmoty. Mají velice rozmanité funkce. Některé jsou stavebním materiálem vlasů, nehtů, různých orgánů atd., jiné katalyzují biochemické pochody v lidském organismu (především jako součásti enzymů) nebo mají jiné specifické funkce.
Jsou tvořeny různými molekulami aminokyselin, které jsou mezi sebou propojeny peptidovou vazbou (-CO-NH-). Jedná se v podstatě o bílkovinné makromolekuly (relativní molekulová hmotnost bývá větší než 10000). Aminokyseliny mohou být v těchto makromolekulách uspořádány různým způsobem. Pořadí aminokyselin v bílkovinném řetězci označované jako primární struktura bílkovin je pro každou bílkovinu charakteristické a je řízeno geneticky.
primární struktura bílkovin
TOMÁŠ VLASÁK: Struktura bílkovin [online]. [cit. 2008-07-05]. Dostupné z http://projektalfa.ic.cz/
Bílkoviny mají snahu se stabilizovat vytvářením prostorových uspořádání a tvorbou vodíkových můstků. Toto uspořádání se označuje jako sekundární struktura bílkovin. Základními zástupci je alfa-šroubovice (α-helix) a struktura skládaného listu (β-struktura).
TOMÁŠ VLASÁK: Struktura bílkovin [online]. [cit. 2008-07-05]. Dostupné z http://projektalfa.ic.cz/
α-šroubovice a skládaný list mohou být v prostoru uspořádány různým způsobem. Molekula bílkoviny tak získá charakteristický globulární nebo vláknitý tvar. Hovoříme o terciární struktuře bílkovin (jedná se vlastně o prostorové uspořádání sekundární struktury), na jejíž stabilizaci se kromě vodíkových můstků podílejí také iontové vazby, disulfidické můstky a van der Waalsovy síly.
terciární struktura bílkovin
TOMÁŠ VLASÁK: Struktura bílkovin [online]. [cit. 2008-07-05]. Dostupné z http://projektalfa.ic.cz/
Kvartérní struktura je tvořena stejnými interakcemi jako terciární struktura, působí však intramolekulárně. Udává stavbu bílkoviny z jednotlivých polypeptidových řetězců, které nejsou spolu spojeny peptidovými vazbami. Například molekula hemoglobinu je tvořena dvěma páry peptidových řetězců (α a β) ke každému řetězci je vázán jeden hem. Všechny řetězce jsou spojeny vodíkovými a iontovými vazbami.
kvartérní struktura hemoglobinu
UNIVERSITY OF MIAMI DEPARTMENT OF BIOLOGY: Hemoglobin [online]. [cit. 2008-07-05]. Dostupné z http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/150/chemistry/hemoglobin.jpg
Příkladem může být hemoglobin, který je tvořen bílkovinou složkou – globinem (4 peptidové řetězce) a prostetickou skupinou – hemem, která obsahuje atom dvojmocného železa, jež váže při přenosu kyslík. Jedna molekula hemoglobinu je tvořena dvěma páry polypeptidových řetězců, ke kterým se vážou i 4 hemové skupiny, z nichž každá má po jednom atomu dvojmocného železa.
2) Nukleové kyseliny jsou makromolekulární látky tvořené řetězcem nukleotidů, které ve své struktuře uchovávají genetickou informaci. Stejně jako u bílkovin zde rozlišujeme primární a sekundární struktura nukleových kyselin. Primární struktura je dána pořadím základních stavebních jednotek, kterými jsou v tomto případě čtyři různé dusíkaté báze: cytosin, guanin, adenin a thymin.
U polynukleotidových řetězců existuje jediný typ sekundární struktury, a to dvoušroubovice v případě DNA, a jednošroubovice u RNA. Vzniká tak, že se dva polynukleotidové řetězce vzájemně propletou kolem společné osy. Tato struktura je poměrně stálá, protože ji stabilizují vodíkové vazby mezi bázemi ve dvou různých řetězcích. Z prostorových důvodů se vodíkové můstky tvoří pouze mezi určitými (komplementárními) bázemi a dochází k tzv. párování – komplementarita bází.
Chemické složení hmoty. [online]. [cit. 2008-07-05]. Dostupné z http://www.sci.muni.cz/ptacek/Chemie-bar_soubory/image066.jpg
3) Polysacharidy jsou makromolekulární látky složené z více než 10 monosacharidových jednotek spojených glykosidovou vazbou. Většina polysacharidů má význam jako stavební materiál nebo se ukládá v podobě zásobních látek. Nejrozšířenějším stavebním polysacharidem je celolusa, která je hlavní složkou buněčných stěn rostlin. Ve vodě je zcela nerozpustná. Makromolekuly celulosy tvoří D-glukosové zbytky spojené β(1-›4) glykosidovými vazbami. Celá sestava je stabilizována intermolekulárními vodíkovými můstky mezi glukosonovými zbytky v sousedních řetězcích.
WIKIPEDIA: Celulóza. [online]. [cit. 2008-07-05]. Dostupné z http://encyklopedie.divoch.info/images/cs/thumb/b/b1/Celuloza.jpg/200px-Celuloza.jpg
Závěr
Vodíková vazba patří mezi slabé vazebné interakce. Je tvořena mezi vodíkem a silně elektronegativním prvkem (kyslíkem, dusíkem a fluorem). Ovlivňuje především fyzikální vlastnosti látek (např. teplota varu, teplota tání atd.). Vazba vodíkovým můstkem se vyskytuje v celé řadě sloučenin. V anorganických (voda, amoniak, fluorovodík atd.), organických (o-nitrofenol, salicylaldehyd, mezi monokarboxylovými kyselinami atd.), ale také biochemických (bílkoviny, nukleové kyseliny, polysacharidy).