LOSPUENTESDEHIDROGENO Elaboradop Elaboradopor:D or:Daniel anielArturo ArturoZava ZavalaOr laOrtíz tíz Fecha:Marzo20,2009 Químic Químicao aorgá rgánic nicaI aII I Trabajoporcuriosidadesquevansaliendoenclase…
Ing.Bioquímica.
Fuerzasintermoleculares: Unavezentendidalamolécula,estainteractúaconotrasmoléculasenelespacio cercano.Adiferenciadelasfuerzasintramoleculares,lasqueunenalosátomos enunamolécula,lasfuerzasintermolecularesunenalasmoléculasentresiyson las responsables de las propiedades macroscópicas de la materia (punto de fusión,deebullición). Lasfuerzasintermolecularessuelensermasdébilesquelasintramoleculares,un ejemploclaro: Para evaporar(romperlas fuerzas intermoleculares)un mol deagua se requieren41KJdeenergía,encambio,pararomperlosdosenlacesO‐Hen unmoldeaguaesnecesarioaplicar930KJdeenergía. Engeneral,lospuntosdeebullicióndelassustanciasreflejanlamagnituddelas fuerzasintermolecularesqueactuadentrelasmoléculas. Para comprender intermoleculares:
mejor,
es
necesario
conocer
los
tipos
de
fuerzas
Fuerzas dipolo‐dipolo: Son las interacciones entre las moléculas polares, su origen es electroestáticoysepuedeentenderbajolaleydeCoulomb. Fuerzas Ion‐dipolo: Tipo de fuerza en donde un Ion (ya sea catión o anión) y una molécula polar se atraen entre si. La intensidad de la atracción dependerá de la carga y del tamaño del Ion, así como de la magnituddelmomentodipoloydeltamañodelamolécula. Dipolo inducido: Esconsideradocomolafuerzaquehaceunarregloespacialdelas cargas, es decir, la distribución electrónica de la molécula se distorsionadebidoalafuerzaqueejerceelIonolamoléculapolar, dandounaclasededipoloinducido.
PuentedeHidrogeno: Un Hidrogeno parcialmente positivo es atraído por un elemento parcialmentenegativo.
ElpuentedeHidrogeno. Elpuentedehidrogenoesuntipoespecialdeinteraccióndipolo–dipoloentreel átomo de hidrogeno de un enlace polar como N‐H, O‐H ó F‐H y un átomo electronegativodeO,NóF;Estainteracciónseescribe: A‐H
BóA‐H
•••
A
•••
AyBrepresentanO,N,oF;A‐Hesunamoléculaopartedeunamolécula yBespartedeotramolécula;lalíneapunteadarepresentaalpuentede Hidrogeno.
Los tresátomos casisiempreestánsituadosenlínearecta,peroel ángulo HAB puededesviarsedelalinealidadhasta30º. Lajustificacióndeestainteracciónpuedeverse:
2
2
8O 1s 2s 2px py pz
Configuración electrónica del Oxigeno; donde claramente se observa la disponibilidad de electrones.
Teniendo tal arreglo, se puede ver como son los momentos polares, generando así cargas parciales positivas en los Hidrógenos, los cuales son atraídos por la disponibilidad de electrones libres del Oxigeno de una molécula vecina. Generando de esta forma una unión entre el H y el Oxigeno, en el caso del agua. – Este es el fundamento principal del puente de hidrogeno no solo en el agua, sino en otros compuestos.
SingularidadMacroscópica. Laenergíapromediodeunpuentedehidrogenoesdemasiadograndeparauna interacción dipolo‐dipolo, por esta razón los puentes de hidrogeno tienen un fuerteefectoenlaestructuraypropiedadesdemuchoscompuestos. Normalmente, los puntos de ebullición de una serie de compuestos parecidos quecontienenelementosdelmismogrupoperiódicoseincrementanconlamasa molar,porejemploelgrupo4‐Asigueestatendencia,siendoelCH4elcompuesto mas ligero tiene también el punto de ebullición mas bajo, y el mas pesado, el SnH4 elmasalto,sinembargo,comoseobservaenlafigura1sepuedenotar queloselementosdelosgrupos5,6Y7–Anosiguenestatendencia
Puntosdeebullicióndeloscompuestosconhidrogenodelos elementos4,5,6&7A
Apesar dequese esperaría que elpuntode ebulliciónse incrementea medida quesedesciendeungrupo,sepuedeobservarqueelamoniaco,elaguayelacido fluorhídrico se comportan anómalamente, este comportamiento anómalo se puedeexplicarmediantelospuentesdehidrogeno. Ahora,setieneaununadiscrepanciaentrelospuntosdeebullicióndelagua(18 uma)ydelacidofluorhídrico(20uma),elsegundocuentaconunamasamayor que el agua, sin embargo el HF presenta un punto de ebullición inferior a los 100ºC–1atmdelagua,nuevamentesonlospuentesdehidrogenoqueexplican este fenómeno, observando la estructura de la molécula de agua, como se ha mostradoenlapaginaanterior,estapuedehacermaspuentesdehidrogenoque el HF, debido a que el oxigeno presenta dos pares de electrones libres que puedeninteractuarconhidrógenosparcialmentepositivos;talarregloseveaun masacentuadoenlaformacióndehielo,quedebidoaladisponibilidaddepares deelectroneslibresdeelectronesdeloxigenoformaestructurastetraédricasy
no planas, haciendo que el hielo sea menos denso que el agua, todo por los puentesdehidrogeno,graciasaestolavidapersisteenlosmarescongelados.
PuentesdeHidrogenoimportantes Laimportanciadelospuentesdehidrogenoesmuyimportanteenlaindustriay enlavidamisma,enelcasodelaultima,elpuentedehidrogenoeslapuntade lanzaparalavidatalycomolaconocemoshoy. Así,elteoremadelabiologíamolecularesreferidoalospuentesdehidrógenos, los cuales confieren la particularidad de la correspondencia que permite la secuenciaciónespecificadenucleótidosquedanlascaracterísticasespecificasde lasespecies,talcomosemuestraenlaimagen: En la imagen de la izquierda se pueden observar los puentes de hidrógenos de una secuencia de nucleótidos, así la adenina tiene una correspondenciasoloconla timina, correspondencia querespondeadosenlaces por puente de hidrogeno, mientras que la correspondencia de la citosina y la guanina responde a un trío de puentesdehidrogeno.Enel caso del mundo arquea los puentes de hidrogeno juegan un papel mas importante, tomando por ejemplo a las arqueas que viven en contacto de un volcánenellechomarino,latemperaturaesmuyelevada,asíqueestosseresse basan en la estabilidad del puente de hidrogeno, haciendo que su genoma contenga mas secuencias que contengan tres puentes de hidrogeno, así se requieremasenergíapararomperestostrespuentesdehidrogenoenvezdeque hubiera solo dos, permitiendo de esta formasu subsistencia, ya que si tuviera mas secuencias de dos puentes de hidrogeno, el calor del medio en que se encuentranpodríaponerenpeligrosusubsistencia.
LosalquinosysuspuentesdeHidrogeno. Uno delospuentesdehidrogenopococomunesson los que sesostienen entre los alquinos, aunque pueda parecer extraño, la siguiente tabla proporciona indiciossobreelpuentedehidrogeno:
Compuesto
Punto de Ebullición
H‐C:::C‐H
‐81ºC
H2C::CH2
‐103.7ºC
H3C‐CH3
‐88.6ºC
Como se puede observar, el etano tiene un punto de ebullición de ‐88.6ºC, al deshidrogenarseelalcanoseencuentraelalquenocorrespondiente(eteno)con unpuntodeebulliciónde‐103.7ºC,locualesobvioalobservarquelamasahubo disminuido y se creo un enlace pi, siguiendo las tendencias, resultaría obvio pensarqueeletinoaltenerunamasamenorqueeletenodebetenerunpuntode ebulliciónaúnmenor,locualcontrastaconlarealidad,yaqueinclusivetieneun puntodeebulliciónmayoraletano,estasrelacionessepuedenexplicardebidoa lapresenciadepuentesdehidrogeno.
Este puente de hidrogeno se puede explicar debido a ciertos factores, observando la siguiente figura, se muestra la configuración SP del carbono de acetileno. La triple ligadura puede describirse también como orbitales torcidosparadarcomoresultadolaconfiguraciónSP
Como puede observarse en laimagen anterior,lageometría de lamolécula de acetilenoesrecta,esdecir,cuentaconángulosde180º,talycomosucedeenlas basesquecuentanconpuentedehidrogeno,locualleconfiereunpuntoafavor paraformarpuentesdehidrogeno.
Lageometríanoeslaúnicaimplicadaenesteheterodoxopuentedehidrogeno, recordandolaconfiguraciónelectrónicadelacetileno(odecualquieralquinoen elcarbonoterminal)sepuedeobservarlaconfiguraciónSP;estaconfiguración determina la ligera acidez del alquino y es quien realmente hace posible este pseudoenlace. Configuración SP:
1s² 2(sp)¹ 2(sp)¹ 2py¹ 2pz¹
Al formarse el enlace entre dos carbonos, cada uno traslapa uno de sus 2 orbitales sp para formar un enlace sigma entre ellos; los dos orbitales p sin hibridardecadaátomosetraslapanformandolosdosenlaces(π)restantesdela triple ligadura, y al final el último orbital sp queda con su electrón disponible paraformarotroenlace. Teniendoestaconfiguración,seobservaqueladistanciadeenlacedisminuyeen losalquinos:
Longitudesdeenlaceencompuestos(enpicometros) C-H
Longitud
Enlaces múltiples
Longitud
SP3‐H
110
Alcano
140
SP2‐H
109
Alqueno
134
SP‐H
108
Alquino
120
Con estosdatos, semuestra lapeculiaridad delenlace delos alquinos, altener una longitud de enlacemas corta(120 pm) lafuerzaejercida por elnúcleo es mayor, generando así una carga ligeramente negativa, y aunado a esta ligera carga negativa se le suma la geometría recta de las molécula, haciendo queel enlacedepuentedehidrogenoseveafavorecidoporestassituaciones En el caso de los alcanos y los alquenos, el puente de hidrogeno no se ve favorecido debido a que la longitud de enlace mas largo no proporciona un momento dipolar mas fuerte, por otra parte, la geometría de los enlaces no favorecelaformacióndelospuentesdehidrógenodadoque,enelcasodelos alcanos,losángulossondeaproximadamente109º.
Conclusiones: Lamateriaestancomplejaymaravillosaquerespondeaunsinfindeleyes quepareceque secontradicenunascontraotras, mientrasno esasí,sino quesimplementesecomplementan. Tales son las situaciones de los casos como el agua y los puentes de hidrogeno en los alquinos, esta fuerza enlazante explica un sin fin de anomalías,desde laspseudo incongruencias de ladensidad delhielo y el agua,comprendidaatravésdelaformacióndeestructurascristalinaspor el puente de hidrogeno, hasta la diferencia en el punto de ebullición de elementosconmismoesqueletodecarbonoydiferentemasa. Así los puentes de hidrogeno no solo responden a ciertos átomos electronegativosclásicoscomoelFoelO;sinoquebastaquesedenlas condicionesnecesariasparasuformación:unacargaparcialpositivaenel HyunanegativaenelátomounidoalH.
Basadoenlecturasde: Biologíamoleculardelacélula–Cuartaedición,BruceAlbertsAlexander Johnson,etalii–EdicionesOmega,España,2004. Dr.EdgarVásquezContreras.–FacultaddeQuímicaU.N.A.M: http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/puente%20de%20hidr ogeno.html Mecanismosdereaccionesorgánicas–RonaldBreslow,editorialreverte. Imágenestomadasderecursosvirtuales,todoslosderechosaquienes correspondan.
