En química , un enlace de hidrógeno (o enlace H ) es principalmente una fuerza de atracción electrostática entre un átomo de hidrógeno (H) que está unido covalentemente a un átomo o grupo "donante" más electronegativo (Dn), y otro átomo electronegativo que lleva un par solitario de electrones: el aceptor del enlace de hidrógeno (Ac). Un sistema de interacción de este tipo generalmente se denomina Dn−H···Ac , donde la línea continua indica un enlace covalente polar y la línea de puntos o discontinuas indica el enlace de hidrógeno. [5] Los átomos donantes y aceptores más frecuentes son los elementos del período 2 nitrógeno (N), oxígeno (O) y flúor (F).
Los enlaces de hidrógeno pueden ser intermoleculares (que ocurren entre moléculas separadas) o intramoleculares (que ocurren entre partes de la misma molécula). [6] [7] [8] [9] La energía de un enlace de hidrógeno depende de la geometría, el entorno y la naturaleza de los átomos donantes y aceptores específicos y puede variar entre 1 y 40 kcal/mol. [10] Esto los hace algo más fuertes que una interacción de van der Waals y más débiles que los enlaces totalmente covalentes o iónicos . Este tipo de enlace puede ocurrir en moléculas inorgánicas como el agua y en moléculas orgánicas como el ADN y las proteínas. Los enlaces de hidrógeno son responsables de mantener unidos materiales como el papel y la lana de fieltro , y de hacer que hojas de papel separadas se peguen después de mojarse y secarse posteriormente.
El enlace de hidrógeno también es responsable de muchas de las propiedades físicas y químicas de los compuestos de N, O y F que parecen inusuales en comparación con otras estructuras similares. En particular, los enlaces de hidrógeno intermoleculares son responsables del alto punto de ebullición del agua (100 °C) en comparación con otros hidruros del grupo 16 que tienen enlaces de hidrógeno mucho más débiles. [11] Los enlaces de hidrógeno intramoleculares son en parte responsables de las estructuras secundarias y terciarias de proteínas y ácidos nucleicos .
En un enlace de hidrógeno, el átomo electronegativo que no está unido covalentemente al hidrógeno se denomina aceptor de protones, mientras que el que está unido covalentemente al hidrógeno se denomina donador de protones. Esta nomenclatura es recomendada por la IUPAC. [5] El hidrógeno del donante es prótico y por lo tanto puede actuar como un ácido de Lewis y el aceptor es la base de Lewis. Los enlaces de hidrógeno se representan como sistema H···Y , donde los puntos representan el enlace de hidrógeno. Los líquidos que presentan enlaces de hidrógeno (como el agua) se denominan líquidos asociados . [ cita necesaria ]
Los enlaces de hidrógeno surgen de una combinación de electrostática (interacciones multipolar-multipolar y multipolar inducida por multipolo), covalencia (transferencia de carga por superposición orbital) y dispersión ( fuerzas de London ). [5]
En los enlaces de hidrógeno más débiles, [13] los átomos de hidrógeno tienden a unirse a elementos como el azufre (S) o el cloro (Cl); incluso el carbono (C) puede servir como donante, particularmente cuando el carbono o uno de sus vecinos es electronegativo (p. ej., en cloroformo, aldehídos y acetilenos terminales). [14] [15] Gradualmente, se reconoció que hay muchos ejemplos de enlaces de hidrógeno más débiles que involucran a un donante distinto de N, O o F y/o aceptor Ac con una electronegatividad cercana a la del hidrógeno (en lugar de ser mucho más electronegativa). Aunque débiles (≈1 kcal/mol), las interacciones de enlaces de hidrógeno "no tradicionales" son ubicuas e influyen en las estructuras de muchos tipos de materiales. [ cita necesaria ]
La definición de enlace de hidrógeno se ha ido ampliando gradualmente con el tiempo para incluir estas interacciones atractivas más débiles. En 2011, un grupo de trabajo de la IUPAC recomendó una definición moderna de enlace de hidrógeno basada en evidencia, que se publicó en la revista IUPAC Pure and Applied Chemistry . Esta definición especifica:
El enlace de hidrógeno es una interacción atractiva entre un átomo de hidrógeno de una molécula o un fragmento molecular X−H en el que X es más electronegativo que H, y un átomo o un grupo de átomos en la misma o en otra molécula, en la que hay evidencia de formación de enlaces. [dieciséis]
Los enlaces de hidrógeno pueden variar en fuerza desde débiles (1–2 kJ/mol) hasta fuertes (161,5 kJ/mol en el ion bifluoruro , HF−2). [17] [18] Las entalpías típicas en vapor incluyen: [19]
La fuerza de los enlaces de hidrógeno intermoleculares se evalúa con mayor frecuencia mediante mediciones de equilibrios entre moléculas que contienen unidades donadoras y/o aceptoras, generalmente en solución. [21] La fuerza de los enlaces de hidrógeno intramoleculares se puede estudiar con equilibrios entre confórmeros con y sin enlaces de hidrógeno. El método más importante para identificar enlaces de hidrógeno también en moléculas complicadas es la cristalografía y, a veces, también la espectroscopia de RMN. Los detalles estructurales, en particular las distancias entre el donante y el aceptor, que son menores que la suma de los radios de Van der Waals, pueden tomarse como indicación de la fuerza de los enlaces de hidrógeno. Un esquema ofrece la siguiente clasificación un tanto arbitraria: aquellos que tienen de 15 a 40 kcal/mol, de 5 a 15 kcal/mol y >0 a 5 kcal/mol se consideran fuertes, moderados y débiles, respectivamente. [18]
Los enlaces de hidrógeno que involucran enlaces CH son muy raros y débiles. [22]
El enlace de hidrógeno asistido por resonancia (comúnmente abreviado como RAHB) es un tipo fuerte de enlace de hidrógeno. Se caracteriza por la π-deslocalización que involucra al hidrógeno y no puede describirse adecuadamente únicamente mediante el modelo electrostático . Esta descripción del enlace de hidrógeno se ha propuesto para describir distancias inusualmente cortas que generalmente se observan entre O=C−OH··· o ···O=C−C=C−OH . [23]
La distancia X−H es típicamente ≈110 pm , mientras que la distancia H···Y es ≈160 a 200 pm. La longitud típica de un enlace de hidrógeno en agua es de 197 pm. El ángulo de enlace ideal depende de la naturaleza del donante del enlace de hidrógeno. Se han determinado experimentalmente los siguientes ángulos de enlace de hidrógeno entre un donante de ácido fluorhídrico y varios aceptores: [24]
Los fuertes enlaces de hidrógeno se revelan mediante desplazamientos hacia abajo en el espectro de 1H NMR . Por ejemplo, el protón ácido en el tautómero enólico de la acetilacetona aparece en 15,5, que es aproximadamente 10 ppm por debajo de un alcohol convencional. [25]
En el espectro IR, los enlaces de hidrógeno cambian la frecuencia de estiramiento X-H a una energía más baja (es decir, la frecuencia de vibración disminuye). Este cambio refleja un debilitamiento del enlace X-H . Ciertos enlaces de hidrógeno (enlaces de hidrógeno inadecuados) muestran un desplazamiento hacia el azul de la frecuencia de estiramiento X-H y una disminución en la longitud del enlace. [26] Los enlaces H también se pueden medir mediante cambios de modo vibratorio IR del aceptor. El modo amida I de los carbonilos de la cadena principal en las hélices α cambia a frecuencias más bajas cuando forman enlaces de H con grupos hidroxilo de cadena lateral. [27] La dinámica de las estructuras de enlaces de hidrógeno en el agua puede ser investigada mediante esta vibración de estiramiento del OH. [28] En la red de enlaces de hidrógeno en cristales plásticos iónicos orgánicos próticos (POIPC), que son un tipo de material de cambio de fase que exhibe transiciones de fase sólido-sólido antes de la fusión, la espectroscopia infrarroja de temperatura variable puede revelar la dependencia de la temperatura de los enlaces de hidrógeno y la dinámica tanto de los aniones como de los cationes. [29] El repentino debilitamiento de los enlaces de hidrógeno durante la transición de fase sólido-sólido parece ir acompañado de la aparición de un desorden de orientación o rotación de los iones. [29]
Los enlaces de hidrógeno son de interés teórico persistente. [30] Según una descripción moderna, O:H−O integra tanto el par solitario intermolecular O:H ":" sin enlace como el enlace covalente polar H-O intramolecular asociado con el acoplamiento repulsivo O-O . [31]
Los cálculos químicos cuánticos de las constantes de potencial entre residuos relevantes ( constantes de cumplimiento ) revelaron [ ¿cómo? ] grandes diferencias entre enlaces H individuales del mismo tipo. Por ejemplo, el enlace de hidrógeno entre residuos centrales N-H···N entre guanina y citosina es mucho más fuerte en comparación con el enlace N-H···N entre el par adenina-timina. [32]
Teóricamente, la fuerza de enlace de los enlaces de hidrógeno se puede evaluar mediante el índice NCI, índice de interacciones no covalentes , que permite una visualización de estas interacciones no covalentes , como su nombre indica, utilizando la densidad electrónica del sistema. [ cita necesaria ]
Las interpretaciones de las anisotropías en el perfil Compton del hielo ordinario afirman que el enlace de hidrógeno es parcialmente covalente. [33] Sin embargo, esta interpretación fue cuestionada. [34]
En términos más generales, el enlace de hidrógeno puede verse como un campo escalar electrostático dependiente de la métrica entre dos o más enlaces intermoleculares. Esto es ligeramente diferente de los estados unidos intramoleculares de, por ejemplo, enlaces covalentes o iónicos . Sin embargo, los enlaces de hidrógeno generalmente siguen siendo un fenómeno de estado ligado , ya que la energía de interacción tiene una suma neta negativa. La teoría inicial de los enlaces de hidrógeno propuesta por Linus Pauling sugería que los enlaces de hidrógeno tenían una naturaleza covalente parcial. Esta interpretación siguió siendo controvertida hasta que las técnicas de RMN demostraron la transferencia de información entre núcleos unidos por enlaces de hidrógeno, una hazaña que sólo sería posible si el enlace de hidrógeno contuviera algún carácter covalente. [35]
El concepto de enlace de hidrógeno alguna vez fue un desafío. [36] Linus Pauling atribuye a TS Moore y TF Winmill la primera mención del enlace de hidrógeno, en 1912. [37] [38] Moore y Winmill utilizaron el enlace de hidrógeno para explicar el hecho de que el hidróxido de trimetilamonio es una base más débil que el tetrametilamonio. hidróxido . La descripción de los enlaces de hidrógeno en su entorno más conocido, el agua, llegó algunos años más tarde, en 1920, por parte de Latimer y Rodebush. [39] En ese artículo, Latimer y Rodebush citaron el trabajo de un colega científico en su laboratorio, Maurice Loyal Huggins , diciendo: "El Sr. Huggins de este laboratorio, en algún trabajo aún inédito, ha utilizado la idea de un núcleo de hidrógeno sostenido entre dos átomos como teoría respecto de ciertos compuestos orgánicos."
Un ejemplo omnipresente de enlace de hidrógeno se encuentra entre moléculas de agua . En una molécula de agua discreta, hay dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. El caso más simple es un par de moléculas de agua con un enlace de hidrógeno entre ellas, lo que se llama dímero de agua y se utiliza a menudo como sistema modelo. Cuando hay más moléculas presentes, como es el caso del agua líquida, son posibles más enlaces porque el oxígeno de una molécula de agua tiene dos pares de electrones solitarios, cada uno de los cuales puede formar un enlace de hidrógeno con un hidrógeno de otra molécula de agua. Esto puede repetirse de manera que cada molécula de agua esté unida a H con hasta otras cuatro moléculas, como se muestra en la figura (dos a través de sus dos pares libres y dos a través de sus dos átomos de hidrógeno). Los enlaces de hidrógeno afectan fuertemente la estructura cristalina del hielo , ayudando a crear una red hexagonal abierta. La densidad del hielo es menor que la densidad del agua a la misma temperatura; por tanto, la fase sólida del agua flota sobre el líquido, a diferencia de la mayoría de las otras sustancias. [ cita necesaria ]
El alto punto de ebullición del agua líquida se debe a la gran cantidad de enlaces de hidrógeno que puede formar cada molécula, en relación con su baja masa molecular . Debido a la dificultad de romper estos enlaces, el agua tiene un punto de ebullición, un punto de fusión y una viscosidad muy altos en comparación con líquidos similares que no están unidos por enlaces de hidrógeno. El agua es única porque su átomo de oxígeno tiene dos pares libres y dos átomos de hidrógeno, lo que significa que el número total de enlaces de una molécula de agua es de hasta cuatro. [ cita necesaria ]
El número de enlaces de hidrógeno formados por una molécula de agua líquida fluctúa con el tiempo y la temperatura. [40] A partir de simulaciones de agua líquida TIP4P a 25 °C, se estimó que cada molécula de agua participa en un promedio de 3,59 enlaces de hidrógeno. A 100 °C, este número disminuye a 3,24 debido al mayor movimiento molecular y la disminución de la densidad, mientras que a 0 °C, el número promedio de enlaces de hidrógeno aumenta a 3,69. [40] Otro estudio encontró un número mucho menor de enlaces de hidrógeno: 2,357 a 25 °C. [41] Sin embargo, definir y contar los enlaces de hidrógeno no es sencillo.
Debido a que el agua puede formar enlaces de hidrógeno con los donantes y aceptores de protones del soluto, puede inhibir competitivamente la formación de enlaces de hidrógeno intermoleculares o intramoleculares del soluto. En consecuencia, los enlaces de hidrógeno entre o dentro de las moléculas de soluto disueltas en agua casi siempre son desfavorables en relación con los enlaces de hidrógeno entre el agua y los donantes y aceptores de enlaces de hidrógeno en esos solutos. [42] Los enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua tienen una vida útil promedio de 10 −11 segundos, o 10 picosegundos. [43]
Un solo átomo de hidrógeno puede participar en dos enlaces de hidrógeno. Este tipo de unión se llama "bifurcada" (dividida en dos o "bifurcada"). Puede existir, por ejemplo, en moléculas orgánicas complejas. [44] Se ha sugerido que un átomo de hidrógeno bifurcado es un paso esencial en la reorientación del agua. [45]
Los enlaces de hidrógeno de tipo aceptor (que terminan en los pares libres de un oxígeno) tienen más probabilidades de formar bifurcaciones (se llama oxígeno sobrecoordinado, OCO) que los enlaces de hidrógeno de tipo donante, que comienzan en los hidrógenos del mismo oxígeno. [46]
Por ejemplo, el fluoruro de hidrógeno (que tiene tres pares libres en el átomo de F pero sólo un átomo de H) sólo puede formar dos enlaces; ( El amoníaco tiene el problema opuesto: tres átomos de hidrógeno pero solo un par libre).
Los enlaces de hidrógeno juegan un papel importante en la determinación de las estructuras tridimensionales y las propiedades adoptadas por muchas proteínas. En comparación con los enlaces C-C , C-O y C-N que componen la mayoría de los polímeros, los enlaces de hidrógeno son mucho más débiles, quizás un 5%. Por tanto, los enlaces de hidrógeno pueden romperse por medios químicos o mecánicos conservando al mismo tiempo la estructura básica de la columna vertebral del polímero. Esta jerarquía de fuerzas de enlace (los enlaces covalentes son más fuertes que los enlaces de hidrógeno y son más fuertes que las fuerzas de van der Waals) es relevante en las propiedades de muchos materiales. [47]
En estas macromoléculas, los enlaces entre partes de la misma macromolécula hacen que se pliegue en una forma específica, lo que ayuda a determinar el papel fisiológico o bioquímico de la molécula. Por ejemplo, la estructura de doble hélice del ADN se debe en gran medida a los enlaces de hidrógeno entre sus pares de bases (así como a las interacciones de apilamiento pi ), que unen una hebra complementaria con la otra y permiten la replicación . [ cita necesaria ]
En la estructura secundaria de las proteínas , se forman enlaces de hidrógeno entre los oxígenos del esqueleto y los hidrógenos de las amidas . Cuando el espaciado de los residuos de aminoácidos que participan en un enlace de hidrógeno se produce regularmente entre las posiciones i e i + 4 , se forma una hélice alfa . Cuando el espaciado es menor, entre las posiciones i e i + 3 , se forma una hélice 3 10 . Cuando dos hebras se unen mediante enlaces de hidrógeno que involucran residuos alternos en cada hebra participante, se forma una lámina beta . Los enlaces de hidrógeno también desempeñan un papel en la formación de la estructura terciaria de las proteínas mediante la interacción de los grupos R. (Ver también plegamiento de proteínas ).
Los sistemas de enlaces H bifurcados son comunes en las proteínas transmembrana de hélice alfa entre la amida principal C=O del residuo i como aceptor de enlaces H y dos donantes de enlaces H del residuo i + 4 : la amida principal N-H y un lado -cadena hidroxilo o tiol H + . La preferencia energética del sistema hidroxilo o tiol con enlace de H bifurcado es -3,4 kcal/mol o -2,6 kcal/mol, respectivamente. Este tipo de enlace de H bifurcado proporciona un compañero de enlace de H intrahelicoidal para cadenas laterales polares, como serina , treonina y cisteína dentro de los entornos de membrana hidrofóbica. [27]
El papel de los enlaces de hidrógeno en el plegamiento de proteínas también se ha relacionado con la estabilización de proteínas inducida por osmolitos. Los osmolitos protectores, como la trehalosa y el sorbitol , desplazan el equilibrio de plegamiento de las proteínas hacia el estado plegado, de manera dependiente de la concentración. Si bien la explicación predominante de la acción del osmolito se basa en efectos de volumen excluidos que son de naturaleza entrópica, los experimentos de dicroísmo circular (CD) han demostrado que el osmolito actúa a través de un efecto entálpico. [48] El mecanismo molecular de su papel en la estabilización de proteínas aún no está bien establecido, aunque se han propuesto varios mecanismos. Las simulaciones de dinámica molecular por computadora sugieren que los osmolitos estabilizan las proteínas modificando los enlaces de hidrógeno en la capa de hidratación de las proteínas. [49]
Varios estudios han demostrado que los enlaces de hidrógeno juegan un papel importante en la estabilidad entre subunidades en proteínas multiméricas. Por ejemplo, un estudio de la sorbitol deshidrogenasa mostró una importante red de enlaces de hidrógeno que estabiliza la estructura cuaternaria tetramérica dentro de la familia de proteínas sorbitol deshidrogenasa de los mamíferos. [50]
Un enlace de hidrógeno de la columna vertebral de una proteína que no está completamente protegido del ataque del agua es un deshidrono . Los deshidrones promueven la eliminación de agua a través de proteínas o unión a ligandos . La deshidratación exógena mejora la interacción electrostática entre los grupos amida y carbonilo al desproteger sus cargas parciales . Además, la deshidratación estabiliza el enlace de hidrógeno al desestabilizar el estado no enlazado que consiste en cargas aisladas deshidratadas . [51]
La lana , al ser una fibra proteica, se mantiene unida mediante enlaces de hidrógeno, lo que hace que la lana retroceda cuando se estira. Sin embargo, el lavado a altas temperaturas puede romper permanentemente los enlaces de hidrógeno y una prenda puede perder su forma permanentemente.
Las propiedades de muchos polímeros se ven afectadas por los enlaces de hidrógeno dentro y/o entre las cadenas. Ejemplos destacados incluyen la celulosa y sus fibras derivadas, como el algodón y el lino . En el nailon , los enlaces de hidrógeno entre el carbonilo y la amida NH unen eficazmente las cadenas adyacentes, lo que confiere al material resistencia mecánica. Los enlaces de hidrógeno también afectan a la fibra de aramida , donde los enlaces de hidrógeno estabilizan las cadenas lineales lateralmente. Los ejes de la cadena están alineados a lo largo del eje de la fibra, lo que hace que las fibras sean extremadamente rígidas y fuertes. Las redes de enlaces de hidrógeno hacen que ambos polímeros sean sensibles a los niveles de humedad en la atmósfera porque las moléculas de agua pueden difundirse hacia la superficie y alterar la red. Algunos polímeros son más sensibles que otros. Así, el nailon es más sensible que las aramidas y el nailon 6 es más sensible que el nailon 11 . [ cita necesaria ]
Un enlace de hidrógeno simétrico es un tipo especial de enlace de hidrógeno en el que el protón está espaciado exactamente a la mitad entre dos átomos idénticos. La fuerza del enlace con cada uno de esos átomos es igual. Es un ejemplo de enlace de tres centros y cuatro electrones . Este tipo de enlace es mucho más fuerte que un enlace de hidrógeno "normal". El orden de enlace efectivo es 0,5, por lo que su fuerza es comparable a la de un enlace covalente. Se ve en el hielo a alta presión y también en la fase sólida de muchos ácidos anhidros como el ácido fluorhídrico y el ácido fórmico a alta presión. También se ve en el ion bifluoruro [F···H···F] − . Debido a una severa restricción estérica, la forma protonada de Proton Sponge (1,8-bis(dimetilamino)naftaleno) y sus derivados también tienen enlaces de hidrógeno simétricos ( [N···H···N] + ), [52] aunque en el caso de la esponja de protones protonada, el conjunto está doblado. [53]
El enlace de hidrógeno se puede comparar con el enlace de dihidrógeno estrechamente relacionado , que también es una interacción de enlace intermolecular que involucra átomos de hidrógeno. Estas estructuras se conocen desde hace algún tiempo y están bien caracterizadas por cristalografía ; [54] sin embargo, aún no está clara la comprensión de su relación con el enlace de hidrógeno convencional, el enlace iónico y el enlace covalente . Generalmente, el enlace de hidrógeno se caracteriza por un aceptor de protones que es un par de electrones solitarios en átomos no metálicos (más notablemente en los grupos nitrógeno y calcógeno ). En algunos casos, estos aceptores de protones pueden ser enlaces pi o complejos metálicos . En el enlace de dihidrógeno, sin embargo, un hidruro metálico sirve como aceptor de protones, formando así una interacción hidrógeno-hidrógeno. La difracción de neutrones ha demostrado que la geometría molecular de estos complejos es similar a los enlaces de hidrógeno, en el sentido de que la longitud del enlace es muy adaptable al sistema complejo metálico/donante de hidrógeno. [54]
El enlace de hidrógeno es relevante para el diseño de fármacos. Según la regla de cinco de Lipinski, la mayoría de los fármacos activos por vía oral no tienen más de cinco donantes de enlaces de hidrógeno y menos de diez aceptores de enlaces de hidrógeno. Estas interacciones existen entre los centros nitrógeno - hidrógeno y oxígeno -hidrógeno. [55] Sin embargo, muchas drogas no obedecen estas "reglas". [56]
