Hidrojen bağı, bir elektronegatif atom ile başka bir elektronegatif atoma bağlı bir hidrojen atomu arasındaki çekici (dipol-dipol) etkileşim türü olarak tanımlanır. Bu bağda her zaman bir hidrojen atomu bulunur. Hidrojen bağları moleküller arasında veya tek bir molekülün içinde oluşabilir.
Hidrojen bağı van der Waals kuvvetlerinden daha güçlüdür ancak kovalent bağlardan veya iyonik bağlardan daha zayıftır. Hidrojen bağı OH arasında oluşan kovalent bağın gücünün yaklaşık 1/20’si (%5) kadardır.
Hidrojen Bağı Örnekleri
Hidrojen bağları, nükleik asitlerde baz çiftleri arasında ve su molekülleri arasında bulunur. Bu tür bir bağ farklı kloroform moleküllerinin hidrojen ve karbon atomları arasında, komşu amonyak moleküllerinin hidrojen ve nitrojen atomları arasında, polimer naylondaki tekrar eden alt birimler arasında ve asetil asetondaki hidrojen ile oksijen arasında oluşur. Birçok organik molekülde hidrojen bağları bulunur. Hidrojen bağı:
- Transkripsiyon faktörlerinin DNA’ya bağlanmasına yardımcı olur
- Antijen-antikor bağlanmasına yardımcı olur
- Polipeptitleri alfa sarmal ve beta levha gibi ikincil yapılarda düzenler
- İki DNA ipliğini bir arada tutar
- Transkripsiyon faktörlerini birbirine bağlar
Sudaki Hidrojen Bağı
Hidrojen ve diğer herhangi bir elektronegatif atom arasında hidrojen bağı oluşmasına rağmen, su içindeki bağlar en yaygın olanlardır. Atomun hidrojeni kendi molekülü ve komşu atomun oksijeni arasına girdiğinde, komşu su molekülleri arasında hidrojen bağları oluşur. Bunun nedeni hidrojen atomunun hem kendi oksijenine hem de yaklaşan diğer oksijen atomlarına çekilmesidir. Oksijen çekirdeğinde 8 proton vardır bu nedenle proton elektronları hidrojenden daha güçlü çeker. Komşu oksijen molekülleri hidrojen atomlarını diğer moleküllerden çekerek hidrojen bağı oluşumunun temelini oluşturur.
Su molekülleri arasında oluşan toplam hidrojen bağı sayısı 4’tür. Her su molekülü, oksijen ile moleküldeki iki hidrojen atomu arasında 2 hidrojen bağı oluşturabilir. Her hidrojen atomu ve yakınındaki oksijen atomları arasında ek olarak iki bağ oluşabilir.
Hidrojen bağının sonucu olarak su molekülü etrafında tetrahedron yapı oluşur, bu da kar taneleri gibi kristal bir yapıya benzemesine neden olur. Sıvı suda bitişik moleküller arasındaki mesafe daha büyüktür ve moleküllerin enerjisi hidrojen bağlarının çoğunlukla gerilip kırılmasına neden olacak kadar yüksektir. Hidrojen bağından dolayı sıvı suyun yapısı diğer sıvılardan çok daha düşük sıcaklıkta düzenlenir. Hidrojen bağı su moleküllerini bağların olmadığı durumdan yaklaşık %15 daha yakın tutar. Bağlar suyun ilginç ve olağandışı kimyasal özellikler göstermesinin en önemli nedenidir.
- Hidrojen bağları büyük su kütlelerinin yakınında aşırı sıcaklık değişimlerini azaltır.
- Hidrojen bağı hayvanların ter kullanarak kendilerini soğutmalarına izin verir çünkü su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarını kırmak için büyük miktarda ısı gerekir.
- Hidrojen bağı suyu diğer benzer boyutlu moleküllerden daha geniş bir sıcaklık aralığında sıvı halde tutar.
- Bağlanma suya çok yüksek bir buharlaşma ısısı verir bu da sıvı suyun su buharına dönüştürmesi için önemli miktarda termal enerji gerektiği anlamına gelir.
Ağır su içindeki hidrojen bağları, normal hidrojen kullanılarak yapılan sıradan sulardan daha güçlüdür. Toz haline getirilmiş sudaki hidrojen bağı daha da güçlüdür.
Hidrojen bağları moleküller arası (ayrı moleküller arasında meydana gelir) veya molekül içi (aynı molekülün parçaları arasında meydana gelir) olabilir. Bağı oluşturan verici ve alıcı atomların yapısına, geometrilerine ve ortamına bağlı olarak bir hidrojen bağının enerjisi 1 ile 40 kcal/mol arasında değişebilir. Bu enerji van der Waals etkileşiminden biraz daha güçlüdür fakat kovalent veya iyonik bağlardan daha zayıftır. Bu tür bir bağ su gibi inorganik moleküllerde veya DNA ve proteinler gibi organik moleküllerde oluşabilir.
Hidrojen bağı N, O ve F bileşiklerinin normalden farklı fiziksel ve kimyasal özellikler göstermesine neden olur. Özellikle moleküller arası hidrojen bağı diğer gruba kıyasla suyun kaynama noktasının (100°C) yüksek olmasına neden olur. Çok daha zayıf hidrojen bağlarına sahip hidritler molekül içi proteinlerin ve nükleik asitlerin ikincil ve üçüncül yapılarından kısmen sorumludur. Aynı zamanda hem sentetik hem de doğal polimerlerin yapısı için önemlidir.
Daha zayıf hidrojen bağları sülfür (S) veya klor (Cl) gibi elementlere bağlı hidrojen atomlarında bulunur.
Hidrojen bağlarının gücü (1-2 kJ/mol) zayıftan kuvvetliye değişebilmektedir. Buhar entalpi değerleri şunlardır;
- F − H ···: F (161,5 kJ / mol veya 38,6 kcal / mol), HF2 , biflorür
- O − H ···: N (29 kJ / mol veya 6,9 kcal / mol), su-amonyak
- O − H ···: O (21 kJ / mol veya 5.0 kcal / mol), su-su, alkol-alkol
- N − H ···: N (13 kJ / mol veya 3.1 kcal / mol), amonyak-amonyak
- N − H ···: O (8 kJ / mol veya 1,9 kcal / mol), su-amid
- HO − H ···: OH+3 (18 kJ / mol veya 4,3 kcal / mol)
Moleküller arası hidrojen bağlarının gücü genel olarak çözelti içinde olmak üzere verici ve/veya alıcı birimleri içeren moleküller arasındaki denge ölçümleri ile değerlendirilir. Molekül içi hidrojen bağlarının gücü, hidrojen bağları olan ve olmayan konformerler arasındaki denge ile incelenebilir. Hidrojen bağlarının karmaşık moleküllerde de tanımlanması için en önemli yöntem kristalografidir, bazen de NMR spektroskopisidir. Yapısal ayrıntılar hidrojen bağı konusunda bilgi verir. Elektron verici ve alıcı arasındaki van der Waals yarıçaplarının toplamından daha küçük mesafeler hidrojen bağının göstergesidir.
- 15 ile 40 kcal/mol, güçlü
- 5 ila 15 kcal / mol, orta
- 0 ila 5 kcal / mol, zayıf olarak kabul edilir.
ÖNEMLİ NOT: X − H mesafesi genel olarak -110 pm
H ··· Y mesafesi -160 ila 200 pm’dir.
Sudaki bir hidrojen bağının uzunluğu 197 pm’dir. İdeal bağ açısı, hidrojen bağ vericisinin yapısına bağlıdır. Bir hidroflorik asit vericisi ile çeşitli alıcılar arasındaki hidrojen bağı açıları deneysel olarak şu şekilde belirlenmiştir.
| Alıcı ··· verici | VSEPR geometrisi | Açı (°) |
| HCN ··· HF | doğrusal | 180 |
| H2CO ··· HF | üçgensel düzlem | 120 |
| H2O ··· HF | piramidal | 46 |
| H2S ··· HF | piramidal | 89 |
| SO2 ··· HF | üç köşeli | 142 |
Hidrojen bağı, üç boyutlu yapıların ve birçok sentetik ve doğal proteinin özelliklerin belirlenmesinde önemli bir rol oynar. Çoğu polimeri içeren CC, CO ve CN bağlarına kıyasla, hidrojen bağları çok daha zayıftır. Hidrojen bağları polimerin temel yapısını korur, kimyasal veya mekanik yollarla kırılabilir.
- Bağ güçleri hiyerarşisi;
Kovalent bağ > Hidrojen bağı > Van der Waals kuvvetleri
Hazırlayan: Rabiye Baştürk
