LEGAME A IDROGENO!
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Il legame a idrogeno è un particolare tipo di legame dipolo-dipolo, che trova la sua massima
espressione nel caso delle molecole di acqua. Ha origine dalla differenza di elettronegatività tra
l’atomo di ossigeno (3,5) e l’atomo di idrogeno (2,1). L’ossigeno dell’acqua possiede una parziale
carica negativa, e i due idrogeni una parziale carica positiva. Per questo motivo, ogni atomo di
idrogeno è attratto dall’atomo di ossigeno di una molecola vicina, più in particolare da uno dei suoi
doppietti elettronici non condivisi. La forza attrattiva che si stabilisce tra l’idrogeno di una molecola
e l’ossigeno della molecola vicina è chiamata legame a idrogeno.!
Il legame a idrogeno non si forma soltanto tra molecole di acqua; infatti questo tipo di interazione si
viene a formare tra molecole nelle quali un atomo di H è legato, attraverso un legame covalente,
ad un atomo di piccole dimensioni e fortemente elettronegativo, che possieda almeno una coppia
elettronica libera. Gli unici casi importanti di legame a idrogeno si incontrano con gli atomi di azoto,
N, ossigeno, O, e fluoro, F (F, N e O). Si presenta nelle molecole contenenti raggruppamenti del
tipo: H — F; H — O; H —N; quindi esiste legame a idrogeno nell’acido fluoridrico (HF),
nell’ammoniaca (NH3) e nell’acqua (H2O).!
Questo tipo di legame viene considerato il legame più forte tra le forze intermolecolari: infatti la sua
energia è di 20-50 KJ/mol, ma è circa 10 volte più debole di un legame covalente. E’ in grado,
tuttavia, di influenzare nettamente le proprietà fisiche delle sostanze in cui è presente, in quanto al
loro interno si vengono a instaurare quantità considerevoli di queste interazioni.!
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Come già detto in precedenza, il legame a idrogeno si viene a formare quando uno o più atomi di
idrogeno sono legati in modo covalente ad un elemento più elettronegativo come fluoro, azoto o
ossigeno. In questo modo si crea un dipolo in cui l’atomo o gli atomi di idrogeno rappresentano la
parte positiva. Si parla di protonazione dell’atomo di idrogeno; ciò consente ad esso di legare un
altro atomo elettronegativo con un legame elettrostatico.!
Tuttavia, nonostante sia un’interazione elettrostatica, il legame a idrogeno è un legame direzionale,
nel senso che è più forte se l’idrogeno H è allineato con i due atomi elettronegativi.!
Il campo elettrostatico dell’atomo H protonizzato è reso abbastanza intenso dalle piccolissime
dimensioni di H, dalla presenza in esso di un solo elettrone e l’assenza di elettroni di schermo.
Questa intensità del campo elettrico di H protonizzato rende possibile la formazione di legami
elettrostatici con sensibile energia di legame; questo comportamento è caratteristico del solo
atomo di H. Atomi di dimensioni maggiori, anche se positivizzati con lo stesso meccanismo, non
danno luogo a legami di questo tipo a causa delle azioni di schermo degli elettroni sottostanti.!
L’atomo H protonizzato di una molecola, può legare con legame elettrostatico soltanto un altro
atomo, fortemente elettronegativo e che disponga di una coppia di elettroni di valenza libera, lone
pair; legato tale atomo, il piccolissimo atomo di H si trova imprigionato fra due atomi elettronegativi
di dimensioni assai maggiore delle sue, e non è possibile ad un terzo atomo avvicinarsi tanto
all’atomo H da poterne subire attrazione elettrostatica. !
Le sostanze costituite da molecole che formano legami a idrogeno possiedono punti di fusione e di
ebollizione più alti rispetto a quelli che si potrebbero prevedere in base al peso molecolare. Ad
esempio, se confrontiamo le temperature di ebollizione dei composti HF, HCl, HBr, HI, notiamo che
tale valore diminuisce costantemente al diminuire della massa molecolare, ad eccezione del floruro
di idrogeno HF. !
L’alta temperatura di ebollizione del cloruro di idrogeno HF è dovuta alla presenza del legame a
idrogeno: le molecole, per poter passare allo stato gassoso, devono rompere i forti legami a
idrogeno che le tengono unite e questo richiede una temperatura maggiore.!
Il legame a idrogeno spiega anche il motivo per cui la densità del ghiaccio è inferiore a quella
dell’acqua. Infatti, quando l’acqua congela, le molecole sono costrette a distanziarsi per formare la
struttura esagonale ordinata tipica del ghiaccio, meno densa della struttura disordinata tipica
dell’acqua allo stato liquido.!
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I legami a idrogeno hanno un ruolo fondamentale nel mantenimento della forma delle molecole
biologiche. La forma di una molecola proteica è governata in larga misura dai legami a idrogeno;
una volta che questi siano stati scissi, la delicata organizzazione della molecola smarrisce la
propria funzione. !
La forma delle proteine e degli acidi nucleici è ampiamente influenzata dai legami a idrogeno: per
esempio, il legame a idrogeno unisce anche le due catene del DNA. Infatti i legami a idrogeno fra
le basi azotate sono responsabili della struttura a doppia elica. Anche se l’energia necessaria per
rompere il singolo legame a idrogeno è piccola, in condizioni fisiologiche la struttura a doppia elica
è stabilizzata proprio dal numero elevatissimo di legami a idrogeno presenti.!
In ogni filamento della struttura a doppia elica, i legami a idrogeno si stabiliscono tra le loro basi
complementari. Il DNA si duplica poiché ogni base, adenina, A, timida, T, citosina, C, guanina, G,
ha un solo partner complementare con cui interagisce tramite legami a idrogeno: l’adenina si lega
alla timina, e la citosina alla guanina. I legami a idrogeno sono così specifici che ogni base si lega
solamente con la sua base complementare. Quando una cellula sta per dividersi, i legami a
idrogeno lungo la doppia elica del DNA si rompono, lasciando separati i due filamenti.!
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