Wasserstoff-Brückenbindung
Die Wasserstoff-Brückenbindung ist die wichtigste schwache Wechselwirkung.
Eine Wasserstoff-Brücke entsteht, wenn sich ein partiell positiv geladenes Wasserstoff-Atom in einem bestimmten Abstand zwischen zwei elektronegativen Atomen wie Fluor, Sauerstoff oder Stickstoff befindet. Die Anziehungskraft zwischen Wasserstoff-Atom und Akzeptoratom ist eine elektrostatische Dipol-Dipol-Wechselwirkung und unterliegt dem Coulomb-Gesetz.
Die Voraussetzungen für die Bildung einer Wasserstoff-Brücke sind ein oder mehrere freie Elektronenpaare beim Wasserstoff-Akzeptoratom und eine Positivierung des Wasserstoff-Atoms durch das elektronegative Wasserstoff-Donoratom.
Strukturelle Eigenschaften eines über eine Wasserstoff-Brücke gebundenen Komplexes X-H...Y
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Die Länge der Wasserstoff-Brücke H...Y ist deutlich geringer als die Summe der Van-der-Waals-Radien der beiden verbundenen Atome. Die typischen Längen (X-H...Y) von Wasserstoff-Brücken variieren von O-H...O: 0,263 nm bis N-H...O: 0,304 nm.
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Die Stärke der Wasserstoff-Brücke ist richtungsabhängig und dann groß, wenn alle Bindungspartner auf einer Geraden liegen. Tatsächlich finden sich für O-H...O- - Brücken typische Winkel von 167 ± 20° und für O-H...N-Brücken 161 ± 20°.
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Der Gleichgewichtskernabstand (X-H) wird gegenüber dem freien Molekül vergrößert und die Elektronendichte am Brücken-Wasserstoff-Atom reduziert.
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Die Dissoziationsenergien liegen zwischen 1 und 50 kJ/mol. Wasser: 15,0 kJ/mol.
Stärke von Wasserstoff-Brücken
Je nach der Elektronegativität der beteiligten Atome können Wasserstoff-Brücken in schwache und starke Wasserstoff-Brücken eingeteilt werden.
Die meisten Wasserstoff-Brücken sind High-barrier H-Brücken (HBHB). Das H-Atom ist hier stärker an das Donoratom gebunden als an das Akzeptoratom.
Hingegen liegt bei den Low-barrier H-Brücken (LBHB) das Wasserstoff-Atom gleichermaßen zwischen den beiden Atomen verteilt vor. Diese Brücken sind daher symmetrisch aufgebaut, haben einen Winkel von 180° und sind sehr stark.
Das Lösungsmittel spielt bei der Wasserstoff-Brückenbindung eine wichtige Rolle. Im Wasser verringert sich die Stärke der Wasserstoff-Brücken, da hier das Lösungsmittel mit dem Akzeptor um das Wasserstoff-Atom konkurriert. Auch eine Gabelung wie z.B. bei den Nucleobasen ist möglich, bei der ein Wasserstoff-Atom mit mehreren Akzeptoratomen wechselwirkt. Jede dieser H-Brücken ist dann entsprechend schwächer.
Wasserstoff-Brücken in Molekülen oder Molekülverbänden
Wasserstoff-Brücken können entweder zwischen einzelnen Molekülen - intermolekular - oder innerhalb eines Moleküls - intramolekular - vorliegen.
