Il legame a idrogeno è un legame intermolecolare che ha luogo quando in una molecola è presente un atomo di idrogeno legato a un elemento elettronegativo e di piccole dimensioni come F, O e N.
Il legame a idrogeno è il più forte dei cosiddetti legami secondari ed è responsabile dei punti di ebollizione delle molecole in cui esso si verifica. Quando l’idrogeno è legato a un atomo come l’ossigeno l’elevata differenza di elettronegatività tra i due elementi fa sì che gli elettroni di legame siano attratti dall’elemento più elettronegativo. Ciò comporta che il tipo di legame sia polare ovvero il baricentro delle cariche positive non coincide con il baricentro delle cariche negative. L’idrogeno ha quindi una parziale carica positiva δ+ e l’elemento più elettronegativo una parziale carica negativa δ–.
Quando queste molecole polari si avvicinano tra loro l’idrogeno sarà attratto dall’elemento più elettronegativo dell’altra molecola. Si ha la formazione di un legame cosiddetto a ponte di idrogeno. Questo tipo di legame è un particolare tipo di interazione dipolo-dipolo e può avvenire in molecole come HF, H2O e NH3.
Temperatura di ebollizione
L’evidenza della formazione di questo legame è data dalle temperature di ebollizione del fluoruro di idrogeno, acqua e ammoniaca.
Uno dei fattori che influenza la temperatura di ebollizione di un composto è la massa molecolare.
Se si considerano infatti le temperature di ebollizione dei composti formati da un elemento del Gruppo 14 e dall’idrogeno si verifica che, all’aumentare della massa molare del composto aumenta la temperatura di ebollizione e quindi CH4 ha la temperatura di ebollizione minore e SnH4 ha la temperatura di ebollizione maggiore.
Questo trend non si verifica invece per HF rispetto ai composti costituiti da idrogeno e gli altri alogeni. Infatti HF, nonostante sia il composto con la minor massa molare, ha la temperatura di ebollizione maggiore.
Analogo andamento di verifica per i composti costituiti dagli elementi del Gruppo 15 e del Gruppo 16 con l’idrogeno
Conseguenze
Per il fluoruro di idrogeno, l’acqua e l’ammoniaca è quindi evidente che esiste una forza intermolecolare attrattiva. Quindi è necessario vincerla prima che la sostanza bolla con un’elevata quantità di energia termica.
Il legame a idrogeno si manifesta anche in alcuni composti organici ovvero negli alcoli e nelle ammine primarie e secondarie. Un alcol infatti è caratterizzato dal gruppo funzionale –OH in cui si l’idrogeno assume quindi una parziale carica positiva δ+ e l’ossigeno una parziale carica negativa δ– . Invece nelle ammine primarie e secondarie è presente il gruppo –NH2 e –NH- rispettivamente e l’idrogeno assume quindi una parziale carica positiva δ+ e l’azoto una parziale carica negativa δ–.
Le temperature di ebollizione degli alcoli sono infatti maggiori rispetto a quelle degli eteri. L’etanolo CH3CH2OH ha una temperatura di ebollizione di 78.37°C mentre il dimetiletere CH3OCH3 isomero dell’etanolo in cui non è presente il legame a idrogeno ha una temperatura di ebollizione di – 24.8°C.
In alcune molecole complesse il legame a idrogeno può essere anche di tipo intermolecolare. Infatti esso è responsabile delle interazioni che sono alla base della struttura secondaria delle proteine (α elica e β foglietto). Questo livello di organizzazione è una conseguenza dei legami a idrogeno tra gli amminoacidi di una stessa catena, o tra gli amminoacidi di catene diverse. Il legame a idrogeno si instaura tra l’atomo di idrogeno legato all’azoto di ogni legame peptidico e l’ossigeno del gruppo –C=O del legame peptidico sovrastante.
Anche nel DNA che è costituito da una doppia elica ogni nucleotide è costituito da uno scheletro laterale, che ne permette il legame covalente con i nucleotidi adiacenti, e da una base azotata, che instaura legami a idrogeno con la corrispondente base azotata presente sul filamento opposto che stabilizzano la struttura.