ما المقصود بالروابط الهيدروجينية

في الكيمياء هناك ما يعرف باسم الروابط الكيميائية، وهي عبارة عن القوى التي تربط الذرات ببعضها البعض من أجل تكوين مركبات كيميائية أو جزيئات، كما وتشمل الروابط الكيميائية هذه الروابط الروابط التساهمية والروابط الهيدروجينية، والروابط الأيونية وغيرها، وتشترك الذرات التي تحتوي على كهروميكانيكية متشابهة نسبيًا في الإلكترونات، فيما بينها وترتبط بواسطة روابط تساهمية، وهناك روابط تكون (intramolecular forces) وذلك يشير إلى التفاعلات داخل الجزيء، وهناك روابط (intermolecular forces) تشير إلى التفاعلات بين جزيئين أو أكثر.

الروابط الهيدروجينية

الرابطة الهيدروجينية هي عبارة عن أحدى الروابط الكيميائية، وهي تكون كقوة بين الجزيئات (IMF) وهي تشكل نوعًا خاصًا من التجاذب ثنائي القطب، عندما توجد ذرة هيدروجين مرتبطة بذرة كهربية قوية بالقرب من ذرة كهربية أخرى مع زوج واحد من الإلكترونات، حيث تظهر القوى بين الجزيئات (IMFs)، وتشمل الأمثلة الأخرى التفاعلات العادية ثنائية القطب وقوى التشتت، كما وتكون الروابط الهيدروجينية بشكل عام أقوى من قوى التشتت وثنائي القطب العادية ولكنها تكون أضعف من الروابط التساهمية والأيونية الحقيقية.

بالنسبة لما يعرف بالترابط الهيدروجيني هو عبارة عن تفاعل فيه ذرة هيدروجين تكون متواجدة بين زوج من الذرات الأخرى التي يكون لها انجذاب كبير للإلكترونات، وهذا النوع من الروابط يكون أضعف من الرابطة الأيونية أو الرابطة التساهمية ولكنها أقوى من قوى فان دير فال أو ما يعرف بقوى لندن.

من الممكن أن تتواجد الروابط الهيدروجينية بين الذرات في جزيئات مختلفة أو حتى في أجزاء من نفس الجزيء، حيث يكون هناك ذرة واحدة من الزوج (المتبرع) وهي عمومًا تكون إما ذرة فلور أو ذرة نيتروجين أو ذرة أكسجين مرتبطة تساهميًا بذرة من الهيدروجين كالتالي: (―FH ، ―NH ، أو ―OH)، إذ تشترك إلكتروناتها بشكل غير متساوي، كما ويتسبب التقارب العالي للإلكترون في أن يأخذ الهيدروجين شحنة موجبة طفيفة.

كما وتحتوي الذرة الأخرى للزوج عادةً أيضًا مثل F أو N أو O على زوج إلكترون غير مشترك أو غير رابط، مما يعطيها شحنة سالبة طفيفة، كما أنه بشكل أساسي من خلال الجذب الكهروستاتيكي تتقاسم الذرة المانحة هيدروجينها مع ذرة المستقبل وتشكل رابطة.

نظرًا لارتباط الماء (H2O) الهيدروجيني الواسع يكون سائلًا على نطاق أكبر بكثير من درجات الحرارة المتوقعة لجزيء بحجمه، حيث يعد الماء أيضًا مذيبًا جيدًا للمركبات الأيونية والعديد من المركبات الأخرى؛ وذلك لأنه يشكل بسهولة روابط هيدروجينية مع المذاب.

تحدد الرابطة الهيدروجينية بين الأحماض الأمينية في جزيء البروتين الخطي الطريقة التي تطوي بها في تكوينها الوظيفي،  والروابط الهيدروجينية بين القواعد النيتروجينية في النيوكليوتيدات على خيطين من الحمض النووي DNA (أزواج الجوانين مع السيتوزين والأدينين مع الثايمين) تؤدي إلى بنية الحلزون المزدوج التي تعتبر حاسمة في نقل المعلومات الجينية.

تعد الروابط الهيدروجينية عبارة عن قوى قوية بين الجزيئات تنشأ عندما تقترب ذرة الهيدروجين المرتبطة بذرة كهربية من ذرة كهربية قريبة، حيث ستؤدي القدرة الكهربية الأكبر لمستقبل رابطة الهيدروجين إلى زيادة قوة رابطة الهيدروجين، كما وتعتبر الرابطة الهيدروجينية واحدة من أقوى عوامل الجذب بين الجزيئات، ومسؤولة عن تجميع الحمض النووي والبروتينات والجزيئات الكبيرة الأخرى.

مانح الرابطة الهيدروجينية

أما المقصود بمانح رابطة الهيدروجين: فهو عبارة عن ذرة الهيدروجين التي تكون مرتبطة بها ذرة كهربية نسبيًا فذرة الهيدروجين تكون مانح رابطة الهيدروجين، حيث أنه عادة ما تكون هذه الذرة الكهربية عبارة عن إما الفلور أو الأكسجين أو النيتروجين، إذ تجذب الذرة الكهربية سحابة الإلكترون من حول نواة الهيدروجين وتترك ذرة الهيدروجين بشحنة جزئية موجبة عن طريق لامركزية السحابة.

ونظرًا لصغر حجم الهيدروجين بالنسبة للذرات والجزيئات الأخرى، فإن الشحنة الناتجة وإن كانت جزئية فقط فإنها تكون أقوى، وفي جزيء الإيثانول توجد ذرة هيدروجين واحدة مرتبطة بذرة أكسجين وهي ذو كهروسلبية للغاية، في هذه الحالة تكون ذرة الهيدروجين هي مانح الرابطة الهيدروجينية.

مستقبل الرابطة الهيدروجينية

كما تحدثنا قبل قليل تنتج الرابطة الهيدروجينية عندما تجذب هذه الشحنة الموجبة الجزئية القوية زوجًا وحيدًا من الإلكترونات على ذرة أخرى، والتي تصبح مستقبل الرابطة الهيدروجينية في تلك الحالة، وتعتبر الذرة الكهربية مثل الفلور أو الأكسجين أو النيتروجين مستقبلًا لرابطة الهيدروجين بغض النظر عما إذا كانت مرتبطة بذرة هيدروجين أم لا، كما ستنشئ القدرة الكهربية الأكبر لمقبول الرابطة الهيدروجينية رابطة هيدروجينية أقوى، إذ يحتوي جزيء ثنائي إيثيل إيثر على ذرة أكسجين غير مرتبطة بذرة هيدروجين مما يجعلها مستقبلًا محتملاً لرابطة الهيدروجين.

والآن من أجل توضيح كلا من المتبرع أو المانح لرابطة الهيدروجين ومستقبل الرابطة الهيدروجينية تم طرح التالي: يحتوي مركب الإيثانول على ذرة الهيدروجين والتي تعتبر مانحًا لرابطة الهيدروجين، لماذا؟ ذلك لأنه مرتبط بذرة أكسجين ذو الكهرسلبية العالية، وبالتالي فإن ذرة الهيدروجين تمتلك الشحنة الموجبة الجزيئية، كما ويحتوي إيثيل إيثر على ذرة أكسجين تعتبر مستقبلًا لرابطة الهيدروجين، لماذا؟ وذلك لأنها غير مرتبطة بذرة هيدروجين وبالتالي فهي تمتلك شحنة جزيئية سالبة، وهكذا بالنسبة لبقية المركبات الكيميائية.

معلومات عامة عن الرابطة الهيدروجينية وتطبيقاتها

من الممكن أن يشارك عنصر الهيدروجين المرتبط بالكربون أيضًا في الرابطة الهيدروجينية وذلك عندما ترتبط ذرة الكربون بالذرات الكهروسلبية كما هو الحال في مركب الكلوروفورم (CHCl3)، وكما هو الحال في الجزيء حيث يرتبط الهيدروجين بالنيتروجين أو الأكسجين أو الفلور، فإن الذرة ذات الكهروسلبية تجذب سحابة الإلكترون من حول نواة الهيدروجين وتترك ذرة الهيدروجين بشحنة جزئية موجبة عن طريق اللامركزية.

ارتباط الهيدروجين، غالبا تظهر الروابط الهيدروجينية بخطوط منقطة عندما يتم إظهار الرسوم الجزئية والنموذج الكيميائي الأولي، وهنالك تطبيقات عدة نشاهدها في حياتنا ناتجة عن الروابط الهيدروجينة، حيث تظهر هذه الروابط في الجزيئات غير العضوية مثل جزيء الماء والجزيئات العضوية مثل الحمض النووي والبروتينات، حيث يتم ربط الخيوط التكميلية للحمض النووي معًا بواسطة روابط هيدروجينية بين النيوكليوتيدات التكميلية (A & T ، C & G)، كما وتساهم الرابطة الهيدروجينية في الماء في خصائصه الفريدة والمتنوعة بما في ذلك نقطة الغليان العالية (100 درجة مئوية) بالإضافة إلى التوتر السطحي.

في علم الكيمياء مثلا قطرات الماء على الورقة: فالروابط الهيدروجينية المتكونة بين جزيئات الماء في قطرات الماء تكون أقوى من القوى الجزيئية الأخرى بين جزيئات الماء والورقة، مما يساهم في ارتفاع التوتر السطحي وقطرات الماء المميزة، كما أنه عندما يتم وضع الأبرة على سطح الماء تطفو، وذلك أيضا بسبب الروابط، أما في علم الأحياء تعتبر الرابطة الهيدروجينية داخل الجزيئات مسؤولة جزئيًا عن الهياكل الثانوية والثالثية والرباعية للبروتينات والأحماض النووية، كما وتساعد الروابط الهيدروجينية البروتينات والأحماض النووية على تكوين أشكال معينة والحفاظ عليها.