Không biết có ai hứng thú với cái liên kết Hidro không nhưng mình cũng cố gắng bồi thêm một bài nữa, hi vọng sẽ có phản hồi.
Liên kết hiđro
- Tầm quan trọng liên kết hiđro
Từ rất sớm những nhà hóa học đã tập trung vào việc nghiên cứu nguyên tử và những liên kết nguyên tử-nguyên tử. Mô hình này rất thành công trong việc tạo ra những phân tử mới với cấu trúc, thuộc tính vật lý và hóa học mới. Tuy nhiên, cách đây vài chục năm, tương tác giữa những phân tử (còn gọi tương tác không cộng hóa trị) lại trở thành vấn đề chính, đặc biệt tương tác mang lại những tập hợp phân tử phức tạp có những thuộc tính vĩ mô độc đáo và lý thú. Từ đó đã sinh ra khoa học hóa học liên ngành như hóa học siêu phân tử và thiết kế tinh thể . Các loại tương tác không cộng hóa trị gồm: tương tác ion-ion, tương tác ion-lưỡng cực, tương tác lưỡng cực-lưỡng cực, tương tác van der Waals, tương tác vỏ đóng, tương tác cation-π, tương tác anion-π, tương tác “chụm” π-π, liên kết hiđro, liên kết đihiđro. Tầm quan trọng của tương tác không cộng hóa trị thể hiện trong việc hiểu cấu trúc hữu cơ, vô cơ, phân tử sinh học, tập hợp siêu phân tử, quá trình kết tinh, độ chọn lọc phản ứng và tương tác trong các phân tử thuốc. Dựa vào những lực tương tác này, không chỉ thiết kế về mặt hóa học mà còn thực hiện được về mặt thí nghiệm những vật liệu kích cỡ nano có hoạt tính mới, hiểu tường tận hơn sự hình thành “đám” trong phân tử. Trong số các tương tác không cộng hóa trị thì liên kết hiđro là tương tác tiêu biểu nhất cả trong hóa học và sinh học. Cụ thể, khoảng cách liên kết hiđro ngắn nhất và thuộc loại bền nhất trong các loại tương tác hút giữa hai phân tử tham gia tương tác. Liên kết hiđro có ảnh hưởng lớn nhất trong số những lực hút giữ những phân tử với nhau bởi vì sự định hướng trước và năng lượng liên kết tương đối thấp của nó. Liên kết hiđro được tìm thấy trong pha rắn, pha lỏng, pha khí và thường điều khiển trạng thái tập hợp của hợp chất hóa học. Vì thế, liên kết này cực kỳ quan trọng trong tổng hợp siêu phân tử không cộng hóa trị và thiết kế tinh thể . Vai trò của liên kết hiđro còn được thừa nhận trong việc điều chỉnh độ hoạt động của những nhóm nguyên tử, làm bền hóa cấu tạo của những phân tử vĩ mô sinh học phức tạp, gia tăng độ bền của chất nền với những phân tử sinh học khác và đóng vai trò quan trọng trong những phản ứng chuyển proton (tương tác định hướng). Tương tác hiđro khá quan trọng đối với cấu trúc và chức năng của phân tử sinh học. Ngành sinh học cấu trúc được mở ra nhờ vào việc phát hiện liên kết hiđro trong những cấu trúc xoắn ốc alpha, bảng beta của protein và những cặp ADN, ARN. Liên kết hiđro là nguyên nhân chính cho quá trình gắn kết giữa ADN và phối tử, là nhân tố quan trọng trong việc làm bền chuỗi xoắn đôi ADN và nghiên cứu quá trình này sẽ giúp ích cho việc thiết kế những phân tử thuốc mới. Tóm lại, liên kết hiđro xác định cấu trúc phân tử nhỏ, những đại phân tử sinh học, thuộc tính của chất lỏng, định hướng hình thành tinh thể phân tử, có vai trò quan trọng trong ADN, ARN, protein. Những tinh thể liên kết hiđro yếu và linh động về mặt năng lượng nên dễ hình thành và bị cắt đứt, đây là thuận lợi chính của tinh thể liên kết hiđro. Do vậy, nó được coi như có chức năng “kép” trong sinh học.
2. Khái niệm và phân loại liên kết hiđro
Liên kết hiđro là một trong những khái niệm lâu đời nhất của hóa học và hiện nay rất lí thú do xuất hiện những phương pháp lý thuyết và thực nghiệm mới, trong đó có cách tiếp cận mới thông qua hóa học tính toán. Khái niệm liên kết hiđro được phát triển từ liên kết hiđro cổ điển đến liên kết hiđro không cổ điển. Trên cơ sở của dữ liệu thực nghiệm và lý thuyết, với những cách tiếp cận mới, bản chất của phần tử cho proton và nhận proton trong khái niệm liên kết hiđro cổ điển nên được định nghĩa lại. Khái niệm liên kết hiđro cổ điển được đưa ra bởi Pauling (1931):
“Liên kết hiđro A-H∙∙∙B là một loại tương tác không cộng hóa trị giữa nguyên tử H thiếu hụt electron với một vùng có mật độ electron cao, trong đó A là nguyên tử có độ âm điện cao và B là vùng dư electron như ion âm hoặc nguyên tử có đôi electron riêng”.
Tuy nhiên, những kết quả lý thuyết và thực nghiệm phát hiện rằng, thậm chí liên kết C-H, Si-H, N-H, P-H, S-H,… vẫn có mặt trong liên kết hiđro và electron pi hoặc electron không cặp đôi cũng có thể đóng vai trò như phần tử nhận proton trong việc làm bền tương tác hiđro yếu trong nhiều hệ hóa học. Vì thế, để tổng quát hơn, chúng tôi bước đầu đề nghị khái niệm liên kết hiđro.
Sự phân loại liên kết hiđro theo các cơ sở sau:
Dựa vào năng lượng liên kết:
Năng lượng bền hóa của liên kết hiđro cổ điển phụ thuộc vào độ phân cực của liên kết A-H trong phần tử cho proton và độ bazơ phần tử nhận proton B, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ phân cực của môi trường, nhiệt độ, áp suất. Về mặt lý thuyết, liên kết hiđro không phải là một tương tác đơn giản. Năng lượng bền hóa được đóng góp từ tương tác tĩnh điện, ảnh hưởng phân cực, tương tác van der Waals và cộng hóa trị. Trong đó, liên kết hiđro được làm bền chủ yếu do tương tác tĩnh điện và một phần do tương tác cộng hóa trị. Nhìn chung, độ bền liên kết hiđro được chia làm ba mức độ: yếu, trung bình và mạnh. Mỗi nhóm tác giả khác nhau đưa ra khoảng trị số năng lượng khác nhau cho sự phân loại ba mức. Cụ thể:
Liên kết hiđro được gọi là yếu khi năng lượng liên kết trong khoảng 10-50 kJ.mol-1, mạnh khi nó trong khoảng 50-100 kJ.mol-1 và rất mạnh khi năng lượng lớn hơn 100 kJ.mol-1 . Sự phân loại theo Hibbert và Emsley này dường như không hợp lý. Sau đó, Desiraju và cộng sự đã đề nghị sự phân loại liên kết hiđro như sau: độ bền của liên kết hiđro mạnh có năng lượng liên kết trong khoảng 62-165 kJ.mol-1; đối với liên kết hiđro yếu và trung bình, năng lượng liên kết trong khoảng 4-16 kJ.mol-1 và 16-62 kJ.mol-1 tương ứng. Alkorta và cộng sự cũng phân loại độ bền liên kết hiđro, và cho rằng năng lượng liên kết thấp hơn 21 kJ.mol-1 được coi là yếu, khoảng 21-42 kJ.mol-1 là trung bình và lớn hơn 42 kJ.mol-1 được coi là mạnh và rất mạnh. Sự phân loại này có lẽ hợp lý hơn trong ba sự phân loại trên.
Dựa vào hình học liên kết:
Xét về mặt hình học, liên kết hiđro cổ điển có thể được phân thành 2 loại: không chia nhánh và chia nhánh . Độ bền liên kết hiđro phụ thuộc vào độ dài và góc liên kết hiđro, vì thế nó có tính định hướng. Tuy nhiên, sự lệch nhỏ khỏi tuyến tính (nhỏ hơn 200) có ít ảnh hưởng lên độ bền liên kết hiđro. Ngược lại, độ bền của liên kết hiđro phụ thuộc mạnh vào độ dài liên kết hiđro (tỉ lệ nghịch). Tính toán hóa học lượng tử cho thấy tương tác tĩnh điện giảm 10% nếu hình học của A-H∙∙∙B lệch khỏi tuyến tính khoảng 200. Sự lệch đáng kể khỏi tuyến tính trong trường hợp liên kết hiđro “chia nhánh” với một phần tử cho proton và hai nhóm nhận proton. Ngoài ra, liên kết hiđro còn có thể được phân thành 2 loại: liên kết hiđro nội phân tử và liên kết hiđro ngoại phân tử. Liên kết hiđro nội phân tử là liên kết hiđro được hình thành trong cùng một phân tử, ngược lại liên kết hiđro được hình thành do ít nhất hai phân tử tương tác với nhau được gọi là liên kết hiđro ngoại phân tử.
Dựa vào bản chất liên kết hiđro
Nếu dựa vào những thuộc tính đặc trưng của liên kết hiđro, ta có thể chia liên kết hiđro thành hai loại: liên kết hiđro cổ điển hoặc chuyển dời đỏ và liên kết hiđro không cổ điển hoặc chuyển dời xanh.
3. Liên kết hiđro chuyển dời đỏ và liên kết hiđro chuyển dời xanh
Năng lượng liên kết hiđro có thể được tách thành các hợp phần năng lượng riêng lẻ khác nhau nhờ vào tính toán hóa học lượng tử hiện đại. Những số hạng này nhận được từ phân tách năng lượng được đề nghị bởi Kitaura và Mokomura theo thuyết SAPT. Những đóng góp riêng gắn với các hiệu ứng vật lý như sự đẩy, tương tác tĩnh điện, phân cực, chuyển điện tích. Trong đó, hợp phần hút tĩnh điện chiếm ưu thế trong năng lượng tổng của liên kết hiđro. Do vậy, sự hình thành liên kết hiđro A-H∙∙∙B đồng hành với việc làm yếu liên kết A-H, làm giảm tần số dao động hóa trị và tăng cường độ hồng ngoại tương ứng khi phức hình thành so với monome. Đặc trưng này được gọi là sự chuyển dời đỏ của tần số dao động hóa trị và là đặc trưng quan trọng nhất của tương tác hiđro cổ điển. Khi hình thành phức mật độ electron được chuyển từ phần tử nhận proton đến obitan σ*(A-H) của phần tử cho proton, kết quả liên kết A-H trở nên yếu đi (kéo dài) và tần số dao động hóa trị giảm. Như vậy, đối với liên kết hiđro cổ điển có 5 đặc trưng tiêu biểu: (a) khá bền, (b) liên kết A-H tham gia trong liên kết hiđro yếu đi và độ bền của nó liên quan đến độ bền liên kết hiđro, (c) mật độ electron khoảng 0,01-0,03 e được chuyển từ phần tử nhận proton B đến phần tử cho proton có chứa liên kết A-H, (d) tần số dao động hóa trị của liên kết A-H giảm, cường độ hồng ngoại tương ứng tăng khi phức hình thành và có tương quan với sự thay đổi độ dài liên kết A-H, (e) bản chất của liên kết được giải thích dựa trên 2 mô hình: tĩnh điện (electrostatic model) và chuyển điện tích (charge transfer), trong đó mô hình tĩnh điện chiếm ưu thế.
Tuy nhiên, nhiều trường hợp liên kết hiđro được phát hiện có những thuộc tính đặc trưng trái ngược, ở đó liên kết A-H bị rút ngắn, tần số dao động hóa trị của nó cao hơn so với trong monome khi liên kết hiđro hình thành. Kiểu liên kết hiđro này được gọi là liên kết hiđro chuyển dời xanh. Hiện nay có khoảng 5 mô hình chính và mỗi mô hình đều có những ưu nhược điểm riêng trong việc giải thích bản chất liên kết hiđro chuyển dời xanh. Nội dung cơ bản và vắn tắt của các mô hình đã được đề cập trong phần mở đầu. Trong tất cả các mô hình đó vẫn chưa có mô hình nào hợp lý, tổng quát cho việc giải thích bản chất liên kết hiđro và đặc biệt sự khác nhau giữa liên kết hiđro chuyển dời xanh và liên kết hiđro chuyển dời đỏ.
Cả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đều hướng câu trả lời vào câu hỏi chính: hai loại liên kết hiđro có bản chất khác nhau không, nếu có thì chúng khác nhau thế nào ?. Như chúng ta đã đề cập, bản chất của liên kết hiđro chuyển dời xanh vẫn chưa được hiểu chặt chẽ và tổng quát. Những nhóm nghiên cứu khác nhau đưa ra các chỉ số riêng và một vài đặc trưng tiêu biểu để hiểu về việc phân loại liên kết hiđro thuộc loại chuyển dời xanh hay đỏ. Duới đây là khái niệm cơ bản của các chỉ số:
• Chỉ số chuyển mật độ electron (EDT), là số electron chuyển từ phần tử nhận proton đến phần tử cho proton;
• Chỉ số hiđro (HI), là trị tuyệt đối của tỉ số giữa số electron chuyển đến σ*(A-H) và EDT;
• Chỉ số năng lượng (RE) của liên kết hiđro L-A-H∙∙∙B được định nghĩa như sau:
;
ký hiệu năng lượng tương tác siêu liên hợp ngoại phân tử; và kí hiệu năng lượng siêu liên hợp nội phân tử trong monome ban đầu và monome khi đã hình thành phức liên kết hiđro tương ứng. Năng lượng tương tác siêu liên hợp được tính theo thuyết nhiễu loạn bậc 2:
Trong đó, Fij là ma trận Fock giữa những NBO thứ i và thứ j; và là năng lượng của những NBO σ và σ*; nσ là sự chiếm của obitan riêng.
• Ngoài ra, cơ sở để hiểu liên kết hiđro còn được dựa vào đại lượng đạo hàm mômen lưỡng cực của phân tử cho proton theo tọa độ A-H ( 
).
N.T.T