09-10-2013 Medjumolekulske interakcije

MEĐUMOLEKULSKE INTERAKCIJE

Međumolekulske interakcije (intermolekulske veze) Interakcije (veze) između individualnih čestica (molekuli, joni) • elektrostatičke prirode • svi oblici veza u kojima učestvuju molekuli: jon – molekul interakcije molekul – molekul interakcije

Cilj Objasniti : interakcije između polarnih čestica (joni, polarni molekuli)

Međumolekulske interakcije utiču na fizičke osobine: • agregatno stanje: H2S (g) H2O (l) • temperature topljenja i ključanja • rastvorljivost . . .

interakcije između polarnih i nepolarnih molekula interakcije između nepolarnih molekula vodoničnu vezu

Jačina veza Intramolekulske veze (kovalentna i jonska): 150-1100 kJ/mol Intermolekulske veze (međumolekulske):

1-50 kJ/mol

9-10-2013 1

2

JON (pozitivno ili negativno naelektrisana čestica)

TIPOVI MEĐUMOLEKULSKIH INTERAKCIJA

+

─

MOLEKUL (kao celina je elektroneutralan) jon

-

dipol δ-

+ 2.

dipol δ-

δ+

δ+ dipol

δ-

δ+

(uključuje i vodoničnu vezu)

3.

dipol

4.

δ+

δ−

δ+

indukovani dipol - indukovani dipol δ−

δ+

δ−

δ+

Disperzione sile

δ-

- indukovani dipol

Van der Valsove veze međumolekulske veze izuzev onih koje uključuju jone

1.

3

POLARAN MOLEKUL δ- δ+ Centri pozitivnog i negativnog naelektrisanja se ne poklapaju Naziva se: dipolan molekul, dipol, permanentni dipol Merilo polarnosti molekula: dipolni momenat NEPOLARAN MOLEKUL Centri pozitivnog i negativnog naelektrisanja se poklapaju

? INDUKOVANI DIPOL Dipol koji pod određenim uslovima nastaje iz nepolarnog molekula

δ−

δ+ 4

1.

PRIMER jon-dipol interakcije: Hidratacija jona

JON – DIPOL INTERAKCIJE

Hidratacija - okruživanje neke čestice polarnim molekulima vode Ostvaruju se između jona i polarnih molekula Na+

δ-

+

δ+

H2O

Cl-

Jače su od ostalih međumolekulskih interakcija

5

2.

Rastvaranje NaCl u vodi

3.

DIPOL - DIPOL INTERAKCIJE

6

DIPOL - INDUKOVANI DIPOL INTERAKCIJE

Interakcije između polarnih i nepolarnih molekula

Interakcije između polarnih molekula (dipola) Pod uticajem elektrostatičkog polja permanentnog dipola u nepolarnom molekulu može doći do polarizacije, tj. deformacije elektronskog oblaka i nastanka indukovanog dipola

)) ))

))

))

)

(

(

( ((

((

δ-

(((

(((

δ+

)) ))

δ+

((

( ) ))

δ-

(

δ+

(((

)))

δ-

))) (((

odbojne sile

((( )))

privlačne sile

(((

(

δ+ dipol

)))

) ( (((

)) δ+ ) ) ) ) )

)))) (((( (( ((

))) ((( (

δ-

)))

δ-

)

δ+

δ- )

))

((

δ+

((

δ-

)) ((

((

δ+

δ-

δRastojanje između molekula je regulisano postojanjem privlačnih i odbojnih sila 7

δ+ dipol

nepolaran molekul

δ−

δ+

indukovani dipol

Interakcije (privlačne sile) u koje su uključeni indukovani dipoli nazivaju se disperzione sile → deluju na malim rastojanjima

8

PRIMER dipol - indukovani dipol interakcije: Rastvaranje O2 u vodi Polarizacija molekula: deformisanje elektronskog oblaka Polarizabilniji molekuli (lakše se polarizuju) :

Polarni molekuli H2O ↓ Deformacija elektronskog oblaka O2 (polarizacija nepolarnog molekula O2)

• koji imaju difuzniji elektronski omotač • koji sadrže veći broj elektrona

Obrazovanje slabih veza dipol - indukovani dipol

Veći molekuli (veće mase) se lakše polarizuje Mali kompaktni molekuli teško se polarizuju

H

δ+ H

H O

δ− dipol

δ+

O2

O

δ−

H nepolaran molekul

dipol

O O22 δ+

δ−

indukovani dipol

9

10

4. INDUKOVANI DIPOL – INDUKOVANI DIPOL INTERAKCIJE

Pitanje: Koji gas je rastvorljiviji u vodi H2 ili O2 ?

LONDONOVE SILE

Odgovor: O2

Interakcije između nepolarnih molekula U nepolaranom molekulu elektronski oblak je simetrično raspoređen (statistički)

Molekul H2O: polaran Molekuli H2 i O2: nepolarni Vrsta interakcija voda-gas: dipol – indukovani dipol U jednom trenutku, zbog jezgra atoma koje se nalaze u stanju stalnog vibriranja i elektrona koji su u stanju neprekidnog kretanja, dolazi do nesimetrične preraspodele naelektrisanja i nastanka PRIVREMENOG (TRENUTNOG) DIPOLA

Rastvorljiviji je gas koji sa H2O uspostavlja jače međumolekulske veze → jače veze sa H2O uspostavlja gas koji se lakše polarizuje

δ−

→ lakše se polarizuje veći molekul, a to je O2

δ+

TRENUTNI DIPOL

Mr : H2 = 2, O2 = 32 Ako se u blizini trenutnog dipola nađe drugi nepolaran molekul, trenutni dipol u njemu indukuje dipol i dolazi do indukovani dipol – indukovani dipol interakcija 11

12

PRIMER ind. dipol – ind. dipol interakcije: δ−

δ+

δ−

δ+

δ−

Različito agregatno stanje halogenih elemenata

δ+

Šta znamo o halogenim elementima ? nepolaran molekul 1

trenutni dipol 1

nepolaran molekul 2

ind. dipol - ind. dipol interakcija

Nalaze se u obliku dvoatomnih molekula: F2 , Cl2 , Br2, I2 - veza između atoma u molekulu je kovalentno-nepolarna - molekuli nepolarni F2 i Cl2 su gasovi Br2 je tečan I2 je čvrst

Jačina disperzionih sila raste sa porastom mase molekula → veliki molekuli se lakše polarizuju

F2

Cl2

– slabe međumolekulske interakcije – jače međumolekulske interakcije – još jače međumolekulske interakcije Zašto ? Br2

I2

raste veličina molekula raste polarizabilnost molekula (molekuli se lakše polarizuju) 13

PRIMER ind. dipol – ind. dipol interakcije :

raste jačina Londonovih (disperzionih) sila

14

PRIMER ind. dipol – ind. dipol interakcije: Kondezovanje gasova Na niskoj temperaturi i visokom pritisku gas O2 se može prevesti u tečno i čvrsto agregatno stanje. (Isto važi i za druge gasove H2, He, N2, Cl2 ...)

Različito agregatno stanje alkana

Šta znamo o molekulu O2 ? - veza između atoma je kovalentno-nepolarna - molekul nepolaran

C3H8 (propan) gas

Niska tempetatura → smanjuje brzinu kretanja molekula gasa

C6H14 (heksan) tečnost

Visok pritisak

Molekul sa većim brojem atoma ima više potencijalnih mesta na kojima se privremeno mogu indukovati dipoli Veći broj mesta za međumolekulsko vezivanje

15

→ smanjuje rastojanja između molekula

ind. dipol - ind. dipol inerakcije između molekula O2 ↓ prelazak u tečno → čvrsto agregatno stanje

16

VODONIČNA VEZA

Priroda i jačina disperzionih sila

Posebna vrsta dipol - dipol interakcija (veza) Priroda sila: elektrostatička

Uspostavlja se između polarnih molekula koji sadrže vodonik kovalentno vezan za mali atom velike elektronegativnosti (F, O, N)

Jačina: od vrlo slabih do relativno jakih

H

-

F, O, N mali atomi velike elektronegativnosti sadrže slobodne elektronske parove

Deluju između svih molekula: • kod nepolarnih (jedine interakcije) • kod polarnih (dodatne interakcije)

Primeri molekula između kojih može da se uspostavi vodonična veza: HF

H2O

NH3 H

H F

H

N

O H

H

17

δ+ H

δ+

Vodonična veza između molekula H2O i NH3

H F

δ−

H F

δ+

δ−

H O H

N

H

19

δ+ H O δ−

Hδ+

Hδ+

δ+ H δ+ H O δ−

δ+ H

Led

O δ−

O δ−

kovalentna veza

H

δ+ H

δ+ δ+ H H O δ−

vodonična veza

H

δ+ H

Oδ−

δ+ H

δ+ H

Tečna voda δ+ H

Vodonična veza između molekula HF

18

Vodonične veze između molekula H2O

Uspostavljaju se jake privlačne sile između parcijalno pozitivno naelektrisanog atoma vodonika iz jednog molekula i slobodnog elektronskog para elektronegativnog atoma iz drugog molekula

Vodonična veza se obeležava tačkastom linijom

H

δ+ O H δ−

δ−

O

δ+

H

Hδ+

δ+

Hδ+ O δ−

H

δ+ H

Vodonična veza je slabija od kovalentne Vodonična veza između molekula vode raskida se na 100 oC

20

Vodonična veza je oko 5 puta jača od običnih dipol-dipol interakcija

Vodonična veza ima za posledicu abnormalno ponašanje jedinjenja:

Zašto?

različito agregatno stanje analognih jedinjenja

1. Zbog velike razlike u elektronegativnosti F (4,0), O (3,5), N (3,0) u odnosu na H (2,1) kovalentna veza F―H, -O―H, >N―H je veoma polarna

veće vrednosti tačke topljenja veće vrednosti tačke ključanja

2. Zbog male veličine atoma H, F, O, N parcijalno naelektrisanje na krajevima dipola veoma je lokalizovano (koncentrisano)

veći viskozitet veću rastvorljivost u vodi !!! ....

Intermolekulska vodonična veza: između dva molekula OH C

Intramolekulska vodonična veza: u okviru jednog molekula

O H O

o-hidroksibenzoeva kiselina

21

Međumolekulske veze u biološkim sistemima

22

DNK

Proteini - Vodonična veza

F. Crick, M. Wilkins i J. Watson (1962. Nobelova nagrada)

>C=O ·······H-N< Akceptor vodonične veze

Donor vodonične veze

23

vodonične veze

24

Nepravilno izuvijane strukture proteina

Vodonična veza

Jonska veza

Kovalentna veza

Ćelijska membrana Polarne (hidrofilne) grupe

Disperzione sile

Nepolarni (hidrofobni) region

Polarne (hidrofilne) grupe

25

Nešto više o terminologiji međumolekulskih interakcija

Međumolekulske interakcije i lek

interakcije ≡ sile ≡ veze

- predviđanje fizičko-hemijskih osobina leka - tumačenje dejstva leka na molekulskom nivou - korelacija struktura-aktivnost

Od značaja za mnoge oblasti farmacije (dizajn, sinteza, mehanizam dejstva, formulacija, analiza, ...)

Privlačne sile između nepolarnih molekula nazivaju se: indukovani dipol - indukovani dipol interakcije disperzione sile Londonove sile hidrofobne interakcije nepolarne interakcije

Van der Valsove i Londonove sile – Klasifikacija U prošlosti:

Van der Valsove sile = Londonove sile

Danas:

Londonove sile: nastaju indukcijom dipola Van der Valsove sile: sve interakcije u kojima učestvuju molekuli

Nekovalentne interakcije: zajednički naziv za jonsku vezu i međumolekulske interakcije 28

4. Pri rastvaranju O2 u vodi između molekula H2O i molekula O2 uspostavljaju se:

UVEŽBAVANJE

a) dipol - dipol interakcije b) dipol - indukovani dipol interakcije c) vodonične veze d) kovalentne veze

1. Navesti tipove međumolekulskih interakcija

2. Najveću polarizabilnost ima, tj. najlakše se polarizuje molekul: a) F2 b) Cl2 c) Br2 d) I2 5. Na istoj temperaturi najveću rastvorljivost u vodi ima: a) H2 b) O2 c) N2

3. Najveću polarizabilnost ima, tj. najlakše se polarizuje molekul: a) H2 b) N2 c) O2

6. Na sobnoj temperaturi jod (I2) je u čvrstom, a hlor (Cl2) u gasovitom agregatnom stanju zbog: a) jačih dipol – dipol interakcija između molekula I2 b) jačih indukovani dipol – indukovani dipol interakcija između molekula I2 c) jačih indukovani dipol – indukovani dipol interakcija između molekula Cl2 29

10. Između molekula vode u tečnoj vodi uspostavlja se: a) intramolekulska vodonična veza b) intermolekulska vodonična veza

7. Između molekula H2 u tečnom vodoniku uspostavljaju se: a) vodonične veze b) kovalentne veze c) dipol – dipol interakcije d) indukovani dipol – indukovani dipol interakcije

11. Napisati tipove interakcija (veza) označenih brojevima:

Alternativno: N2 8. Napisati tipove veza označe brojevima: OH

1 ________________

C

4

O

2 ________________

1

1

2

3

H O 2

9. Vodonična veza označena tačkastom linijom u datoj formuli je: a) intramolekulska b) intermolekulska

OH C O H O 31

32

12. Označiti tip veze između atoma u molekulima, kao i tip međumolekulskih interakcija u sledećim primerima:

HHHH OOOO .... .... .... .... .... .... HHHH

OOOO HHHH

HHHH

a)

Tip veze između atoma u molekulu H2O: ________________ ________________ Tip veze između molekula H2O :

13. Pripisati tačke (temperature) ključanja od 0oC, 97oC, 129oC i 197oC sledećim jedinjenjima: HO-CH2-CH2-OH

________

HO-CH2-CH2-Cl

________

HO-CH2-CH2-CH3

________

CH3-CH2-CH2-CH3

________

llll CCCC

HHHH

llll CCCC

HHHH

b)

(Ključanje: prelazak iz tečnog u gasovito agregatno stanje. Supstance sa jačim međumolekulskim privlačnim silama zahtevaju veću energiju za raskidanje tih sila, i zbog toga imaju veće tačke ključanja)

Tip veze između atoma u molekulu HCl: _______________ Tip veze između molekula u tečnom HCl : _______________

HHHH

HHHH

HHHH

HHHH

c) Tip veze između atoma u molekulu H2: _______________ Tip veze između molekula u tečnom H2 : _______________ 33

14. Pripisati tačke ključanja od 36oC, 69oC, 98oC sledećim jedinjenjima: CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

________

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

________

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

________

35

34