Wasserstoffbrückenbindung

Wasserstoffbrückenbindungen des Wasser.png WasserHBrück.jpg Wasserstoffbrückenbindungen oder Wasserstoffbrücken sind chemische Bindungen mit einer freien Enthalpie von 10-20kJ/mol. Sie sind elektrostatischer Natur aber ihre Bindungsenergien liegen deutlich unter denen der kovalenten Atombindung und der ionischen Bindungen.

Wasserstoffbrücken entstehen, wenn zwei Moleküle oder zwei geeignet weit voneinander getrennte Abschnitte eines Makromoleküls über Wasserstoffatome (H) in Wechselwirkung treten. Dazu muss das H kovalent an ein stark elektronegatives Atom (z. B. N, O, F und in manchen Fällen auch Cl) gebunden sein, was dem H eine positive Partialladung und dem Bindungspartner des H eine negative Partialladung verschafft, weil das elektronegativere Atom eine starke Anziehungskraft auf das gemeinsame Elektronenpaar ausübt. Man spricht von der Ausbildung eines positiven Pols (beim H) und eines negativen Pols (beim Bindungspartner des H), oft auch von einem starken Dipol. Die elektrostatischen Kräfte der Dipole führen zu einer Ausrichtung und gegenseitigen Anziehung der Dipole (+ Pol eines Dipols zieht - Pol eines anderen Dipols an). Die Wasserstoffbrücke ist gebildet. Oder: Die Wasserstoffbrücke wird nun vom H des einen Moleküls, dem Donator, zu einem Atom mit negativer Partialladung eines anderen Moleküls gebildet, dem Akzeptor. Dieser Prozess ist ansatzweise dem zur Dissoziation von Protonen bei Säuren führenden Vorgang (Protolyse) ähnlich.

H-O-H^...O-H₂

Wasserstoffbrücken sind verantwortlich für die speziellen Eigenschaften vieler für Lebewesen äußerst wichtigen Moleküle:

Wasser: flüssiger Aggregatzustand, Kohäsion, hoher Siedepunkt
DNA: komplementäre Basenpaarung innerhalb der Doppelhelix
RNA: komplementäre Basenpaarung innerhalb von tRNA-Molekülen oder zwischen RNA- und DNA-Molekülen
Proteine: Stabilisierung der Sekundärstrukturen (Alpha-Helix oder Faltblatt) und der Tertiärstruktur, Bindung zur Quartärstruktur (es treten bei Proteinen aber auch andere Bindungstypen auf).

Wenn zum Beispiel im Wasser zwischen den H₂O-Molekülen keine Wasserstoffbrücken bestünden, würde Eis nicht bei 0 °Celsius schmelzen und bei 100 °C sieden, sondern beides bereits bei Temperaturen von zwei- bis dreistelligen Minustemperaturen tun, mit der Folge, dass es auf der Erde kein gefrorenes Eis und kein flüssiges Wasser, sondern nur gasförmigen Wasserdampf gäbe. Das Leben auf der Erde in der heutigen Form könnte unter solchen Bedingungen nicht existieren. Wasserstoffbrückenbindung verursacht auch die Dichteanomalie des Wassers.

Gerade in Wasser aber führt die Fähigkeit eines jeden Wassermoleküls, vier Wasserstoffbrücken auszubilden, zu einem komplexen dreidimensionalen Netzwerk untereinander verbrückter Wassermoleküle. Freilich sind diese Strukturen nicht starr sondern fluktuieren in der Flüssigkeit auf einer sehr kurzen Zeitskala, da ständig einzelne Wasserstoffbrücken brechen und wieder neu gebildet werden. Erst wenn Wasser zu Eis gefriert verfestigt sich die Struktur und es kommt zur Kristallbildung.

Die Idee der schwachen Wechselwirkung des Sauerstoffatom eines Wassermoleküls mit dem Wasserstoffatom eines anderen stammt von Maurice Huggins, einem Studenten Gilbert Newton Lewis', der den Ausdruck Wasserstoffbrückenbindung im Jahr 1923 prägte.

Chemische Bindung

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