1

Cilj

Objasniti :

� interakcije između polarnih čestica (joni, polarni molekuli)

� interakcije između polarnih i nepolarnih molekula

� interakcije između nepolarnih molekula

� vodoničnu vezu

MEĐUMOLEKULSKE INTERAKCIJE

9-10-20132

Interakcije (veze)između individualnih čestica(molekuli, joni)

• elektrostatičke prirode • svi oblici veza u kojima učestvuju molekuli:

jon – molekul interakcijemolekul – molekul interakcije

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

Međumolekulske interakcije (intermolekulske veze)

Intramolekulske veze (kovalentna i jonska): 150-1100 kJ/mol

Intermolekulske veze (međumolekulske): 1-50 kJ/mol

Jačina veza

3

1. jon - dipol

2. dipol - dipol

(uključuje i vodoničnu vezu)

3. dipol - indukovani dipol

4. indukovani dipol - indukovani dipol

+ δδδδ- δδδδ+

δδδδ- δδδδ+ δδδδ- δδδδ+

δδδδ- δδδδ+ δδδδ−−−− δ+δ+δ+δ+

δδδδ−−−− δ+δ+δ+δ+ δδδδ−−−− δ+δ+δ+δ+

TIPOVI ME ĐUMOLEKULSKIH INTERAKCIJA

Van der

Valsove

vezem

eđumolekulske

veze izuzev onih koje uključuju jone

Disperzione

sile

4

���� JON (pozitivno ili negativno naelektrisana čestica)

���� MOLEKUL (kao celina je elektroneutralan)

���� POLARAN MOLEKULCentri pozitivnog i negativnog naelektrisanja se ne poklapajuNaziva se: dipolan molekul, dipol,permanentni dipolMerilo polarnosti molekula: dipolni momenat

� NEPOLARAN MOLEKULCentri pozitivnog i negativnog naelektrisanja se poklapaju

? INDUKOVANI DIPOLDipol koji pod određenim uslovima nastaje iz nepolarnogmolekula

δδδδ−−−− δ+δ+δ+δ+

+ ─

δδδδ- δδδδ+

5

Ostvaruju se između jona i polarnih molekula

1. JON – DIPOL INTERAKCIJE

+ δδδδ- δδδδ+

Jače su od ostalih međumolekulskih interakcija

6

PRIMER jon-dipol interakcije : Hidratacija jona

Hidratacija - okruživanje neke čestice polarnim molekulima vode

Rastvaranje NaCl u vodi

Cl-

Na+ H2O

7

2. DIPOL - DIPOL INTERAKCIJE

) ) ) ( ( ( odbojne sile

( ( ( ) ) ) privlačne sile

Interakcije između polarnih molekula (dipola)

δδδδ-δδδδ+

δδδδ-δδδδ+

δδδδ-δδδδ+

δδδδ- δδδδ+

δδδδ-δδδδ+

δδδδ-δδδδ+

δδδδ- δδδδ+

Rastojanje između molekula je regulisano postojanjem privlačnih i odbojnih sila

( ( ( ( ) ) )

( ( ( ( ( ) ) ) ) )

( ( ( ( ) ) ) )

( ( (

( ) )

) )

( ( ( ) )

)( ( ( ) ) )

( ( ) )

) ) ) ( ( (

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

) ) ) ) ( ( ( (

) ) ) ( ( ( (

) ) ) ) ) ( ( ( ( (

8

3. DIPOL - INDUKOVANI DIPOL INTERAKCIJE

Pod uticajem elektrostatičkog polja permanentnog dipola u nepolarnom molekulu može doći do polarizacije, tj. deformacije elektronskog oblaka i nastanka indukovanog dipola

dipol nepolaran molekul

δδδδ- δδδδ+

δδδδ- δδδδ+

δδδδ−−−− δ+δ+δ+δ+

indukovani dipoldipol

Interakcije između polarnih i nepolarnih molekula

Interakcije (privlačne sile) u koje su uključeni indukovani dipoli nazivaju se disperzione sile

→ deluju na malim rastojanjima

9

Polarizacija molekula: deformisanje elektronskog oblaka

Polarizabilniji molekuli (lakše se polarizuju) :

• koji imaju difuzniji elektronski omotač

• koji sadrže veći broj elektrona

Mali kompaktni molekuli teško se polarizuju

Veći molekuli (veće mase) se lakše polarizuje

10

PRIMER dipol - indukovani dipol interakcije : Rastvaranje O2 u vodi

Polarni molekuli H2O↓

Deformacija elektronskog oblaka O2(polarizacija nepolarnog molekula O2)

Obrazovanje slabih vezadipol - indukovani dipol

δ+δ+δ+δ+

δδδδ−−−−O2

δ+δ+δ+δ+

δδδδ−−−−O2O2

δδδδ−−−−δ+δ+δ+δ+

dipol nepolaranmolekul

dipol indukovani dipol

H

H H

H

O O

11

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

Odgovor: O2

Mr : H2 = 2, O2 = 32

→ jače veze sa H2O uspostavlja gas koji se lakše polarizuje

Rastvorljiviji je gas koji sa H2O uspostavlja jače međumolekulske veze

→ lakše se polarizuje veći molekul, a to je O2

Molekul H2O: polaranMolekuli H2 i O2: nepolarniVrsta interakcija voda-gas: dipol – indukovani dipol

12

U nepolaranom molekulu elektronski oblak je simetrično raspoređen(statistički)

TRENUTNI 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 nastankaPRIVREMENOG (TRENUTNOG) DIPOLA

δδδδ−−−− δ+δ+δ+δ+

Ako se u blizini trenutnog dipola nađe drugi nepolaran molekul, trenutni dipol u njemu indukuje dipol i dolazi do indukovani dipol – indukovani dipolinterakcija

4. INDUKOVANI DIPOL – INDUKOVANI DIPOL INTERAKCIJELONDONOVE SILE

Interakcije između nepolarnih molekula

13

nepolaranmolekul 1

ind. dipol - ind. dipol interakcija

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

δδδδ−−−− δ+δ+δ+δ+ δδδδ−−−− δ+δ+δ+δ+ δδδδ−−−− δ+δ+δ+δ+

trenutnidipol 1

nepolaranmolekul 2

14

PRIMER ind. dipol – ind. dipol interakcije :

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 – slabe međumolekulske interakcijeBr2 je tečan – jače međumolekulske interakcijeI2 je čvrst – još jače međumolekulske interakcije

Zašto ?

Šta znamo o halogenim elementima ?

Različito agregatno stanje halogenih elemenata

F2 Cl2 Br2 I2

raste veličina molekula

raste polarizabilnost molekula(molekuli se lakše polarizuju)

raste jačina Londonovih (disperzionih) sila

15

C6H14 (heksan)

C3H8 (propan)

PRIMER ind. dipol – ind. dipol interakcije :

Molekul sa većim brojem atoma ima više potencijalnih mesta na kojima se privremeno mogu indukovati dipoli

gas

tečnost

Veći broj mesta za međumolekulsko vezivanje

Različito agregatno stanje alkana

16

Niska tempetatura→→→→ smanjuje brzinu kretanja molekula gasa

Visok pritisak → smanjuje rastojanja između molekula

ind. dipol - ind. dipol inerakcije između molekula O2

↓

prelazak u tečno→ čvrsto agregatno stanje

PRIMER ind. dipol – ind. dipolinterakcije : 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 ...)

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

17

Priroda sila: elektrostatička

Jačina: od vrlo slabih do relativno jakih

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

Priroda i ja čina disperzionih sila

18

VODONIČNA VEZA

Posebna vrsta dipol - dipol interakcija (veza)

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

H - F, O, N mali atomivelike elektronegativnostisadrže slobodne elektronske parove

F HH

OH

H

N H

H

Primeri molekula između kojih može da se uspostavi vodonična veza:

HF H 2O NH3

19

HF

δδδδ++++

δδδδ−−−−

H Fδδδδ++++

δδδδ−−−−

Uspostavljaju se jake privlačne sileizmeđu parcijalno pozitivno naelektrisanogatoma vodonika iz jednog molekula i slobodnog elektronskog para elektronegativnog atoma iz drugog molekula

Vodonična veza između molekula HF

Vodonična veza se obeležava tačkastom linijom

Vodonična veza između molekula H2O i NH3

HO

H

H

N H

H

20

δ−O

HHδ+ δ+

δ−O

HHδ+

δ+

δ−OHH

δ+ δ+

δ−O H

Hδ+δ+

O

H

Hδ+

δ+

O H

Hδ+

δ+O

HHδ+ δ+

OHH

δ+ δ+

δ−δ−

δ−

δ−O

H

H

H

H

δ−

δ+

δ+

δ+

δ+

Tečna voda Led

Vodonične veze između molekula H2O

vodoničnaveza

kovalentnaveza

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

21

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

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

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

Zašto?

Intermolekulska vodonična veza: između dva molekula

Intramolekulska vodonična veza: u okviru jednog molekula

OH

O

OH

C

o-hidroksibenzoeva kiselina 22

Vodonična veza ima za posledicu abnormalno ponašanje jedinjenja:

� različito agregatno stanjeanalognih jedinjenja

� veće vrednosti tačke topljenja

� veće vrednosti tačke ključanja

� veći viskozitet

� veću rastvorljivost u vodi !!! ....

23

Međumolekulske veze u biološkim sistemima

Proteini - Vodonična veza

>C=O ·······H-N<Akceptor

vodoničneveze

Donorvodoničneveze

24

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

vodonične veze

DNK

25

Nepravilno izuvijane strukture proteina

Vodonična veza

Jonska veza

Kovalentnaveza

Disperzione sile

Ćelijska membrana

Nepolarni(hidrofobni)

region

Polarne(hidrofilne)

grupe

Polarne(hidrofilne)

grupe

Međumolekulske interakcije i lek

- 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, ...)

28

Nešto više o terminologiji međumolekulskih interakcija

Privlačne sile između nepolarnih molekulanazivaju se:indukovani dipol - indukovani dipol interakcijedisperzione sileLondonove silehidrofobne interakcijenepolarne interakcije

Van der Valsove i Londonove sile – Klasifikacija

U prošlosti: Van der Valsove sile = Londonove sile

Danas: Londonove sile: nastaju indukcijom dipolaVan der Valsove sile: sve interakcije u kojima učestvuju molekuli

Nekovalentne interakcije:zajednički naziv za jonsku vezu i međumolekulske interakcije

interakcije ≡ sile ≡ veze

29

UVEŽBAVANJE

1. Navesti tipove međumolekulskih interakcija

2. Najveću polarizabilnost ima, tj. najlakše se polarizuje molekul:a) F2 b) Cl2 c) Br2 d) I2

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

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

a) dipol - dipol interakcijeb) dipol - indukovani dipolinterakcijec) vodonične vezed) kovalentne veze

5. Na istoj temperaturi najveću rastvorljivost u vodi ima:a) H2 b) O2 c) N2

6. Na sobnoj temperaturi jod (I2) je u čvrstom, a hlor (Cl2) u gasovitom agregatnom stanju zbog:

a) jačih dipol – dipol interakcija između molekula I2b) jačih indukovani dipol – indukovani dipolinterakcija između molekula I2c) jačih indukovani dipol – indukovani dipolinterakcija između molekula Cl2

31

7. Između molekula H2 u tečnom vodoniku uspostavljaju se:a) vodonične vezeb) kovalentne vezec) dipol – dipol interakcijed) indukovani dipol – indukovani dipol interakcije

Alternativno: N2

8. Napisati tipove veza označe brojevima:

1 ________________

2 ________________

OH

O

OH

C

1

2

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

OH

O

OH

C

32

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

11. Napisati tipove interakcija (veza) označenih brojevima:

1 2 34

33

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

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

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

Tip veze između atoma u molekulu H2: _______________Tip veze između molekula u tečnom H2 : _______________

a)

b)

c)

OOOOHHHH HHHH OOOO

HHHH

HHHH

........................

HHHH HHHH HHHH HHHH

HHHH CCCCllll HHHH CCCCllll

34

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 ________

(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)

35

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 ________