Liên kết hoá học là một dạng lực hấp dẫn kết nối hai nguyên tử để hình thành một phân tử. Có một số loại liên kết hoá học (bảng 2.1), ở phần này chúng ta sẽ tìm hiểu về liên kết hoá học cộng hoá trị là kết quả của việc dùng chung các điện tử.. Sau đó chúng ta sẽ xem xét các loại tương tác khác như: liên kết Hyđro, là một loại liên kết yếu nhưng vô cùng quan trọng trong sinh học. Cuối cùng chúng ta xét đến liên kết ion. được hình thành khi nguyên tử mất đi hoặc nhận thêm điện tử.
Các liên kết cộng hoá trị : dựa trên các cặp điện tử dùng chung Khi hai nguyên tử đạt được số điện tử ổn định ở lớp vỏ ngoài của chúng bằng cáchđưa ra một hay nhiều cặp điện tử dùng chung., liên kết cộng hoá trị được hình thành. Xem xét hai nguyên tử Hyđro ở gần nhau, mỗi nguyên tử có một điện tử độc thân ở ngoài vỏ. Mỗi hạt nhân mang điện tích dương hút các điện tử độc thân của các ngyên tử khác nhưng lực hút này được cân bằng bởi lực hút của hạt nhân nguyên tử của chính điện tử đó.Do đó hai điện tử độc thân đã được hai ngyên tử dùng chung, lấp đầy lớp vỏ ngoài của cả hai nguyên tử đó.Như vậy chúng được nối với nhau bằng liên kết cộng hoá trị và một phân tử khí Hyđro (H2)được tạo thành.
Một phân tử được tạo thành từ hơn một loại nguyên tử đựoc gọi là một hợp chất. Một công thức phân tử sử dụng các kí hiệu hoá học để biểu diễn các nguyên tử khác nhau trong một hợp chất , các chỉ số viết phía dưới chỉ số nguyên tử mỗi loại trong phân tử. Ví dụ công thức của đường mía saccarozo là C12H22O11. Mỗi hợp chất có phân tử lượng (khối lượng phân tử) là tổng nguyên tử lượng của tất cả các nguyên tử trong phân tử.Nhìn vào bảng tuần hoàn bạn có thể tính được khối lượng phân tử của đường mía là 342. Khối lương phân tử thường liên quan đến kích thước phân tử.(hình 2.9)
Một nguyên tử cacbon có 6 điện tử ở lớp vỏ; 2 điện tử lấp đầy lớp vỏ bên trong và 4 điện tử ở lớp vỏ ngoài.Lớp vỏ ngoài này có thể chứa được 8 điện tử, Cacbon có thể dùng chung điện tử với 4 nguyên tử khác …. Nó có thể hình thành 4 liên kết cộng hoá trị. Khi một nguyên tử cacbon phản ứng với 4 nguyênt ử Hyđro, phân tử Metan được hình thành (Hình 2.10a). Nhờ có các điện tử dùng chung lớp vỏ ngoài của nguyên tử cacbon trong phân tử Metan được lấp đầy với 8 điện tử, và lớp vỏ ngoài của mổi nguyênt ử Hyđro cũng được lấp đầy. 4 liên kết cộng hoá trị - mỗi liên kết chứa 1 cặp điện tử dùng chung , cùng tạo nên phân tử Metan. Bảng 2.2 chỉ ra các liên kết công hoá trị của một số nguyên tố có ý nghĩa sinh học quan trọng.
Định hướng liên kết cộng hóa trị
Các liên kết cộng hoá trị là các liên kết mạnh. Năng lượng nhiệt mà các phân tử sinh học thông thường có ở nhiệt độ cơ thể nhỏ hơn 1% năng lượng cần thiết để phá vỡ các liên kết cộng hoá trị. Vì vậy với hầu hết các phân tử sinh học,liên kết cộng hoá trị làm cho chúng trở nên khá bền vững. Điều này có nghĩa là cấu trúc ba chiều và không gian chúng chiếm giữ khá ổn định. Một đặc tính thứ hai của liên kết cộng hoá trị : đối với một cặp nguyên tử, liên kết cộng hoá trị giữa chúng luôn giống nhau về độ dài, góc, hướng liên kết bất chấp chúng nằm trong phân tử lớn hay nhỏ. Ví dụ như 4 orbitals được lấp đầy quanh hạt nhân Cacbon của phân tử Metan, bản thân chúng đóng góp các không gian để các nguyên tử Hyđro liên kết được định hướng vào các góc của 1 khối tứ diện đều với Cacbon là tâm của khối tứ diện đó. Cấu trúc 3 chiều của Cacbon và Hyđro cũng tương tự
như vậy trong đại phân tử Protein phức tạp. Đặc điểm này của liên kết cộng hoá trị giúp chúng ta có thể dự đoán được các cấu trúc sinh học.
Mặc dù sự định hướng của các orbital và hình dạng của các phân tử khác nhau phụ thuộc vào từng loại nguyên tử có liên quan và chúng liên kết với nhau như thế nào, cũng cần phải nhớ rằng tất cả các phân tử đều chiếm giữ không gian và có cấu trúc 3 chiều. Hình dạng của phân tử góp phần tạo nên chức năng sinh học của chúng, chúng ta sẽ nghiên cứu ở chương 3.
2.2 Khả năng tạo liên kết cộng hoá trị của một số nguyên tố sinh học quan trọng
Ngyên tố: Số liên kết cộng hoá trị thông thường Hyđro (H) 1
Oxy (O) 2 Lưu huỳnh (S) 2 Nitơ (N) 3 Cacbon (C) 4 Photpho(P) 5
Các loại liên kết cộng hoá trị: Một liên kết cộng hoá trị được biểu diễn bằng 1 gạch nối giữa hai nguyên tử liên kết với nhau.: - Liên kết đơn chứa một cặp điện tử dùng chung ( ví dụ H - H, C - C). - Liên kết đôi chứa 4 (2 cặp) điên tử dùng chung (C = C). Các liên kết ba (6 điện tử dùng chung) rất hiếm nhưng chúng ta có thể gặp ở liên kết của phân tử khí Nitơ (N≡N ) là thành phần chính của không khí .
Các điện tử dùng chung không cân bằng
Nếu hai nguyên tử của một nguyên tố liên kết cộng hoá trị với nhau chúng cùng chia sẻ
cặp điện tử ở trạng thái cân bằng.Tuy nhiên khi hai nguyên tử là hai nguyên tố khác nhau không còn sự cân bằng nữa. Một hạt nhân có thể tác động lực hút tĩnh điện lớn hơn vào cặp điện tử làm chocặp diệ tử này có xu hướng gần hơn với nguyên tử chứa hạt nhân đó.
Lực hút của nguyên tử tác động lên các điên tử được biểu hiện bằng độ âm điện cúa nguyên tử đó. Nó phụ thuộc vào số điện tích dương của hạt nhân ( trong nhân có càng nhiều proton thì điện tích dương càng lớn và hút điện tử càng mạnh ) và khoảng cách từ hạt nhân đến các điện tử (khoảng cách càng gấn ái lực càng lớn) Hai nguyên tử càng gần nhau về độ âm điện cặp điện tử dùng chung càng ở dễ ở vị trí cân bằng. Bảng 2.3 chỉ ra độ âm điện của một số nguyên tố quan trọng trong sinh học.Từ bảng đó ta thấy hai nguyên t ử Oxy đều có độ âm điện là 3.5 sẽ chia sẻ cặp điện tử cân bằng, hình thành liên kết cộng hoá trị không phân cực. Tương tự như vậy với hai nguyên tử Hyđro (2.1)
2.3 Độ âm điện của một số nguyên tố sinh học
Nguyên tố : Độ âm điện Oxy (O) 3.5
Clo (Cl) 3.1 Nitơ (N) 3.0 Cacbon (C) 2.5 Photpho (P) 2.1 Hyđro (H) 2.1 Natri (Na) 0.9 Kali (K) 0.8
Nhưng khi Hyđro liên kết với Oxy để hình thành nước các điện tử ở vị trí không cân bằng : chúng có xu hướng gần với Oxy hơn vì Oxy có độ âm địên lớn hơn. Ở đay liên kết cộng hoá trị phân cực được tạo thành.(hình 2.11). Vì các điện tử được chia sẻ không đều , nên Oxy trong liên kết Hyđro – Oxy gần như mang điện tích âm ( kí hiệu là δ- , đọc là
“delta trừ” nghĩa là đơn vị điện tích từng phần) Hyđro coi như mang điện tích dương (δ+).Liên kết này phân cực các điệ tích trái dấu tập trng ở hai đầu (2 cực) của liên kết. điệ tích từng phần tạo ra từ liên kết cộng hoá trị phân cực làm cho phân tử phân cực hay xuất hiện cac vùng phân cực trong các đại phân tử.Liên kết phân cực gây ảnh hưởng lớn đến sự tương tác giữa các phân tử chứa chúng. Liên kết Hyđro có thể hình thành giữa các nguyên tử trong liên kết cộng hoá trị có cực. Trong nước lỏng, nguyên tử Oxy mang điện tích âm (δ-) của 1 phân tử nước sẽ hút các nguyên tử Hyđro mang điện tích dương (δ+) của phân tử nước khác ( do các điện tích âm hút các điện tích dương). Liên kết như vậy được gọi là liên kết Hyđro. Liên kết Hyđro không chỉ tồn tại giữa các phân tử nước.
Chúng có thể hình thành giữa một nguyên tử có độ âm điện lớn và một nguyên tử Hyđro liên kết cộng hoá trị với một nguyên tử có độ âm điện lớn khác(hình 2.12). Liên kết Hyđro là một liến kết yếu nó chỉ bằng 1/10 (10%) của liên kết cộng hoá trị giữa 1 nguyên tử Hyđro và 1 nguyên tử Oxy.(xem bảng 2.1). Tuy nhiên khi nhiều liên kết Hyđro được hình thành nó trớ nên bền vững và có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của các chất.. Sau chương này chúng ta sẽ thấy được các liên kết Hyđro trong phân tử nước tạo ra rất nhiều đặc tính làm cho nước trở nên không thể thiếu trong cơ thể sống. Liên kết Hyđro cung đóng một vai trò quan trọng kiểm soát và duy trì dạng ba chiều của các đại phân tử như ADN và các Protein(xem chương 3)
Liên kết ion hình thành từ lực hút điện tử Khi 1 nguyên tử có độ âm điện lớn hơn nhiều so với nguyên tử tương tác với nó, xảy ra sự chuyển rời của một hay nhiều điện tử.Xem xét hai nguyên tử Natr ( độ âm điện 0.9) và Clo (3.1). Một nguyên tử Natri chỉ có 1 điện tử ở lớp vỏ ngoài ; điều kiên này không bền. Một nguyên tử Clo có 7 điện tử ở lớp vỏ ngoài - trạng thái này cũng không bền. Do độ âm điện của các nguyên tố này rất chênh lệch nhau,một vài điện tử trong liên kết sẽ tiến đến rất gần hạt nhân Clo đến mức mà trong thực tế đã là sự chuyển rời hoàn toàn điện tử từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.
(hình 2.13) Tương tác giữa Natri và Clo làm cho các nguyên tử ở trạng thái bền vững hơn. Đó là liên kết Ion.Ion là các tiểu phần mang điên tích được tạo thành khi nguyên tử mất đi hay nhận thêm một hay nhiều điện tử. - Ion Natri (Na+) có điện tích +1 vì nó có số lượng điện tử ít hơn 1 so với số proton. Lớp vỏ ngoài của Natri đựợc lấp đầy với 8 điện tử để ion ở trạng thái bền vững. Các ion mang điện tích dương được gọi là các cation. - Ion Clo (Cl-)có điện tích là -1 vì nó có số điện tử nhiều hơn 1 so với số proton. Thêm vào 1 điện tử ,Cl- có lớp vỏ bến vững với 8 điện tử. Các ion mang điện tích âm được gọi là các anion. Một số nguyên tố tạo thành ion mang điện tích lớn khi bị mất hoặc nhận thêm hơn 1 điện tử.Ví dụ : ion Ca2+(ion canxi được tạo ra từ nguyên tử Canxi bị mất hai điện tử) và ion Mg2+ (ion magiê).Hai nguyên tố quan trọng trong sinh học trong đó mối nguyên tố có 2 loại ion bền là :sắt với Fe2+ ( ion Sắt II) và Fe3+ (ion sắt III); đồng với Cu+ (ion đồng I) và Cu2+ (ion đồng II). Các nhóm nguyên tử liên kết cộng hoá trị mang điện tích được gọi là các ion phức. Ví dụ như NH4+(ion amoni), SO42-(ion sunphat), và PO43-
(ion photphat)
Điện tích từ các ion phát ra theo mọi hướng. Khi được hình thành các ion thường ở dạng bền vững.chúng không bị mất đi hay nhận them các điện tích nữa. Các ion hình thành liên kết bền thường là dạng rắn như Natri Clorua (NaCl) và Kali Photphat (K3PO4).
Liên kết ion là liên kết được hình thành do lực hút tĩnh điện giữa hai ion có điện tích trái dấu. Natri Clorua - loại muối ăn quen thuộc với chúng ta- các cation va anion liên kết với nhau bằng liên kết ion. Trong chất rắn, liên kết ion rất mạnh vì các ion tương tác rất chặt chẽ với nhau. Tuy nhiên khi các ion này được phân tán vào nước khoảng cách giữa chúng lớn hơn lực liên kết giữa chúng giảm đi rất nhiều. Trong môi trường tế bào lực ion nhỏ bằng 1/10 lực liên kết cộng hoá trị không phân cực.(xem bảng 2.1) Không có gì ngạc nhiên, khi các ion với một hay nhiều đơn vị điện tích có thể tương tác với các phân tử phân cực cũng như với các ion khác. Tương tác như vậy đựoc tạo ra khi muối hay một ion rắn náo đó tan trong nước :các phân tử nước tạo thành lớp vỏ bao quanh mỗi ion và chia tách chúng ra (hình 2.14). Liên kết Hyđro mà chúng ta đã mô tả cũng là một loại liên kết ion bởi vì nó được hình thành từ lực hút tĩnh điện .Tuy nhiên nó yếu hơn nhiều so với liên kết ion vì nó hình thành từ các điện tích thành phần (δ+ và δ-) nhỏ hơn các điện tích đơn vị toàn phần (+1 hoặc -1).
Các chất phân cực và không phân cực tương tác với nhau
“Giống nhau thì bám nhau” là một ngạn ngữ cổ và nó được thể hiện đúng nhất trong các phân tử phân cực và không phân cực, vốn có xu hướng tương tác với "đồng loại" của chúng. Cũng như các phân tử nước tương tác với nhau qua liên kết hydro do sự phân cực tạo ra, bất kỳ phân tử phân cực nào sẽ tương tác với các phân tử phân cực khác bằng lực hấp dẫn yếu (δ+ đến δ-)trong các liên kết hydro. Nếu một phân tử phân cực tương tác với nước theo cách này thì chúng được gọi là các phân tử ưa nước (“ái nước”). Thế còn các phân tử không phân cực thì sao? Ví dụ Cacbon (độ âm điện 2.5) hình thành liên kết không phân cực với Hyđro (độ âm điện 2.1). Phân tử Hyđrocacbon được tạo thành - tức một phân tử chỉ chứa các nguyên tử Hyđro và Cacbon - là một phân tử không phân cực, và trong nước chúng có xu hướng co cụm với các phân tử không phân cực khác thay vì với các phân tử nước phân cực. Những phân tử như vậy được biết dưới tên gọi các phân tử kị nước (“ghét nước”), và tương tác giữa chúng gọi là tương tác kị nước. Một điều quan trọng là các chất kị nước không thực sự “ghét” nước ; chúng có thể hình thành các tương tác yếu với nước (nhớ lại độ âm điện của Cacbon và Hyđro không bằng nhau chính xác). Nhưng các tương tác này yếu hơn nhiều so với liên kếtHyđro giữa các phân tử nước, vì vậy các chất không phân cực sống rất tách biệt. Các tương tác yếu giữa các chất không phân cực được tăng cường bởi lực Van der Waals, sinh ra khi hai phân tử không phân cực ở rất gần nhau. Những tương tác ngắn ngủi này là kết quả của sự biến thiên ngẫu nhiên trong sự phân bố electron trong phân tử, tạo ra sự phân phối các điện tích trái dấu ở hai phân tử nằm cạnh nhau. Mặc dù chỉ một liên kết Van de Waals thì rất ngắn ngủi và yếu ở mọi vị trí, nhưng tổng của rất nhiều các tương tác như vậy trên toàn bộ cấu trúc một phân tử không phân cực lớn có thể tạo ra một lực hấp dẫn rất lớn. Lực Van de Waals rất quan trọng trong việc duy trì cấu trúc của rất nhiều hợp chất sinh học quan trọng.