La difusa frontera entre el enlace de hidrógeno y el enlace covalente

Abre un libro de texto de introducción a la química. ¿Qué es un enlace covalente? Un enlace covalente ocurre cuando los átomos comparten electrones a partes iguales, formando una molécula. ¿Qué es un enlace de hidrógeno? Un enlace de hidrógeno es una atracción electrostática entre un átomo y la carga positiva de un átomo de hidrógeno unido covalentemente a otra cosa. Es un enlace intermolecular y más débil que un enlace covalente.

Nuevas investigaciones sugieren que esta clara diferenciación no cuenta toda la historia. Usando experimentos espectroscópicos y simulaciones por ordenador, Andrei Tokmakoff de la Universidad de Chicago y sus compañeros muestran que la frontera entre un enlace de hidrógeno y un enlace covalente es más difusa de lo que sugiere tu libro de texto (Science 2021, DOI: 10.1126/science.abe1951).

Los enlaces de hidrógeno son responsables de la estructura reticular del agua helada, por ejemplo, y de la unión de las dos cadenas de la doble hélice del ADN. Los químicos saben que algunos enlaces de hidrógeno son más fuertes que otros. Tokmakoff, que piensa mucho en los enlaces de hidrógeno en su trabajo sobre las propiedades del agua y soluciones de ácidos acuosos, dice que a menudo se ha preguntado cómo de fuertes pueden ser los enlaces de hidrógeno. O, dicho de otro modo, cómo de cerca pueden estar los enlaces de hidrógeno de convertirse en covalentes.

En parte para tratar de responder a esa pregunta, el investigador postdoctoral Bogdan Dereka utilizó la espectroscopia infrarroja de femtosegundo en 2-D para estudiar un sistema simplificado, el ion F–H–F- en disolución acuosa. En el ion F–H–F-, un anión fluoruro forma un enlace de hidrógeno con el átomo de hidrógeno en una molécula covalente de HF.

Los espectros revelaron los muchos estados en los que este ion existe en solución, que dependen en parte de la disposición de las moléculas de agua en el entorno inmediato del ion. Los enlaces de hidrógeno se producen en una gama de longitudes y fuerzas. Un enlace de hidrógeno más corto, por ejemplo, indica un enlace de hidrógeno más fuerte y un enlace covalente relativamente más débil. Esto se reflejó, como era de esperar, en frecuencias espectroscópicas más bajas para el enlace H–F. Pero en un punto entre los dos extremos, los investigadores descubrieron que la tendencia se invertía, y la fuerza del enlace covalente aumentaba incluso cuando el enlace de hidrógeno se acortaba. Tokmakoff apunta que ese es el comportamiento de un hidrógeno compartido a partes iguales entre los dos átomos de flúor, descrito en los libros de química como un enlace covalente.

Las simulaciones por ordenador del sistema realizadas por Joel M. Bowman de la Universidad de Emory fueron clave para entender este comportamiento, y sugieren que el cambio de enlace de hidrógeno convencional a algo más similar a un enlace covalente ocurre cuando el H y el F- están a unos 2,4 Å de distancia.

“Los autores demuestran convincentemente que la naturaleza de los enlaces cambia” de enlaces de hidrógeno a enlaces covalentes, comenta el experto en enlaces Gernot Frenking de la Universidad Felipe I de Marburgo, Alemania, añadiendo que una figura de este nuevo artículo que muestra la transición en el comportamiento vibratorio ahora pertenece a los libros de texto de química física. Otros expertos están de acuerdo en que esta imagen más matizada de los enlaces de hidrógeno pertenece a los libros de texto, pero también señalan que los químicos teóricos y los experimentales ya han desarrollado modelos de enlaces de hidrógeno en las últimas décadas que encajan con lo que Tokmakoff y sus compañeros encontraron. La química teórica Anastassia Alexandrova de la Universidad de California, Los Angeles, definió como “precioso” el nivel de información detallada sobre el enlace y dice que espera que los investigadores usen esos métodos para investigar otros enlaces.

Tokmakoff dice que ahora pensará de forma diferente sobre el papel que los enlaces de hidrógeno juegan en la química acuosa. Por ejemplo, los experimentos del grupo sugieren que estos enlaces de tipo covalente podrían aparecer momentáneamente mientras las moléculas de agua se empujan unas a otras en solución. Y dado que muchos piensan que los fuertes enlaces de hidrógeno podrían desempeñar un papel en asuntos como el transporte de hidruros en las proteínas o el transporte de protones en las pilas de combustible, comprender mejor los enlaces podría quizá ayudar a los científicos a mejorar la ingeniería de estos procesos.