Ikatan Hidrogen

1.      Valensi Hidrogen

Hidrogen merupakan unsur yang monovalen, hanya membentuk satu ikatan, tetapi pembentukan ikatan ini dapat terjadi secara empat macam:

a.      Pembentukan Kation H⁺

Ion H⁺ terbentuk dari atom H yang melepaskan electron. Ion H dalam air selalu ada dalam bentuk terhidrat, sebagai ion hidronium atau oksonium atau hidroksonium : H₃O⁺

Bila asam dilarutkan dalan air, ion ini selalu terbentuk, hingga asam dapat didefenisikan sebagai zat yang larutannya dalam air membentuk ion H₃O⁺.

HCL + H₂O        H₃O⁺    + Cl^-

H₂SO₄ + H₂O        H₃O⁺    + HSO₄^-

HNO₃ + H₂O        H₃O⁺    + NO₃^-

Ikatan dalam H₃O⁺   berupa ikatan kovalen koordinasi.

b.      Pembentukan ion H^-

Dengan mengikat satu electron, hydrogen dapat membentuk anion H^-. hal ini terjadi pada senyawa-senyawa hidrida logam alkali dan alkali tanah. Hidrida ini berupa kristal-kristal tak berwarna, dapat dibuat dan logamnnya dengan gas H₂^. Hidrida-hidrida tersebut merupakan senyawa-senyawa ionik, misalnya:

LiH, NaH, KH, RbH, CsH, CaH₂, SrH₂, BaH₂.

Dalam larutan, ion H^- tidak mungkin ada, sebab bereaksi dengan air :

H^-     + H₂O        H₂   +    OH^-

c.       Pembentukan Ikatan Kovalen tunggal

dalam banyak senyawa, hydrogen membentuk  ikatan kovalen tunggal dengan atom-atom lain, seperti dalam senyawa-senyawa berikut:

B₂H₆          CH₄                 NH₃     H₂O     HF

                  SiH₄                 PH₃      H₂S      HCl

                  GeH₄               AsH₃   H­₂Se    HBr

                  SnH₄                SbH₃    H₂Te    HI

                  PbH­₄                BiH₃    (H­₂PO)

d.      Pembentukan Ikatan satu electron, H.

Hal ini sangat jarang terjadi, kecuali dalam ion molekul, H₂⁺, adanya ion ini dapat diketahui dalam tabung pelucutan.

2.      Ikatan Hidrogen

Ikatan kovalen dan ikatan ion yang telah dibahas biasanya sangat kuat, yaitu energy ikatannya sekitar 400-1500 kj mol^-1. Yang akan ditinjau sekarang adalah ikatan yang lebih lemah dengan energy sekitar 10-40 kj mol^-1, yaitu ikatan hydrogen, ikatan ini terbentuk antara dua atom yang sangat elektronegatif, X dan Y, dan dapat digambarkan sebagai

X – H - - - - - - - - - - - Y

Pendek          Panjang

Antara X dan Y terjadi ikatan kovalen. Ikatan Hidrogen hanya berarti bila atom X dan Y sangat elektronegatif, yaitu untuk unsur Nitrogen, Oksigen, dan Flour.

Dalam kimia, ikatan hidrogen adalah sejenis gaya tarik antarmolekul yang terjadi antara dua muatan listrik parsial dengan polaritas yang berlawanan. Walaupun lebih kuat dari kebanyakan gaya antarmolekul, ikatan hidrogen jauh lebih lemah dari ikatan kovalen dan ikatan ion. Dalam makromolekul seperti protein dan asam nukleat, ikatan ini dapat terjadi antara dua bagian dari molekul yang sama. dan berperan sebagai penentu bentuk molekul keseluruhan yang penting.

Ikatan hidrogen terjadi ketika sebuah molekul memiliki atom N, O, atau F yang mempunyai pasangan elektron bebas (lone pair electron). Hidrogen dari molekul lain akan berinteraksi dengan pasangan elektron bebas ini membentuk suatu ikatan hidrogen dengan besar ikatan bervariasi mulai dari yang lemah (1-2 kJ mol-1) hingga tinggi (>155 kJ mol-1).

Kekuatan ikatan hidrogen ini dipengaruhi oleh perbedaan elektronegativitas antara atom-atom dalam molekul tersebut. Semakin besar perbedaannya, semakin besar ikatan hidrogen yang terbentuk.

Ikatan hidrogen merupakan ikatan yang terjadi akibat gaya tarik antarmolekul antara dua muatan listrik parsial dengan polaritas yang berlawanan. Ikatan hidrogen seperti interaksi dipol-dipol dari Van der Waals. Perbedaannya adalah muatan parsial positifnya berasal dari sebuah atom hidrogen dalam sebuah molekul. Sedangkan muatan parsial negatifnya berasal dari sebuah molekul yang dibangun oleh atom yang memiliki elektronegatifitas yang besar, seperti atom Flor (F), Oksigen (O), Nitrogen (N), Belerang (S) dan Posfor (P). Muatan parsial negatif tersebut berasal dari pasangan elektron bebas yang dimilikinya. Perhatikan Gambar di bawah ini:

Gambar Muatan parsial yang berasal dari atom yang memiliki pasangan elektron bebas.

Ikatan hidrogen lebih kuat dari gaya antarmolekul lainnya, namun lebih lemah dibandingkan dengan ikatan kovalen dan ikatan ion, contoh ikatan hidrogen tampak pada Gambar berikut:

Gambar. Ikatan hidrogen yang terjadi antar molekul air, dimana muatan parsial positif berasal dari atom H yang berasal dari salah satu molekul air

Adanya ikatan hidroen ternyata mempengaruhi sifat fisik dari zat yang berpengaruh terhadap titik leleh, titik didih, dan kalor penguapan. Pada gambar dibawah ini ditunjukkan pengaruh ikatan hydrogen terhadap titik didih dari senyawa hydrogen.

Terbentuknya ikatan hidrogen, secara eksperimental dan dikarakterisasi sebagai spectrum absorpsi infra merah. Senyawa dilarutkan dalam C-Cl₄. Daerah spectrum yang diperhatikan ialah frekuensi khas untuk vibrasi ulur ikatan O-H dan   N-H. Bila  daerah ini terdapat   absorpsi intensif dengan puncak tajam, berarti tidak terbentuk ikatan hirogen yang kuat.

Jenis interaksi dipol-dipol yang teristimewa kuat terjadi antara molekul yang mengandung atom hidrogen yang terikat pada nitrogen, oksigen atau flour. Masing-masing dari unsur terakhir ini adalah elektronegatif dan mempunyai elektron valensi menyendiri.

Dalam keadaan cair, molekul dari salah satu senyawa ini mempunyai tarikan yang kuat satu terhadap yang lainnya. Atom hidrogen yang parsial positif dari satu molekul ditarik oleh pasangan elektron menyendiri dari ataom molekul yang lain yang elektronegatif. Tarikan ini disebut ikatan hidrogen.

Ikatan hidrogen tidak semua sama kuatnya. Suatu ikatan hidrogen O—HO lebih kuat dari ikatan hidrogen N—HN. Mengapa demikian? Oksigen lebih elektronegatif daripada nitrogen; karena itu gugus O-H lebih polar dan mempunyai H yang lebih positif. H yang lebih positif ini lebih kuat tertarik oleh pusat negatif.

Ikatan hydrogen ada yang bersifat intramolekul dan intermolekul; intramolekul terjadi apabila ikatan yang terjadi di dalam molekulnya sendiri, intermolekul = ikatan yang terjadi antara beberapa molekul.

3.      Ikatan Hidrogen Antara Molekul (Intermolekul)

Tarikan antar molekul yang luar biasa kuatnya, dapat terjadi antara molekul-molekul, jika satu molekul mempunyai sebuah atom hidrogen yang terikat pada sebuah atom berelektronegativitas besar, dan molekul sebelahnya mempunyai sebuah atom berelektronegativitas tinggi yang mempunyai sepasang elektron menyendiri.

Inti hidrogen, yakni proton ditarik oleh sepasang elektron yang bersebelahan bolak-balik antara kedua atom tersebut. Tarikan antara dua molekul yang menggunakan bersama-sama sebuah proton disebut Ikatan Hidrogen.

a.      Hidrogen flourida, air, dan amoniak

Ketiga zat ini mempunyai tetapan dielektrikum tinggi, titik lebur dan titik didih yang relative tinggi bila dibandingkan dengan hidrida-hidrida yang segolongan dalam tabel periodic. Ini disebabkan karena adanya hydrogen dalam ketiga zat di atas.

Untuk memecah ikatan hydrogen ini diperlukan energy, hingga titik lebur dan titik didih relative tinggi. Air dalam bentuk padat yaitu es, satuan-satuan molekul H₂Onya tersusun secara tetrahedral.

Ikatan Hidrogen dalam air :

Tabel Titik Didih Hidrida (^oC)

Keluarga Metana	Keluarga Amoniak	Keluarga Air	Keluarga Hidrogen Flourida
-164 -112 -90 -52	NH3 – 33* PH3  – 87 AsH3 – 55 SbH3 – 18	H2O     +100* H2S      -61 H­­2Se    -41 H2Te      -2	HF    +20* HCl     -85 HBr     -67 HI      -35

* Titik didih relatif tinggi

Gambar. Susunan kristal air, berbentuk tetrahedral

b.      Alkohol

Alcohol seperti juga air, membentuk asosiasi molekul dengan ikatan hydrogen:

Berikut adalah titik didih alcohol dan merkaptan yang sejenis:

Alkohol        t.d.(oC)	Merkaptan   t.d.(oC)
CH3OH      64.5 C2H5OH      78 C3H7OH      97 C4H9OH    117	CH3SH      5.8 C2H5SH      37 C3H7SH      67 C4H9SH    97

c.       Asam Karboksilat

Beberapa asam karboksilat, membentuk dimer dengan ikatan hydrogen baik dalam bentuk uap atau dalam pelarut-pelarut tertentu. Asam asetat dalam bentuk uap dan dalam benzene membentuk dimer:

Dalam air, ikatan hydrogen terbentuk antara asam asetat dengan air, tidak dengan molekulnya sendiri.

d.      Amina

Amina-amina primer dan sekunder membentuk ikatan hydrogen, sedang amina tersier tidak, karena tidak lagi mempunyai atom H di atom N-nya. Titik didih dimetil amina (7^oC) lebih tinggi daripada trimetil amina (4^oC).

Dalam air amina primer dan sekunder bereaksi dengan air:

CH₃ – NH₂   + H₂O  →  CH₃NH₃-O-H    →   [ CH₃NH₃]⁺    + OH^-

Sebagian besar basa di atas ada dalam bentuk molekul, sehingga basanya sangat lemah, tidak seperti (CH₃)₄NOH.

e.       Hidrat kupri sulfat, CuSO₄.5H­₂O

Zat ini bila dipanaskan, mula-mula hanya melepaskan empat molekul air. Untuk melepaskan molekul air kelima diperlukan panas atau suhu yang tinggi.

CuSO₄.5H­₂O     →    CuSO₄.H­₂O     + 4H₂O

Hal ini disebabkan karena H₂O yang terakhir ini diikat dengan ikatan hydrogen.

Ikatan hydrogen juga terbentuk pada garam-garam hidrat yang lain serta hidrat dari asam-asam dan basa-basa.

Gambar. Struktur CuSO₄.5H₂O

4.      Ikatan Hidrogen Dalam Molekul (Intramolekul)

Ikatan hidrogen dapat terjadi inter molekul dan intra molekul. Jika Ikatan hidrogen terjadi diantara molekul-molekul yang berbeda maka disebut ikatan hidrogen intermolekul atau antar molekul seperti senyawa 1,4 – dihidroksi benzena. Sedangkan bila ikatan hidrogen terjadi antara atom-atom dalam molekul yang sama maka disebut ikatan hidrogen intramolekul atau didalam molekul seperti senyawa 1,2 – dihidroksi benzena.

                   

Gambaran Ikatan Hidrogen Intra Molekul.

Ikatan hidrogen terbentuk hanya pada molekul yang mengandung nitrogen, oksigen ataupun flour.

a.      Senyawa Orto substitusi benzena

Orto nitrofenol mendidih pada 214^oC, lebih rendah daripada isomer meta (290^oC) dan isomer para (279^oC). Zat ini juga lebih mudah menguap dalam uap air, lebih sukar larut dalam air daripada isomer meta dan para.

Bentuk Orto nitrofenol mengadakan ikatan hydrogen dalam molekul sedang bentuk meta dan para mengadakan ikatan hydrogen antar molekul, hingga titik didihnya relatif tinggi.

Kelarutan yang kecil dalam air dari zat ini disebabkan karena gugus OH dalam molekul tidak bebas lagi, jadi tidak dapat membentuk ikatan hydrogen dengan air.

Zat lain yang membentuk ikatan hydrogen dengan cara seksama ialah :

b.      Etil-asetoasetat

Etil aseto asetat didapatkan dalam dua bentuk tautomer. Pada tahun 1920 Meyer telah berhasil menghasilkan kedua bentuk ini dengan jalan destilasi fraksional pada tekanan direndahkan dalam alat dari kuarsa yang sangat bersih.

Alcohol biasanya mempunyai titik didih lebih tinggi dari pada keton, tetapi bentuk enol di atas titik didihnya lebih rendah daripada bentuk keton dan daya larutnya dalam air rendah serta lebih mudah larut dalam sikloheksana. Hal ini disebabkan karena zat tersebut membentuk ikatan hydrogen dalam molekul.

5.      Ikatan Hidrogen Dalam Protein dan Asam Nukleat

a.      Protein

Bagaimana suatu protein dapat memerankan berbagai fungsi dalam sistem makhluk hidup? Jawabnya adalah terletak pada strukturnya. Struktur protein terdiri dari empat macam struktur. Struktur pertama adalah struktur primer. Struktur ini terdiri dari asam-asam amino yang dihubungkan satu sama lain secara kovalen melalui ikatan peptida. Informasi yang menentukan urutan asam amino suatu protein tersimpan dalam molekul DNA dalam bentuk kode genetik. Sebelum kode genetik ini diterjemahkan menjadi asam-asam amino yang membangun struktur primer protein, mula-mula kode ini disalin kedalam bentuk kode lain yang berpadanan dengan urutan kode genetik pada DNA, yaitu dalam bentuk molekul RNA. Urutan RNA inilah yang kemudian diterjemahkan menjadi urutan asam amino

Struktur yang kedua adalah struktur sekunder. Pada struktur sekunder, protein sudah mengalami interaksi intermolekul, melalui rantai samping asam amino. Ikatan yang membentuk struktur ini, didominasi oleh ikatan hidrogen antar rantai samping yang membentuk pola tertentu bergantung pada orientasi ikatan hidrogennya. Ada dua jenis struktur sekunder, yaitu: a-heliks dan b-sheet. b-sheet itu sendiri ada yang paralel dan juga ada yang anti-paralel, bergantung pada orientasi kedua rantai polipeptida yang membentuk struktur sekunder tersebut.

Struktur-struktur sekunder ini, kemudian dikemas sedemikian rupa sehingga membentuk struktur tiga dimensi yang paling pavorable secara termodinamika. Struktur ruang ini adalah struktur ketiga atau juga dinamakan struktur tersier. Disini interakasi intra molekuler seperti ikatan hidrogen, ikatan ion, van der Waals, hidropobik dll turut menentukan orientasi struktur 3 dimensi dari protein (Gambar 3).

Banyak molekul protein yang memiliki lebih dari satu struktur tersier, dengan kata lain multi subunit. Intraksi intermolekul antar sub unit protein ini membentuk struktur keempat/kwaterner. Setiap subunit protein dapat melakukan komunikasi dan saling mempengaruhi satu sama lain melalui interaksi intermolekular ini.

Protein tersusun dari satuan-satuan dasar asam amino. R dapat berupa gugus metal CH₃--, seperti dalam alanin atau gugus yang lebih sulit, seperti:

HO – C₆H₄CH₂ - : tirosin

CH₃ – S – CH₂ – CH₂ – : Metionin

              R – CH – COOH

                     NH₂

Gugus – NH₂ berikatan dengan gugus – COOH dari molekul asam amino yang lain, dengan membentuk ikatan peptide

Dalam protein terdapat banyak sekali ikatan-ikatan hydrogen yaitu antara gugus – NH – – –O = C –.

b.      Asam Nukleat

Ikatan Hidrogen juga terdapat dalam asam nukleat, misalnya DNA (de-oxyribonucleic acid). Asam Nukleat DNA tersusun dari satuan H₃PO₄, Deoksirobose dan basa purin (adenine dan guanine) atau pirimidin (sitosin dan timin).

Tiap asam fosfat, deoksiribose dan satu basa, meembentuk nucleotide, misalnya : deoksitimidin 5’fosfat.

Gambar. deoksitimidin 5’fosfat

Nulkeotide ini saling berikatan melalui gugusan fosfat, sehingga terbentuk molekul yang besar, yaitu asam nukleat:

Basa satu dengan basa lain, berikatan dengan ikatan hydrogen, namun adenine hanya dapat berikatan dengan timin, dan guanine dengan sitosin.