Díky novému objevu týmu Pavla Hobzy by se mohly přepisovat učebnice chemie

Patří mezi nejcitovanější české i světové vědce. Pavel Hobza z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR se se svým týmem poprvé zapsal do povědomí badatelské obce před dvaceti lety, když objevil a popsal takzvanou nepravou vodíkovou vazbu. Teoretické výpočty potvrdily i následné experimenty. Nyní přichází český vědec s dalším objevem, na jehož základě chce původní definici zjednodušit. Budou se učebnice fyzikální chemie opět přepisovat?

Pavel Hobza pracuje v Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR více než dvacet let. Za tu dobu si připsal několik důležitých chemických objevů a posbíral mnoho prestižních ocenění. V roce 2008 například získal Národní cenu Česká hlava za celoživotní dílo a výzkum ve výpočetní chemii. Je rovněž nositelem Ceny Neuron v oboru chemie za zásadní objevy a celoživotní práci, kterou přispěl k rozvoji světové vědy.

Nejnověji přichází Pavel Hobza a jeho tým společně s kolegy z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR a Technické univerzity Ostrava s objevem, který má potenciál dříve přijatou definici zjednodušit a studenty chemie znovu přimět k tomu, aby přehodnotili své představy o studované látce. V článku publikovaném v časopise Journal of the American Chemical Society vědci navrhují nové zpřesnění definice vodíkové vazby. Kromě protonické vazby by do ní na základě jejich výzkumu měla nově přibýt i hydridická vodíková vazba.

Pavel Hobza je vedoucím skupiny nekovalentní interakce v Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR. Patří mezi nejvýznamnější české vědce současnosti.

Červené a modré posuny
Tým Pavla Hobzy v původní práci popsal nepravou vodíkovou vazbu X-H…Y. Ta se neprojevovala očekávaným červeným posunem (posun k nižším frekvencím) vibrační frekvence vazby X-H, která se podílí na vodíkové vazbě, ale naopak modrým posunem (posun k vyšším frekvencím).

„Současná definice vodíkové vazby vychází z našeho objevu nepravé vodíkové vazby, která se vyznačovala modrým, a nikoli očekávaným červeným posunem vibrační frekvence vazby X-H. Naše nedávné studie jdou ještě dál. Ukázaly, že vodíková vazba se tvoří i v případě hydridického a nikoli pouze protonického vodíku. Navrhujeme proto upravit stávající definici vodíkové vazby tak, aby zahrnula všechny typy vazeb,“ vysvětluje Pavel Hobza.

Voda se známým vzorcem H₂O je velmi jednoduchá molekula tvořená kyslíkem a dvěma atomy vodíku, přičemž vodík je nejlehčí ze všech existujících prvků vůbec. Za fakt, že voda teče v kapalném stavu z kohoutku a že varu dosahuje při teplotě 100 °C je zodpovědná vodíková vazba. Ta vzniká mezi vodíkovým atomem jedné molekuly vody a atomem kyslíku druhé molekuly. Jedná se o nekovalentní interakce, díky nimž drží pohromadě dvoušroubovice DNA a které se nacházejí ve všech proteinech či enzymech. Vodíková vazba tedy hraje naprosto zásadní a nepostradatelnou roli ve většině chemických a prakticky ve všech biochemických procesech na planetě.

Většina prvků v periodické tabulce má nižší elektronegativitu, tedy schopnost k sobě přitahovat elektrony než vodík. Pouze několik prvků (např. uhlík, dusík, kyslík, halogeny) má elektronegativitu vyšší. Ve zmíněné molekule vody k sobě přitahuje kyslík elektrony z vodíku a ten se pak stává částečně kladně nabitým. Pokud se v blízkosti kladně nabitého vodíku ocitne molekula obsahující prvek, který má elektronů nazbyt a může se o ně podělit, např. kyslík nebo dusík, vznikne protonická vodíková vazba. Přitom se oslabí a prodlouží vazba mezi vodíkem a elektronegativnějším atomem.

Takové prodloužení se projeví zmenšením vibrační frekvence této vazby, červeným posunem měřitelným infračervenou spektrometrií. Chemická vazba se vlastně chová jako struna a jejím prodloužením se sníží frekvence, a naopak zvýší vlnová délka směrem k červené části spektra. Podobný jev známe ze hry na kytaru, kde lze měnit výšku tónu právě zkracováním a prodlužováním struny na hmatníku.

V určitých případech ale může vazba mezi vodíkem a elektronegativnějším prvkem naopak zesílit, což se projeví zvýšením její vibrační frekvence, modrým posunem. V takovém případě už mluvíme o zmíněné nepravé vodíkové vazbě. Tedy o původním objevu Pavla Hobzy.

Hlavní roli hrají vodík a křemík
Pokud se ovšem atom vodíku naváže na prvek s nižší elektronegativitou, bude vodík najednou nabitý záporně. Pavel Hobza a jeho kolegové zkoumali nově konkrétně trimethylsilan (Me₃-Si-H), kde je atom vodíku navázaný na méně elektronegativní atom křemíku a nese tudíž záporný náboj, a to v komplexech s různými elektronově chudými molekulami. Vazbu, jež v takovém případě vzniká, nazvali vědci hydridickou vodíkovou vazbou.

Pomocí výpočetních metod došli k tomu, že za popsaných okolností kovalentní vazba mezi křemíkem a vodíkem oslabí a prodlouží se, zatímco její vibrační frekvence se sníží. Dojde tedy k červenému posunu, stejnému, jak ho známe z protonické vodíkové vazby. Autoři experimentálně prokázali tento červený posuv u hydridické vodíkové vazby jako první na světě. Použili k tomu infračervenou spektrometrii za nízkých teplot. Tím se jim podařilo doložit, že hydridická vodíková vazba se projevuje zcela analogicky jako protonická vodíková vazba.

Díky tomuto objevu nastal čas na úpravu stávající definice vodíkové vazby. Je nutné pro takovou vazbu zavádět definici úplně novou, nebo bude stačit upravit tu stávající? Autoři považují za vhodnější druhou cestu a ve své studii navrhují nové znění definice tak, aby zahrnovala oba typy vodíkové vazby, tedy jak protonickou, tak i hydridickou. Zda se učebnice budou díky novému objevu týmu Pavla Hobzy znovu přepisovat, však zatím zůstává otázkou.

Video k novému objevu je možné zhlédnout na kanálu YouTube.

Text: Markéta Wernerová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR, s využitím tiskové zprávy AV ČR
Foto: Shutterstock; Tomáš Belloň, Ústav organické chemie a biochemie AV ČR

Text je uvolněn pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• Krotitelé molekul: vědci objevili, jak zvýšit kapacitu molekulárních čipů
• Od vynálezu k praxi. Firma vyzkouší metodu jednodušší výroby metanolu
• Badatelé představili 3D materiály pro rekonstrukční a plastickou chirurgii
• Proč se Země a Venuše vyvinuly odlišně? Napoví mise, jíž se účastní i Češi
• Nová zobrazovací metoda pomůže rychleji identifikovat například rakovinné tkáně
• AMULET se zaměří na vývoj multiškálových materiálů, získal téměř půl miliardy
• Počítačový model ucha: čeští vědci vyvinuli unikátní nástroj ke zkoumání sluchu
• Čeští vědci odhalili π-díru v molekulách, potvrdili tak dekády známou teorii
• Česká kosmická mise SLAVIA chce pátrat po pokladech vesmíru
• Inženýrka nových proteinů. Kristýna Boušová přetváří svět buněk a molekul