Ikatan hidrogen

Dalam kimia, **ikatan hidrogen** merupakan interaksi molekul yang melibatkan atom hidrogen (H) dengan atom lain dengan sebuah pasangan elektron bebas. Dalam hal ini, atom hidrogen yang berikatan kovalen dengan sebuah atom donor (**Dn**) berinteraksi dengan atom lain (**Ac**) yang memiliki keelektronegatifan tinggi. Ikatan ini umumnya digambar sebagai **Dn−H···Ac** dengan garis tebal sebagai ikatan kovalen dan titik-titik sebagai ikatan hidrogen.

Atom-atom yang umumnya terlibat dalam ikatan hidrogen adalah atom nitrogen (N), oksigen (O), dan fluorin (F). Berbeda dengan interaksi dipol-dipol yang berasal dari tarik-menarik dipol positif dan negatif, ikatan hidrogen juga melibatkan aspek interaksi orbital dan delokalisasi elektron sehingga bersifat lebih kompleks.

Ikatan hidrogen relatif bersifat lebih kuat daripada gaya antarmolekul lain, tetapi lebih lemah dari ikatan kimia seperti ikatan kovalen dan ikatan ion. Kekuatannya dipengaruhi geometri (susunan atom yang terlibat), lingkungan (pelarut dan molekul lain), serta identitas atom yang terlibat sehingga memiliki energi dari lemah (1-2 kJ mol−1) hingga tinggi (>155 kJ mol−1). Walau dikenal sebagai gaya antarmolekul, ikatan hidrogen dapat terjadi pula pada molekul yang sama (intramolekul).

Ikatan hidrogen memiliki peran penting di ilmu kimia, ilmu biologi, dan juga ilmu material. Ikatan ini berperan dalam menstabilkan heliks ganda DNA dan struktur protein, memberikan titik didih yang tinggi terhadap air dan hidrogen fluorida, dan juga memberikan sifat kekakuan terhadap material seperti kertas, wol, dan hidrogel.

Ikatan hidrogen juga sangat berpengaruh pada spektroskopi. Contoh yang paling nyata adalah pada spektroskopi inframerah, dengan adanya ikatan hidrogen akan memperlebar *stretching*.

## Ikatan

### Pengertian dan sifat umum
Dalam ikatan hidrogen, atom yang berikatan kovalen dengan hidrogen disebut sebagai donor proton, sedangkan atom yang tidak berikatan disebut akseptor. Penamaan ini merupakan penamaan rekomendasi dari IUPAC. Jika dilihat dari perspektif asam-basa Lewis, donor proton merupakan basa Lewis, sedangkan akseptor merupakan asam Lewis.

Ikatan hidrogen muncul sebagai hasil dari kombinasi berbagai fenomena fisika dan kimia: interaksi elektrostatik (muatan positif dan negatif parsial), ikatan kovalen (tumpang-tindih orbital), dan gaya dispersi London.

Seiring perkembangan zaman, atom hidrogen juga ditemukan mampu membentuk ikatan hidrogen yang lemah dengan atom belerang (S), klorin (Cl), dan bahkan juga karbon (C). Khususnya untuk atom karbon, hal ini dapat terjadi karena karbon (sebagai donor) berikatan pula dengan atom elektronegatif seperti di kloroform dan aldehida. Meski sangat lemah, ikatan hidrogen ini bersifat penting untuk menjaga struktur berbagai zat. Dengan berbagai penemuan tentang hal ini, IUPAC merilis pembaruan untuk definisi ikatan hidrogen yang terbit di jurnal *Pure and Applied Chemistry*.

### Kekuatan ikatan
Kekuatan ikatan hidrogen sangat beragam, dari lemah (1–2 kJ/mol) hingga kuat (161,5 kJ/mol pada ion HF2−). Beberapa entalpi di fasa uap adalah sebagai berikut:

* F−H···:F− (161,5 kJ/mol), khususnya di HF2−
* O−H···:N (29 kJ/mol) seperti di air-amonia
* O−H···:O (21 kJ/mol) seperti di air-air atau alkohol-alkohol
* N−H···:N (13 kJ/mol) seperti di amonia-amonia
* N−H···:O (8 kJ/mol) seperti di air-amida

Ikatan hidrogen antara C-H umumnya sangat jarang dan lemah.

Kekuatan ikatan hidrogen antarmolekul umumnya ditentukan dengan pengukuran energi molekul saat terjadi kesetimbangan, umumnya di larutan. Untuk kekuatan intramolekul, energi ini dipelajari dari kesetimbangan antara konformasi molekul dengan dan tanpa ikatan hidrogen. Selain itu, metode untuk penentuan ikatan hidrogen di molekul kompleks adalah dengan kristalografi atau spektroskopi NMR. Detail struktur seperti jarak antara donor dan akseptor yang lebih rendah dari radius van der Waals dapat menjadi petunjuk kekuatan ikatan hidrogen.

### Detail struktur
Ikatan **Dn−H** umumnya memiliki ≈110 pm (0,11 nm atau 1,1 Angstrom), sedangkan **H···Ac** memiliki ukuran ≈160-200 pm (0,16-0,2 nm atau 1,6-2 Angstrom). Ukuran ikatan hidrogen umum adalah 197 pm. Geometri molekul juga memengaruhi kekuatan ikatan hidrogen dan dipengaruhi juga oleh donor hidrogen. Misalnya, molekul HF (donor atom fluorin) yang berinteraksi dengan asam sianida (linear, HCN) memiliki sudut 180°, sedangkan yang berinteraksi dengan formaldehida (planar segitiga, H2CO) memiliki sudut 120° dan air hanya 46°.

### Spektroskopi
Dalam spektroskopi NMR, ikatan hidrogen kuat akan menyebabkan pergeseran *downfield* pada spektrum 1H NMR. Sebagai contoh, senyawa asetilaseton memiliki tautomer enol dengan geseran kimia 15,5 ppm; 10 ppm lebih tinggi daripada alkohol umumnya.

Dalam spektroskopi IR, ikatan hidrogen menyebabkan frekuensi regangan **Dn−H** lebih rendah. Adanya tarikan dari **Ac** menyebabkan ikatan **Dn−H** umumnya lebih lemah, energi dan frekuensi vibrasi lebih rendah, dan bilangan gelombang lebih tinggi. Dari atom akseptor, kehadiran ikatan hidrogen juga memengaruhi frekuensi mode vibrasi inframerah sehingga dapat dipelajari keberadaannya. Dinamika inilah yang digunakan untuk mempelajari mode vibrasi OH pada air.

### Telaah teoretis
Ikatan hidrogen terus menjadi telaah penting teoretis di ilmu kimia.

## Sejarah
Konsep ikatan hidrogen merupakan salah satu konsep yang cukup rumit. Linus Pauling, salah satu kimiawan terkemuka yang mengajukan konsep keelektronegatifan, menyebut T. S. Moore dan T. F. Winmill sebagai orang-orang pertama yang menyebutnya. Keduanya menggunakan konsep ini untuk menjelaskan penemuan bahwa trimetilamonium hidroksida merupakan basa yang lebih lemah daripada tetrametilamonium hidroksida. Deskripsi yang lebih umum, yakni dalam membahas air, muncul tahun 1920 oleh Latimer dan Rodebush.

## Ikatan hidrogen di molekul kecil
### Air

Contoh ikatan hidrogen yang paling jelas adalah ikatan yang terjadi di molekul air (H2O). Dalam sebuah molekul air, terdapat dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Model yang paling sederhana adalah dimer dari air yang terjadi apabila air membentuk satu ikatan hidrogen dengan satu molekul air lain. Makin banyak jumlah molekul yang ada, makin banyak pula ikatan hidrogen yang terbentuk.

Salah satu dampak dari ikatan hidrogen adalah struktur kristal dari es. Molekul air membentuk kisi heksagonal yang kosong, sehingga membuat massa jenis es lebih rendah daripada massa jenis es. Akibatnya, es mengapung di cairan air, berbeda dengan padatan dari cairan yang lain.

Selain itu, adanya ikatan hidrogen menyebabkan titik didih air menjadi tinggi (100 °C). Air mampu membentuk banyak ikatan hidrogen meski memiliki massa molar yang rendah. Air pun memiliki titik leleh yang tinggi dan visikositas yang tinggi pula, jika dibandingkan dengan senyawa dengan massa molar yang sama.

Jumlah ikatan hidrogen yang terbentuk dari molekul air berubah setiap waktu dan suhu. Dalam sebuah model air TIP4P pada suhu 25 °C, molekul air rata-rata membentuk 3,59 ikatan hidrogen. Jumlah ini berkurang menjadi 3,24 pada suhu 100 °C, tetapi menjadi 3,69 pada suhu 0 °C. Namun, penentuan jumlah ini rumit dan kompleks untuk dilakukan sehingga penelitian lain pun bisa menghasilkan nilai yang berbeda, seperti 2,357 ikatan pada 25 °C.

Air pun juga dapat membentuk ikatan hidrogen dengan zat terlarut. Hal ini yang menjadi pendorong pelarutan zat, tetapi juga menghambat terbentuknya ikatan hidrogen sesama zat terlarut. Zat yang terlarut dapat dikatakan memiliki kecenderungan untuk membentuk ikatan hidrogen dengan air daripada dengan sesama zat terlarut. Mengingat bahwa air memiliki polaritas yang tinggi dan mampu membentuk gaya dipol-dipol atau ion-dipol, air menjadi pelarut universal yang mampu melarutkan garam dan senyawa polar.

### Koordinasi lebih ikatan hidrogen dalam air
Satu atom hidrogen dapat terlibat dalam dua ikatan hidrogen. Hal ini dapat terjadi pada molekul organik kompleks dan bahkan disebutkan merupakan komponen penting supaya molekul air mampu mengalami reorientasi molekul. Atom oksigen akseptor lebih mungkin mengalami ikatan hidrogen tipe seperti ini daripada atom oksigen donor.

### Dampak lain
Senyawa hidrogen fluorida (dengan tiga pasangan elektron bebas di atom F dan satu atom H) hanya mampu membentuk dua ikatan. Di sisi lain, amonia memiliki tiga atom hidrogen, tetapi hanya satu pasangan elektron bebas di atom nitrogen. Akibatnya, keduanya hanya mampu membentuk dua ikatan hidrogen.

Dampak lain dari ikatan hidrogen ini antara lain sebagai berikut:

* Kenaikan visikositas, titik didih, dan titik leleh, dan senyawa dapat dijelaskan dengan ikatan hidrogen. Hal ini terlihat jelas di asam fosfat dan gliserol
* Titik didih NH3, H2O, dan HF yang jauh lebih tinggi daripada PH3, H2S, dan HCl
* Pembentukan dimer asam karboksilat dan heksamer hidrogen fluorida
* Terbentuknya pentamer air dan alkohol di pelarut nonpolar, dan
* Kenaikan titik didih senyawa alkohol dari senyawa alkana dengan jumlah karbon yang sama
* Menstabilkan salah satu isomer, seperti bentuk enol dari asetilaseton
* Menstabilkan ligan dan kompleks, seperti kompleks Ni(DMG)2

## Ikatan hidrogen di polimer

### Struktur DNA
Ikatan hidrogen juga berperan penting dalam struktur DNA. Basa nitrogen dalam DNA terhubung melalui ikatan hidrogen, membentuk pasangan basa nitrogen. Selain itu, bentuk pilinan atau heliks DNA tercipta karena adanya ikatan hidrogen, yang menyebabkan struktur DNA melengkung dan melingkar. Tanpa ikatan hidrogen, bentuk heliks DNA tidak akan terbentuk.

## Referensi