氫鍵

氫鍵

氫鍵是一種特殊的分子間或分子內相互作用力，屬於電性吸引力的一種。它是由氫原子與電負性較大的原子（如氧、氮、氟等）形成的一種非共價鍵相互作用。氫鍵的強度介於共價鍵和范德華力之間，通常在5-30 kJ/mol範圍內。

1. 供體原子：必須有一個與高電負性原子（如O、N、F）共價鍵合的氫原子（X-H）。

2. 受體原子：必須有一個具有孤對電子的高電負性原子（如O、N、F）。

3. 幾何要求：X-H...Y三個原子通常呈直線或接近直線排列時，氫鍵最強。

分子間氫鍵

指不同分子之間形成的氫鍵，如水分子間的氫鍵就是典型的分子間氫鍵。

分子內氫鍵

指同一分子內不同部分之間形成的氫鍵，如鄰硝基苯酚中硝基與羥基間的氫鍵。

對稱氫鍵

一種特殊的強氫鍵，其中氫原子位於兩個相同原子中間，如[F...H...F]-離子中的氫鍵。

1. 方向性：氫鍵通常沿著供體原子孤對電子軌道的方向形成。

2. 飽和性：一個X-H通常只能形成一個氫鍵。

3. 強度範圍：比共價鍵弱，但比范德華力強。

4. 鍵長：H...Y距離通常為1.5-2.6 Å，比共價鍵長但比范德華接觸距離短。

對熔沸點的影響

能形成氫鍵的物質通常具有異常高的熔點和沸點，如水（H₂O）的沸點遠高於硫化氫（H₂S）。

對溶解度的影響

溶質與溶劑間能形成氫鍵時，溶解度通常會增大，如醇類易溶於水。

對黏度的影響

液體分子間氫鍵會增加液體的黏度，如甘油的高黏度就與其分子間氫鍵有關。

對酸性的影響

分子內氫鍵常使酸性增強，如鄰位取代的苯甲酸通常比間位和對位酸性強。

1. DNA結構：DNA雙螺旋結構的穩定性主要依賴於鹼基對間的氫鍵。

2. 蛋白質結構：蛋白質的二級結構（α-螺旋和β-摺疊）由主鏈間的氫鍵維持。

3. 酶催化：許多酶的活性中心利用氫鍵來識別和結合底物。

4. 水溶液環境：生物體內的水環境中廣泛存在氫鍵網絡，對生物分子結構和功能至關重要。

1. X射線衍射：可測定晶體中氫鍵的幾何參數。

2. 中子衍射：能更精確定位氫原子位置。

3. 紅外光譜：X-H伸縮振動頻率的位移可反映氫鍵強度。

4. 核磁共振：化學位移和耦合常數變化可提供氫鍵信息。

5. 理論計算：量子化學計算可預測氫鍵強度和幾何結構。

1. 超分子化學：利用氫鍵設計和組裝功能性超分子結構。

2. 材料科學：開發具有特殊性能的氫鍵聚合物材料。

3. 藥物設計：優化藥物分子與靶標蛋白間的氫鍵相互作用。

4. 晶體工程：通過氫鍵控制分子堆積方式，設計特定性能的晶體。

1. 1920年：Latimer和Rodebush首次提出氫鍵概念。

2. 1930年代：Pauling系統研究氫鍵並將其理論化。

3. 1950年代：發現DNA雙螺旋中的氫鍵模式。

4. 1990年代至今：氫鍵在超分子化學和材料科學中的應用研究蓬勃發展。

現代理論認為氫鍵本質上是一種靜電-共價混合作用：

1. 靜電成分：Xδ--Hδ+與Yδ-間的電性吸引。

2. 共價成分：H原子與Y原子間的部分電子云重疊。

3. 極化作用：氫鍵形成會引起電子云重新分布。

4. 分散作用：也有少量范德華力的貢獻。