Водородная связь
-
Определение и характеристики водородной связи
- Водородная связь — это электростатическое притяжение между атомом водорода и электроотрицательным атомом или группой.
- Обозначается как Dn-H···Ac, где Dn — донор, Ac — акцептор.
- Наиболее частые доноры и акцепторы: азот, кислород, фтор.
- Водородные связи могут быть межмолекулярными или внутримолекулярными.
-
Прочность и классификация водородных связей
- Энергия водородной связи варьируется от 1 до 40 ккал/моль.
- Прочность зависит от геометрии, окружающей среды и природы атомов.
- Водородные связи могут быть сильными, умеренными или слабыми.
-
Примеры и применение водородных связей
- Водородные связи удерживают материалы, такие как бумага и шерсть.
- Отвечают за высокую температуру кипения воды.
- Внутримолекулярные водородные связи участвуют в структуре белков и нуклеиновых кислот.
-
Методы идентификации водородных связей
- Прочность межмолекулярных связей оценивается по равновесиям между молекулами.
- Внутримолекулярные связи изучаются по равновесиям между конформерами.
- Основные методы: кристаллография, ЯМР-спектроскопия.
-
Резонансная водородная связь
- Сильный тип водородной связи, характеризующийся π-делокализацией.
- Используется для описания коротких расстояний между O=C−OH··· или ···O=C−C=C−OH.
-
Конструктивные детали и спектроскопия
- Расстояние X−H составляет ≈110 м, H···Y — ≈160-200 м.
- Прочные водородные связи обнаруживаются по сдвигам поля в спектре ЯМР 1Н.
- В ИК-спектре водородная связь смещает частоту растяжения X-H.
-
Теоретические соображения и история
- Водородные связи представляют постоянный теоретический интерес.
- Квантово-химические расчеты выявили различия между водородными связями одного типа.
- Водородная связь частично ковалентна, но это толкование было оспорено.
- Первоначальная теория водородных связей предполагала их частично ковалентную природу.
-
История водородной связи
- Уинмилл впервые упомянул о водородной связи в 1912 году.
- Мур и Уинмилл использовали водородную связь для объяснения свойств гидроксида триметиламмония.
- Латимер и Родебуш описали водородную связь в воде в 1920 году.
-
Водородные связи в малых молекулах
- Вода содержит два атома водорода и один атом кислорода, образуя димер воды.
- В жидкой воде возможно большее количество связей, до четырех на молекулу.
- Водородные связи влияют на кристаллическую структуру льда и плотность воды.
- Высокая температура кипения воды обусловлена водородными связями.
-
Раздвоенные и чрезмерно скоординированные водородные связи
- Один атом водорода может участвовать в двух водородных связях, образуя раздвоенную связь.
- Водородные связи акцепторного типа чаще образуют бифуркацию.
-
Другие жидкости и водородные связи
- Фтористый водород образует только две связи, аммиак — три.
- Водородные связи объясняют повышение температуры плавления и кипения многих соединений.
- Водородные связи в полимерах влияют на их структуру и свойства.
-
Водородные связи в ДНК и белках
- Водородные связи в ДНК определяют двойную спиральную структуру.
- В белках водородные связи участвуют в формировании вторичной и третичной структур.
- Водородные связи стабилизируют белки и влияют на их сворачивание.
-
Водородные связи в полимерах
- Водородные связи влияют на свойства целлюлозы, нейлона и арамидного волокна.
- Нейлоновые волокна более чувствительны к влажности, чем арамидные.
-
Симметричная водородная связь
- Симметричная водородная связь — это протон между двумя одинаковыми атомами.
- Прочность связи с каждым атомом одинакова, что является примером трехцентровой четырехэлектронной связи.
-
Прочность водородной связи
- Водородная связь прочнее обычной водородной связи
- Эффективный порядок связи равен 0,5, что сравнимо с ковалентной связью
- Присутствует во льду при высоком давлении и в твердой фазе безводных кислот
-
Примеры водородных связей
- Наблюдается в бифторид-ионе [F···H···F]−
- Протонированная форма протонной губки имеет симметричные водородные связи ([N···H···N]+), хотя соединение изогнуто
-
Дигидрогенная связь
- Водородную связь можно сравнить с дигидрогенной связью
- Дигидрогенная связь также представляет собой межмолекулярное взаимодействие с участием атомов водорода
- Понимание связи дигидрогенной связи с обычной водородной связью, ионной связью и ковалентной связью остается неясным
-
Акцепторы протонов
- Водородная связь характеризуется акцептором протонов, представляющим собой одиночную пару электронов в атомах неметалла
- В дигидрогенной связи гидрид металла служит акцептором протонов, образуя взаимодействие водород-водород
-
Применение к лекарственным средствам
- Водородная связь имеет отношение к разработке лекарственных средств
- Согласно правилу пяти Липински, большинство перорально активных лекарственных средств имеют не более пяти доноров водородных связей и менее десяти акцепторов водородных связей
- Эти взаимодействия существуют между азотно-водородными и кислородно-водородными центрами
-
Рекомендации
- Дальнейшее чтение: Джордж А. Джеффри, Введение в водородную связь
- Внешние ссылки: Стенка пузыря (аудио-слайд-шоу из Национальной лаборатории высоких магнитных полей)