氫鍵

氣態的羧酸常以二聚體形成存在

乙醯丙酮的烯醇式結構借分子內氫鍵得以穩定

氫鍵是分子間作用力的一種，是一種永久偶極之間的作用力，氫鍵發生在已經以共價鍵與其它原子鍵結合的氫原子與另一個原子之間（X-H…Y），通常發生氫鍵作用的氫原子兩邊的原子（X、Y）都是電負度較強的原子。氫鍵既可以是分子間氫鍵，也可以是分子內的^[1]。其鍵能最大約為200kJ/mol，一般為5-30kJ/mol，比一般的共價鍵、離子鍵和金屬鍵鍵能要小，但強於靜電引力。

氫鍵對於生物高分子具有尤其重要的意義，它是蛋白質和核酸的二、三和四級結構得以穩定的部分原因。

成鍵[編輯]

氫鍵通常可用X-H…Y來表示。其中X以共價鍵與氫相連，具有較高的電負度，可以穩定負電荷，因此氫易解離，具有酸性（質子給予體）。而Y則具有較高的電子密度，一般是含有孤電子對的原子，容易吸引氫原子，從而與X和H原子形成三中心四電子鍵。

鍵能[編輯]

氫鍵鍵能大多在25-40kJ/mol之間。一般認為鍵能小於25kJ/mol的氫鍵屬於較弱氫鍵，鍵能在25-40kJ/mol的屬於中等強度氫鍵，而鍵能大於40kJ/mol的氫鍵則是較強氫鍵。^[2] 曾經有一度認為最強的氫鍵是[HF₂]⁻中的FH…F⁻鍵，計算出的鍵能大約為169kJ/mol。^[3] 而事實上，用相同方法計算甲酸和氟離子間的[HCO₂H…F⁻]氫鍵鍵能，結果要比HF₂⁻的高出大約30kJ/mol。^[4]

**常見氫鍵的氣態解離能數據，單位為kJ/mol**^[2]
較弱		中等		較強
HSH…SH₂ NCH…NCH H₂NH…NH₃ MeOH…OHMe HOH…OH₂	7 16 17 19 22	FH…FH ClH…OMe₂ FH…OH₂	29 30 38	HOH…Cl⁻ HCONH₂…OCHNH₂ HCOOH…OCHOH HOH…F⁻ H₂OH⁺…OH₂ FH…F⁻ HCO₂H…F⁻	55 59 59 98 151 169 ~200

常見氫鍵的平均鍵能數據為：

F—H $\cdots$ :F （155 kJ/mol 或 40 kcal/mol）
O—H $\cdots$ :N （29 kJ/mol 或 6.9 kcal/mol）
O—H $\cdots$ :O （21 kJ/mol 或 5.0 kcal/mol）
N—H $\cdots$ :N （13 kJ/mol 或 3.1 kcal/mol）
N—H $\cdots$ :O （8 kJ/mol 或 1.9 kcal/mol）
HO—H $\cdots$ :OH₃⁺ （18 kJ/mol^[5] 或 4.3 kcal/mol）

成鍵原子[編輯]

典型的氫鍵中，X和Y是電負度很強的F、N和O原子。但C、S、Cl、P甚至Br和I原子在某些情況下也能形成氫鍵^[2]，但通常鍵能較低。

碳在與數個電負度強的原子相連時也有可能產生氫鍵。例如在氯仿CHCl₃中，碳原子直接與三個氯原子相連，氯原子周圍電子雲密度較大，因而氫原子周圍即帶有部分正電荷，碳也因此參與了氫鍵的形成，扮演了質子供體的角色。

芳香環、碳碳三鍵或雙鍵在某些情況下都可作為電子供體，與強極性的X-H（如-O-H）形成氫鍵。

方向[編輯]

X-H…Y不需要，也往往不是嚴格的直線。^[6] 哪怕不算分叉的氫鍵，一對一的氫鍵中也有很多鍵角處在150°-180°之間的情況，氟化氫長鏈中的氫鍵即是一例。^[2]

對稱氫鍵[編輯]

通常氫是通過共價鍵與X原子相連，並通過較長和較弱的「氫鏈」與Y原子連接，即使X與Y是相同的元素，X-H和H…Y距離也往往不相等。但在M⁺HA₂⁻型的酸式鹽中，其中A是F⁻或某些有機酸（如乙酸和苯甲酸），氫原子恰好處於X和Y原子的中心（X-H…Y）。這一類例子被稱作對稱氫鍵，它們往往鍵能較大，鍵長較短。^[7]

對稱氫鍵和不對稱氫鍵的現象往往難以解釋。一個比較認同的解釋是，將FHF⁻離子中的氫鍵看成氫橋，類似於乙硼烷中的BHB硼橋鍵。只不過硼橋鍵是三中心兩電子鍵，而氫橋鍵是三中心四電子鍵。^[7]

雙氫鍵[編輯]

1995年以來，報導了許多種分子間存在一種被稱為雙氫鍵的新型分子間力，可用通式AH…HB表示。^[8] 雙氫鍵的鍵長一般小於220pm，極限可能為270pm，鍵能從n~n*10kJ/mol不等，相當於傳統分子間力能量數量級。雙氫鍵的一些例子包括：BH₄⁻…HCN、BH₄⁻…CH₄、LiH…NH₄、LiH…HCN、LiH…HC≡CH，CH₄…H-NH₃⁺和H-Be-H…H-NH₃等，其中以BH₄⁻…HCN雙氫鍵的鍵長為最短（171pm），鍵能也最高（75.44kJ/mol），遠大於水和HF間的氫鍵鍵能。目前對雙氫鍵的研究還不是很深入。

影響[編輯]

液態水模擬圖。照片中心的分子引出的的藍色虛線代表氫鍵。

氫鍵的影響包括：

與同族的化合物相比，NH₃、H₂O和HF具有反常高的熔點和沸點。
氨在水中的非常大的溶解度與它和水分子間的氫鍵有關。
甘油、無水磷酸和硫酸具有較大的黏度。
鄰硝基苯酚中存在分子內氫鍵，因此熔點較間硝基苯酚和對硝基苯酚低。
冰中水分子在冰晶體結構中空間占有率較低，因而冰密度較小，甚至小於水。
- 冰中每個H₂O水分子都按四面體方向參與形成4個O-H…O氫鍵，每莫耳冰中只有2N₀個氫鍵。冰的熔化熱為5.0kJ/mol，而冰中氫鍵鍵能為18.8kJ/mol，因此剛熔化的水中仍有大量的氫鍵。在4℃時，水氫鍵斷裂（密度增大）和受熱分子間距增大（密度減小）的趨勢相等，因此4℃時水密度最大。這個溫度對於水中生物至關重要，它保證了冬季時水中生物不至於因為水結冰而死亡。
分子內形成氫鍵常使酸性增強。如苯甲酸的pKa=11.02，而鄰羥基苯甲酸的pKa=11，2,6-二羥基苯甲酸可在分子內形成兩個氫鍵，它的pKa=8.3。其原因是分子內氫鍵的形成，促進了氫的解離。
結晶水合物中存在由氫鍵構建的類冰骨架，其中可裝入小分子或離子。參見甲烷氣水包合物。
C=O…H-N氫鍵使蛋白質形成α螺旋。
DNA(去氧核糖核酸)中兩條鏈的鹼基通過氫鍵配對，而氫鍵的飽和性和方向性使得雙螺旋的鹼基配對具有專一性，即A-T靠2個氫鍵配對而C-G靠3個氫鍵配對，如下圖：

參見[編輯]

參考資料[編輯]

^ International Union of Pure and Applied Chemistry. "hydrogen bond （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）". Compendium of Chemical Terminology Internet edition.
^ ^2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements, 2nd Ed., Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4.
^ 對於這個數據有爭議，一般在150-250kJ/mol之間。不少人認為155kJ/mol較恰當，參見 Emsley, J. (1980). "Very Strong Hydrogen Bonds". Chemical Society Reviews 9: 91-124. 離子迴旋共振譜法得出的數據為163±4kJ/mol，參看 J. Emsley, Polyhedron 4, 489-90 (1985).也與之吻合較好。
^ J. Emsley, O. P. A. Hoyte and R. E. Overill, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 225 (1977).
^ Omer Markovitch and Noam Agmon (2007). "Structure and energetics of the hydronium hydration shells". J. Phys. Chem. A 111 (12): 2253 - 2256. doi:10.1021/jp068960g.
^ F. Albert Cotton, Geoffrey Wilkinson, Carlos A. Murillo, and Manfred Bochmann, Advanced Inorganic Chemistry, 6th ed.. Wiley-Interscience. ISBN 0-471-19957-5.
^ ^7.0 ^7.1 張青蓮等。《無機化學叢書》第一卷。北京：科學出版社。
^ Chem. Commun., 1996, 14: 1633.

外部連結[編輯]

[1] International Union of Pure and Applied Chemistry. "hydrogen bond （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）". Compendium of Chemical Terminology Internet edition.

[Greenwood-2] 2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements, 2nd Ed., Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4.

[3] 對於這個數據有爭議，一般在150-250kJ/mol之間。不少人認為155kJ/mol較恰當，參見 Emsley, J. (1980). "Very Strong Hydrogen Bonds". Chemical Society Reviews 9: 91-124. 離子迴旋共振譜法得出的數據為163±4kJ/mol，參看 J. Emsley, Polyhedron 4, 489-90 (1985).也與之吻合較好。

[4] J. Emsley, O. P. A. Hoyte and R. E. Overill, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 225 (1977).

[5] Omer Markovitch and Noam Agmon (2007). "Structure and energetics of the hydronium hydration shells". J. Phys. Chem. A 111 (12): 2253 - 2256. doi:10.1021/jp068960g.

[高无-6] F. Albert Cotton, Geoffrey Wilkinson, Carlos A. Murillo, and Manfred Bochmann, Advanced Inorganic Chemistry, 6th ed.. Wiley-Interscience. ISBN 0-471-19957-5.

[丛书-7] 7.0 ^7.1 張青蓮等。《無機化學叢書》第一卷。北京：科學出版社。

[8] Chem. Commun., 1996, 14: 1633.

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氫鍵

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