Водородная связь

Пример межмолекулярных водородных связей

Водородная связь в форма ассоциации между электроотрицательным атомом и атомом водорода H, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом. В качестве электроотрицательных атомов могут выступать N, O или F. Водородные связи могут быть межмолекулярными или внутримолекулярными.^[1]

Содержание

1 Природа
2 История
3 Свойства
4 В воде
- 4.1 Механизм Гротгуса
- 4.2 Водные кластеры
5 В нуклеиновых кислотах и белках
6 В полимерах
7 См. также
8 Примечания
9 Литература

[править] Природа

Часто водородную связь рассматривают как электростатическое взаимодействие, усиленное небольшим размером водорода, которое разрешает близость взаимодействующих диполей. Тогда об этом говорят как о разновидности донорно-акцепторной связи, невалентном взаимодействии между атомом водорода H, ковалентно связанным с атомом A группы A-H молекулы RA-H и электроотрицательным атомом B другой молекулы (или функциональной группы той же молекулы) BR'. Результатом таких взаимодействий являются комплексы RA-HBR' различной степени стабильности, в которых атом водорода выступает в роли «моста», связывающего фрагменты RA и BR'.

Особенностями водородной связи, по которым её выделяют в отдельный вид, является её не очень высокая прочность^[2], её распространенность и важность, особенно в органических соединениях^[3], а также некоторые побочные эффекты, связанные с малыми размерами и отсутствием дополнительных электронов у водорода.

В настоящее время в рамках теории молекулярных орбиталей водородная связь рассматривается как частный случай ковалентной с делокализацией электронной плотности по цепи атомов и образованием трёхцентровых четырёхэлектронных связей (например, -H[F-HF]-).

[править] История

В книге The Nature of Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals Лайнуса Полинга, впервые изданной в 1939 году, первый раз упоминается водородная связь. Мур и Винмилл использовали водородную связь, чтобы обосновать факт, что у гидроокиси тетраметиламмония более слабая основа, чем у гидроксида тетраметиламмония. Описание водородных связей в воде было сделано в 1920 году Латимером и Родебушем (JACS, 42, 1419).

[править] Свойства

Энергия водородной связи значительно меньше энергии обычной ковалентной связи (не превышает 40 кДж/моль). Однако этой энергии достаточно, чтобы вызвать ассоциацию молекул, то есть их объединение в димеры или полимеры. Именно ассоциация молекул служит причиной аномально высоких температур плавления и кипения таких веществ, как фтороводород, вода, аммиак.

Связь этого типа, хотя и слабее ионной и ковалентной связей, тем не менее играет очень важную роль во внутри- и межмолекулярных взаимодействиях. Водородные связи во многом обусловливают физические свойства воды и многих органических жидкостей (спирты, карбоновые кислоты, амиды карбоновых кислот, сложные эфиры).

Прочность водородной связи (энтальпия образования комплекса) зависит от полярности комплекса и колеблется от ~ 6 кДж/моль для комплексов молекул галогеноводородов с инертными газами до 160 кДж/моль для ион-молекулярных комплексов (AHB)^±; так, для комплекса (H₂OHOH₂)⁺ образованного H₂O и H₃O⁺ в 132 кДж/моль в газовой фазе.

[править] В воде

[править] Механизм Гротгуса

Основная статья: Механизм Гротгуса

Аномально высокая теплоёмкость воды, а также теплопроводность многоатомных спиртов обеспечивается многочисленными водородными связями. Одна молекула воды может образовать до четырёх классических водородных связей с соседями (с учётом бифуркатных Н-связей до 5-6).

Водородные связи повышают температуру кипения, вязкость и поверхностное натяжение жидкостей. Водородные связи ответственны за многие другие уникальные свойства воды.

[править] Водные кластеры

Водородная связь между молекулами воды обозначена чёрными линиями. Жёлтые линии обозначают ковалентную связь, которая удерживает вместе атомы кислорода (красный) и водорода (серый).

Основная статья: Водный кластер

Согласно современным представлениям, наличие водородных связей между молекулами воды приводит к возникновению так называемых водных кластеров или комплексов. Простейшим примером такого кластера может служить димер воды:

$\mathrm{(H_2O)_2} = \mathrm{H_2O} \cdots \mathrm{HOH}$

Энергия водородной связи в димере воды составляет 0,2 эВ (в‰€ 5 ккал/моль), что всего на порядок больше, чем характерная энергия теплового движения при температуре 300 К. В то же время энергия ковалентной O-H связи в 200 раз больше тепловой энергии. Таким образом, водородные связи относительно слабы и неустойчивы: предполагается, что они могут легко возникать и исчезать в результате тепловых флуктуаций. Это, в частности, приводит к тому, что вода должна рассматриваться не как «простая», а как «связанная жидкость»: вода представляется как сеть молекул $\mathrm{H_2O}$ , соединённых водородными связями^[4].

[править] В нуклеиновых кислотах и белках

Водородная связь в значительной мере определяет свойства и таких биологически важных веществ, как белки и нуклеиновые кислоты. В частности, элементы вторичной структуры (например, α-спирали, β-складки) и третичной структуры в молекулах белков, РНК и ДНК стабилизированы водородными связями. В этих макромолекулах, водородные связи сцепляют части той же самой макромолекулы, заставляя её сворачиваться в определенную форму. Например, двойная спиральная структура ДНК, определяется в значительной степени наличием водородных связей, сцепляющих пары нуклеотидов, которые связывают одну комплементарную нить с другой.

[править] В полимерах

Много полимеров усилены водородными связями в их главных цепях. Среди синтетических полимеров самый известный пример в нейлон, где водородные связи играют главную роль в кристаллизации материала. Водородные связи также важны в структуре полученных искусственно полимеров (например, целлюлозы) и в многих различных формах в природе, таких как древесина, хлопок и лён.

[править] См. также

[править] Примечания

в‘ Определение по IUPAC
в‘ Энергия связи H в N = 8 кДж/моль, связи H в О в около 21 кДж/моль, связи H в F около 36 кДж/моль [1]. Для сравнения, энергия ковалентной связи в 400в900 кДж/моль [2]
в‘ Например, водородными связями обусловлена форма молекулы ДНК
в‘ Dominik Marx Proton Transfer 200 Years after von Grotthuss: Insights fromAb Initio Simulations (англ.) // ChemPhysChem. в 2006. в Vol. 7. в P. 1848в1870. в DOI:10.1002/cphc.200600128

[править] Литература

Химическая Энциклопедия. Советская Энциклопедия, М., 1988
В. В. Москва. Водородная связь в органической химии. Соросовский образовательный журнал, 11999,N 2, с.58-64 [3]

[0] в‘ Определение по IUPAC

[1] в‘ Энергия связи H в N = 8 кДж/моль, связи H в О в около 21 кДж/моль, связи H в F около 36 кДж/моль [1]. Для сравнения, энергия ковалентной связи в 400в900 кДж/моль [2]

[2] в‘ Например, водородными связями обусловлена форма молекулы ДНК

[3] в‘ Dominik Marx Proton Transfer 200 Years after von Grotthuss: Insights fromAb Initio Simulations (англ.) // ChemPhysChem. в 2006. в Vol. 7. в P. 1848в1870. в DOI:10.1002/cphc.200600128

[1]

[2]

[3]

[4]

Водородная связь

Содержание

[править] Природа

[править] История

[править] Свойства

[править] В воде

[править] Механизм Гротгуса

[править] Водные кластеры

[править] В нуклеиновых кислотах и белках

[править] В полимерах

[править] См. также

[править] Примечания

[править] Литература

Личные инструменты

Пространства имён

Варианты

Просмотры

Действия

Поиск

Навигация

Участие

Печать/экспорт

Инструменты

На других языках