водородна връзка
Водородната връзкае форма на свързване между електроотрицателен атом и водороден атомH, ковалентно свързан с друг електроотрицателен атом. Като електроотрицателни атоми могат да действат N, O или F. Водородните връзки могат да бъдат междумолекулни или вътрешномолекулни. [1]
Съдържание
Често водородното свързване се разглежда като електростатично взаимодействие, засилено от малкия размер на водорода, което позволява близостта на взаимодействащите диполи. След това те говорят за него като за вид донорно-акцепторна връзка, невалентно взаимодействие между водородния атомH, ковалентно свързан с атомаAот групатаA-Hна молекулатаRA-Hи електроотрицателния атомBна друга молекула (или функционална група на същата молекула)BR'. Тези взаимодействия водят доRA-H···BR'комплекси с различна степен на стабилност, в които водородният атом действа като "мост", свързващRAиBR'фрагментите.
Характеристиките на водородната връзка, според които тя се обособява като отделен вид, са нейната не много висока якост [2] , нейното разпространение и значение, особено в органичните съединения [3] , както и някои странични ефекти, свързани с малките размери и липсата на допълнителни електрони във водорода.
Понастоящем, в рамките на теорията на молекулярните орбитали, водородната връзка се разглежда като специален случай на ковалентна връзка с делокализация на електронната плътност по веригата от атоми и образуването на трицентрови четириелектронни връзки (например -H···[F-H···F]- ).
В книгатаПриродата на химическата връзка и структурата на молекулите и кристалитеот Линус Полинг, публикувана за първи път през 1939 г., първото споменаване на водородната връзка се приписва наМур и Уинмил. Те използваха водородна връзка, за да обосноват факта, че триметиламониевият хидроксид е по-слаба основа от тетраметиламониевия хидроксид. [4] Описанието на водородните връзки във водата е направено през 1920 г. от Латимър и Родебуш [5] .
Енергията на водородната връзка е много по-малка от енергията на обикновената ковалентна връзка (не надвишава 40 kJ/mol). Тази енергия обаче е достатъчна, за да предизвика асоцииране на молекули, тоест тяхното асоцииране в димери или полимери. Това е свързването на молекули, което причинява необичайно високите точки на топене и кипене на вещества като флуороводород, вода и амоняк. Този тип връзка, макар и по-слаба от йонните и ковалентните връзки, играе много важна роля във вътрешно- и междумолекулните взаимодействия. Водородните връзки до голяма степен определят физичните свойства на водата и много органични течности (алкохоли, карбоксилни киселини, амиди на карбоксилни киселини, естери). Силата на водородната връзка (енталпията на образуване на комплекс) зависи от полярността на комплекса и варира от
6 kJ/mol за комплекси от молекули на халогеноводород с инертни газове до 160 kJ/mol за йон-молекулни комплекси(AHB) ±; по този начин, за(H2O•H•OH2) +комплекс, образуван отH2OиH3O +- 132 kJ/mol в газовата фаза.
Механизъм Grotgus
Аномално високият топлинен капацитет на водата, както и топлопроводимостта на поливалентните алкохоли, се осигуряват от множество водородни връзки. Една водна молекула може да образува до четири класически водородни връзки със своите съседи (до 5-6, като се вземат предвид бифуркатните Н-връзки).
Водородните връзки повишават точката на кипене, вискозитета и повърхностното напрежение на течностите. Водородните връзки са отговорни за много други уникални свойства на водата.
водни клъстери
Според съвременните концепции наличието на водородни връзки между водните молекули води до образуването на така наречените водни клъстери или комплекси. Най-простият пример за такъв клъстер е воден димер:
Енергията на водородната връзка във воден димер е 0,2 eV (≈ 5 kcal/mol), което е само с порядък по-голямо от характеристичната енергия на топлинно движение при температура 300 K. В същото време енергията на ковалентната O-H връзка е 200 пъти по-голяма от топлинната енергия. По този начин водородните връзки са относително слаби и нестабилни: предполага се, че те могат лесно да се образуват и изчезват в резултат на топлинни колебания. Това по-специално води до факта, че водата трябва да се разглежда не като "проста", а като "свързана течност": водата е представена като мрежа от H 2 O>>> , свързани с водородни връзки [6] .
Водородната връзка до голяма степен определя свойствата на такива биологично важни вещества като протеини и нуклеинови киселини. По-специално, елементи от вторичната структура (напр. α-спирали, β-листа) и третична структура в протеинови, РНК и ДНК молекули са стабилизирани от водородни връзки. В тези макромолекули водородните връзки държат части от една и съща макромолекула заедно, карайки я да се сгъне в определена форма. Например структурата на двойна спирала на ДНК се определя до голяма степен от наличието на водородни връзки, свързващи двойки нуклеотиди, които свързват една допълнителна верига с друга.
Много полимери са подсилени с водородни връзки в техните гръбнаци. Сред синтетичните полимери най-известният пример е найлонът, където водородните връзки играят основна роля в кристализацията на материала. Водородните връзки също са важни в структурата на изкуствено произведените полимери (напр. целулоза) и в много различни форми вприрода, като дърво, памук и лен.