氫鍵在現(xiàn)代化學(xué)中的作用

氫鍵在現(xiàn)代化學(xué)中的作用隨著科學(xué)的不斷發(fā)展,現(xiàn)在化學(xué)的研究對(duì)象，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了常規(guī)的、以共價(jià)鍵為基礎(chǔ)的分子，它包括從原子、分子片、結(jié)構(gòu)單元、分子、高分子、生物大分子、超分子、分子和原子的各種不同維數(shù)、不同尺度和不同復(fù)雜程度的聚集體、組裝體、分子材料、分子器件和分子機(jī)器。化學(xué)已從分子化學(xué)發(fā)展為超分子化學(xué)，超分子化學(xué)是分子以上層次的化學(xué)，是化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等學(xué)科相互交叉融合的產(chǎn)物。超分子化合物因其在光、電、磁化學(xué)和分離、吸附、催化等領(lǐng)域所具有的應(yīng)用前景而備受青睞。而分子之間以及分子以上層次的超分子及有序高級(jí)結(jié)構(gòu)的組裝體，則是依靠分子間的相互作用如氫鍵、范德華力、偶極-偶極相互作用、親水-疏水相互作用、n-n堆積力等將分子結(jié)合在一起。在各種分子間相互作用中，氫鍵占有很特殊的地位，被稱作為“超分子化學(xué)中的萬能相互作用”。氫鍵有別于其他分子間相互作用之處在于：（1）氫鍵在類型、長度、強(qiáng)度和幾何構(gòu)型上是變化多樣的，每個(gè)分子中的一個(gè)強(qiáng)氫鍵足以決定固態(tài)結(jié)構(gòu)，并且在很大程度上影響其液態(tài)和氣態(tài)的存在。弱氫鍵在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中也起到一定的作用，當(dāng)有很多氫鍵協(xié)同作用時(shí)效果可以變得很顯著；（2）氫鍵具有方向性、飽和性和可預(yù)見性，能夠設(shè)計(jì)和合成出含有特征質(zhì)子給體和特征質(zhì)子受體的分子，可以按照所希望的方式將一定的結(jié)構(gòu)單元或功能單元通過氫鍵組裝成具有優(yōu)異的光、電、磁、催化、生物活性等特性的材料；（3）氫鍵強(qiáng)度介于化學(xué)鍵和范德華力之間，形成和破壞都比較容易，其動(dòng)態(tài)可逆的特點(diǎn)，使其對(duì)外部環(huán)境的刺激能產(chǎn)生獨(dú)特的響應(yīng)，在決定材料的性質(zhì)和新型材料的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。因此，氫鍵在現(xiàn)代化學(xué)、材料科學(xué)以及生命科學(xué)中所起的作用越來越重要。通過氫鍵形成超分子超分子是指由2種或2種以上分子依靠分子間相互作用結(jié)合在一起,組裝成復(fù)雜的、有組織的聚集體，并保持一定的完整性,具有明確的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀特性。超分子不是分子的簡單聚集,它的結(jié)構(gòu)和特性與它們的純分子組分的聚集性質(zhì)不同。通過氫鍵進(jìn)行分子識(shí)別超分子體系主要有識(shí)別、轉(zhuǎn)換和傳輸功能。而分子識(shí)別是超分子化學(xué)的核心。分子識(shí)別既是分子器件處理信息的基礎(chǔ)，又是組裝高級(jí)結(jié)構(gòu)的重要途徑之一。為了實(shí)現(xiàn)高度的專一性識(shí)別，在設(shè)計(jì)受體分子時(shí)要實(shí)現(xiàn)受體與識(shí)別物種間的高度互補(bǔ)，其中包括形狀、尺寸以及作用點(diǎn)（或鍵合點(diǎn)）分布等的相互匹配。通過形成氫鍵進(jìn)行分子識(shí)別的例子有很多。如在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中，A、G、C、T四種堿基則是通過氫鍵識(shí)別互補(bǔ)配對(duì)，2條鏈上的堿基形成A?T、G?C堿基對(duì)，這種由氫鍵作用決定的配對(duì)關(guān)系,是決定生物信息傳遞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，在遺傳機(jī)制中起決定作用。由于氫鍵具有方向性，因此可以設(shè)計(jì)出具有特殊形狀的受體。例如，普通冠醚不能區(qū)分NH4+和K+,因?yàn)镹H4+和K+的大小尺寸近似，而三環(huán)氮雜冠醚只傾向于和NH4+結(jié)合,因?yàn)樵诳籽ㄖ?個(gè)N原子的排布位置，正好適合和NH4+形成4個(gè)N—H?N氫鍵氫鍵型晶體工程晶體工程是分子工程學(xué)的一個(gè)重要組成部分，它通過控制構(gòu)筑單元間的相互作用的類型、強(qiáng)度及幾何性質(zhì)來獲得具有所希望結(jié)構(gòu)和性能的晶體材料。它涉及分子或化學(xué)基團(tuán)在晶體中的行為、晶體的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)與性能的控制及晶體結(jié)構(gòu)的預(yù)測,是實(shí)現(xiàn)從分子到材料的一條重要途徑。氫鍵作為一種非常重要的方向性相互作用力，在晶體工程中顯示越來越重要的作用。通過調(diào)節(jié)氫鍵使其在晶體中具有最優(yōu)的幾何構(gòu)型和空間方向，可以獲得優(yōu)良材料。氫鍵可以產(chǎn)生分子平移的穩(wěn)定性,使晶體出現(xiàn)極性，這是許多物理性質(zhì)產(chǎn)生的必要條件。通過氫鍵進(jìn)行自組裝超分子自組裝是指分子或分子亞單元通過非共價(jià)鍵弱相互作用，自發(fā)組成具有某種性能的長程有序的超分子聚集體的過程。氫鍵強(qiáng)度介于化學(xué)鍵和范德華力之間，其特殊的幾何構(gòu)型和方向性，使得它在超分子自組裝過程中起著關(guān)鍵的作用。利用分子間氫鍵鍵合，可以自組裝合成自然界不存在、但在分子水平上具有儲(chǔ)存信息、轉(zhuǎn)移信息和催化功能的新型超分子結(jié)構(gòu)或體系，使現(xiàn)代化學(xué)在生命科學(xué)、材料科學(xué)和信息技術(shù)等方面發(fā)揮更大的作用。氫鍵在材料化學(xué)中的作用氫鍵在材料領(lǐng)域中也有廣泛的應(yīng)用，利用氫鍵結(jié)合單元之間的可逆性，可以設(shè)計(jì)環(huán)境響應(yīng)（諸如pH響應(yīng)性、光響應(yīng)性、壓力響應(yīng)性、生物分子響應(yīng)性、電場響應(yīng)性等）的連續(xù)動(dòng)態(tài)材料。液晶材料領(lǐng)域是氫鍵應(yīng)用研究較早較多的領(lǐng)域。分子間氫鍵具有良好的熱穩(wěn)定性，既能使不具有液晶行為的質(zhì)子給體和受體形成的氫鍵復(fù)合物呈現(xiàn)液晶性，也可改變?cè)|(zhì)子給體和受體的液晶行為。雖然氫鍵鍵能較弱,給其復(fù)合物穩(wěn)定性帶來不利影響，但它的適當(dāng)弱化，反而使得氫鍵液晶高分子具有獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，尤其是對(duì)溫度的變化具有可逆響應(yīng)性能，為其在感應(yīng)材料制備方面的應(yīng)用提供了廣闊的空間。氫鍵的催化作用氫鍵在加速各種反應(yīng)（如?；?、磷?；D(zhuǎn)移、羰基加成、周環(huán)反應(yīng)等）中均起著中心作用。近年來，有機(jī)化學(xué)家們注意到氫鍵在小分子合成催化劑中的巨大催化潛力，特別是手性氫鍵給體在