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)的研究對象，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了常規(guī)的、以共價鍵為基礎(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?；瘜W(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，每個分子中的一個強(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，其動態(tài)可逆的特點，使其對外部環(huán)境的刺激能產(chǎn)生獨特的響應(yīng)，在決定材料的性質(zhì)和新型材料的設(shè)計中至關(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)行分子識別超分子體系主要有識別、轉(zhuǎn)換和傳輸功能。而分子識別是超分子化學(xué)的核心。分子識別既是分子器件處理信息的基礎(chǔ)，又是組裝高級結(jié)構(gòu)的重要途徑之一。為了實現(xiàn)高度的專一性識別，在設(shè)計受體分子時要實現(xiàn)受體與識別物種間的高度互補(bǔ)，其中包括形狀、尺寸以及作用點（或鍵合點）分布等的相互匹配。通過形成氫鍵進(jìn)行分子識別的例子有很多。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別互補(bǔ)配對，2條鏈上的堿基形成A?T、G?C堿基對，這種由氫鍵作用決定的配對關(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+,因為NH4+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,因為在孔穴中4個N原子的排布位置，正好適合和NH4+形成4個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、結(jié)構(gòu)與性能的控制及晶體結(jié)構(gòu)的預(yù)測,是實現(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，也可改變原質(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特的動力學(xué)性質(zhì)，尤其是對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?；⒘柞；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