氢键在现代化学中的作用

氢键在现代化学中的作用

随着科学的不断发展,现在化学的研究对象，已经远远超出了常规的、以共价键为基础的分子，它包括从原子、分子片、结构单元、分子、高分子、生物大分子、超分子、分子和原子的各种不同维数、不同尺度和不同复杂程度的聚集体、组装体、分子材料、分子器件和分子机器。化学已从分子化学发展为超分子化学，超分子化学是分子以上层次的化学，是化学、生物学、物理学、材料科学、信息科学、环境科学等学科相互交叉融合的产物。超分子化合物因其在光、电、磁化学和分离、吸附、催化等领域所具有的应用前景而备受青睐。而分子之间以及分子以上层次的超分子及有序高级结构的组装体，则是依靠分子间的相互作用如氢键、范德华力、偶极-偶极相互作用、亲水-疏水相互作用、π-π堆积力等将分子结合在一起。在各种分子间相互作用中，氢键占有很特殊的地位，被称作为“超分子化学中的万能相互作用”。

氢键有别于其他分子间相互作用之处在于：

（1）氢键在类型、长度、强度和几何构型上是变化多样的，每个分子中的一个强氢键足以决定固态结构，并且在很大程度上影响其液态和气态的存在。弱氢键在稳定结构中也起到一定的作用，当有很多氢键协同作用时效果可以变得很显著；

（2）氢键具有方向性、饱和性和可预见性，能够设计和合成出含有特征质子给体和特征质子受体的分子，可以按照所希望的方式将一定的结构单元或功能单元通过氢键组装成具有优异的光、电、磁、催化、生物活性等特性的材料；

（3）氢键强度介于化学键和范德华力之间，形成和破坏都比较容易，其动态可逆的特点，使其对外部环境的刺激能产生独特的响应，在决定材料的性质和新型材料的设计中至关重要。因此，氢键在现代化学、材料科学以及生命科学中所起的作用越来越重要。

通过氢键形成超分子

超分子是指由2种或2种以上分子依靠分子间相互作用结合在一起,组装成复杂的、有组织的聚集体，并保持一定的完整性,具有明确的微观结构和宏观特性。超分子不是分子的简单聚集,它的结构和特性与它们的纯分子组分的聚集性质不同。

通过氢键进行分子识别

超分子体系主要有识别、转换和传输功能。而分子识别是超分子化学的核心。分子识别

既是分子器件处理信息的基础，又是组装高级结构的重要途径之一。为了实现高度的专一性识别，在设计受体分子时要实现受体与识别物种间的高度互补，其中包括形状、尺寸以及作用点（或键合点）分布等的相互匹配。

通过形成氢键进行分子识别的例子有很多。如在DNA双螺旋结构中，A、G、C、T四种碱基则是通过氢键识别互补配对，2条链上的碱基形成A…T、G…C碱基对，这种由氢键作用决定的配对关系,是决定生物信息传递的结构基础，在遗传机制中起决定作用。由于氢键具有方向性，因此可以设计出具有特殊形状的受体。例如，普通冠醚不能区分NH4+和K+，因为NH4+和K+的大小尺寸近似，而三环氮杂冠醚只倾向于和NH4+结合,因为在孔穴中4个N 原子的排布位置,正好适合和NH4+形成4个N—H…N氢键

氢键型晶体工程

晶体工程是分子工程学的一个重要组成部分，它通过控制构筑单元间的相互作用的类型、强度及几何性质来获得具有所希望结构和性能的晶体材料。它涉及分子或化学基团在晶体中的行为、晶体的设计、结构与性能的控制及晶体结构的预测,是实现从分子到材料的一条重要途径。

氢键作为一种非常重要的方向性相互作用力，在晶体工程中显示越来越重要的作用。通过调节氢键使其在晶体中具有最优的几何构型和空间方向，可以获得优良材料。氢键可以产生分子平移的稳定性,使晶体出现极性，这是许多物理性质产生的必要条件。

通过氢键进行自组装

超分子自组装是指分子或分子亚单元通过非共价键弱相互作用，自发组成具有某种性能的长程有序的超分子聚集体的过程。氢键强度介于化学键和范德华力之间，其特殊的几何构型和方向性，使得它在超分子自组装过程中起着关键的作用。利用分子间氢键键合，可以自组装合成自然界不存在、但在分子水平上具有储存信息、转移信息和催化功能的新型超分子结构或体系，使现代化学在生命科学、材料科学和信息技术等方面发挥更大的作用。

氢键在材料化学中的作用

氢键在材料领域中也有广泛的应用，利用氢键结合单元之间的可逆性，可以设计环境响应（诸如pH响应性、光响应性、压力响应性、生物分子响应性、电场响应性等）的连续动态材料。

液晶材料领域是氢键应用研究较早较多的领域。分子间氢键具有良好的热稳定性，既能使不具有液晶行为的质子给体和受体形成的氢键复合物呈现液晶性，也可改变原质子给体和受体的液晶行为。虽然氢键键能较弱,给其复合物稳定性带来不利影响，但它的适当弱化，反而使得氢键液晶高分子具有独特的动力学性质，尤其是对温度的变化具有可逆响应性能，为其在感应材料制备方面的应用提供了广阔的空间。

氢键的催化作用

氢键在加速各种反应（如酰基、磷酰基转移、羰基加成、周环反应等）中均起着中心作用。近年来，有机化学家们注意到氢键在小分子合成催化剂中的巨大催化潜力，特别是手性氢键给体在不对称合成中的作用，先后研究报道了尿素和硫脲衍生物、TADDOL衍生物和BINOL衍生物等氢键型催化剂。它们均是通过与羰基、亚胺基等基团之间形成氢键而起到催化作用。

此外,氢键还参与质子传递、电子及能量转移等反应。