氢键对物质结构和性质的影响及其应用前景

氢键对物质结构和性质的影响及其应用前景

夏菲 王宙 郭培培 陈俏

（西北大学化学系05级化学专业 西安 710069）

摘要：本文主要论述氢键在结构和性质两方面对物质的影响，并讨论了氢键的广泛地应用前景。

关键词：氢键物质结构性质影响

氢键（Hydrogen Bonding）是指与电负性极强的元素X相结合的氢原子和另一分子中电负性极强的原子Y之间形成的一种弱键。可以表示成X—H…Y。氢键虽然是一种弱键，但由于它的存在，物质的性质出现了反常现象，在形状结构等方面受到了很大的影响。下面将从氢键的形成、特征、对物质结构和性质的影响和应用前景等方面逐一论述。

氢键由于广泛存在与化合物中，因此在研究化合物的性能时，氢键起着重要的作用。氢键的键能介于共价键和范德华力之间，其键能小，形成或破坏所需的活化能也小，加上形成氢键的结构条件比较灵活，特别容易在常温下引起反应和变化，故氢键是影响化合物性质的一个重要因素。

1．对物质构型的影响

氢键对物质的结构和构型有着很大的影响，就蛋白质而言，蛋白质分子是由氨基酸组成的，有多个氨基酸通过肽键而形成的多肽称为多肽链，氨基酸在多肽链中按一定顺序排列构

成蛋白质的肽链骨架，称为蛋白质的一级结构。在多肽链中o

c和N

H

可形成大

量的氢键（N—H…O）使蛋白质按螺旋方式卷曲成立体构型，称为蛋白质的二级结构。近年来的研究指出，二级结构是合理的螺旋结构，可见氢键对蛋白质维持一定空间构型起着重要的作用。

2．对物质性质的影响

2.1对化合物的沸点和熔点影响

在有机物分子内形成氢键时，分子间的结合力降低，因而使化合物的熔点、沸点减低，如邻硝基苯酚的沸点是45℃，间位和对位分别是96℃和114℃，因为邻硝基苯酚中―OH与―

NO

2相距较近，―NO

2

上的氧可以与―OH上的氢形成分子内氢键（螯环），这样就难能再形成分

子间氢键，减弱了邻位异构体分子间的引力；而在对硝基苯酚分子中，则由于―OH与―NO

2

相距较远，不能在分子内形成氢键，而分子间通过氢键缔合起来，所以前者熔沸点低、挥发性

高，后者熔沸点高、挥发性低，前者可以随水蒸汽挥发。因此，用水蒸分子连接成多缔合态。例如醇，酚分子间的缔合态如下气蒸馏的方法可点升高，这是由于分子间氢键把有机气蒸馏的方法可点升高，这是由于分子间氢键把有机图所示：

当液态有机物汽化时，不仅要克服分子间的范德华力，还必须供给足够的能量破坏分子间氢键，因此，当分子间有氢键时，其沸点比分子量相当的无氢键有机无的沸点高很多，具体情况如表1所示。

有机化合物大多数是非离子型化合物，其熔点与分子量大小、分子的极性和分子的排列情况等有关。一般情况下是分子量越大，分子的对称性越高或分子的极性越强，分子间的作用力越大，熔点越高。但氢键对有机物的熔点影响较大。当在晶体中有分子间氢键，晶体的

熔点高（见表2）。

化合物及分子式 分子量

有无氢键情况

沸点（℃）

沸点差值（℃）

CH 3OH 32 有 65 －88.6 153.6 CH 3CH 330 无 HCOOH CH 3OCH 346 46 有 无 101 —23 78.5 124 101.5 CH 3CH 2OH 46 有 CH 3CHO 44 有 21 —42 63 CH 3CH 2CH 344 无 C 6H 5OH 94 有 181 C 6H 5CH 3

92

无

111

70

表1 分子间氢键对分子量相当的有机物的沸点的影响

表2 分子间氢键对分子量相近的有机物的熔点影响 化合物及分子式

分子量 有无氢键情况

熔点（℃） 熔点差值（℃）

CH 3OH

CH 3CH 332 32 有 无 97.5 183.8 85.8 对硝基苯酚 邻硝基苯酚 139 139 有分子间氢键 有分子内氢键

115 45 70 C 6H 5OH C 6H 5CH 392 92 有 无

41 95 136 CH 3CHO CH 3CH 2CH 3

44 44

有 无

121 189.7

68.7

2.2 对溶解度的影响

物质的溶解性一般遵循“相似相溶”的规则，从结构的角度来看，常用的极性溶剂—水，其分子之间存在较强的氢键，水分子即可提供H 生成氢键，又有孤对电子接受H 形成氢键，故溶质分子，凡能接受H 或提供H 形成氢键则与水相似，在水中溶解度增大。例如苯仅仅稍

溶于水，而吡啶完全与水混合，这是因为吡啶与水相似，可以与H2O形成分子间氢键，故溶

解度较大。ROH、RCOOH、RCONH2等同样可以与水形成氢键，所以在水中溶解度较大。

在极性溶剂中，如果溶质分子与溶剂分子之间形成氢键，则溶质的溶解度增大，如HF、

NH3易溶于水，而CH4却难溶于水，如果溶质分子形成分子内氢键，则在极性溶剂中的溶解

度减小，而在非极性溶剂中溶解度增大，如20℃时，邻位与对位硝基苯在水中溶解度之比

为0.39:1，而在苯中的溶解度之比为1.93:1。

2.3 对酸度的影响

与同族氢化物酸性相比，H2O、HF的酸性显著减小，这是由于形成了分子间氢键的缘故，

而分子内形成氢键，往往使酸性增强，表3给出了苯甲酸及其羟基酸的p K a值。

表3 苯甲酸及其羟基的pKa值

羟基苯甲酸

物质苯甲酸

邻位间位对位p K a 4.20 2.98 4.08 4.57

2.4对化学反应性能的影响

对于一些反应，氢键的形成可以使反应速度加快，如乙酸乙酯与水气在200℃下水解，

即使维持150小时，其最高水解率也仅有0.05%，但水解若在中性水溶液中进行，由于酯与

水先生成氢键而缔合，既而再分解为醇和酸，从而加快了水解速度，使水解容易进行，而在

气态时不易形成氢键缔合体。

3.前景

氢键作为一种主要的弱相互作用，通常存在于分子间或分子内的不同基团之间，并影

响体系的物理化学性质。目前，氢键在超分子化学、凝聚态物理、生命科学、晶体工程和高

分子科学等领域中的作用日益突出，并已引起相关领域学者的极大的兴趣和广泛关注。下面

就以超分子为例作以说明。

超分子化学是研究两种以上的化学物种通过分子间作用缔结而成的复杂有序且具有特

定功能的超分子体系科学。简而言之,即是研究各个分子通过非共价键作用而形成的功能体

系的科学，利用氢键等非共价键相互作用将相对比较简单的分子亚单元组装成具有二维或三

维长程有序的超分子聚集体是设计新颖功能材料的一条新途径，近年来受到广泛关注并成为

前沿领域的一个研究热点。

自组装不仅是包含生命进化的分子工程重要的组成部分，而且是生物体系中的生物合成

的重要参与者。与由共价键形成的体系相比，自组装体系具有如下优点(1)在自组装过程中，

由于有缺陷的亚单元的排斥作用，从而减少了组装体中的结构缺陷；(2)组装体易于制备；