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氢键竞赛必读材料

氢键——竞赛必读材料

氢键

在基础有机化学中，曾经利用氢键解释醇和其它一些化合物的沸点及其在水中的溶解度等获得了很大成功。

然而氢键的存在并不仅仅表现在这两方面，而且也不只局限在醇和酚等几类化合物中。

事实上，氢键既存在于液体中，也存在于气体、晶体、溶液等各种状态中，且支配着化合物的各种性质。

与一般共价键相比，氢键的键能比较小，键长比较长，是一中弱键，但对许多化合物各种性质的影响，有时非常显著。

例如，羟基化合物（如乙醇）多数比其非羟基异构体（如甲醚）的沸点高很多（乙醇的沸点比甲醇约高101．5℃），原因是羟基化合物能形成氢键。

为了更好地了解氢键对众多有机化合物各种性质的影响，有必要回顾一下氢键的本质及有关问题。

现简述如下。

一、氢键的生成

氢键的生成，主要是由偶极子与偶极之间的静电吸引作用。

当氢原子与电负性甚强的原子（如A）结合时，因极化效应，其键间的电荷分布不均，氢原子变成近乎氢正离子状态。

此时再与另一电负性甚强的原子（如B）相遇时，即发生静电吸引。

因此结合可视为以H离子为桥梁而形成的，故称为氢键。

如下式中虚线所示。

A─H---B

其中A、B是氧、氮或氟等电负性大且原子半径比较小的原子。

生成氢键时，给出氢原子的A—H基叫做氢给予基，与氢原子配位的电负性较大的原子B或基叫氢接受基，具有氢给予基的分子叫氢给予体。

把氢键看作是由B给出电子向H配对，电子给予体B是氢接受体，电子接受体A─H是氢给予体。

氢键的形成，既可以是一个分子在其分子内形成，也可以是两个或多个分子在其分子间形成。

例如:

水扬醛和2—甲基—2—芳氧基丙酸分别在其分子内形成了氢键，而氟化氢和甲醇则是在其分子之间形成氢键。

氢键并不限于在同类分子之间形成．不同类分子之间亦可形成氢键，如醇、醚、酮、胺等相混时，都能生成类似O一H…O状的氢键。

例如，醇与胺相混合即形成下列形式的氢键：

一般认为，在氢键A—H…B中，A—H键基本上是共价键，而H…B键则是一种较弱的有方向性的范德华引力。

因为原子A的电负性较大，所以A—H的偶极距比较大，使氢原子带有部分正电荷，而氢原于又没有内层电子，同时原子半径（约30pm）又很小，因而可以允许另一个带有部分负电何的原子B来充分接近它，从而产

即原子B的半径越小别越容易接近H—A中的氢原子，因此氢键越强，例如，氟原子的电负性最大而半径很小，所以氢键中的F—H…F是最强的氢键。

在F—H、O—H、N—H、C—H系列中，形成氢键的能力随着与氢原子相结合的原子的电负性的降低而递降。

碳原子的电负性很小，C—H一般不能形成氢键，但在H—C≡N或HCCl3等中，由于氮原子和氯原子的影响，使碳原子的电负性增大，这时也可以形成氢链。

例如HCN的分子之间可以生成氢键，三氯甲烷和丙酮之间也能生成氢键：

三、分子间氢键和分子内氢键

氢键可以分为分子间氢键和分子内氢键两大类。

1．分子间氢键

一个分子的A—H基与另一个分子的原子B结合而成的氢键称为分子间氢键。

分子间氢键按形成氢键的分子是否相同，又分为相同分子间氢键和不同分子间氢键两类。

（1）相同分子间的氢键

相同分子间氢键又可分为二聚分子中的氢键和多聚分子中的氢键两类。

这里所说的二聚分子间的氢键，是指两个相同分子通过氢键形成二聚体分子中的氢键；而多聚分子中的氢键，是指多个相同分子通过氢键结合而成的分子中的氢键。

二聚分子中的氢键以二聚甲酸（COOH）2，中的氢键最典型。

它是由一分子甲酸中的羟基氢原子和另一分子羧基中羰基氧原子彼此结合而成的环状结构。

由于二聚体没有可供再缔合的氢原子，所以不能形成三聚体分子。

一般地羧酸如

CH3COOH、C6H5COOH等都能借氢键结合成二聚分子（RCOOH）2

相同分子通过氢键形成的多聚分子，其结构又有链状结构、环状结构、层状结构和立体结构之分。

其中链状结构以团体氰化氢比较典型。

其结构式为：

无水草酸有两种不同晶形：

α—草酸和β—草酸，α—草酸是层状结构，β—草酸是链状结构。

如图1—2所示。

多聚分子中氢键的立体结构的典型例子是冰，如图1—3所示。

在冰中，H2O分子间相互作用能为51．04kJ/mol，其中四分之一可归结于范德华引力，余下的37．64kJ是破坏氢键所需要的能量，所以冰中氢键。

一H…O的健能是每摩尔18．8kJ。

（B）不同分子间的氢键

在许多化合物中，不同分子之间也能形成氢键。

例如，苯甲酸和丙酮可以形成分子间氢键。

草酸二水合物是草酸两个羟基中的氢原子分别与两个水分子的氧原子之间通过氢键形成的晶体。

不同分子之间的氢键在溶液中广泛存在，例如：

乙醇水溶液中，乙醇和水分产通过氢键缔合在一起。

氢键在生物分子中也广泛存在，这些氢键的存在对生物体的生存起着重要作用。

蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连而成的高分子物质。

这些肽键都是很强的共价键，键能较大，

但是蛋白质的主链和侧链连有许多的亚氨基（）、碳基（）和羟基，这些极性

基因可形成次级键（主要是氢键），使蛋白质形成一定的构象。

氢键键能虽小，但在蛋白质中它们为数很多，对蛋白质的空间结构起着重要作用。

1951年Pauling提出著名的α—螺旋体。

他认为蛋白质肽链象螺旋—样盘曲，位于主链和侧链的亚氨基、羰基、羧基等在螺旋体内形成许多氢键。

另外．在DNA分子中，根据DNA钠盐结晶的x射线衍射研究和碱基摩尔比例规律，1953年Waston—Crick提出DNA的双螺旋结构学说。

DNA的双螺旋结构，是由两条多聚脱氧核糖核苷酸链组成，其中两条链中的碱基通过氢键结合在一起。

如图1—4所示。

2．分子内氢键

一个分子的A—H键与其分子内部的原子B相结合而成的氢键称为分子内氢键。

即分子内含有氢供基A—H和氢受基B的化合物，在两个基的相对位置合适时，能生成分于内氢控。

例如，邻硝基苯酚中羟基上的氢原子能与邻位上硝基中的一个氧原子生成强的氢键。

由于官能团与苯环的共扼作用，使下列平面构型变得稳定。

由于受环状结构中其它原于镶角的限制，所以分子内氢键A—H…B不能在同一直线上，一般键角约为150。

左右。

一个化合物生成分子内氢键时，虽然生成能不大，但就此而言是有利的，因此容易生成。

在芳烃的二取代或多取代衍生物中，除了一个必须是氢供基而另一个必须是氢受基外，这两个基还必须处于邻位，才能形成分子内氢键。

例如，在苯酚的邻位上有—COOH、—NO2：

、—NO、—CONH2、—COCH3：

和—Cl等取代基的化合物都能形成分子内氢键。

如下式所示；

分子内氢键也存在于含氮的化合物中，例如：

另外，能够形成分子内氢键的化合物并不限于芳香族化合物脂肪族化合物亦可。

例如：

总之，化合物形成分子内氢键后，通常具有环状结构。

一般来说，通过氢键形成的螯形环内不含有双键或只含一个双键的，以五元环最稳定；当环内含有两个双键时，以六元环最稳定。

另外，供氢基和受氢基相隔较远时不能形成氢键。

对于苯的衍生物，供氢基和氢受基处于邻位时，有利于生成分子内氢键，而间位和对位异构体则不能。

成环的分子内氢键的键角可以稍偏离180。

，但偏离太多则不稳定。

因此，一般通过分子内氢径形成六元环比五元环稳定。

除上述形成环状结构的分子内氢键外，还有一种分子内氢健，它是非环状结构，但这种分子内氢键与前者相比为数极少。

例如在NH4OH分子中，NH4+和OH-基团是以氢键连接起来的。

在氢氧化铵的水溶液中，存在着下式所示的复杂平衡关系：

3.分子间和分子内氢键对物质性质的不同影响

分子间氢键和分子内氢键虽然生成本质相同，但前者是两个或多个分子的缔合体。

后者是一个分子的缔合，因此，两者在相同条件下生成的难易程度不一定相同。

一般来说，分子内氢键在非极性溶剂的稀溶液里也能存在，而分子间氢键几乎不能存在。

因为在很稀的溶液里，两个或两个以上分子靠近是比较困难的，溶液越稀越困难，所州很难形成分子间氢键。

另外，对于不同的化合物，甚至互为同分异构体的两个化合物，由于形成不同的氢键，在性质上亦有很大差别。

现就一般情况简述如下：

氢键作为把分子彼此连接起来的力，是一种很强的力，若在晶体内分子之间形成氢键，则晶体变硬，同时熔点有升高的倾向。

分子内以氢键相连的化合物，其晶体的硬度和熔点介于离子晶体和由色散力形成的晶体之间。

对于液体，分子间氢键也能将构成液体的分子连接起来，使液体的粘度和表面张力增加，沸点升高。

当分子能与水（溶剂）形成分子间氢键时，则该分子易溶于水（溶剂）。

若分子能形成分子内氢键时，则与水（溶剂）难于形成分子间氢键，因而这种分子难溶于水[溶剂]。

同样由于分子形成分子内氢键，分子之间不再缔合而凝聚力较小，因此这种化合物容易气化，沸点偏低。

例如，硝基苯酚的三个异构体，其中邻硝基苯酚生成分子内氢键，不能再与其它邻硝基苯酚分子和水分子生成分子间氢键，因此邻硝基苯酚容易挥发且不溶于水，间和对硝基苯酚不仅分子之间能生成氢键，且与水分子之间也能生成氢键。

由于分子间氢键能够降低物质的蒸气压，利用它们的这种差别，可用水蒸汽蒸馏方法将邻位异构体与间、对位异构体分开。

分子间和分子内氢键的不同不仅影响物质的物理性质，也对它们的化学性质和化学反应等产生影响。

另外，分子能否生成氢键．对其性质的影响更大。

四．芳香环化合物

最简单最重要的五元杂环化合物呋喃、吡咯和噻吩，分子量分别68．08、67．09、84．14；沸点分别是31．36℃、130℃、840.16℃。

可以看出，呋喃和吡咯虽然分子量相近，但吡咯的沸点却比呋喃约高99℃，比分子量大的噻吩约高46℃。

原因是由于吡咯分子通过氢键缔台，而呋喃和噻吩自身分于间不能形成氢键。

在吡咯分子中，由于氮原子上连接一个氢原子，氮原子上还具有未共用电子对，因此吡咯分子间通过N—H---N形成分子间氢键是可以想象的。

根据冰点降低和偶极矩测定结果推测，吡咯以下列四种形式缔合，并已被核磁共振谱和红外光谱证实。

五、化学竞赛考查热点——氢键

纵观近年各级化学竞赛试题，氢键已成为考查的一个热点，尤其是2003年的全国竞赛试题三次考到氢键。

但从各省阅卷情况看，学生答题五花八门，反映出参赛选手没有很好掌握氢键本质，缺乏知识的应用和迁移能力。

现就氢键的有关知识和考查层面进行分析、总结，供参考。

5.1常规氢键

在一个典型的X—H…Y氢键体系中，X—Hδ键的电子云强烈地偏向电负性大、原子

半径小的X原子，导致氢原子核外露，成为一个“裸露”的质子，它强烈地被另一个电负性大、原子半径小的Y原子所吸引。

X、Y通常是F、O、N等原子，X也可以是含双键或叁键的碳原子。

许多化合物常含有—OH、—NH2、、等基团，这些基团很容易形成常规氢键。

5.1.1分子间氢键，例如：

【例1】（2003年全国竞赛试题）咖啡因对中枢神经有兴奋作用，其结构如图1。

常温下，咖啡因在水中的溶解度为2g，加适量水杨酸钠〔C6H4（OH）COONa〕,由于形成氢键而增大咖啡因的溶解度。

请在图1上添加水杨酸与咖啡因形成的氢键。

【分析】本题显然是水杨酸钠中的羟基与咖啡因分子形成氢键,考虑到甲基的空间位阻,水杨酸钠中羟基与咖啡因分子中没有;连甲基的N形成的氢键更稳定,氮比氧更易形成氢键,所以形成如图2所示的氢键.

5.1.2分子内氢键

例如：

在苯酚的邻位上有—CHO、—COOH、—NO2等基团时可形成氢键的螯合环。

邻硝基苯酚因形成分子内氢键而成螯环分子，因此比间位、对位硝基苯酚更不易溶于水，沸点也相对较低，其饱和蒸气压比间位、对位要大，有机实验中可用水蒸气蒸馏法将邻硝基苯酚从它们的混合物中分离出来。

5.2非常规氢键

在常规氢键X—H…Y中，Y是一个电负性大、原子半径小、有孤对电子的原子，若Y是π键或离域π键体系，那就是一种非常规氢键。

由苯基等芳香环的离域π键形成的X—H…π氢键，又称为芳香氢键（aromatichydrogenbonds）,多