| | | | | | | | | |
H H H H H H H H H H
(H2O) n
Рис.5.14. Образование межмолекулярной водородной связи между молекулами воды.
Многие особые свойства неорганических и органических молекул, например димеризация жирных кислот, объясняются образованием водородных связей. Водородная связь - особенно важная структурная особенность белков и нуклеиновых кислот.
Ковалентные связи изображают короткими сплошными линиями, а водородные – более длинными пунктирными.
Ее образование обусловленно тем, что в результате сильного смещения общей электронной пары к электроотрицательному атому атом водорода, обладающий эффективным положительным зарядом, может взаимодействовать с другим электроотрицательным атомом (F, O, N, реже Cl, Br, S). Энергия такого электростатического взаимодействия составляет 20–100 кДж∙моль–1. Водородная связь примерно в 15 – 20 раз слабее ковалентной. Водородные связи могут быть внутри - и межмолекулярными. Внутримолекулярная водородная связь образуется, если в этой молекуле имеются группы с донорной и акцепторной способностями, например, в ацетилацетоне (А) и, полученном из него реакцией с аммиаком
енаминокетоне (Б) (Рис.5.15.). Один атом водорода аминогруппы (NH2) cвязан внутримолекулярной водородной связью с кислородом соседней карбонильной группы, а второй может быть связан межмолекулярной водородной связью с кислородом соседней молекулы ацетилацетона (Б) (Рис. 5.15.).
Рис.5.15. Образование внутримолекулярной и межмолекулярной водородной связи в ацетилацетоне (А) и енаминокетоне (B).
От величины межмолекулярной водородной связи зависит температура кипения вещества. Внутримолекулярная водородная связь не влияет на значение его температуры кипения.
Исключительно важную роль водородная связь играет в биологических макромолекулах, таких неорганических соединениях как H2O, H2F2, NH3. Так, фтористоводородная кислота (HF) является слабой кислотой в отличие от других галогенводородных кислот за счет водородной связи она димеризуется (H2F2) и может образовать кислые соли (NaHF2). За счет водородных связей вода характеризуется столь высокими по сравнению с водородными соединениями других элементов (электронных аналогов) главной подгруппы шестой группы температурами плавления и кипения:
| соединение | Н2Te | Н2Se | H2S | Н2О |
| Tкип.0С | -2 | -42 | -60 |
Если бы водородные связи отсутствовали, то вода плавилась бы при –100°С, а кипела при –80°С.
Взаимодействие между молекулами воды оказывается достаточно сильным, таким, что даже в парах воды присутствуют димеры и тримеры состава (H2O)2, (Н2O)3 и т. д. В растворах же могут возникать длинные цепи ассоциатов поскольку атом кислорода имеет две неподеленные пары электронов.
Таким образом, водородные связи могут образовываться, если есть полярная Х—Н связь и свободная пара электронов. Например, молекулы органических соединений, содержащие группы —ОН, —СООН, —CONH2, —NH2 и др., часто ассоциированы вследствие образования водородных связей.
Типичные случаи ассоциации наблюдаются для спиртов и органических кислот. Например, для уксусной кислоты возникновение водородной связи может привести к объединению молекул в пары с образованием циклической димерной структуры, и молекулярная масса уксусной кислоты, измеренная по плотности пара, оказывается удвоенной (120 вместо 60):
Внутримолекулярные водородные связи играют основную роль в образовании пептидных цепей, которые определяют строение белков. По-видимому, наиболее важным и, несомненно, одним из наиболее известных примеров влияния внутримолекулярной водородной связи на структуру является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Молекула ДНК свернута в виде двойной спирали. Две нити этой двойной спирали связаны друг с другом водородными связями.
