1.6　影響氫鍵強度的因素

由于氫鍵是一種靜電作用力，在立體及幾何因素排除的情況下，很多因素能夠影響靜電吸引強度。這些因素包括溶劑化效應、電負性、共振、可極化性等。絕大多數分子識別與自組裝研究在溶液中進行，因此溶劑選擇是研究氫鍵強度的一個非常重要的因素。在溶液中，直接通過熱化學研究測定氫鍵的強度（焓變）還缺乏系統性的研究。而通過測定結合常數確定的Gibbs結合自由能又受到熵效應的影響，不能簡單地與焓變相關。即使測定出結合焓，也不能直接反應氫鍵的固有強度，因為氫鍵的形成伴隨著供體和受體的溶劑化效應的改變。因此，在大多數情況下，超分子化學家利用結合常數及相應的Gibbs結合自由能表示氫鍵的穩定性。

1.6.1　溶劑化效應

溶劑對氫鍵強度的影響是決定性的。質子性溶劑如水等既是強的氫鍵供體，也是強的氫鍵受體，本身可以形成強氫鍵，也可以與供、受體形成氫鍵。因此，中性分子在水中形成的氫鍵強度可以視為0。當供體或受體帶有電荷時，氫鍵強度可以得到顯著增強。非質子性極性溶劑可以作為氫鍵受體形成氫鍵，而非極性溶劑也可以通過范德華作用弱化氫鍵。由于溶液中形成氫鍵的供體和受體相對于溶劑分子在數量上明顯處于低比例，即使極性較弱的溶劑也能降低氫鍵的穩定性。

在質子性極性溶劑中，供體（D—H）和受體（A）在形成氫鍵之前已經與溶劑（S）形成氫鍵。因此，二者形成氫鍵的過程可以看作是一個氫鍵交換過程，即伴隨著溶劑之間氫鍵的形成［式（1-1）］。只有當溶劑形成的氫鍵很弱時，D—H…A氫鍵才會具有高的穩定性。而在所謂的競爭性溶劑（competitive solvent）如水和甲醇中，其穩定性應該很低或根本不能形成。因此，在所有溶液相中研究氫鍵時，其穩定性一定與所用的溶劑有關。分子內氫鍵的強度也受溶劑化效應影響。溶劑的作用實際上是提供了供、受體形成分子間氫鍵的可能性。當這些分子間氫鍵變強時，分子內的氫鍵就會變弱。對于一些分子內氫鍵，其強度與溶劑接受氫鍵的能力存在線性關系^［16］。

　　 （1-1） 　　

1.6.2　電負性效應

作為一種靜電吸引作用，供體的H原子上部分正電荷值越大，形成的氫鍵就越強。因此，對于鹵化氫作為供體的氫鍵的強度，存在著以下趨勢：HF>HCl>HBr>HI，而水分子之間形成的氫鍵也比硫化氫形成的氫鍵強很多。氫鍵的強度與氫鍵主體的酸度——即D—H發生異裂形成D^-和H⁺的能力——不一定具有相關性。但對于同一個原子上的氫而言，強酸的氫帶有較多的正電荷，是較好的氫鍵供體。因此存在著這一氫鍵強度趨勢：CF₃CO₂H>CCl₃CO₂H>CBr₃CO₂H>CI₃CO₂H，氫鍵強度與酸度的大小趨勢一致。對于氫鍵受體，存在著以下趨勢：H₂O>H₃N>H₂S>H₃P。中性分子中受體原子的電負性有兩面性。一方面它能增加原子的δ^-，這有利于氫鍵的形成。另一方面，高電負性又使其共享電子對的傾向性降低，不利于形成氫鍵。所以，雖然中性分子中F形成的共價鍵鍵極性較高，但有機分子中的F是一個弱的氫鍵受體（弱電子供體）。較大的S和P原子作為受體形成氫鍵的能力也較弱，這可能與第三周期元素孤對電子的擴散性有關。表1-2列出一些例子^［11］，說明在氣相和非極性的四氯甲烷溶劑中形成的一些氫鍵的強度變化趨勢。

1.6.3　極化增強效應

當一個氫鍵供體D—H鍵的極性受相鄰的氫鍵的影響而增大時，其作為供體形成氫鍵的能力增強，這種現象被稱為極化增強效應。典型的例子是水和醇形成的氫鍵鏈和氫鍵環（圖1-6）。

相鄰氫鍵由于互相誘導促進O—H鍵的極性而相互增強。量子化學計算證明了這種極化增強效應的存在。對成環排列的醇的氫鍵的計算表明，氫鍵強度從環三聚體的5.6kcal/mol增加到環五聚體的10.6kcal/mol，再增加到環六聚體的10.8kcal/mol。還有一些證據來自于晶體結構，下面的關聯焦點描述的是來自寡糖結構的證據。這種極化增強效應也可以認為是相鄰氫鍵之間的協同作用。

在單糖和寡糖的晶體結構中也可以觀察到這樣的協同的氫鍵鏈。圖1-7是對硝基苯基α-麥芽六糖苷的晶體結構示意圖，該化合物沿著吡喃糖苷的2，3-鄰二醇部分形成一條長氫鍵鏈，控制著相鄰單體的取向^［17］，其相鄰氫鍵存在著明顯的協同增強效應。這種線性氫鍵鏈形成的協同性可能也部分地來自于熵效應，即鄰近的氫鍵相互固定了供體和受體，從而部分補償了形成氫鍵的負熵效應。

1.6.4　共振協助效應

共振協助的氫鍵（resonance-assisted hydrogen bonding，RAHB）是那些供體或受體能夠從特定共振結構中受益的氫鍵，是一種強氫鍵體系，發生于供體和受體通過共軛雙鍵連接的體系^［18］。鄰硝基苯酚和β-二酮烯醇是兩類典型的形成共振協助氫鍵的分子（圖1-8），其分子內的O—H…O氫鍵被共振結構所強化。這兩類分子內氫鍵都是共平面的六元環氫鍵，本身氫鍵就很強，共振協助進一步提高了氫鍵強度。肽和蛋白質α-螺旋等線性氫鍵鏈中的酰胺也被認為存在協同增強作用，因為酰胺基團也存在著兩種共振結構（圖1-8），具有增強氫鍵穩定性的作用。另外，DNA中的堿基對可以形成共振結構，其氫鍵也被認為受共振協助增強。

研究表明，β-二酮烯醇的共振離域程度與其形成的分子間O—H…O氫鍵的強度之間存在著線性關系^［19］。β-二酮鏈的離子性共振結構的貢獻越大，相應的鍵長（d₁、d₂、d₃和d₄）就越接近（圖1-9）。檢驗β-二酮烯醇和其它能夠形成分子間氫鍵的13個鏈分子的晶體結構發現，在其共振離域和氫鍵距離（被定義為分子間的O—O距離）之間存在著線性關系。較小的O—O距離意味著較強的氫鍵，其對應于更多的共振離域。

1.6.5　二級相互作用

由于氫鍵是一種靜電吸引作用，當兩個或更多氫鍵近距離排列在一起時，其排列方式對氫鍵的強度具有重要影響，從而產生所謂的二級相互作用（相對于氫鍵本身的一級作用）^［20］。當兩個氫鍵反方向排列，會產生兩個相互交叉的二級靜電排斥作用，即H—H和受體-受體之間的排斥作用，從而會減弱雙氫鍵體系的穩定性。羧酸形成的氫鍵二聚體即是一個典型的例子（圖1-10）。這種二級靜電排斥并不意味著雙氫鍵體系比單個氫鍵更弱，而是指其會降低兩個氫鍵組合在一起產生的協同效應。當兩個氫鍵同方向排列，即供體和受體分別排在同一側時，會產生兩個相互交叉的二級靜電吸引作用，即受體和相鄰氫鍵的H之間的吸引作用，從而會增強整個氫鍵體系的強度。脒和1，8-萘啶形成的雙氫鍵體系即可以產生兩個二級吸引作用（圖1-10），這類氫鍵的強度要比形成二級排斥作用的雙氫鍵高。

對于多氫鍵體系，這種二級作用對其結合強度的影響很大^［21］。例如，三氫鍵體系可以分為ADA-DAD、DAA-ADD和DDD-AAA三種類型（圖1-11）。第一類形成四個二級排斥作用，這類氫鍵二聚體在氯仿中的結合常數（K_a）大都在10²～10³L/mol，第二類形成兩個二級吸引和排斥作用，在氯仿中的K_a在10³～10⁵L/mol，第三類形成四個二級吸引作用，在氯仿中K_a≥10⁵L/mol。因此，在設計新的多氫鍵體系時，二級作用是一個需要考慮的重要因素。二級作用只有在距離很近的氫鍵之間產生。因此，這些氫鍵單體都是一些雜環衍生物，所以形成氫鍵的官能團被密集的合并在一起。