1.6　影响氢键强度的因素

由于氢键是一种静电作用力，在立体及几何因素排除的情况下，很多因素能够影响静电吸引强度。这些因素包括溶剂化效应、电负性、共振、可极化性等。绝大多数分子识别与自组装研究在溶液中进行，因此溶剂选择是研究氢键强度的一个非常重要的因素。在溶液中，直接通过热化学研究测定氢键的强度（焓变）还缺乏系统性的研究。而通过测定结合常数确定的Gibbs结合自由能又受到熵效应的影响，不能简单地与焓变相关。即使测定出结合焓，也不能直接反应氢键的固有强度，因为氢键的形成伴随着供体和受体的溶剂化效应的改变。因此，在大多数情况下，超分子化学家利用结合常数及相应的Gibbs结合自由能表示氢键的稳定性。

1.6.1　溶剂化效应

溶剂对氢键强度的影响是决定性的。质子性溶剂如水等既是强的氢键供体，也是强的氢键受体，本身可以形成强氢键，也可以与供、受体形成氢键。因此，中性分子在水中形成的氢键强度可以视为0。当供体或受体带有电荷时，氢键强度可以得到显著增强。非质子性极性溶剂可以作为氢键受体形成氢键，而非极性溶剂也可以通过范德华作用弱化氢键。由于溶液中形成氢键的供体和受体相对于溶剂分子在数量上明显处于低比例，即使极性较弱的溶剂也能降低氢键的稳定性。

在质子性极性溶剂中，供体（D—H）和受体（A）在形成氢键之前已经与溶剂（S）形成氢键。因此，二者形成氢键的过程可以看作是一个氢键交换过程，即伴随着溶剂之间氢键的形成［式（1-1）］。只有当溶剂形成的氢键很弱时，D—H…A氢键才会具有高的稳定性。而在所谓的竞争性溶剂（competitive solvent）如水和甲醇中，其稳定性应该很低或根本不能形成。因此，在所有溶液相中研究氢键时，其稳定性一定与所用的溶剂有关。分子内氢键的强度也受溶剂化效应影响。溶剂的作用实际上是提供了供、受体形成分子间氢键的可能性。当这些分子间氢键变强时，分子内的氢键就会变弱。对于一些分子内氢键，其强度与溶剂接受氢键的能力存在线性关系^［16］。

　　 （1-1） 　　

1.6.2　电负性效应

作为一种静电吸引作用，供体的H原子上部分正电荷值越大，形成的氢键就越强。因此，对于卤化氢作为供体的氢键的强度，存在着以下趋势：HF>HCl>HBr>HI，而水分子之间形成的氢键也比硫化氢形成的氢键强很多。氢键的强度与氢键主体的酸度——即D—H发生异裂形成D^-和H⁺的能力——不一定具有相关性。但对于同一个原子上的氢而言，强酸的氢带有较多的正电荷，是较好的氢键供体。因此存在着这一氢键强度趋势：CF₃CO₂H>CCl₃CO₂H>CBr₃CO₂H>CI₃CO₂H，氢键强度与酸度的大小趋势一致。对于氢键受体，存在着以下趋势：H₂O>H₃N>H₂S>H₃P。中性分子中受体原子的电负性有两面性。一方面它能增加原子的δ^-，这有利于氢键的形成。另一方面，高电负性又使其共享电子对的倾向性降低，不利于形成氢键。所以，虽然中性分子中F形成的共价键键极性较高，但有机分子中的F是一个弱的氢键受体（弱电子供体）。较大的S和P原子作为受体形成氢键的能力也较弱，这可能与第三周期元素孤对电子的扩散性有关。表1-2列出一些例子^［11］，说明在气相和非极性的四氯甲烷溶剂中形成的一些氢键的强度变化趋势。

1.6.3　极化增强效应

当一个氢键供体D—H键的极性受相邻的氢键的影响而增大时，其作为供体形成氢键的能力增强，这种现象被称为极化增强效应。典型的例子是水和醇形成的氢键链和氢键环（图1-6）。

相邻氢键由于互相诱导促进O—H键的极性而相互增强。量子化学计算证明了这种极化增强效应的存在。对成环排列的醇的氢键的计算表明，氢键强度从环三聚体的5.6kcal/mol增加到环五聚体的10.6kcal/mol，再增加到环六聚体的10.8kcal/mol。还有一些证据来自于晶体结构，下面的关联焦点描述的是来自寡糖结构的证据。这种极化增强效应也可以认为是相邻氢键之间的协同作用。

在单糖和寡糖的晶体结构中也可以观察到这样的协同的氢键链。图1-7是对硝基苯基α-麦芽六糖苷的晶体结构示意图，该化合物沿着吡喃糖苷的2，3-邻二醇部分形成一条长氢键链，控制着相邻单体的取向^［17］，其相邻氢键存在着明显的协同增强效应。这种线性氢键链形成的协同性可能也部分地来自于熵效应，即邻近的氢键相互固定了供体和受体，从而部分补偿了形成氢键的负熵效应。

1.6.4　共振协助效应

共振协助的氢键（resonance-assisted hydrogen bonding，RAHB）是那些供体或受体能够从特定共振结构中受益的氢键，是一种强氢键体系，发生于供体和受体通过共轭双键连接的体系^［18］。邻硝基苯酚和β-二酮烯醇是两类典型的形成共振协助氢键的分子（图1-8），其分子内的O—H…O氢键被共振结构所强化。这两类分子内氢键都是共平面的六元环氢键，本身氢键就很强，共振协助进一步提高了氢键强度。肽和蛋白质α-螺旋等线性氢键链中的酰胺也被认为存在协同增强作用，因为酰胺基团也存在着两种共振结构（图1-8），具有增强氢键稳定性的作用。另外，DNA中的碱基对可以形成共振结构，其氢键也被认为受共振协助增强。

研究表明，β-二酮烯醇的共振离域程度与其形成的分子间O—H…O氢键的强度之间存在着线性关系^［19］。β-二酮链的离子性共振结构的贡献越大，相应的键长（d₁、d₂、d₃和d₄）就越接近（图1-9）。检验β-二酮烯醇和其它能够形成分子间氢键的13个链分子的晶体结构发现，在其共振离域和氢键距离（被定义为分子间的O—O距离）之间存在着线性关系。较小的O—O距离意味着较强的氢键，其对应于更多的共振离域。

1.6.5　二级相互作用

由于氢键是一种静电吸引作用，当两个或更多氢键近距离排列在一起时，其排列方式对氢键的强度具有重要影响，从而产生所谓的二级相互作用（相对于氢键本身的一级作用）^［20］。当两个氢键反方向排列，会产生两个相互交叉的二级静电排斥作用，即H—H和受体-受体之间的排斥作用，从而会减弱双氢键体系的稳定性。羧酸形成的氢键二聚体即是一个典型的例子（图1-10）。这种二级静电排斥并不意味着双氢键体系比单个氢键更弱，而是指其会降低两个氢键组合在一起产生的协同效应。当两个氢键同方向排列，即供体和受体分别排在同一侧时，会产生两个相互交叉的二级静电吸引作用，即受体和相邻氢键的H之间的吸引作用，从而会增强整个氢键体系的强度。脒和1，8-萘啶形成的双氢键体系即可以产生两个二级吸引作用（图1-10），这类氢键的强度要比形成二级排斥作用的双氢键高。

对于多氢键体系，这种二级作用对其结合强度的影响很大^［21］。例如，三氢键体系可以分为ADA-DAD、DAA-ADD和DDD-AAA三种类型（图1-11）。第一类形成四个二级排斥作用，这类氢键二聚体在氯仿中的结合常数（K_a）大都在10²～10³L/mol，第二类形成两个二级吸引和排斥作用，在氯仿中的K_a在10³～10⁵L/mol，第三类形成四个二级吸引作用，在氯仿中K_a≥10⁵L/mol。因此，在设计新的多氢键体系时，二级作用是一个需要考虑的重要因素。二级作用只有在距离很近的氢键之间产生。因此，这些氢键单体都是一些杂环衍生物，所以形成氢键的官能团被密集的合并在一起。