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氢键理论研究的现状及前景论文综述摘要：氢键是分子内或分子间的一种弱相互作用,氢键的键能较小,但其存在却对物质的性质,结构等方面有很大影响，分子间存在氢键时, 大大地影响了分子间的结合力,故对氢键的研究应用也为对物质的性质有很大影响,在生物、化学、材料等领域起着重要的作用,是目前人们研究的热门领域之一。关键词：氢键氢键类型氢键结构弱相互作用一 .什么是氢键1.氢键的定义1920年首次提出氢键的定义，结合近年来氢键研究的进展，我们认为：氢原子受到与之成键的原子或原子基团的影响，同时又与另一个原子或原子基团形成一种弱相吸作用力，这就是氢键．可以用X一H?Y来表示。2 .氢键的特点2.1氢键存在形式广泛．水、醇、胺、羧酸、无机酸、水合物、氨合物等在气相、固相和超临界相都可能存在原子间、分子间、分子内、或正负离子间的氢键。2.2氢键具有方向性， Y原子与X一H形成氢键时，在尽可能的范围内要使氢键的方向与X一H键轴在同一个方向。2.3氢键具有饱和性．每个X一H只能与一个Y形成氢键。2.4氢键具有协同性，几个相互连接的氢键键能大于各单个氢键键能的加和。2.5弱氢键具有柔性．弱极化X一H?Y氢键间有方向的静电作用和各向同性的范德华作用相差不多，从几何光学的角度上很容易被拉伸、压缩、弯曲。3.氢键的本性关于氢键的本性目前没有统一认识，一般认为氢键是两个偶极子之间的三中心四电子静电作用力，但是氢键的方向性和饱和性不能完全用静电作用的观点来解释．从量子力学和键能角度来看，氢键也不同于共价键．一种新型NMR脉冲频率实验证明N—H?N、F—H?N、N—H?O—C、O一H?O氢键具有一定的共价性。4 .氢键的强弱—键能氢键的强弱与X、Y的电负性大小、原子半径大小、氢键距离有关，但没有确定的关系，中性分子间氢键键能10～65 kJ／mol，强于范德华能(8 kJ／mol)．离子间、离子一分子间氢键键能40～190 kJ／mol ，与弱共价键相当，最强的弱氢键和最弱的强氢键能量相当(20 kJ／mol)。5.氢键的几何参数5.1 键长在X一H?Y中，由X原子中心到Y原子中心的距离就是氢键键长．氢键研究还涉及H?Y距离，X一H总是小于H?Y，但H? Y的存在使X—H变长，在弱氢键中，H?Y的距离变化幅度很大。5.2 键角键角是指X一H?Y角度，氢键的方向性要求键角接近180。，由于空间阻碍或其他作用力的竞争，氢键柔软弯曲，但至少应大于90。小于90，不是氢键。6 .氢键的分类传统上氢键分为分子内和分子间氢键，随氢键研究的需要，分为强氢键和弱氢键，两种特殊的氢键形式：(1)对称氢键，即氢键质子位于给体和受体原子间连线的中点，如K 和二甲酸氢钠。(2)分叉氢键(或称多中心氢键)，即一个质子给体A—H可同时与两个或三个受体B形成氢键，在一些生物小分子水合物晶体中，分叉氢键出现的机会多一些，如图所示，分叉氢键的出现向传统的氢键饱和性理论提出了挑战。二. 氢键类型传统的氢键给体和受体局限于象N、O、F、Cl这样的原子半径小、电负性大的原子，研究发现，在特殊的化学环境下，C、I、S、Se，Te这些原子半径大、电负性小的原子、过渡金属原子、烯、炔、芳香族化合物都能形成氢键．我们以经典0一H、N—H、C1．H和非经典C—H、M—H(M=金属原子)质子给体为线，归纳出以下七大类二十九种氢键类型：1. O一H?X型(X= F、N、Br、O、C1、兀体系)2 . N—·H?X 型(X=F、N、O、C1、Br、S、兀体系)3 . C1一H?X型(X=N、7、兀体系)4 . C—H?X型(X=O、F、N、C1、S、Se、I、7)5. X一H?M 型(X=C、N、O，M =过渡金属原子)6. H原子正极性化的M ?H ·O-~-C型(M =稀土、过渡金属原子)7. H原子负极性化的M —H?H—X型(X=C、N、O、S，M =稀土、过渡金属原子)自从1984 年Taylor和Kennard 对C—H?O氢键具有里程碑意义的研究公布以后，人们开始了对其他类型弱氢键如O一H?7兀、N— H? 7兀、C—H? 7兀、o—H ? M 、N— H ? M 、M_H?O和C．H?M (M =金属原子)的分析、合成和表征．从经典强氢键O一H?O到非经典C_H?O、N—H?O氢键，再到过渡金属原子直接参与的M—H?O，0一H?M，N—H?M及H?H键，这些传统上认为是氢键惰性基团形成的氢键是否有点牵强附会?相关原子的近距离接触是否是其他晶体堆积力量作用的结果?它们的形式是否大于它们的化学本质?这些问题并不重要，重要的是这些x—H?Y相互作用的本质是有方向的、弱相吸的．它们的确在晶体结构中出现了，并且不同程度地决定了晶体结构，影响了化合物的物理、化学性质．在晶体工程指向效应上，各种类型的氢键并