Рассмотрим две молекулы воды (рис. 1.9). Вследствие высокой электронов ронегативности кислорода молекула воды является полярной, т.е. на "ее атомах присутствуют парциальные электрические заряды (примерно -2 / 3 заряда электрона на кислород, +1 / 3 на каждом водорода). Соответственно, две молекулы будут
взаимодействовать друг с другом электростатически. Но здесь есть еще два важных обстоятельства: 1) атом водорода имеет только один электрон, и этот электрон является оттянутым на кислород в молекуле воды, 2) атом кислорода содержит на внешнем слое неразделенной пару электронов (рис. 1.3), которые не вовлечены в образование ковалентной связи. В результате "слабая" электронная оболочка водорода "продавливается" атомом кислорода вторую молекулу, его неразделенная пара электронов частично обобщается с водородом, электрон которого оттянутым "собственным" кислорода. Взаимодействие такого типа и называется водородной связью, который, представляет собой нечто среднее между электростатическим взаимодействием (притяжения парциальных зарядов) и ковалентной связью (частичное обобщение пары электронов между двумя атомами). Типичные пары химических групп, образующих водородные связи в макромолекулах:
O-H ..... O O-H ..... N N-H ..... O N-H ..... N
Есть водородная связь образуется между атомом водорода, присоединенным к электроотрицательного атома с частичным отрицательным зарядом бы-(эта группа "отдает" протон и называется донором водородной связи) и электроотрицательным атомом другой химической группы или молекулы (акцептором), содержащий неразделенной пару электронов.
Группа С-Н, например, не отвечает этим принципам (связь С-Н неполярный, поскольку С не является электроотрицательным атомом) и не может быть привлеченной к образованию водородной связи.
Два свойства водородной связи является следствием его природы:
• Водородная связь является очень выгодным энергетически: его энергию (образование водородной связи сопровождается выделением тепла, т.е. имеет ентальпийну природу) можно оценить примерно в 5 ккал / моль (сравните с энергией теплового движения RT = 0,6 ккал / моль ).
• В отличие от электростатических взаимодействий, но так же, как ковалентная связь, водородная связь чувствителен к взаимной ориентации донора и акцептора. Особенно это касается направления донорной группы: ковалентная связь DH должен быть направленным на акцепторный атом (допустимое отклонение связи от направления водородной связи составляет 20-30 °).
Второе свойство очень важно. Она означает, что водородные связи между макромолекулами образуются только тогда, когда между донорными и акцепторными группами четкая пространственная соответствие. Это делает водородную связь существенным фактором в определении специфичности межмолекулярных взаимодействий - межмолекулярном узнаваемы.
Первое свойство также требует уточнений. Как видим, количество водородных связей одинакова слева и справа (энтальпия системы не изменяется), разной может быть только энтропия левого и правого состояний. Если донор и акцептор - маленькие молекулы, то предпочтительным будет левый состояние (большое количество молекул воды делает его менее упорядоченным): маленькие полярные молекулы растворяются в воде, потому что хорошо с ней взаимодействуют. Если донор и акцептор принадлежат макромолекулы, преобладающим может стать правый положение: пара молекул воды может свободно двигаться, что увеличивает энтропию системы. Итак, водородные связи в водной среде имеют энт-ропийну природу. Понятно, что в неполярной среде (где нет конкуренции с водой) водородная связь будет значительно стабильнее.