中药化学氢键课件.ppt

1、1 浅析氢键浅析氢键2Hydrogen Bonding Strong dipole-dipole attraction The hydrogen from one molecule is strongly attracted to a lone pair of electrons on the other molecule.O-H more polar than N-H,so stronger hydrogen bonding =3H Bonds=4氢键氢键1.氢键的形成氢原子和另一个电负性大且含有孤对电子的原子产生静电吸引作用，称为氢键。氢键的组成可用 XH:Y 通式表示，式中X，Y代表F，

2、O，N等电负性大而半径小的原子。氢键有饱和性和方向性。2.氢键对物质性质的影响（1）对熔点、沸点的影响 （2）对溶解度的影响 如果溶质分子与溶剂分子间能形成氢键，将有利于溶质分子的溶解。（3）对生物体的影响氢键的存在，使DNA的克隆得以实现，保持物种的繁衍。5-150-125-100-75-50-2502550751002345CH4SiH4GeH4SnH4NH3PH3AsH3SbH3HFHClHBrHIH2OH2SH2SeH2Te沸点沸点/周期周期一些氢化物的沸点一些氢化物的沸点6非金属元素的氢化物在固态时是分子晶非金属元素的氢化物在固态时是分子晶体，其熔沸点和其分子量有关对于同一主体，其熔

3、沸点和其分子量有关对于同一主族非金属元素而言，从上到下，分子量逐渐族非金属元素而言，从上到下，分子量逐渐增大，熔沸点应逐渐升高而增大，熔沸点应逐渐升高而HF、H2O、NH3却出现却出现反常反常，为什么？，为什么？说明在说明在HF、H2O、NH3分子间还存在分子间还存在除分子间作力之外的其他作用这种作用就除分子间作力之外的其他作用这种作用就是氢键是氢键7二氢键二氢键1.水分子中键是极性共价键，氧原水分子中键是极性共价键，氧原子与氢原子共用的电子对强烈的偏向氧原子，子与氢原子共用的电子对强烈的偏向氧原子，使氢原子几乎成了使氢原子几乎成了“裸露裸露”的质子这样，一的质子这样，一个水分子中相对显正电性

4、的氢原子就能和另一个水分子中相对显正电性的氢原子就能和另一个水分子相对带负电性的氧原子上的孤电子对个水分子相对带负电性的氧原子上的孤电子对接近并产生相互作用，这种相互作用叫做氢接近并产生相互作用，这种相互作用叫做氢键键8.表示：氢键可以用表示：氢键可以用AHB表示。表示。A和和B可以可以是同种原子，也可以是不同种原子，但都是电是同种原子，也可以是不同种原子，但都是电负性较大、半径极小的非金属原子（一般就是负性较大、半径极小的非金属原子（一般就是、）。表示式中的实线表示共价键，、）。表示式中的实线表示共价键，虚线表示氢键。虚线表示氢键。.氢键的键能一般小于氢键的键能一般小于40kJ/mol，比共

5、价键的，比共价键的键能小得多，比较接近分子间作用力，比范德键能小得多，比较接近分子间作用力，比范德华力大因此氢键不属于化学键，而属于一般华力大因此氢键不属于化学键，而属于一般分子间作用力范畴。分子间作用力范畴。910.氢键的分类氢键的分类(1)分子间氢键分子间氢键(2)分子内氢键分子内氢键5.氢键对物质熔沸点的影响：氢键对物质熔沸点的影响：分子间氢键使物质熔沸点升高分子间氢键使物质熔沸点升高分子内氢键使物质熔沸点降低分子内氢键使物质熔沸点降低11相似相溶相似相溶水和水和甲醇的相互溶解甲醇的相互溶解（深蓝色虚线为氢（深蓝色虚线为氢键）键）12液态水中的氢键液态水中的氢键131415在水蒸气中水以

6、单个的在水蒸气中水以单个的H20分子形式存在；分子形式存在；在液态水中，经常是几个水分子通过氢键结合在液态水中，经常是几个水分子通过氢键结合起来，形成（起来，形成（H20）n(如上图）；在固态水如上图）；在固态水（冰）中，水分子大范围地以氢键互相联结，（冰）中，水分子大范围地以氢键互相联结，形成相当疏松的晶体，从而在结构中有许多空形成相当疏松的晶体，从而在结构中有许多空隙，造成体积膨胀，密度减小，因此冰能浮在隙，造成体积膨胀，密度减小，因此冰能浮在水面上水面上16 随温度升高，同时发生两种相反的过程：一随温度升高，同时发生两种相反的过程：一是冰晶结构小集体受热不断崩溃，缔合分子减少；是冰晶结构

7、小集体受热不断崩溃，缔合分子减少；另一是水分子间距因热运动不断增大另一是水分子间距因热运动不断增大0 044间，间，前者占优势，前者占优势，4以上，后者占优势，以上，后者占优势，4时，时，两者互不相让，招致水的密度最大两者互不相让，招致水的密度最大1718我们在学习化学的过程中还有什么地方能用氢我们在学习化学的过程中还有什么地方能用氢键的知识来解释的？键的知识来解释的？(1)醇比含有相同碳原子的烃熔沸点高醇比含有相同碳原子的烃熔沸点高(2)低级醇易溶于水低级醇易溶于水(3)含有相同原子数的醚为什么熔沸点含有相同原子数的醚为什么熔沸点低于醇低于醇(4)为什么醚也可以溶于水为什么醚也可以溶于水(5

8、)HF酸是弱酸酸是弱酸19 氢键通常可用X-HY来表示。其中X以共价键与氢相连，具有较高的电负性，可以稳定负电荷，因此氢易解离，具有酸性酸性（质子质子给予体）。而Y则具有较高的电子密度，一般是含有孤对电子孤对电子的原子，容易吸引氢原子，从而与X和H原子形成三中心四电子键 20 氢键键能大多在25-40kJ/mol之间。一般认为键能40kJ/mol的氢键则是较强氢键。常见氢键的平均键能数据为：FH :F（155 kJ/mol 或 40 kcal/mol）OH :N（29 kJ/mol 或 6.9 kcal/mol）OH :O（21 kJ/mol 或 5.0 kcal/mol）NH :N（13 k

9、J/mol 或 3.1 kcal/mol）NH :O（8 kJ/mol 或 1.9 kcal/mol）HOH :OH3+（18 kJ/mol或 4.3 kcal/mol）21成键原子成键原子 芳香环、碳碳叁键叁键或双键双键在某些情况下都可作为电子供体，与强极性的X-H（如-O-H）形成氢键。22对氢键的理解 氢键存在虽然很普遍，对它的研究也在逐步深入，但是人们对氢键的定义至今仍有两种不同的理解。第一种把XHY整个结构叫氢键，因此氢键的键长就是指X与Y之间的距离，例如FHF的键长为255pm。第二种把HY叫做氢键，这样HF之间的距离163pm才算是氢键的键长。这种差别，我们在选用氢键键长数据时要

10、加以注意。不过，对氢键键能的理解上是一致的，都是指把XHYH分解成为HX和HY所需的能量 23氢键的饱和性和方向性 氢键不同于范德华引力，它具有饱和性和方向性。由于氢原子特别小而原子A和B比较大，所以AH中的氢原子只能和一个B原子结合形成氢键。同时由于负离子之间的相互排斥，另一个电负性大的原子B就难于再接近氢原子。这就是氢键的饱和性。氢键具有方向性则是由于电偶极矩AH与原子B的相互作用，只有当AH-B在同一条直线上时最强，同时原子B一般含有未共用电子对，在可能范围内氢键的方向和未共用电子对的对称轴一致，这样可使原子B中负电荷分布最多的部分最接近氢原子，这样形成的氢键最稳定 242.不同种分子之

11、间不同种分子之间 不仅同种分子之间可以存在氢键，某些不同种分子之间也可能形成氢键。例如 NH3与H2O之间。所以这就导致了氨气在水中的惊人溶解度：1体积水中可溶解700体积氨气。253.分子内氢键分子内氢键 某些分子内，例如邻硝基苯酚分子可以形成分子内氢键，还有一个苯环上连有两个羟基，一个羟基中的氢与另一个羟基中的氧形成氢键。分子内氢键由于受环状结构的限制，XHY往往不能在同一直线上。分子内氢键使物质熔沸点降低。分子内氢键必须具备形成氢键的必要条件，还要具有特定的条件，如:形成平面环，环的大小以五或六原子环最稳定，形成的环中没有任何的扭曲。26氢键对物质性质的影响氢键对物质性质的影响 氢键通常

12、是物质在液态时形成的，但形成后有时也能继续存在于某些晶态甚至气态物质之中。例如在气态、液态和固态的HF中都有氢键存在。能够形成氢键的物质是很多的，如水、水合物、氨合物、无机酸和某些有机化合物。氢键的存在，影响到物质的某些性质 27熔点、沸点熔点、沸点 分子间有氢键的物质熔化或气化时，除了要克服纯粹的分子间力外，还必须提高温度，额外地供应一份能量来破坏分子间的氢键，所以这些物质的熔点、沸点比同系列氢化物的熔点、沸点高。分子内生成氢键，熔、沸点常降低。例如有分子内氢键的邻硝基苯酚熔点（45）比有分子间氢键的间位熔点（96）和对位熔点（114）都低 28粘度粘度 分子间有氢键的液体，一般粘度较大。例

13、如甘油、磷酸、浓硫酸等多羟基化合物，由于分子间可形成众多的氢键，这些物质通常为粘稠状液体 29密度密度液体分子间若形成氢键，有可能发生缔合现象，例如液态HF，在通常条件下，除了正常HF分子外，还有通过氢键联系在一起的复杂分子(HF)n。其中n可以是2，3，4。这种由若干个简单分子联成复杂分子而又不会改变原物质化学性质的现象，称为分子缔合。分子缔合的结果会影响液体的密度 30氢键对于化合物性质的影响氢键对于化合物性质的影响 分子间存在氢键时 大大地影响了分子间的结合力,故物质的熔点、沸点将升高.CH3CH2-OH 存在分子间氢键，而分子量相同的 H3C-O-CH3 无氢键，故前者的 b.p.高。

14、HF、HCl、HBr、HI,从范德华力考虑 半径依次增大,色散力增加 b.p.高,故 b.P.为 HI HBr HCl,但由于 HF 分子间有氢键，故 HF 的b.p.在这里最高 破坏了从左到右 b.p.升高的规律.H2O,NH3 由于氢键的存在 在同族氢化物中 b.p.亦是最高.H2O 和 HF 的分子间氢键很强,以致于分子发生缔合 以(H2O)2、(H2O)3、(HF)2、(HF)3 形式存在,而(H2O)2 排列最紧密 4时,(H2O)2 比例最大 故 4 时水的密度最大.可以形成分子内氢键时,势必削弱分子间氢键的形成.故有分子内氢键的化合物的沸点、熔点不是很高。31氢键的存在 氢键广泛

15、存在于许多重要物质，如水、醇、酚、酸、羧酸、氨、胺、酰胺、氨基酸、蛋白质、碳水化合物、氢氧化合物、结晶水合物之中。氢键主要存在于液态（如 H2O）和固态（如冰）物质中，但也可存在于气态物质中（如 NH3）。氢键对物质的许多物理化学性质如熔点、沸点、熔化热、汽化热、蒸汽热、溶解度、粘度、表面张力、密度、酸碱性、介电常数等都产生很大影响，并且在人类和动植物的生理生化过程中起十分重要的作用。32氢键 AHB 的键能1.静电作用能 静电作用能是 AH 键的偶极矩与 B 原子的某一杂化轨道上的未共用电子对之间的静电作用能。这一项包括吸引力和排斥力两部分：带有部分正电荷的氢原子与带有部分负电荷的B 原子之

16、间有静电吸引力；带有部分负电荷的 A 原子和 B 原子之间有静电排斥力。因 HB的距离小于 A、B 的距离，所以吸引力大于排斥力，总的静电作用力是吸引的。33分子间氢键为一个分子的 XH 键与另一个分子的原子相结合而产生的氢键，如气态、液态、固态的 HF 分子都存在着分子间氢键。分子间靠氢键结合称为缔合，由于分子间氢键的存在，可使分子缔合成多聚体，如 nHF=(HF)n，式中 n=2,3,4，这种分子的缔合并不引起化学性质的改变。有的缔合甚至可连接为链状、层状、架状结构。如 NaHCO3 分子间氢键形成链状结构，而在冰分子中，H2O 分子通过氢键形成骨架结构。34 从键能和键长分析，氢键既不属于普通的化学键(离子键或共价键)也不属于范德华力。氢键的能量一般在41KJmol以下，比普通化学键的能量(一般大于160KJmol)要弱得多。但比范德华力结合的能量(一般小于28KJmol)稍强一些，不过数量级相近。353637383940414243