Описание природы водородной связи и ее роль в явлении гидрофильности органических веществ

Введение

Химики из Германии и Великобритании обнаружили, что наличие водородных связей в молекулярной системе затрудняет разрыв химических связей под действием ультрафиолета. Это явление может играть важную роль и в биологических системах — белках и нуклеиновых кислотах, защищая их от действия излучения. Молекулы вещества при поглощении ультрафиолетового излучения переходят в возбужденное состояние. Избыточная энергия, которую при этом получает молекула, может расходоваться на разрыв химической связи — такой процесс называется фотодиссоциацией. В некоторых ситуациях может происходить реорганизация химических связей в молекуле — фотоизомеризация — или даже химическая реакция с другой, невозбужденной молекулой.
В случае химического синтеза эти реакции могут быть целью эксперимента. Но точно такие же процессы могут происходить и в живой клетке с ее компонентами. Это может приводить к неблагоприятным последствиям. Например, под действием ультрафиолета в ДНК происходит димеризация тимина (когда два фрагмента тимина «склеиваются» между собой), искажающая структуру молекулы.
Ранее было известно, что наличие водородных связей между молекулой, поглощающей ультрафиолет, и растворителем или белками изменяет характер фотохимических реакций. Считается, что первая стадия таких процессов — перенос атома водорода от возбужденной молекулы к невозбужденным соседям. Исследовать это явление напрямую сложно, признают авторы новой работы. Однако им удалось сравнить фотодиссоциацию в системе с водородными связями и без них.
Изолированная молекула аммиака теряла один из атомов водорода после возбуждения лазером. В отличие от нее, димеры, связанные водородной связью, не изменяли химического строения. По данным ученых, после возбуждения одной из молекул ее протон перемещался по водородной связи, как по каналу, к соседней молекуле — происходила стабилизация. Этот процесс обратим, и в некоторый момент в системе происходит перенос заряда, после чего она возвращается в исходное невозбужденное состояние.
Водородная связь — один из видов взаимодействий, возникающих между двумя молекулами или между разными частями одной молекулы. Его можно описать как электростатическое взаимодействие между электроотрицательными атомами, несущими на себе частичный отрицательный заряд, и атомами водорода, как правило, несущими частичный положительный заряд. К примеру, водородные связи возникают между молекулами воды — отрицательно заряженный кислород «притягивает» к себе положительно заряженный водород. Если бы водородных связей в воде не существовало, то она скорее всего была бы газообразной при комнатной температуре, подобно сероводороду.
Благодаря водородным связям в воде существуют ассоциаты молекул, напоминающие собой кристаллы льда. Это короткоживущие объекты, молекулы которых постоянно сменяют друг друга. Недавно исследователям из Университета Стоуни-Брук удалось найти следы этих «твердых» объектов в жидкой воде — фононы (кванты колебаний кристаллической решетки).
Данная выдержка из статьи наглядно указывает на специфичность водородной связи, изучение, которой носит высокую практическую ценность.

 
Раздел 1. Смысл водородной связи

Первые упоминания о водородных связях можно найти в научной литературе начала XX века. В 1930-е годы термины водородная связь и водородный мостик прочно утвердились в научной литературе [2, 3]. В 1939 г. водородной связи была посвящена глава в книге Полинга «Природа химической связи» [4]. В ней подчеркивалось, что определяющей в возникновении водородной связи является способность атома водорода взаимодействовать одновременно с несколькими атомами, играя роль мостика между ними. Полинг также подчеркивал электростатическую природу водородной связи, ее в значительной степени ионный характер и полагал, что водородная связь D-Н...А может образовываться только при участии сильно электроотрицательных атомов D и А, таких как Р, О, С1, N, Вг и I.
Дальнейшее развитие представления о водородной связи получили в работе Пиментела и МакКлеллана [5], кот