Liên kết hydro

Mô hình liên kết hydro (1) giữa các phân tử nước
Hình ảnh AFM của các phân tử diimide napthalenetetracarboxylic trên silicon, tương tác thông qua liên kết hydro, được chụp ở 77 K. ("Liên kết hydro" trong hình ảnh trên cùng được phóng đại do các kỹ thuật hình ảnh.)
Liên kết hydro (thường được viết tắt không chính thức là liên kết H) là lực hút tĩnh điện chủ yếu giữa nguyên tử hydro (H) liên kết cộng hóa trị với một nguyên tử hoặc nhóm có độ âm điện cao hơn, đặc biệt là các nguyên tố bậc hai nitơ (N), oxy (O), hoặc flo (F) Cách nguyên tố cho điện tử tới liên kết hydro (Dn) và một nguyên tử có độ âm điện khác mang một cặp electron đơn độc - nguyên tố nhận điện tử (Ac). Một hệ thống tương tác như vậy thường được ký hiệu là Dn–H···Ac, trong đó đường liền nét biểu thị một liên kết cộng hóa trị hoàn toàn và đường chấm chấm hoặc nét đứt cho biết đây là liên kết hydro. Việc sử dụng ba chấm ở giữa cho liên kết hydro được IUPAC đặc biệt khuyến nghị. Có một thỏa thuận chung rằng thực sự có một thành phần cộng hóa trị nhỏ trong liên kết hydro, đặc biệt là đối với các liên kết hydro trung bình đến mạnh (> 5 kcal/mol), mặc dù tầm quan trọng của hóa trị trong liên kết hydro còn đang được tranh luận. Ở phía đối diện của thang đo, không có ranh giới rõ ràng giữa liên kết hydro yếu và tương tác van der Waals (ví dụ, lưỡng cực - lưỡng cực).
Liên kết hydro có thể là liên phân tử (xảy ra giữa các phân tử riêng biệt) hoặc nội phân tử (xảy ra giữa các phần của cùng một phân tử). Tùy thuộc vào bản chất của các nguyên tử người cho và người nhận tạo thành liên kết, hình học và môi trường của chúng, năng lượng của liên kết hydro có thể thay đổi trong khoảng từ 1 đến 40 kcal / mol. Điều này làm cho chúng mạnh hơn một chút so với tương tác van der Waals và yếu hơn so với liên kết cộng hóa trị hoặc ion hoàn toàn. Loại liên kết này có thể xảy ra trong các phân tử vô cơ như nước và trong các phân tử hữu cơ như DNA và protein.
Liên kết hydro chịu trách nhiệm cho nhiều tính chất vật lý và hóa học dị thường của các hợp chất N, O và F. Đặc biệt, liên kết hydro liên phân tử chịu trách nhiệm cho điểm sôi cao của nước (100   °C) so với các hydride nhóm 16 khác có liên kết hydro yếu hơn nhiều. Liên kết hydro nội phân tử chịu trách nhiệm một phần cho cấu trúc bậc hai và bậc ba của protein và axit nucleic. Nó cũng đóng một vai trò quan trọng trong cấu trúc của các polyme, cả tổng hợp và tự nhiên.
Các liên kết hydro yếu hơn  được biết đến với các nguyên tử hydro liên kết với các nguyên tố như lưu huỳnh (S) hoặc clo (Cl); thậm chí carbon (C) có thể đóng vai trò là một nguyên tử cho electron, đặc biệt khi carbon hoặc một trong những nguyên tố láng giềng của nó có độ âm điện (ví dụ, trong cloroform, aldehyd và acetylen cuối). Dần dần, người ta đã nhận ra rằng có nhiều ví dụ về liên kết hydro yếu hơn liên quan đến nguyên tố cho điện tử khác ngoài N, O, hoặc F và/hoặc nguyên tố nhận Ac với độ âm điện tiếp cận với hydro (chứ không phải là độ âm điện lớn hơn nhiều). Mặc dù các tương tác liên kết hydro "phi truyền thống" này thường khá yếu (~ 1 kcal/mol), nhưng chúng cũng có mặt khắp nơi và ngày càng được công nhận là các yếu tố kiểm soát quan trọng trong tương tác phối tử thụ thể trong hóa dược hoặc tương tác giữa các phân tử trong vật liệu khoa học. Định nghĩa về liên kết hydro đã dần dần mở rộng theo thời gian để bao gồm các tương tác hấp dẫn yếu hơn này. Năm 2011, một nhóm nhiệm vụ IUPAC đã đề xuất một định nghĩa dựa trên bằng chứng hiện đại về liên kết hydro, được công bố trên tạp chí IUPAC Pure and Application Chemistry. Định nghĩa này quy định:
The hydrogen bond is an attractive interaction between a hydrogen atom from a molecule or a molecular fragment X–H in which X is more electronegative than H, and an atom or a group of atoms in the same or a different molecule, in which there is evidence of bond formation.
Là một phần của danh sách các tiêu chí chi tiết hơn, ấn phẩm IUPAC thừa nhận rằng sự tương tác hấp dẫn có thể phát sinh từ một số sự kết hợp của tĩnh điện (tương tác đa cực và đa cực tạo đa cực), cộng hóa trị (chuyển điện tích bằng cách chồng chéo quỹ đạo điện tử) và phân tán (lực London), và nói rằng tầm quan trọng tương đối của mỗi loại liên kết sẽ khác nhau tùy thuộc vào hệ thống. Tuy nhiên, một chú thích cho tiêu chí khuyến nghị loại trừ các tương tác trong đó phân tán là tác nhân đóng góp chính, đặc biệt đưa Ar --- CH4 và CH4 --- CH4 làm ví dụ về các tương tác đó được loại trừ khỏi định nghĩa trên.
Tuy nhiên, hầu hết các sách giáo khoa giới thiệu vẫn hạn chế định nghĩa liên kết hydro với loại liên kết hydro "cổ điển" được đặc trưng trong đoạn mở đầu.