水素結合

化学において、水素結合（またはH結合）は、主に、より電気陰性度の高い「ドナー」原子または基（Dn）と共有結合している水素（H）原子と、孤立電子対を持つ別の電気陰性度の高い原子、すなわち水素結合アクセプター（Ac）との間の静電気引力である。このような相互作用系は一般にDn−H···Acと表され、実線は極性共有結合を示し、点線または破線は水素結合を示す。^[5]最もよく見られるドナー原子とアクセプター原子は、周期表第2元素の窒素（N）、酸素（O）、およびフッ素（F）である。

水素結合は分子間（別々の分子間で発生）または分子内（同じ分子の一部の間で発生）になり得る。^{[6] [7] [8] [9]}水素結合のエネルギーは、特定のドナー原子とアクセプター原子の形状、環境、および性質に依存し、1〜40 kcal/molの間で変化する。^[10]このため、水素結合はファンデルワールス相互作用よりもいくらか強く、完全な共有結合またはイオン結合よりも弱い。 このタイプの結合は、水などの無機分子や、DNAやタンパク質などの有機分子で発生する。 水素結合は、紙やフェルトウールなどの材料を一緒に保持したり、濡れて乾燥した後に別々の紙をくっつけたりするのに 関与している。

水素結合は、他の類似構造と比較して異常と思われるN、O、F化合物の多くの物理的および化学的特性にも関係しています。特に、分子間水素結合は、はるかに弱い水素結合を持つ他の16族水素化物と比較して、水の沸点（100℃）が高いことに関係しています。^{[11]分子内水素結合は、}タンパク質と核酸の二次構造と三次構造に部分的に関係しています。

水素結合では、水素に共有結合していない電気陰性原子はプロトン受容体と呼ばれ、水素に共有結合しているものはプロトン供与体と呼ばれます。この命名法はIUPACによって推奨されています。^{[5]供与体の水素はプロトン性であるためルイス酸として作用し、受容体はルイス塩基です。水素結合は}H···Yシステムで表され、点は水素結合を表します。水素結合を示す液体（水など）は関連液体と呼ばれます。^[要出典]

水素結合は、静電気（多極子間相互作用および多極子誘起多極子相互作用）、共有結合（軌道の重なりによる電荷移動）、分散（ロンドン力）の組み合わせから生じます。^[5]

より弱い水素結合では、^[13]水素原子は硫黄 (S) や塩素 (Cl) などの元素と結合する傾向があり、炭素 (C) でさえも、特に炭素またはその隣接原子の 1 つが電気陰性である場合 (クロロホルム、アルデヒド、末端アセチレンなど) はドナーとして機能することがあります。^{[14] [15]}徐々に、N、O、F 以外のドナーおよび/または電気陰性度が水素に近い (はるかに電気陰性度が高いのではなく) アクセプター Ac を含む、より弱い水素結合の例が多数あることが認識されるようになりました。弱い (≈1 kcal/mol) にもかかわらず、「非伝統的な」水素結合相互作用は遍在し、多くの種類の材料の構造に影響を与えます。^[要出典]

水素結合の定義は、時間の経過とともに徐々に広がり、これらの弱い引力相互作用も含まれるようになりました。2011 年に、IUPACタスク グループは、証拠に基づいた最新の水素結合の定義を推奨し、IUPAC ジャーナルPure and Applied Chemistryに掲載されました。この定義では、次のことが規定されています。

水素結合は、分子または分子断片X−H（XはHよりも電気陰性度が高い）の水素原子と、同じ分子または別の分子内の原子または原子群との間の引力相互作用であり、結合形成の証拠がある。^[16]

水素結合の強さは、弱い（1～2 kJ/mol）から強い（フッ化水素イオンHFでは161.5 kJ/mol）まで変化する。−2）。^{[17] [18]}蒸気中の典型的なエンタルピーには以下のものがある: ^[19]

• F−H···:F ⁻ (161.5 kJ/mol または 38.6 kcal/mol)、HFによって一意に示されます−2
• O−H···:N (29 kJ/mol または 6.9 kcal/mol)、図解 水-アンモニア
• O−H···:O (21 kJ/mol または 5.0 kcal/mol)、図解：水-水、アルコール-アルコール
• N−H···:N (13 kJ/mol または 3.1 kcal/mol)、アンモニア-アンモニアで示される
• N−H···:O (8 kJ/mol または 1.9 kcal/mol)、図解 水-アミド
• おお+3···:OH ₂ （18 kJ/モル^[20]または 4.3 kcal/モル）

分子間水素結合の強さは、ほとんどの場合、溶液中のドナーおよび/またはアクセプターユニットを含む分子間の平衡を測定することによって評価されます。^[21]分子内水素結合の強さは、水素結合のあるコンフォーマーとないコンフォーマー間の平衡で研究できます。複雑な分子でも水素結合を識別するための最も重要な方法は結晶構造解析であり、NMR分光法も使用されることがあります。構造の詳細、特にファンデルワールス半径の合計よりも小さいドナーとアクセプター間の距離は、水素結合の強さの指標と見なすことができます。1つのスキームでは、次のようなやや恣意的な分類が示されています。15〜40 kcal/mol、5〜15 kcal/mol、>0〜5 kcal/molのものは、それぞれ強い、中程度、弱いと見なされます。^[18]

CH結合を含む水素結合は非常に稀であり、かつ弱い。^[22]

共鳴水素結合（RAHBと略されることが多い）は、強いタイプの水素結合である。これは、水素が関与するπ非局在化を特徴とし、静電モデルだけでは適切に説明できない。この水素結合の説明は、O=C−OH···または···O=C−C=C−OHの間で一般的に観察される異常に短い距離を説明するために提案されている。^[23]

X −H距離は通常≈110  pmであるのに対し、H···Y距離は≈160～200 pmである。水中の水素結合の典型的な長さは197 pmである。理想的な結合角は水素結合供与体の性質に依存する。フッ化水素酸供与体と様々な受容体との間の以下の水素結合角が実験的に決定されている：^[24]

^{強い水素結合は1H} NMRスペクトルのダウンフィールドシフトによって明らかになる。例えば、アセチルアセトンのエノール互変異性体の酸性プロトンは⁠ ⁠${\displaystyle \delta _{\text{H}}}$ 15.5に現れ 、これは従来のアルコールの約10ppmのダウンフィールドである。^[25]

IR スペクトルでは、水素結合によりX−H伸縮振動数が低エネルギー側にシフトします (つまり、振動数が減少する)。このシフトは、X−H結合が弱まっていることを反映しています。特定の水素結合 (不適切な水素結合) では、X−H伸縮振動数が青方シフトし、結合長が減少することがわかります。^[26]水素結合は、アクセプターの IR 振動モード シフトによっても測定できます。α ヘリックス内のバックボーン カルボニルのアミド I モードは、側鎖のヒドロキシル グループと水素結合を形成すると、低周波数側にシフトします。^[27]水中の水素結合構造のダイナミクスは、この OH 伸縮振動によって調べることができます。^{[28]融解前に固体-固体}相転移を示す相変化材料の一種であるプロトン性有機イオン性塑性結晶 (POIPC) の水素結合ネットワークでは、温度可変赤外分光法によって、水素結合の温度依存性と、アニオンとカチオンの両方のダイナミクスを明らかにすることができます。^[29]固体-固体相転移中の水素結合の突然の弱化は、イオンの配向または回転の無秩序の開始と連動していると思われる。^[29]

水素結合は理論的には永続的な関心の対象である。^[30]現代の説明によれば、O:H−Oは分子間O:H孤立電子対「:」非結合とO−O反発結合に関連する分子内H−O極性共有結合の両方を統合する。^[31]

関連する残基間ポテンシャル定数（コンプライアンス定数）の量子化学計算により、同じタイプの個々の水素結合間に大きな違いがあることが明らかになりました^{。たとえば、}グアニンとシトシン間の中央残基間N−H···N水素結合は、アデニン-チミンペア間のN−H···N結合に比べてはるかに強力です。 ^[32]

理論的には、水素結合の結合強度は、NCI インデックス、非共有結合相互作用インデックスを使用して評価できます。このインデックスは、その名前が示すように、システムの電子密度を使用してこれらの非共有結合相互作用を視覚化できます。^{[引用が必要]}

通常の氷のコンプトンプロファイルにおける異方性の解釈では、水素結合は部分的に共有結合していると主張している。^[33]しかし、この解釈は異議を唱えられ^[34]、その後明確化された。^[35]

最も一般的には、水素結合は、 2つ以上の分子間結合間の計量依存の静電 スカラー場と見なすことができます。これは、たとえば共有結合やイオン結合などの分子内 結合状態とは少し異なります。しかし、相互作用エネルギーの合計が正味で負であるため、水素結合は一般に結合状態現象のままです。ライナス・ポーリングによって提唱された水素結合の最初の理論では、水素結合は部分的に共有結合性を持つことが示唆されていました。この解釈は、NMR技術によって水素結合核間の情報伝達が実証されるまで議論の余地がありましたが、これは水素結合に何らかの共有結合特性が含まれていなければ不可能なことでした。^[36]

水素結合の概念はかつては難題でした。^[37] ライナス・ポーリングは、 1912年に最初に水素結合について言及したのはTSムーアとTFウィンミルであるとしています。^{[38] [39]ムーアとウィンミルは、水素結合を用いて、トリメチルアンモニウム水酸化物が}テトラメチルアンモニウム水酸化物よりも弱い塩基であるという事実を説明しました。よりよく知られている水における水素結合の説明は、数年後の1920年にラティマーとロデブッシュによってなされました。^[40]その論文で、ラティマーとロデブッシュは、研究室の同僚であるモーリス・ロイヤル・ハギンズの研究を引用し、「この研究室のハギンズ氏は、まだ発表されていないある研究で、特定の有機化合物に関する理論として、2つの原子の間に保持された水素核のアイデアを使用しています」と述べています。

水素結合のありふれた例は、水分子の間に見られる。個別の水分子には、2 つの水素原子と 1 つの酸素原子がある。最も単純なケースは、1 つの水素結合を持つ 2 つの水分子のペアで、これは水二量体と呼ばれ、モデル システムとしてよく使用される。液体の水の場合のように、より多くの分子が存在すると、1 つの水分子の酸素には 2 つの孤立電子対があり、それぞれが別の水分子の水素と水素結合を形成できるため、より多くの結合が可能になる。これは繰り返され、図に示すように、すべての水分子は最大 4 つの他の分子と水素結合する (2 つの孤立電子対を介して 2 つ、2 つの水素原子を介して 2 つ)。水素結合は氷の結晶構造に強く影響し、開いた六角形の格子を形成するのに役立つ。氷の密度は、同じ温度での水の密度よりも低い。したがって、他のほとんどの物質とは異なり、水の固体相は液体の上に浮かぶ。^{[引用が必要]}

液体の水の沸点が高いのは、その低分子量に比べて各分子が形成できる水素結合の数が多いためです。これらの結合を切断するのが難しいため、水は水素結合で結合していない他の同様の液体と比較して、沸点、融点、粘度が非常に高くなります。水は、酸素原子に2つの孤立電子対と2つの水素原子があり、水分子の結合の総数が最大4である点で独特です。^[41]

液体の水分子によって形成される水素結合の数は、時間と温度によって変動します。^{[42] 25℃での}TIP4P液体水シミュレーション から、各水分子は平均3.59個の水素結合に参加すると推定されました。100℃では、分子運動の増加と密度の低下によりこの数は3.24に減少しますが、0℃では平均水素結合数は3.69に増加します。^[42]別の研究では、水素結合の数ははるかに少なく、25℃では2.357であることがわかりました。^[43]ただし、水素結合を定義して数えることは簡単ではありません。

水は溶質のプロトン供与体や受容体と水素結合を形成するため、溶質の分子間または分子内の水素結合の形成を競合的に阻害する可能性があります。その結果、水に溶解した溶質分子間または分子内の水素結合は、それらの溶質上の水素結合に対する水と供与体および受容体との間の水素結合に比べて、ほとんどの場合不利になります。^[44]水分子間の水素結合の平均寿命は10 ⁻¹¹秒、つまり10 ピコ秒です。^[45]

1つの水素原子は2つの水素結合に参加することができます。このタイプの結合は「二股」（2つに分かれている、または「2つに分岐している」）と呼ばれます。これは、たとえば複雑な有機分子に存在することがあります。^[46]二股水素原子は、水の再配向に不可欠なステップであると示唆されています。^[47]

アクセプター型水素結合（酸素の孤立電子対で終了）は、同じ酸素の水素で始まるドナー型水素結合よりも分岐（過剰配位酸素、OCOと呼ばれる）を形成する可能性が高くなります。^[48]

たとえば、フッ化水素はF 原子に 3 つの孤立電子対を持ちますが、H 原子は 1 つしか持たないため、結合を 2 つしか形成できません (アンモニアは逆の問題を抱えています。つまり、水素原子は 3 つありますが、孤立電子対は 1 つしかありません)。

${\displaystyle {\ce {HF***HF***HF}}}$

• 多くの化合物の融点、沸点、溶解度、粘度の上昇は、水素結合の概念によって説明できます。
• HF と水の混合物の負の共沸。
• 氷の密度が液体の水よりも低いのは、水素結合によって安定化された結晶構造によるものです。
• 水素結合が存在しないより重い類似体であるPH ₃、H ₂ S、 HClと比較すると、 NH ₃、H ₂ O、 HFの沸点は劇的に高くなります。
• 無水リン酸とグリセロールの粘度。
• カルボン酸では二量体形成、フッ化水素では六量体形成が気相でも起こり、理想気体の法則から大きく逸脱する結果となる。
• 非極性溶媒中の水とアルコールの五量体形成。

水素結合は、多くのタンパク質の三次元構造と特性を決定する上で重要な役割を果たしている。ほとんどのポリマーを構成するC−C、C−O、C−N結合と比較すると、水素結合ははるかに弱く、おそらく5％である。したがって、水素結合は、ポリマー骨格の基本構造を維持しながら、化学的または機械的な手段によって破壊することができる。この結合強度の階層（共有結合は水素結合よりも強く、ファンデルワールス力よりも強い）は、多くの材料の特性に関連している。^[49]

これらの高分子では、同じ高分子の部分同士の結合により特定の形状に折り畳まれ、分子の生理学的または生化学的役割を決定するのに役立ちます。たとえば、DNAの二重らせん構造は、主に塩基対間の水素結合(およびパイスタッキング相互作用)によるもので、相補鎖をもう一方の鎖にリンクして複製を可能にします。^{[引用が必要]}

タンパク質の二次構造では、主鎖の酸素とアミド水素の間で水素結合が形成される。水素結合に関与するアミノ酸残基の間隔がi 位とi + 4 位の間で規則的に発生する場合、アルファヘリックスが形成される。間隔がi位とi + 3 位の間でより小さい場合、3 ₁₀ヘリックスが形成される。2 本の鎖が、関与する各鎖上の残基が交互に関与する水素結合によって結合される場合、ベータシートが形成される。水素結合は、R 基の相互作用を通じてタンパク質の三次構造の形成にも関与する。（タンパク質の折り畳みも参照）。

分岐した水素結合システムは、αヘリカル膜貫通タンパク質において、残基iのバックボーンアミドC=Oを水素結合アクセプターとして、残基i + 4からの 2 つの水素結合ドナー（バックボーンアミドN−Hと側鎖ヒドロキシルまたはチオールH ^{+ ）}との間でよく見られます。分岐した水素結合ヒドロキシルまたはチオールシステムのエネルギー優先性は、それぞれ -3.4 kcal/mol または -2.6 kcal/mol です。このタイプの分岐した水素結合は、疎水性膜環境内でセリン、スレオニン、システインなどの極性側鎖にヘリカル内水素結合パートナーを提供します。^[27]

タンパク質の折り畳みにおける水素結合の役割は、オスモライト誘導タンパク質安定化にも関連している。トレハロースやソルビトールなどの保護オスモライトは、濃度依存的にタンパク質折り畳み平衡を折り畳まれた状態へとシフトさせる。オスモライトの作用に関する一般的な説明は、本質的にエントロピー的な排除体積効果に依存しているが、円偏光二色性（CD）実験では、オスモライトがエンタルピー効果を介して作用することが示された。^[50]タンパク質安定化における役割の分子メカニズムはまだ十分に確立されていないが、いくつかのメカニズムが提案されている。コンピューター分子動力学シミュレーションでは、オスモライトがタンパク質水和層の水素結合を変更することでタンパク質を安定化することが示唆されている。^[51]

いくつかの研究では、水素結合が多量体タンパク質のサブユニット間の安定性に重要な役割を果たすことが示されています。たとえば、ソルビトール脱水素酵素の研究では、哺乳類のソルビトール脱水素酵素タンパク質ファミリー内の四量体四次構造を安定化させる重要な水素結合ネットワークが示されました。^[52]

水の攻撃から不完全に保護されたタンパク質骨格の水素結合はデヒドロンである。デヒドロンはタンパク質またはリガンド結合による水の除去を促進する。外因性の脱水は、部分電荷を脱保護することにより、アミド基とカルボニル基間の静電相互作用を強化する。さらに、脱水は、脱水された孤立電荷からなる非結合状態を不安定化させることにより、水素結合を安定化する。^[53]

ウールはタンパク質繊維なので水素結合で結びついており、伸ばすと縮みます。しかし、高温で洗濯すると水素結合が永久に壊れ、衣類の形が永久に崩れてしまう可能性があります。

多くのポリマーの特性は、鎖内および/または鎖間の水素結合の影響を受けます。代表的な例としては、セルロースと綿や亜麻などのセルロース由来の繊維があります。ナイロンでは、カルボニルとアミドN Hの間の水素結合が隣接する鎖を効果的に結び付け、材料に機械的強度を与えます。水素結合はアラミド 繊維にも影響を及ぼし、水素結合によって線状鎖が横方向に安定化されます。鎖軸は繊維軸に沿って整列しているため、繊維は非常に硬く強くなります。水素結合ネットワークにより、両方のポリマーは大気中の湿度レベルに敏感になります。これは、水分子が表面に拡散してネットワークを破壊する可能性があるためです。一部のポリマーは他のポリマーよりも敏感です。したがって、ナイロンはアラミドよりも敏感であり、ナイロン 6 はナイロン 11よりも敏感です。^[要出典]

対称水素結合は、プロトンが 2 つの同一原子のちょうど中間に位置する特殊なタイプの水素結合です。これらの原子のそれぞれに対する結合の強さは等しく、3 中心 4 電子結合の一例です。このタイプの結合は、「通常の」水素結合よりもはるかに強力です。有効結合次数は 0.5 であるため、その強さは共有結合に匹敵します。高圧の氷、および高圧のフッ化水素酸やギ酸などの多くの無水酸の固相で見られます。また、二フッ化物イオン[F···H···F] ⁻でも見られます。厳しい立体的制約により、プロトン スポンジ (1,8-ビス (ジメチルアミノ) ナフタレン) のプロトン化形態およびその誘導体も対称水素結合 ( [N···H···N] ⁺ ) を持ちますが、^[54]プロトン化されたプロトン スポンジの場合、アセンブリは曲がっています。^[55]

水素結合は、水素原子が関与する分子間結合相互作用である、密接に関連する二水素結合と比較することができます。これらの構造は以前から知られており、結晶構造解析によってよく特徴付けられています。^[56]しかし、従来の水素結合、イオン結合、共有結合との関係については、まだよくわかっていません。一般に、水素結合は、非金属原子（最も顕著なのは窒素、カルコゲン基）の孤立電子対である陽子受容体によって特徴付けられます。場合によっては、これらの陽子受容体は、π結合または金属錯体である可能性があります。しかし、二水素結合では、金属水素化物が陽子受容体として機能し、水素-水素相互作用を形成します。中性子回折により、これらの錯体の分子構造は水素結合に似ており、結合長が金属錯体/水素供与体システムに非常に適応していることが示されています。^[56]

水素結合は薬剤設計に関係している。リピンスキーの5つのルールによれば、経口活性薬剤の大部分は、5個以下の水素結合供与体と10個未満の水素結合受容体を持つ。これらの相互作用は、窒素-水素と酸素-水素中心の間に存在する。^[57]しかし、多くの薬剤はこれらの「ルール」に従わない。^[58]

• ジョージ A. ジェフリー。水素結合入門（物理化学の話題）。オックスフォード大学出版局、米国（1997 年 3 月 13 日）。ISBN 0-19-509549-9 

• バブルウォール（凝集力、表面張力、水素結合を説明する国立高磁場研究所の音声スライドショー）
• 結合ダイナミクスに対する同位体効果