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關注創建者:匿名 創建時間:2021-08-27

氫鍵的實例教程
一、氫鍵
1、概念:一種特殊的分子間作用力
2、形成條件:①與電負性大且半徑小的原子(F、O、N)相連的 H;②在附近有電負性大, 半徑小的原子(F、O、N) 3、表示方法:X—H... Y—。
氫鍵氫鍵是一種靜電作用,是除范德華力外的另一種分子間作用力;氫鍵的大小介于化學鍵與范德華力間,不屬于化學鍵,但有鍵長、鍵能,氫鍵具有飽和性、方向性。
二、氫鍵的存在
1、分子間氫鍵 。如:C2H5OH、CH3COOH、H2O 、HF、NH3 相互之間
2、分子內氫鍵 。如:苯酚鄰位上有-CHO、-COOH、-OH和-NO2時,由氫鍵組成環的特殊結構
生物大分子中也存在的氫鍵
三、氫鍵的強弱
(1)、X—H ... Y—:X和Y的電負性越大,吸引電子能力越強,則氫鍵越強。如:F 電負性最大,得電子能力最強,因而F-H…F是最強的氫鍵。
(2)、氫鍵強弱順序:F-H…F > O-H…O > O-H…N > N-H…N (注意:C原子吸引電子能力較弱,一般不形成氫鍵)。
氫鍵強弱比較
四、 對物質熔沸點的影響
分子間能形成氫鍵的物質,一般都具有較高的熔點和沸點,這是因為固體熔化或液體氣化時除了破壞范德華力外,還必須破壞分子間氫鍵,從而需要消耗更多的能量。在同類化合物中能形成分子間氫鍵的物質,其熔沸點比不能形成分子間氫鍵的高。如,第VIA 族元素的氫化物,由H2Te、H2Se 到H2S,隨相對分子量的遞減,分子間作用力遞減,熔沸點依次降低;但H2O 分子間形成了O-H…O 氫鍵,分子間作用力增強,H2O 的熔沸點陡然升高。
分子內氫鍵的形成使物質的熔沸點降低。
展開 氫原子與電負性大的原子X以共價鍵結合,若與電負性大、半徑小的原子Y(O F N等)接近,在X與Y之間以氫為媒介,生成X-H…Y形式的一種特殊的分子間或分子內相互作用,稱為氫鍵。
氫鍵通常是物質在液態時形成的,但形成后有時也能繼續存在于某些晶態甚至氣態物質之中。分子內生成氫鍵,熔、沸點常降低。因為物質的熔沸點與分子間作用力有關,如果分子內形成氫鍵,那么相應的分子間的作用力就會減少, 分子內氫鍵會使物質熔沸點降低。在極性溶劑中,如果溶質分子與溶劑分子之間可以形成氫鍵,則溶質的溶解度增大。分子間有氫鍵的液體,一般粘度較大。液體分子間若形成氫鍵,有可能發生締合現象,分子締合的結果會影響液體的密度。
氫鍵在纖維素材料的力學性能方面起著重要作用。氫鍵通常被視為一種特殊的弱相互作用,其一般的被理解為電負性較強的原子與另一個電負性原子共價結合的H原子間形成的一種弱庫侖相互作用。纖維素材料中的氫鍵分為分子間以及分子內的氫鍵。分子內和分子間的氫鍵分別在纖維素分子的化學及熱穩定性和力學性能的穩定性發揮著重要的作用。
那么,在ms中進行動力之后,我們如何去探討去統計體系的氫鍵數目,亦或是過程中的氫鍵變化情況呢?對于小體系來說,通過手眼合作,找出氫鍵是可行的。但是,對于動力學的大體系,或者是幾百上千的軌跡過程的氫鍵樹目判斷,確實不太可行的,因此,我們構建了以perl為基礎的腳本文件實現對氫鍵的分析,具體分析結果如下所示。
這是對最后一幀的數據統計,通過對最后一幀的統計,也可以是就算過程中的任意幀的統計,我們可以清洗的或者體系中氫鍵的數量和長度。
在更多計算實例中,我們關注整個運行過程中的氫鍵數目變化,如下圖,我們的腳本也可以收集過程的氫鍵信息。
展開 分子間氫鍵顯著影響著聚合物鏈之間的相互作用。根據自由體積理論,分子間氫鍵的存在提高了聚合物分子鏈之間的引力,使得自由體積降低且聚合物達到臨界自由體積分數所需要的能量升高。此外,分子鏈間的引力升高也導致分子鏈滯后損失增大,阻尼值也隨之升高。因此在研究過程中,我們時常需要對氫鍵數目進行統計分析。
為了獲得氫鍵的相關信息,我們首先要對結構進行動力學計算,MD模擬的求解過程通常包括以下四個步驟[81]: (1)選取合適的模型(包括力場的確定?系綜的選取和邊界條件的確定);(2)設定初始條件;(3)動力學演化(通過一系列動力學平衡過程使系統趨于穩定的平衡態)和統計計算物理量(包括原子平均動能和速度相關函數等)?力場是包含系統所有粒子間相互作用勢的函數,是MD模擬結果可靠與否的首要因素?適合聚合物體系的力場包括PCFF?CVFF?DREIDING、COMPASS?為了確保模擬體系各原子所受合力一致和密度的均一穩定分布,引入統計熱力學中的系綜概念,在實際工作中經常遇到的則是正則(NVT)或者等溫等壓(NPT)系綜?通過引入熱浴(Brendsen?Anderson和Nose-Hoover等)實現對動力學模擬過程中溫度的控制,從而使體系能夠在NVT或NPT系綜下實現MD模擬。
在動力學計算結束之后,我們就可以對氫鍵的相關性質進行分析。如最后一幀氫鍵數目,每一個氫鍵的長度,氫鍵角度等。
最后,有相關需求歡迎通過微信公眾號聯系我們。
展開 東華大學納米復合與能源材料團隊提出了氫鍵網絡致密化策略,在離子凝膠體系中設計了起到分級響應作用的高密度氫鍵網絡結構,根據氧、氮電負性的不同,分別利用羥基和氨基之間以及咪唑上3-N和氨基之間形成了多級氫鍵網絡結構(圖1(a)),進一步獲得了高可拉伸、快速應力恢復、抗凍、自粘附/自修復的透明離子凝膠彈性體材料(PAM-r-MVIC)。離子凝膠彈性體骨架中的咪唑類離子結構可鎖定對離子,使凝膠網絡穩定性提高且離子不易流失。高密度的多級氫鍵網絡結構,使得所制備的離子凝膠彈性體兼具了高力學強度和鏈段動態能力,強氫鍵網絡結構作為穩定交聯實現力學強度的提升,而弱氫鍵網絡結構能夠在形變過程中通過斷裂吸收能量,實現力學韌性的提升和快速應力恢復性能(圖1(b-c))。
圖1 氫鍵網絡致密化策略構建離子凝膠彈性體的設計示意圖和力學性能(a)高密度多級氫鍵網絡結構的示意;(b)彈性模量和韌性;(c)高可拉伸和快速應力恢復性能展示
耗散粒子動力學(DPD)模擬和均方位移(MSD)計算進一步解釋了高密度氫鍵網絡的形成對于離子凝膠彈性體的力學強韌化作用(圖2)。離子凝膠彈性體未發生形變時高分子鏈和氫鍵處于無序狀態,在受力拉伸過程中可逐步發生取向排列(圖2(a-b))。DPD模擬結果表明,離子凝膠彈性體的拉伸強度和斷裂韌性隨著氫鍵密度的增加而增加(圖2(c))。離子凝膠彈性體的氫鍵密度越高,其在拉伸過程中高分子鏈和氫鍵結構越易發生取向(圖2(d))。MSD間接反映了分子鏈的運動能力(圖2(e)),離子凝膠彈性體在較長時間范圍內表現出擴散行為。
展開 福建農林大學邱仁輝教授團隊通過設計熱塑性樹脂分子間的氫鍵作用,提出一種廣泛適用的光固化3D打印熱塑性聚合物策略,一方面通過油墨中的氫鍵“誘導”分子聚集,加快單體聚合速率;另一方面通過聚合物中的氫鍵作用降低其在未聚合母體油墨中的溶解和擴散速率,以此成功地利用LCD光固化打印技術制備熱塑性聚合物。
為驗證氫鍵在LCD打印過程中的作用,選用丙烯酸(AA)和N-羥乙基-2-吡咯烷酮(NVP)以不同比例混合設計出三種不同氫鍵數量的打印油墨,并結合分子動力學模擬研究體系的固化速率、溶解性及打印精度等。研究發現,氫鍵的存在會“誘導”NVP和AA分子形成“關聯構型”,加快了聚合速率,同時使打印出的聚合物更難溶解在極性溶劑里,打印物件的精度也更高(圖1)。
圖1 (a) 體系中C=C雙鍵隨時間的轉化率;(b) AA、NVP及其混合物的FTIR光譜圖;(c) 打印樣品在DMF中的溶解性測試;(d) 分子動力學模擬N2A1、N1A1和N1A2體系中的氫鍵能;(e) 體系分子量和C=C雙鍵轉化率;(f和g) 3D打印樣品圖;(h) 打印樣品自修復說明
基于此策略,課題組利用以熱帶人工林油棕果實榨取的棕櫚油為原料合成的乙烯基棕櫚油單甘脂(POFA-EA)單體(Composites Communication, 2020, 22, 100489)設計了一系列棕櫚油基熱塑性彈性體材料(圖2)。POFA-EA結構中存在酰胺基團,極易與其他單體形成氫鍵結合,且其中的長脂肪酸鏈可提供彈性體所需的柔順性。因此,POFA-EA與各種極性單體如AA、NVP、甲基丙烯酸羥乙酯等混合后得到的樹脂油墨因體系內氫鍵的形成完全滿足LCD打印所需的條件。
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我們的此項測試,通過精確測量裂紋擴展速率(da/dN),能直接量化不同分子設計(如氫鍵密度、離子相互作用強度)在循環載荷下反復斷裂與重建的耗能效率,為評判分子設計方案的長期耐久性提供最直接的實驗證據。
傳統宏觀實驗很難捕獲納米尺度下冰的裂紋萌生與氫鍵斷裂細節,而分子動力學(MD)模擬恰能在原子層面揭示這些本質機理。借助?GROMACS?這一高性能開源 MD模擬軟件,我們在本案例中對?Ih冰進行拉伸模擬,可視化冰晶格在不同應變階段的演變,為設計抗脆裂冰結構與調控極端低溫材料性能提供前瞻性思路。
,如圖4所示:
圖4 乙醇與水分子之間氫鍵數目的變化
可以看到,模擬到200ps左右乙醇與水分子之間形成的氫鍵數已經基本不變,說明此時體系已經混合得較為均勻。
究其原因在于殼聚糖分子與明膠分子間存在著大量的氫鍵以及靜電作用。
殼聚糖、明膠及殼聚糖/明膠共混薄膜的 DSC 譜圖
No.6
研究半結晶性聚合物的熱轉變
玻璃化轉變、結晶與熔融是聚合物最基本的熱轉變。選取半結晶性聚合物聚對苯二甲酸乙二酯為代表,考察了熱處理對其熱轉變行為的影響。
科研人員可以直觀地觀察到:水分子如何在石英表面的羥基作用下形成氫鍵網絡,又如何在熱漲落效應的驅動下打破平衡,在狹縫內形成自發的定向擴散。
通過軟件生成的動態視頻,數千個分子的集體行為被轉化為顏色漸變、軌跡追蹤的可視化結果,甚至能夠逐幀分析單個分子的旋轉與平移細節。美國加州大學的一個課題組曾利用這一功能,成功揭示了水分子在納米多孔石英中的異常擴散系數波動現象。
極性溶劑(如水、乙醇)可能讓溶質的吸收峰發生紅移或藍移,尤其是含氫鍵的化合物。
關鍵操作:
溶劑空白檢查:在測定波長附近掃描溶劑,確保無干擾吸收峰。
批次一致性:同一實驗盡量用同一廠家、同一批號的溶劑,避免因純度差異導致數據波動。
典型案例: 某實驗室用不同批次的甲醇測某藥物含量,結果偏差超5%,最后發現是溶劑雜質干擾。
4.
活潑氫由于受氫鍵、濃度、溫度等因素的影響,化學位移值會在一定范圍內變化,有時分子內的氫鍵的作用會使峰型變得尖銳。
3. 怎么做重水交換?
為了確定活潑氫,要做重水交換。方法是:測完樣品的氫譜后,向樣品管中滴幾滴重水(不宜加入過多,一般1-2滴即可),振搖一下,再測氫譜,譜中的活潑氫就消失了。
通常,胺類化合物的 pKa 值范圍從 9 到 12 左右,但這一范圍會因分子內部的電子效應、氫鍵作用等因素而有所變化。準確預測這些值不僅有助于理解胺類分子的酸堿性,還能幫助設計更具生物活性的分子或優化分子在水相中的穩定性。
Gaussian 軟件是目前最廣泛使用的量子化學計算工具之一,它能夠通過各種量子化學方法模擬分子的結構、性質以及反應機理。
芝麻醬的主要固體成分蛋白質為親水分子,加水后,氫鍵使蛋白質和水分子緊密結合。水對于蛋白質來說就像膠水,可以把它們粘成一坨。類似的,揉面也一樣,加水后,面能成坨也是面粉中的蛋白質交聯所致。
那么你一定聽過高筋面粉、低筋面粉,高筋的就是面粉中蛋白質含量高,容易成硬坨,低筋的就是蛋白質含量低,不宜成硬坨。那么成坨后,如何變稀呢?
面多了加水,水多了加面。對,繼續加水。
比如水,是因為氫鍵,而氣體,主要是因為分子熱運動,這種上躥下跳的不規則運動,一股流動氣體內的分子,它不是直直前行,而是亂跳著前行,這就導致不同速度層間的氣體彼此交換,快的跳慢的里,慢的跳快的里,自然彼此牽扯和阻礙。
流體粘性理解了,咱們繼續看這句話,在固體表面形成一個厚度逐漸增加的薄層。
剛說粘性是流體內部的,和固體有什么關系呢?