수소 결합

3. 역사

라이너스 폴링은 1912년 T. S. 무어와 T. F. 윈밀이 수소 결합을 처음 언급했다고 평가했다.^[38][39] 무어와 윈밀은 수산화트리메틸암모늄이 수산화테트라메틸암모늄보다 약한 염기임을 설명하기 위해 수소 결합을 사용했다. 몇 년 후인 1920년 라티머와 로데부시는 물에서 수소 결합에 대한 설명을 제시했다.^[40] 이들은 논문에서 연구소 동료 과학자인 모리스 로열 허긴스의 연구를 인용하며, "본 연구소의 허긴 씨는 아직 발표되지 않은 일부 연구에서 두 개의 원자 사이에 있는 수소 커널에 대한 아이디어를 특정 유기 화합물에 대한 이론으로 사용했다"라고 밝혔다.

4. 수소 결합이 나타나는 예

물, 플루오린화 수소(HF), 암모니아(NH₃), 에탄올(C₂H₅OH), 메탄올(CH₃OH), 아세트산(CH₃COOH) 등은 수소 결합을 형성한다. 특히 플루오린화 수소와 아세트산은 수소 결합을 통해 이합체를 형성하기도 한다.

DNA의 염기간 결합, 단백질의 2차 및 3차 구조, 포도당, 설탕, 녹말 등 많은 생체 분자에서도 수소 결합이 나타난다.

4. 1. 물(H₂O)의 수소 결합

4. 2. 이합체

4. 3. 기타 액체

5. 고분자에서의 수소 결합

DNA의 이중 나선 구조는 주로 염기쌍 간의 수소 결합에 의해 유지되며, 이는 DNA 복제를 가능하게 한다. 단백질의 이차 구조는 주쇄 산소와 아미드 수소 사이의 수소 결합에 의해 형성된다. 아미노산 잔기 간격에 따라 알파 나선이나 3₁₀ 나선이 형성되고, 두 가닥이 번갈아 가며 수소 결합으로 연결되면 베타 시트가 형성된다.

셀룰로스, 나일론, 아라미드 섬유 등은 사슬 간 또는 사슬 내 수소 결합에 의해 강도가 높아진다. 특히 나일론의 경우, 카보닐기와 아미드기의 수소 결합은 인접한 사슬을 연결하여 재료의 강도를 높인다. 아라미드 섬유는 수소 결합이 선형 사슬을 측면으로 안정화시켜 매우 뻣뻣하고 강하게 만든다.

하지만, 이러한 수소 결합 네트워크는 물 분자가 확산되어 결합을 방해할 수 있기 때문에 습도에 민감하다.

5. 1. 분지형 수소 결합

6. 대칭 수소 결합

대칭 수소 결합은 양성자가 두 개의 동일한 원자 사이의 정확히 중간 지점에 위치하는 특별한 유형의 수소 결합이다. 각 원자에 대한 결합의 세기는 동일하다. 이는 3중심 4전자 결합의 한 예이다. 이러한 유형의 결합은 "일반적인" 수소 결합보다 훨씬 강하다. 유효 결합 차수는 0.5이므로 강도는 공유 결합과 유사하다. 고압 얼음, 고압 플루오린화 수소산 및 개미산과 같은 많은 무수산의 고체상에서 관찰된다.^[54] 이플루오르화물 이온 [F-H-F]⁻에서도 관찰된다. 대칭 수소 결합은 최근 고압 (> GPa) 하의 포름산에서 분광학적으로 관찰되었다.

7. 이수소 결합

디수소 결합은 수소 원자를 포함하는 분자간 결합 상호작용의 일종으로, 수소 결합과 비교될 수 있다. 이러한 구조는 결정학에 의해 잘 특성화되어 왔지만,^[56] 전통적인 수소 결합, 이온 결합, 공유 결합과의 관계에 대한 이해는 여전히 불분명하다. 일반적으로 수소 결합은 비금속 원자(특히 질소족 및 칼코겐 그룹)의 고립 전자쌍인 양성자 수용체로 특징지어진다. 어떤 경우에는 이러한 양성자 수용체가 파이 결합 또는 금속 착물일 수 있다. 그러나 디수소 결합에서는 금속 수소화물이 양성자 수용체 역할을 하여 수소-수소 상호작용을 형성한다. 중성자 회절은 이러한 착물의 분자 기하학이 수소 결합과 유사하며, 결합 길이가 금속 착물/수소 공여체 시스템에 매우 적응 가능하다는 것을 보여주었다.^[56]

8. 확인하는 방법

적외선 흡수 스펙트럼을 이용하여 X-H···Y기에서 '''X-H'''기의 신축 진동 변화를 확인하여 수소 결합을 확인할 수 있다.

강한 수소 결합은 ¹H NMR 스펙트럼에서 저자기장 이동으로 나타난다. 예를 들어, 아세틸아세톤의 엔올 호변이성체에 있는 산성 양성자는 δ|H^영어 15.5에서 나타나는데, 이는 일반적인 알코올보다 약 10 ppm 저자기장이다.^[25]

IR 스펙트럼에서 수소 결합은 X-H 신축 진동수를 더 낮은 에너지(즉, 진동수가 감소)로 이동시킨다. 이러한 이동은 X-H 결합의 약화를 반영한다. 특정 수소 결합(부적절한 수소 결합)은 X-H 신축 진동수의 청색 이동과 결합 길이의 감소를 보인다.^[26] H-결합은 또한 수용체의 IR 진동 모드 이동으로 측정할 수 있다. α-나선에서 백본 카르보닐의 아미드 I 모드는 측쇄 히드록실 그룹과 H-결합을 형성할 때 더 낮은 주파수로 이동한다.^[27] 물에서 수소 결합 구조의 역학은 이 OH 신축 진동으로 조사할 수 있다.^[28] 녹기 전 고체-고체 상전이를 나타내는 위상 변화 물질의 일종인 양성자성 유기 이온성 플라스틱 결정(POIPC)의 수소 결합 네트워크에서 가변 온도 적외선 분광법은 수소 결합의 온도 의존성과 음이온과 양이온의 역학을 모두 밝힐 수 있다.^[29] 고체-고체 상전이 동안 수소 결합의 갑작스러운 약화는 이온의 배향 또는 회전 무질서의 시작과 관련이 있는 것으로 보인다.^[29]

9. 이론적 고찰

수소 결합은 분자간 고립 전자쌍 ":" 비결합과 분자내 극성 공유 결합을 반발 결합과 통합하여 설명할 수 있다.^[31]

관련된 잔기 간 포텐셜 상수(강성 상수)에 대한 양자 화학적 계산 결과, 동일한 유형의 개별 H 결합 간에 큰 차이가 나타났다. 예를 들어, 구아닌과 시토신 사이의 중심 잔기 간 수소 결합은 아데닌-티민 쌍 사이의 결합에 비해 훨씬 더 강하다.^[32]

이론적으로, 수소 결합의 결합 강도는 비공유 상호 작용 지수(NCI 지수)를 사용하여 평가할 수 있으며, 이 지수를 통해 시스템의 전자 밀도를 사용하여 이러한 비공유 상호 작용을 시각화할 수 있다.

컴프턴 산란 실험 결과는 수소 결합이 부분적으로 공유 결합이라는 것을 보여준다.^[33]

10. 응용

수소 결합은 약물 설계와 관련이 있다. 리핀스키의 5의 규칙에 따르면, 경구 투여 활성 약물의 대부분은 5개 이하의 수소 결합 공여체와 10개 미만의 수소 결합 수용체를 가진다. 이러한 상호 작용은 질소–수소 및 산소–수소 중심 사이에 존재한다.^[57] 그러나 많은 약물들이 이러한 "규칙"을 따르지 않는다.^[58]

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