LIÊN KẾT HIĐRO, THUYẾT AXIT-BAZƠ LEWIS VÀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU
2.1.2. Khái niệm và phân loại liên kết hiđro
a. Khái niệm
Liên kết hiđro là một tương tác hút không cộng hóa trị giữa một phần tử cho proton A-H và một phần tử nhận proton B trong cùng một phân tử hoặc trong 2 phân tử khác nhau có kiểu A-H∙∙∙B. Theo định nghĩa cổ điển này thì nguyên tử H được liên kết với những nguyên tử có độ âm điện lớn như N, O, F,... B hoặc là một vùng âm điện hoặc một vùng giàu mật độ electron. Tuy nhiên, những kết quả lý thuyết và thực nghiệm phát hiện rằng, thậm chí liên kết C-H, Si-H, N-H, P-H, S-H, … vẫn có mặt trong liên kết hiđro và những electron π có thể đóng vai trò như phần tử nhận proton trong việc làm bền tương tác hiđro yếu trong nhiều hệ hóa học [8], [10], [13], [15], [18]. Do đó, khái niệm mới, phù hợp hơn về liên kết hiđro trong nghiên cứu gần đây là: “Liên kết hiđro A-H···B là một loại tương tác không cộng hóa trị giữa nguyên tử H thiếu electron và một vùng có mật độ electron cao, trong đó A là nguyên tử có độ âm điện cao hoặc trung bình, B là vùng dư electron như ion âm hoặc nguyên tử có đôi electron riêng, một electron hoặc electron π” [4].
b. Sự phân loại liên kết hiđro
Dựa vào năng lượng liên kết:
Năng lượng bền hóa của liên kết hiđro cổ điển phụ thuộc vào độ phân cực của liên kết A-H trong phần tử cho proton và độ bazơ của phần tử nhận proton B, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ phân cực của môi trường, nhiệt độ, áp suất. Về mặt lý thuyết, liên kết hiđro không là một tương tác đơn giản. Năng lượng bền hóa được
đóng góp từ tương tác tĩnh điện (axit/bazơ), ảnh hưởng phân cực (cứng/mềm), tương tác van der Waals (phân tán/đẩy: tương quan eletron giữa hai phân tử) và cộng hóa trị (chuyển điện tích).
Liên kết hiđro được gọi là yếu khi năng lượng liên kết trong khoảng 10-50 kJ.mol-1, mạnh khi nó trong khoảng 50-100 kJ.mol-1 và rất mạnh khi năng lượng lớn hơn 100 kJ.mol-1. Sự phân loại theo Hibbert và Emsley này dường như không hợp lý. Sau đó, Desiraju và cộng sự đã đề nghị sự phân loại liên kết hiđro như sau: độ bền của liên kết hiđro mạnh có năng lượng liên kết trong khoảng 62-165 kJ.mol-1; đối với liên kết hiđro yếu và trung bình, năng lượng liên kết trong khoảng 4-16 kJ.mol-1 và 16-62 kJ.mol-1 tương ứng. Alkorta và cộng sự [7] cũng phân loại độ bền liên kết hiđro, và cho rằng năng lượng liên kết thấp hơn 21 kJ.mol-1 được coi là yếu, khoảng 21-42 kJ.mol-1 là trung bình và lớn hơn 42 kJ.mol-1 được coi là mạnh và rất mạnh. Sự phân loại này có lẽ hợp lý hơn. Chúng tôi cũng tán thành cách phân loại độ bền liên kết hiđro theo Alkota và cộng sự.
Dựa vào hình học liên kết:
Xét về mặt hình học, liên kết hiđro cổ điển có thể được phân thành 2 loại: không chia nhánh và chia nhánh [32]. Độ bền liên kết hiđro phụ thuộc vào độ dài liên kết và góc liên kết hiđro, vì thế nó có tính định hướng. Tuy nhiên, sự lệch nhỏ khỏi tuyến tính (nhỏ hơn 20o) có ít ảnh hưởng lên độ bền liên kết hiđro. Ngược lại, độ bền của liên kết hiđro phụ thuộc mạnh mẽ vào độ dài liên kết hiđro (tỉ lệ nghịch theo hàm mũ với khoảng cách). Ngoài ra, liên kết hiđro còn có thể được phân thành 2 loại: liên kết hiđro nội phân tử (trong cùng một phân tử) và liên kết hiđro ngoại phân tử (giữa 2 hay nhiều phân tử với nhau).
Dựa vào bản chất liên kết hiđro
Nếu dựa vào những thuộc tính đặc trưng của liên kết hiđro, ta có thể chia liên kết hiđro thành hai loại: liên kết hiđro cổ điển hoặc chuyển dời đỏ và liên kết hiđro không cổ điển hoặc chuyển dời xanh.