水素すいそ結合けつごう

水素すいそ結合けつごう（すいそけつごう、英えい: hydrogen bond）は、電気でんき陰性いんせい度どが大おおきな原子げんし（陰性いんせい原子げんし）に共有きょうゆう結合けつごうで結むすびついた水素すいそ原子げんしが、近傍きんぼうに位置いちした窒素ちっそ、酸素さんそ、硫黄いおう、フッ素ふっそ、πぱい電子でんし系けいなどの孤立こりつ電子でんし対たいとつくる非ひ共有きょうゆう結合けつごう性せいの引力いんりょく的てき相互そうご作用さようである。水素すいそ結合けつごうには、異ことなる分子ぶんしの間あいだに働はたらくもの（分子ぶんし間あいだ力りょく）と単一たんいつの分子ぶんしの異ことなる部位ぶいの間あいだ（分子ぶんし内ない）に働はたらくものがある^[2]。

アセチルアセトンにおいてエノール互変異性いせい体たいを安定あんてい化かさせる分子ぶんし内ない水素すいそ結合けつごうの例れい

水素すいそ結合けつごうはもっぱら、陰性いんせい原子げんし上じょうで電気でんき的てきに弱よわい陽性ようせい (δでるた+) を帯おびた水素すいそが（右上みぎうえ図ず:水分すいぶん子この例れい）周囲しゅういの電気でんき的てきに陰性いんせいな原子げんしとの間あいだに引ひき起おこす静せい電でん的てきな力ちからとして説明せつめいされることが多おおい。つまり、双極そうきょく子こ相互そうご作用さようのうち、特別とくべつ強つよいもの、として考かんがえることもできる。ただし水素すいそ結合けつごうはイオン結合けつごうのような無む指向しこう性せいの相互そうご作用さようではなく、水素すいそ・非ひ共有きょうゆう電子でんし対たいの相対そうたい配置はいちにも依存いぞんする相互そうご作用さようであるため、水素すいそイオン（プロトン）の「キャッチボール」と表現ひょうげんされることもある。

典型てんけい的てきな水素すいそ結合けつごう（5〜30 kJ/mol）は、ファンデルワールス力りょくより10倍ばい程度ていど強つよいが、共有きょうゆう結合けつごうやイオン結合けつごうよりはるかに弱よわい。水素すいそ結合けつごうは水みずなどの無機物むきぶつにおいても、DNAなどの有機物ゆうきぶつにおいても働はたらく。水素すいそ結合けつごうは水みずの性質せいしつ、たとえば相あい変化へんかなどの熱ねつ的てき性質せいしつ、あるいは水みずと他たの物質ぶっしつとの親和しんわ性せいなどにおいて重要じゅうような役割やくわりを担になっている。

2011年ねんに、国際こくさい純正じゅんせい・応用おうよう化学かがく連合れんごう（IUPAC）によって作つくられたタスクグループは、以下いかのような水素すいそ結合けつごうの現代げんだい的てきな定義ていぎを提案ていあんしている。

「	水素すいそ結合けつごうとは、分子ぶんし中ちゅうの水素すいそ原子げんし、またはXがHよりも電気でんき陰性いんせい度どが高たかい分子ぶんし断片だんぺんX–H中なかの水素すいそ原子げんしと、同おなじまたは異ことなる分子ぶんし中ちゅうの原子げんしまたは原子げんしのグループとの間あいだの引力いんりょく的てき相互そうご作用さようで、結合けつごうが形成けいせいされている証拠しょうこがあるもののことである。 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.	」
—IUPAC Technical Report^[3]^[4]

効果こうかと役割やくわり

水分すいぶん子この極性きょくせい

水中すいちゅうにおける水素すいそ結合けつごうネットワークの模も式しき図ず。赤あかは酸素さんそ原子げんし、青あおが水素すいそ原子げんし、黄き実線じっせんが共有きょうゆう結合けつごう、黒点こくてん線せんが水素すいそ結合けつごうを示しめす

水みずが同族どうぞくの他ほかの第だい16族ぞく元素げんその水素すいそ化物ばけもの（H₂S〔沸点ふってん: −60.7 ℃〕など）より比較的ひかくてき高たかい沸点ふってん（100 ℃）を示しめすのは、水素すいそ結合けつごうによって分子ぶんし間あいだの引力いんりょくが非常ひじょうに強つよくなるためである。また、水みずが氷こおりに変化へんかする際さいに体積たいせきが増大ぞうだいするのは、水分すいぶん子この三角さんかく構造こうぞうが水素すいそ結合けつごうで蜂はちの巣す状じょうになり、そこに空洞くうどうが多おおく生うまれるためである。

生体せいたい高分子こうぶんしにおいて水素すいそ結合けつごうは、タンパク質たんぱくしつが二に次じ構造こうぞう以上いじょうの高次こうじ構造こうぞうを形成けいせいする際さいや、核酸かくさんの中なかで核酸かくさん塩基えんき同士どうしが相補そうほ的てきに結むすびつき二に重じゅうらせん構造こうぞうが形成けいせいする際さいに必要ひつような、重要じゅうような駆動くどう力りょくとなっている。

近年きんねんでは炭素たんそ上じょうの水素すいそが陰性いんせい原子げんしと作つくる相互そうご作用さよう（CH-O、CH-N相互そうご作用さよう）や、芳香ほうこう環たまきと水素すいそとの相互そうご作用さよう（CH-πぱい相互そうご作用さよう）も弱よわい水素すいそ結合けつごうとして認識にんしきされるようになってきた^[5]。

結合けつごう

相対そうたい的てきに電気でんき陰性いんせい度どが高たかい原子げんしと共有きょうゆう結合けつごうを形成けいせいしている水素すいそ原子げんしは、水素すいそ結合けつごう供与きょうよ体たい（donor、ドナー）である^[6]。この場合ばあいの陰性いんせい原子げんしはフッ素ふっそ、酸素さんそ、窒素ちっそなどである。フッ素ふっそ、酸素さんそ、窒素ちっそなどの陰性いんせい原子げんしは、水素すいそ原子げんしと共有きょうゆう結合けつごうしているかいないかにかかわらず、水素すいそ結合けつごう受容じゅよう体たい（acceptor、アクセプター）となる。水素すいそ結合けつごう供与きょうよ体たいの一ひとつの例れいは、酸素さんそ原子げんしと共有きょうゆう結合けつごうした水素すいそ原子げんしを有ゆうするエタノールである。共有きょうゆう結合けつごうした水素すいそ原子げんしを持もたない水素すいそ結合けつごう受容じゅよう体たいの一ひとつの例れいは、ジエチルエーテルの酸素さんそ原子げんしである。

水素すいそ結合けつごう供与きょうよ体たい（hydrogen bond donor）と受容じゅよう体たい（acceptor）の例れい。下部かぶの化合かごう物ぶつは抗こううつ薬やくのフルオキセチン（prozac）。

カルボン酸さんは気き相しょうにおいてしばしば二に量りょう体からだを形成けいせいする。点線てんせんは水素すいそ結合けつごうを示しめす。

炭素たんそ原子げんしに結合けつごうした水素すいそ原子げんしも、クロロホルム（CHCl₃）のように、炭素たんそ原子げんしが陰性いんせい原子げんしと結合けつごうしている場合ばあいは、水素すいそ結合けつごうに関与かんよすることができる。陰性いんせい原子げんしによって、水素すいそ原子核げんしかくの周まわりの電子でんし雲くもが分散ぶんさん・引ひき付つけられ、水素すいそ原子げんしは部分ぶぶん正せい電荷でんかを帯おびる。水素すいそ原子げんしは他たの原子げんしや分子ぶんしと比較ひかくして小ちいさいため、生しょうじた電荷でんかや、部分ぶぶん電荷でんかだけでも大おおきな電荷でんか密度みつどを示しめす。この強つよい正せい電荷でんか密度みつどが、水素すいそ結合けつごう受容じゅよう体たいとなるヘテロ原子げんし中ちゅうの非ひ共有きょうゆう電子でんし対たいと引ひき付つけ、水素すいそ結合けつごうが形成けいせいされる。

水素すいそ結合けつごうはしばしば、静せい電でん的てきな双極そうきょく子こ-双極そうきょく子こ相互そうご作用さようとして説明せつめいされる。しかしながら、水素すいそ結合けつごうは指向しこう性せいを持もち強力きょうりょくであり、ファン・デル・ワールス半径はんけいより短みじかい原子げんし間あいだ距離きょりを示しめし、原子げんし価かの一種いっしゅと解釈かいしゃくされる限かぎられた数かずの相互そうご作用さようしか大抵たいてい形成けいせいしないなど、共有きょうゆう結合けつごう的てきな性質せいしつも持もっている。これらの共有きょうゆう結合けつごう様さまの性質せいしつは受容じゅよう体たいがより電気でんき陰性いんせいなドナー中ちゅうの水素すいそ原子げんしと結合けつごうする時ときにより顕著けんちょである。

水素すいそ結合けつごうの部分ぶぶん的てきな共有きょうゆう結合けつごう性せいは以下いかのような疑問ぎもんを提起ていきする: どちらの分子ぶんしあるいは原子げんしに水素すいそ原子核げんしかくは属ぞくしているのだろうか? どちらが供与きょうよ体たいでどちらが受容じゅよう体たいなのだろうか? 通常つうじょうは、これらは、単純たんじゅんに X—H^...Y 系けいの原子げんし間あいだ距離きょりに基もとづいて決定けっていされる。X—Hの距離きょりは、通常つうじょう〜110 pmであるが、H^...Yの距離きょりは〜160から200 pmである。水素すいそ結合けつごうを示しめす液体えきたいは会合かいごう液体えきたい（associated liquids）と呼よばれる。

水素すいそ結合けつごうの強つよさは、とても弱よわいもの（1-2 kJ mol⁻¹）から、HF²⁻^[7]のように非常ひじょうに強つよいもの (>155 kJ mol⁻¹) まで、様々さまざまである。気き相しょうにおける典型てんけい的てきなエンタルピーは、

F—H^...:F (155 kJ/mol あるいは 40 kcal/mol)
O—H^...:N (29 kJ/mol あるいは 6.9 kcal/mol)
O—H^...:O (21 kJ/mol あるいは 5.0 kcal/mol)
N—H^...:N (13 kJ/mol あるいは 3.1 kcal/mol)
N—H^...:O (8 kJ/mol あるいは 1.9 kcal/mol)
HO—H^...:OH³⁺ (18 kJ/mol^[8] あるいは 4.3 kcal/mol)

である。

水素すいそ結合けつごうの長ながさは、結合けつごうの強つよさ、温度おんど、圧力あつりょくに依存いぞんしている。結合けつごうの強つよさ自身じしんは、温度おんど、圧力あつりょく、結合けつごう角度かくど、局所きょくしょ的てきな誘電ゆうでん率りつなどの環境かんきょうに依存いぞんしている。典型てんけい的てきな水みずにおける水素すいそ結合けつごうの長ながさは197 pmである。理想りそう的てきな結合けつごう角度かくどは水素すいそ結合けつごう供与きょうよ体たいの性質せいしつに依存いぞんしている。以下いかのフッ化か水素すいそ酸さん供与きょうよ体たいと様々さまざまな受容じゅよう体たいとの水素すいそ結合けつごう角度かくどは実験じっけん的てきに決定けっていされたものである^[9]。

受容じゅよう体たい···供与きょうよ体たい	原子げんし価か殻から電子でんし対たい反発はんぱつ則そく (VSEPR)	角度かくど (°)
HCN···HF	直線ちょくせん形がた	180
H₂CO ··· HF	平面へいめん三角形さんかっけい	110
H₂O ··· HF	四よん角錐かくすい形がた	46
H₂S ··· HF	四よん角錐かくすい形がた	89
SO₂ ··· HF	三さん角錐かくすい形がた	145

歴史れきし

ライナス・ポーリングは著作ちょさく The Nature of the Chemical Bond の中なかで、1912年ねんに水素すいそ結合けつごうについて初はじめて述のべた人物じんぶつとしてT. S. MooreとT. F. Winmillを挙あげている^[10]。MooreとWinmillは水素すいそ結合けつごうを、水酸化すいさんかトリメチルアンモニウムが水酸化すいさんかテトラメチルアンモニウムよりも弱よわい塩基えんきであることを説明せつめいするために使用しようした。よりよく知しられた状態じょうたいである水みずにおける水素すいそ結合けつごうに関かんしては、少すこし遅おくれて1920年ねんにウェンデル・ラティマーとウォース・ローデブッシュによって言及げんきゅうされている^[11]。この論文ろんぶんにおいて、ラティマーとローデブッシュは、彼かれらの研究けんきゅう室しつの研究けんきゅう員いんであるモーリス・ハギンズの未み発表はっぴょうの成果せいかを引用いんようして、「未み発表はっぴょうのいくつかの研究けんきゅうにおいて本ほん研究けんきゅう室しつのハギンズ氏しは、ある有機ゆうき化合かごう物ぶつに関かんする理論りろんとして、2つの原子げんし間あいだの水素すいそカーネルのアイデアを用もちいている。 "Mr. Huggins of this laboratory in some work as yet unpublished, has used the idea of a hydrogen kernel held between two atoms as a theory in regard to certain organic compounds."」と述のべている^[11]。

水みずにおける水素すいそ結合けつごう

六方ろっぽう晶あきら系けい氷ごおりの結晶けっしょう構造こうぞう。灰色はいいろの点線てんせんが水素すいそ結合けつごうを示しめす。

水分すいぶん子こ間あいだの水素すいそ結合けつごうのモデル。

最もっとも身近みぢかで、そしておそらく最もっとも単純たんじゅんな水素すいそ結合けつごうの例れいは、水分すいぶん子こと水分すいぶん子この間あいだに見みられる。個々ここの水分すいぶん子こには、2個この水素すいそ原子げんしと1個いっこの酸素さんそ原子げんしが存在そんざいする。2つの分子ぶんししか存在そんざいしない最もっとも単純たんじゅんな場合ばあいにおいて、水みず2分子ぶんしは1個いっこの水素すいそ結合けつごうを形成けいせいできる。このような場合ばあいは、水みず二に量りょう体たい (water dimer) と呼よばれ、しばしばモデルシステムとして用もちいられる。液体えきたいの水みずの場合ばあいのように、より多おおくの分子ぶんしが存在そんざいする時ときは、水みず1分子ぶんしの酸素さんそ原子げんしは2つの非ひ共有きょうゆう電子でんし対たいを持もち、それぞれの非ひ共有きょうゆう電子でんし対たいが別べつの水分すいぶん子この水素すいそ原子げんしと1つの水素すいそ結合けつごうを形成けいせいできるため、より多おおくの水素すいそ結合けつごうを形成けいせいすることが可能かのうである。これが繰くり返かえされることによって、図ずに示しめされているように、一ひとつの水分すいぶん子こは4つまでの他た分子ぶんしと水素すいそ結合けつごうを形成けいせいできる。水素すいそ結合けつごうは氷こおりの結晶けっしょう構造こうぞうに多大ただいな影響えいきょうを与あたえており、六方ろっぽう格子こうしの構築こうちくに寄与きよしている。氷こおりの密度みつどは同おなじ温度おんどにおいて水みずよりも小ちいさく、故ゆえに、他たのほとんどの物質ぶっしつとは異ことなり、水みずの固かた相あい状態じょうたいは液体えきたいの水みずに浮うく。

常温じょうおんの空気くうき中なかでの燃焼ねんしょうにおいて、水分すいぶん子こが発生はっせいした時ときは水素すいそ結合けつごうを生しょうじ、直ただちに液体えきたいになる。

液体えきたいの水みずの高たかい沸点ふってんは、低ひくい分子ぶんし量りょうに比くらべて、それぞれの分子ぶんしが多おおくの水素すいそ結合けつごうを形成けいせいできることが原因げんいんである。この水素すいそ結合けつごうネットワークを壊こわすことが困難こんなんなため、水みずは他たの水素すいそ結合けつごうを形成けいせいしない同様どうようの液体えきたいと比較ひかくして、非常ひじょうに高たかい沸点ふってんや融点ゆうてん、粘ねば度たびを示しめす。水みずは、その酸素さんそ原子げんしが2つの非ひ共有きょうゆう電子でんし対たいと2つの水素すいそ原子げんしを持もっているため、1つの水分すいぶん子こで4つまでの水素すいそ結合けつごうを形成けいせいできる点てんで特徴とくちょう的てきである。例たとえば、フッ化か水素すいそは、フッ素ふっそ原子げんしが3つの非ひ共有きょうゆう電子でんし対たいと1つの水素すいそ原子げんしを持もっているが、水素すいそ結合けつごうを2つしか形成けいせいできない（アンモニアでは、3つの水素すいそ原子げんしを持もっているが1つの非ひ共有きょうゆう電子でんし対たいしかないという逆ぎゃくの問題もんだいがある）。

{\ce {H-F^{...}H-F^{...}H-F}}

液体えきたい状態じょうたいの水みず1分子ぶんしが形成けいせいできる水素すいそ結合けつごうの厳密げんみつな数かずは、時間じかんによって変動へんどうし、温度おんどに依存いぞんする。TIP4Pモデルを用もちいた25 °Cにおけるシミュレーションでは、それぞれの水分すいぶん子こは平均へいきんして3.59個この水素すいそ結合けつごうに関与かんよしていると予測よそくされている^[12]。100 °Cでは、この数かずは分子ぶんし運動うんどうの増大ぞうだいと密度みつどの低下ていかによって3.24個こに減少げんしょうするが、0 °Cでは水素すいそ結合けつごうの平均へいきん数すうは3.69個こに増加ぞうかする^[12]。より最近さいきんの研究けんきゅうでは、25 °Cにおける水素すいそ結合けつごうの数かずは2.357個ことかなり少すくなく見積みつもられている^[13]。この違ちがいは、水素すいそ結合けつごうの定義ていぎと計測けいそくに異ことなる手法しゅほうを用もちいているためではないかと考かんがえられる。

水素すいそ結合けつごうの強つよさがより同等どうとうの時ときは、2つの相互そうご作用さようしてる水分すいぶん子この原子げんしは、2つの異ことなる電荷でんかを持もつ多た原子げんしイオン（水酸化物すいさんかぶつイオン OH⁻ とヒドロニウムイオン H₃O⁺）に分わかれる。

{\ce {H-O^{-}H3O^{+}}}

実際じっさいに、標準ひょうじゅん状態じょうたいにおける純粋じゅんすいな水みずでは、このようなイオンの形成けいせいはほとんど起おこらず、この状態じょうたいにおける水みずの解離かいり定数ていすうに従したがうと、5.5 × 10⁸分子ぶんし中ちゅうで1分子ぶんしのみである。これが水みずの特異とくい性せいの最もっとも重要じゅうような部分ぶぶんである。

水みずにおける二股ふたまた状じょうおよび過剰かじょう配はい位い水素すいそ結合けつごう

単一たんいつの水素すいそ原子げんしは1つではなく2つの水素すいそ結合けつごうに関与かんよすることができる。このようなタイプの水素すいそ結合けつごうは、二股ふたまた状じょう (bifurcated) あるいは三さん中心ちゅうしん型がたと呼よばれる。例たとえば、これらは天然てんねんあるいは合成ごうせい有機ゆうき分子ぶんしの複ふく合体がったい中ちゅうに存在そんざいしている^[14]。二股ふたまた状じょう水素すいそ結合けつごうは、水みずの再さい配向はいこうに必須ひっすの段階だんかいであることが示唆しさされている^[15]。受容じゅよう体型たいけいの水素すいそ結合けつごう（酸素さんそ原子げんしの非ひ共有きょうゆう電子でんし対たいで終了しゅうりょうする）は、供与きょうよ体型たいけい（同おなじ酸素さんそ原子げんしと結合けつごうした水素すいそ原子げんしで始はじまる）よりも二股ふたまた状じょう水素すいそ結合けつごうを形成けいせいしやすい（過剰かじょう配はい位い酸素さんそ、overcoordinated oxygen, OCO）^[16]。

DNAおよびタンパク質たんぱくしつにおける水素すいそ結合けつごう

DNAにおける2つの塩基えんき対たいの内うちの1つであるグアニンとシトシン間あいだの水素すいそ結合けつごう。

水素すいそ結合けつごうは、タンパク質たんぱくしつや核酸かくさんがとる三さん次元じげん構造こうぞうの決定けっていにも重要じゅうような役割やくわりを果はたしている。高分子こうぶんしは、同一どういつの高分子こうぶんし中ちゅうの異ことなる部分ぶぶん間あいだの水素すいそ結合けつごうによって、高分子こうぶんしの生理学せいりがく的てきあるいは生化学せいかがく的てき役割やくわりを決定けっていしているある特異とくい的てきな形状けいじょうへと折おり畳たたまれる。例たとえば、DNAの二に重じゅう螺旋らせん構造こうぞうは、一方いっぽうの相補そうほ鎖くさりともう一方いっぽうの鎖くさりとの間あいだの塩基えんき対たいの水素すいそ結合けつごうに大だい部分ぶぶんよっており、DNAの複製ふくせいを可能かのうにしている。

タンパク質たんぱくしつの二に次じ構造こうぞうでは、主しゅ鎖くさりの酸素さんそ原子げんしとアミド結合けつごうの水素すいそ原子げんしとの間あいだで水素すいそ結合けつごうが形成けいせいされる。水素すいそ結合けつごうに関与かんよしているアミノ酸あみのさん残ざん基もとの間隔かんかくがi と i + 4の時ときは、αあるふぁヘリックスが形成けいせいされる。間隔かんかくがi と i + 3のようにより短みじかい時ときは、3₁₀ヘリックスが形成けいせいされる。2つのペプチド鎖くさりが水素すいそ結合けつごうによって会合かいごうする時ときは、βべーたシートが形成けいせいされる。水素すいそ結合けつごうは、Rグループの相互そうご作用さようを通つうじて、タンパク質たんぱくしつの四よん次じ構造こうぞうの形成けいせいにも部分ぶぶん的てきに寄与きよしている（フォールディングを参照さんしょう）。

ポリマーにおける水素すいそ結合けつごう

パラ-アラミド構造こうぞう

セルロース鎖くさり（I_{αあるふぁ}コンホメーション）。セルロース分子ぶんし間あいだの点線てんせんは水素すいそ結合けつごうを示しめす。

多おおくのポリマーは、主しゅ鎖くさりにおける水素すいそ結合けつごうによって強化きょうかされている。合成ごうせいポリマーの中なかでは、最もっともよく知しられた例れいはナイロンである。ナイロンでは、反復はんぷく単位たんい (repeat unit) の中なかで水素すいそ結合けつごうが存在そんざいし、物質ぶっしつの結晶けっしょう化かにおいて主要しゅような役割やくわりを果はたしている。アミド反復はんぷく単位たんい中ちゅうのカルボニル基もととアミノ基もとの間あいだで水素すいそ結合けつごうが形成けいせいされる。これらは効果こうか的てきに隣接りんせつした鎖くさりを結むすび付つけ結晶けっしょうを作つくり、物質ぶっしつの強化きょうかを助たすける。この効果こうかは、水素すいそ結合けつごうが直ちょく鎖くさりを横よこ方向ほうこうに安定あんてい化かしているアラミド繊維せんいで最大さいだいである。鎖くさり軸じくは、繊維せんい軸じくに沿そって整列せいれつし、繊維せんいを極きわめて硬かたくかつ強つよくしている。水素すいそ結合けつごうはセルロースや、天然てんねんにおいて様々さまざまな形かたちで存在そんざいしている木材もくざいや綿めん、亜麻あまなどの天然てんねん繊維せんい等とうのセルロース派生はせい物ぶつの構造こうぞうにおいても重要じゅうようである。

水素すいそ結合けつごうネットワークは、天然てんねんおよび合成ごうせいポリマーを共ともに大気たいき中ちゅうの湿度しつどのレベルに敏感びんかんにしている。これは、水分すいぶん子こが表面ひょうめんから拡散かくさんし、水素すいそ結合けつごうネットワークを壊こわすためである。ナイロンはアラミドよりも感受性かんじゅせいが高たかく、ナイロン6 (nylon 6) はナイロン11よりも感受性かんじゅせいが高たかい。

対称たいしょう性せいを持もつ水素すいそ結合けつごう

→詳細しょうさいは「w:Symmetric hydrogen bond」を参照さんしょう

対称たいしょう性せいを持もつ水素すいそ結合けつごうは、プロトンが2つの同一どういつの原子げんし間あいだのちょうど半分はんぶんに位置いちしている特別とくべつな水素すいそ結合けつごうのタイプである。それぞれの原子げんし間あいだの水素すいそ結合けつごうの強つよさは等ひとしい。これは三さん中心ちゅうしん四よん電子でんし結合けつごうの一ひとつの例れいである。このタイプの水素すいそ結合けつごうは「普通ふつう」の水素すいそ結合けつごうよりも強つよい。有効ゆうこう結合けつごう次数じすうは0.5であり、共有きょうゆう結合けつごうに匹敵ひってきする強つよさがある。このタイプの水素すいそ結合けつごうは高こう圧あつ下かでの氷こおり (Ice X) や、その他ほかにも高だか圧あつ下かにおけるフッ化か水素すいそ酸さんや蟻酸ぎさんなどの無水むすいの酸さんの固かた相あい状態じょうたいにおいて見みられる。また、ビフルオリドイオン [F-H-F]⁻でも見みられる。対称たいしょう性せいを持もつ水素すいそ結合けつごうは、最近さいきん、高こう圧あつ下か (> GPa) のギ酸ぎさんにおいて分光ぶんこう学がく的てきに観測かんそくされている。それぞれの水素すいそ原子げんしは、1つではなく2つの原子げんしと部分ぶぶん共有きょうゆう結合けつごうを形成けいせいしている。

低てい障壁しょうへき水素すいそ結合けつごう (Low-barrier hydrogen bond, LBHB) は2つのヘテロ原子げんし間あいだの距離きょりが非常ひじょうに小ちいさい時ときに形成けいせいされる。

二に水素すいそ結合けつごう

→詳細しょうさいは「二に水素すいそ結合けつごう」を参照さんしょう

水素すいそ結合けつごうは、よく似にた二に水素すいそ結合けつごうと比較ひかくされる。二に水素すいそ結合けつごうもまた、水素すいそ原子げんしが関与かんよした分子ぶんし間あいだ相互そうご作用さようである。これらの構造こうぞうは、X線せん結晶けっしょう学がくによって明あきらかにされている^[17]。しかしながら、二に水素すいそ結合けつごうと通常つうじょうの水素すいそ結合けつごう、イオン結合けつごう、共有きょうゆう結合けつごうとの関係かんけいの理解りかいについては不明ふめいなままである。一般いっぱん的てきに、水素すいそ結合けつごうは、非金属ひきんぞく元素げんそ（窒素ちっそ原子げんしやカルコゲン類るい元素げんそなど）中ちゅうの非ひ共有きょうゆう電子でんし対たいによるプロトン受容じゅよう体たいによって特徴付とくちょうづけられる。ある場合ばあいにおいては、πぱい結合けつごうや金属きんぞく錯体さくたいがこれらのプロトン受容じゅよう体たいになりうる。二に水素すいそ結合けつごうでは、しかしながら、金属きんぞくヒドリドがプロトンアクセプターとして働はたらくことによって、水素すいそ-水素すいそ相互そうご作用さようが形成けいせいされる。これらの複ふく合体がったいでの分子ぶんし構造こうぞうは、結合けつごう長ちょうが金属きんぞく錯体さくたい/水素すいそ供与きょうよ体系たいけいに非常ひじょうに適応てきおう性せいがあるという点てんにおいて、水素すいそ結合けつごうと似にていることが、中性子ちゅうせいし回折かいせつ法ほうによって明あきらかにされている^[17]。

水素すいそ結合けつごうに関かんする先進せんしん的てきな理論りろん

1999年ねんに、Issacらは、通常つうじょうの氷こおりのコンプトンプロファイルにおける異あや方かた性せい (anisotropy) の解釈かいしゃくから、水素すいそ結合けつごうは部分ぶぶん的てきに共有きょうゆう結合けつごう性せいがあると証明しょうめいした^[18]。タンパク質たんぱくしつにおける水素すいそ結合けつごうのいくつかのNMRデータも共有きょうゆう結合けつごう性せいを示しめしている。

最もっとも一般いっぱん的てきには、水素すいそ結合けつごうは2つあるいはそれ以上いじょうの分子ぶんし間あいだ結合けつごうの距離きょり依存いぞん的てき静せい電でんスカラー場じょうとして記述きじゅつされる。これは、共有きょうゆう結合けつごうやイオン結合けつごうにおける分子ぶんし間あいだ束縛そくばく状態じょうたいとは若干じゃっかん異ことなっている。しかしながら、相互そうご作用さようエネルギーが合計ごうけいすると負まけの値ねを取とるため、水素すいそ結合けつごうは通常つうじょう束縛そくばく状態じょうたいの現象げんしょうである。ライナス・ポーリングによって提唱ていしょうされた初期しょきの水素すいそ結合けつごう理論りろんでは、水素すいそ結合けつごうが部分ぶぶん的てきに共有きょうゆう結合けつごう性せいを持もっていることが示唆しさされている。これは、1990年代ねんだい後半こうはんにF. CordierによってNMR法ほうが適用てきようされ、水素すいそ結合けつごうした原子核げんしかくの間あいだで情報じょうほうが転送てんそうされることが示しめされるまで論争ろんそうの的てきであった^[19]^[20]^[21]。この情報じょうほうの移動いどうは水素すいそ結合けつごうが共有きょうゆう結合けつごう性せいを含ふくんでいる時ときにしか起おきない。水みずにおける水素すいそ結合けつごうについて多おおくの実験じっけんデータが分子ぶんし間あいだ距離きょりのスケールや分子ぶんし熱ねつ力学りきがくについてよい解答かいとうを与あたえたが、動的どうてきシステムにおける水素すいそ結合けつごうの分子ぶんし運動うんどうや動力どうりょく学がくの性質せいしつについては未み解決かいけつのままである。

水素すいそ結合けつごうによる事象じしょう

NH₃、H₂O、HFの、それぞれ対応たいおうする重じゅうアナログPH₃、H₂S、HClに比くらべて劇的げきてきに高たかい沸点ふってん。
無水むすいリン酸さんおよびグリセロールの粘性ねんせいの高たかさ
カルボン酸さんの二に量りょう体からだ形成けいせいと、フッ化か水素すいその六ろく量りょう体からだ形成けいせい。気き相しょうにおいても起おこり、理想りそう気体きたいの状態じょうたい方程式ほうていしきからのズレが生しょうじる。
非ひ極性きょくせい溶媒ようばい中ちゅうにおける水みずやアルコールの五ご量りょう体からだ形成けいせい
アンモニアなど多おおくの化合かごう物ぶつの水みずへの高たかい溶解ようかい性せい
フッ化か水素すいそと水みずの混合こんごう物ぶつの負まけの共きょう沸にえ
NaOHの潮解ちょうかいは、OH⁻と湿気しっけとの反応はんのうによる水素すいそ結合けつごう性せいH₃O₂⁻の形成けいせいに部分ぶぶん的てきに起因きいんしている。同様どうようのプロセスは、NaNH₂とNH₃間あいだ、NaFとHFでも起おこる。
水素すいそ結合けつごうによって安定あんてい化かされた結晶けっしょう構造こうぞうによる氷こおりの水みずより小ちいさい密度みつど
水素すいそ結合けつごうの存在そんざいは、ある特定とくていの化合かごう物ぶつの混合こんごう物ぶつにおいて、物質ぶっしつの状態じょうたいの通常つうじょうの遷移せんいに異常いじょう性せいを引ひき起おこす。これらの化合かごう物ぶつは、ある温度おんどまでは液体えきたいで存在そんざいし、次つぎに温度おんどが上昇じょうしょうしても固体こたいとなり、最後さいごに温度おんどが異常いじょうな中なか間あいだ段階だんかいを越こえると再ふたたび液体えきたいとなる^[22]。
スマートラバー (smart rubber) は、水素すいそ結合けつごうをまさに結合けつごうさせるために利用りようしている。スマートラバーは、同一どういつのポリマーの2つの表面ひょうめんの間あいだでその場ばで水素すいそ結合けつごうが形成けいせいされ、破やぶれても「回復かいふく」する。
ナイロンとセルロース繊維せんいの強度きょうど
ウールでは、タンパク質たんぱくしつ繊維せんいが水素すいそ結合けつごうによって集合しゅうごうしており、延のばした時ときに戻もどる原因げんいんとなる。しかしながら、高温こうおんで洗浄せんじょうすると、この水素すいそ結合けつごうが永久えいきゅうに失うしなわれ、衣服いふくの形かたちが元もとに戻もどらなくなる。

脚注きゃくちゅう

[脚注きゃくちゅうの使つかい方かた]

^ Felix H. Beijer, Huub Kooijman, Anthony L. Spek, Rint P. Sijbesma, E. W. Meijer (1998). “Self-Complementarity Achieved through Quadruple Hydrogen Bonding”. Angew. Chem. Int. Ed. 37: 75–78. doi:10.1002/(SICI)1521-3773(19980202)37:1/2<75::AID-ANIE75>3.0.CO;2-R.
^ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). オンライン版ばん: (2006-) "hydrogen bond".
^ E. Arunan, G. R. Desiraju, R. A. Klein, J. Sadlej, S. Scheiner, I. Alkorta, D. C. Clary, R. H. Crabtree, J. J. Dannenberg, P. Hobza, H. G. Kjaergaard, A. C. Legon, B. Mennucci and D. J. Nesbitt. “Definition of the Hydrogen Bond”. 2011年ねん3月がつ13日にち閲覧えつらん。
^ IUPAC Physical and Biophysical Chemistry Division (2011年ねん11月10日にち). “Definition of the hydrogen bond”. Provisional Recommendations. 2011年ねん3月がつ13日にち閲覧えつらん。
^ Desiraju, G. R.; Steiner, T. (1999). The Weak Hydrogen Bond: in Structural Chemistry and Biology. ICUr monographs on crystallography 9. Oxford: Oxford Univ. Press. ISBN 978-0198502524
^ Campbell, Neil A.; Brad Williamson; Robin J. Heyden (2006). Biology: Exploring Life. Boston, Massachusetts: Pearson Prentice Hall. ISBN 0-13-250882-6
^ Emsley, J. (1980). “Very Strong Hydrogen Bonds”. Chem. Soc. Rev. 9: 91–124. doi:10.1039/cs9800900091.
^ Omer Markovitch and Noam Agmon (2007). “Structure and energetics of the hydronium hydration shells”. J. Phys. Chem. A 111 (12): 2253–2256. doi:10.1021/jp068960g. PMID 17388314.
^ A. C. Legon;D. J. Millen. (1987). Chem. Soc. Rev. 16: 467-498. doi:10.1039/CS9871600467.
^ Tom Sidney Moore and Thomas Field Winmill (1912). “CLXXVII.—The state of amines in aqueous solution”. J. Chem. Soc., Trans. 101: 1635. doi:10.1039/CT9120101635.
^ ^a ^b Wendell M. Latimer, Worth H. Rodebush (1920). “Polarity and ionization from the standpoint of the lewis theory of valence”. J. Am. Chem. Soc. 42 (7): 1419–1433. doi:10.1021/ja01452a015.
^ ^a ^b W. L. Jorgensen and J. D. Madura (1985). “Temperature and size dependence for Monte Carlo simulations of TIP4P water”. Mol. Phys. 56 (6): 1381. doi:10.1080/00268978500103111.
^ Jan Zielkiewicz (2005). “Structural properties of water: Comparison of the SPC, SPCE, TIP4P, and TIP5P models of water”. J. Chem. Phys. 123 (10): 104501. doi:10.1063/1.2018637. PMID 16178604.
^ Michel Baron, Sylviane Giorgi-Renault, Jean Renault, Patrick Mailliet, Daniel Carré et Jean Etienne (1984). “Hétérocycles à fonction quinone. V. Réaction anormale de la butanedione avec la diamino-1,2 anthraquinone; structure cristalline de la naphto [2,3-f] quinoxalinedione-7,12 obtenue”. Can. J. Chem. 62 (3): 526–530. doi:10.1139/v84-087.
^ Damien Laage and James T. Hynes (2006). “A Molecular Jump Mechanism for Water Reorientation”. Science 311 (5762): 832. doi:10.1126/science.1122154. PMID 16439623.
^ Omer Markovitch & Noam Agmon (2008). “The Distribution of Acceptor and Donor Hydrogen-Bonds in Bulk Liquid Water”. Molecular Physics 106: 485. doi:10.1080/00268970701877921.
^ ^a ^b R. H. Crabtree, Per E. M. Siegbahn, Odile Eisenstein, Arnold L. Rheingold, Thomas F. Koetzle (1996). “A New Intermolecular Interaction: UnconventionalHydrogen Bonds with Element−Hydride Bonds as ProtonAcceptor”. Acc. Chem. Res. 29 (7): 348–354. doi:10.1021/ar950150s.
^ E. D. Isaacs, A. Shukla, P. M. Platzman, D. R. Hamann, B. Barbiellini, and C. A. Tulk (1999). “Covalency of the Hydrogen Bond in Ice: A Direct X-Ray Measurement”. Phys. Rev. Lett. 82: 600-603. doi:10.1103/PhysRevLett.82.600.
^ Dingley, A. J.; Grzesiek, S. (1998). “Direct Observation of Hydrogen Bonds in Nucleic Acid Base Pairs by Internucleotide ²J_NN Couplings”. J. Am. Chem. Soc. 120 (33): 8293–8297. doi:10.1021/ja981513x.
^ F. Cordier, M. Rogowski, S. Grzesiek and A. Bax (1999). “Observation of through-hydrogen-bond ^2hJ_HC‘ in a perdeuterated protein”. J. Magn. Reson. 140 (2): 510–2. doi:10.1006/jmre.1999.1899. PMID 10497060.
^ Cordier, F.; Grzesiek, S. (1999). “Direct Observation of Hydrogen Bonds in Proteins by Interresidue ^3hJ_NC‘ Scalar Couplings”. J. Am. Chem. Soc. 121 (7): 1601–1602. doi:10.1021/ja983945d.
^ “Law-breaking liquid defies the rules”. physicsworld.com (2004年ねん9月がつ24日にち). 2011年ねん3月がつ13日にち閲覧えつらん。

参考さんこう文献ぶんけん

George A. Jeffrey. An Introduction to Hydrogen Bonding (Topics in Physical Chemistry). Oxford University Press, USA (March 13, 1997). ISBN 0-19-509549-9
Robert H. Crabtree, Per E. M. Siegbahn, Odile Eisenstein, Arnold L. Rheingold, and Thomas F. Koetzle (1996). “A New Intermolecular Interaction: Unconventional Hydrogen Bonds with Element-Hydride Bonds as Proton Acceptor”. Acc. Chem. Res. 29 (7): 348–354. doi:10.1021/ar950150s. PMID 19904922.
Alexander F. Goncharov, M. Riad Manaa, Joseph M. Zaug, Richard H. Gee, Laurence E. Fried, and Wren B. Montgomery (2005). “Polymerization of Formic Acid under High Pressure”. Phys. Rev. Lett. 94 (6): 065505. doi:10.1103/PhysRevLett.94.065505. PMID 15783746.
R. Parthasarathi, V. Subramanian, N. Sathyamurthy (2006). “Hydrogen Bonding Without Borders: An Atoms-In-Molecules Perspective”. J. Phys. Chem. A 110 (10): 3349–3351. doi:10.1021/jp060571z. PMID 16526611.
Z. Liu, G. Wang, Z. Li, R. Wang (2008). “Geometrical Preferences of the Hydrogen Bonds on Protein−Ligand Binding Interface Derived from Statistical Surveys and Quantum Mechanics Calculations”. J. Chem. Theory Comput. (A) 4 (11): 1959–1973. doi:10.1021/ct800267x.
M. Goswami, E. Arunan (2009). “The Hydrogen bond: A Molecular Beam Microwave Spectroscopist's View with a Universal Appeal”. Phys. Chem. Chem. Phys. 11: 8974–8982. doi:10.1039/b907708a.