氢键
化学反应机理中的氢键作用
化学反应机理中的氢键作用化学反应机理是指描述化学反应过程中原子、离子或分子之间的变化和相互作用的过程。
其中，氢键作用是一种重要的相互作用方式，它对于很多化学反应的发生和速率都具有关键的影响。
本文将深入探讨化学反应机理中的氢键作用。
1. 氢键的定义和特点氢键是指氢原子与带有电负性原子的非金属原子间的相互作用力。
在化学反应中，氢键的形成主要依赖于氢原子与其他原子间的电负性差异。
具体而言，当氢原子与电负性原子（如氧、氮、氟等）之间形成较强的电荷分布不平衡时，氢键就会被形成。
氢键具有以下几个特点：1.1 高方向性：氢键通常以直线形式存在，氢原子位于电负性原子的延长线上。
这种直线排列使得氢键具有明显的方向性。
1.2 弱相互作用：相对于共价键和离子键，氢键的结合能较低。
这一特性使氢键能够在一些具有较小能量阈值的反应中发挥作用。
1.3 长程作用：氢键的作用距离较长，通常在0.15到0.35纳米之间。
这种作用距离决定了氢键对于反应物和产物之间的相互作用的范围。
2. 氢键在化学反应机理中的功能2.1 改变反应物结构：氢键能够通过在反应物分子之间的形成和断裂过程中改变它们的空间结构。
这种结构的调整可以使得分子间的相对位置和取向产生变化，为反应提供必要的条件。
2.2 调控反应速率：氢键的形成和断裂过程通常涉及能量变化。
在反应物转化为产物的过程中，氢键能够通过提供或吸收能量来影响反应的速率。
这种调控作用在很多化学反应中起着重要的作用。
2.3 形成反应中间体：在某些反应中，氢键能够促使反应物形成稳定的反应中间体。
这些中间体对于进一步反应的进行起到关键的催化作用。
3. 实例分析：酶催化反应中的氢键作用酶是生物体内一种重要的催化剂，它能够促进生物体内多种反应的进行。
在酶催化的化学反应中，氢键起着重要的作用。
以酶催化的酯羧化反应为例，该反应需要氢键的参与。
在反应中，酶通过与底物分子形成氢键的方式，调整底物的构象，使得底物更容易发生酯羧化反应。
氢键
氢键(hydrogenbond)，电负性原子和与另一个电负性原子共价结合的氢原子间形成的键，与电负性强的原子连接的氢原子趋向带部分正电。
在这种形式的键中，氢原子在两个电负性原子间不等分配。
与氢原子共价结合的原子为氢供体，另一个电负性原子为氢受体。
表示为X-H…Y氢键(hydrogenbond)，电负性原子和与另一个电负性原子共价结合的氢原子间形成的键，与电负性强的原子连接的氢原子趋向带部分正电。
在这种形式的键中，氢原子在两个电负性原子间不等分配。
与氢原子共价结合的原子为氢供体，另一个电负性原子为氢受体。
表示为X-H…Y∙其中X-H是强极性键，X带负电荷，H带正电荷∙·氢键是由两个电负性都很高的元素(例如F、O、N等)通过H原子形成三中心四电子键∙H和Y上的孤对电子产生强烈的吸引作用而形成氢键∙氢键的键能一般在40kJ·mol以下，比一般共价键键能小得多∙氢键的键长指X和Y间的距离在X——H……Y中:H—与电负性大、半径小的元素(X)成强极性共价键的氢；Y—有孤对电子、电负性大、半径小的元素(F、O、N)。
于是在H与Y间以静电引力结合，成第二键，称氢键，较弱。
如HF、H2O中氢键的形成：氢键也可在分子内形成。
（1）弱作用力，与分子间力相当；小于40kJ·mol-1 。
（2）有方向性（Y的孤对电子有方向）；有饱和性（H+ 排斥可能与Y电子云相吸引的其它H+）。
某些物质的物理性质和化学性质在很大程度上受到氢键的影响，如物质的熔点、沸点、溶解度和酸碱性等例如：冰中每个H2O 水分子都按四面体方向参与形成4个O-H…O氢键，水的沸点和冰的熔点都要比同系物高得多。
氢键名词解释
氢键名词解释
氢键是一种分子间相互作用的力，主要存在于含有氢原子的分子与带有高电负性原子（如氧、氮和氟）的分子之间。
氢键是一种相对较强的作用力，可以导致分子的聚集和结合。
氢键是靠氢原子与带有高电负性原子（通常是氧、氮、氟）之间的电负性相互作用而形成的。
在氢键中，氢原子与较电负的原子发生极性吸引，形成了一个非共价的化学键。
氢键的强度比氢键所涉及的化学键要弱，但比一般的分子间力要强。
氢键对于物质的许多性质和现象具有重要的影响。
首先，氢键能够引起分子间的吸引力，使得物质具有较高的熔点和沸点，从而提高物质的稳定性。
例如，水的氢键导致其熔点和沸点都相对较高，这使得水在地球表面下常见的液态状态存在。
其次，氢键也对物质的溶解性起着重要作用。
许多物质的溶解性取决于其与溶剂之间氢键的形成与破坏。
此外，氢键还能够影响分子的空间结构和化学反应的速率。
许多生物分子的结构和功能都受到氢键的影响。
氢键在生物学中起着重要的作用。
许多生物大分子（如蛋白质和核酸）的稳定结构和功能都依赖于氢键的形成和破坏。
例如，蛋白质的二级结构（如α螺旋和β折叠）是通过氢键在蛋白质链的不同部分之间形成的。
此外，DNA双螺旋结构的稳定性
也是由氢键维持的。
通过调节氢键的形成和破坏，生物体可以调控分子的结构和功能，实现生命的各种活动。
总之，氢键是一种分子间相互作用力，通过氢原子与带有高电
负性原子之间的相互作用而形成。
它对物质的聚集、结合、溶解性、空间结构和化学反应具有重要影响，并在生物学中发挥着重要作用。
氢键知识点总结
氢键知识点总结氢键是一种分子间相互作用力，它在生物化学、化学和物理学中具有重要的作用。
本文将对氢键的定义、形成、性质和应用进行总结，希望能够帮助读者更好地理解和应用氢键相关知识。
1. 氢键的定义氢键指的是由于氢原子与较电负的原子（比如氮、氧、氟等）形成极性共价键所引起的一种弱分子间相互作用力。
在氢键中，氢原子与较电负原子之间存在着部分正电荷和部分负电荷，因此能够形成弱的静电吸引力。
氢键通常以“H···X”（X代表氮、氧、氟等较电负的原子）的形式表示。
2. 氢键的形成氢键的形成需要满足一定的条件，主要包括以下几点：（1）较电负的原子：氢键的形成通常需要一个较电负的原子，比如氮、氧、氟等，这些原子的电负性能够吸引氢原子的电子。
（2）氢原子：氢键的另一端需要氢原子，因为氢原子通常只有一个电子，当它与较电负的原子形成极性共价键时，会形成部分正电荷。
（3）线性排列：氢键的形成还需要原子之间的线性排列，通常是以较电负原子为中心，两个氢原子分别与它相邻的两个较电负原子形成氢键。
3. 氢键的性质氢键具有一些特殊的性质，主要包括以下几点：（1）弱相互作用：氢键是一种弱的分子间相互作用力，通常比共价键和离子键要弱很多。
这也意味着氢键比较容易被破坏和重新形成。
（2）方向性：氢键是一种方向性很强的相互作用力，它通常沿着两个原子之间的直线方向作用，因此只有在特定的几何构型下才能够形成氢键。
（3）多样性：氢键几乎可以在所有化学物质中发现，包括有机分子、水分子、蛋白质、DNA等，因此具有比较广泛的应用价值。
4. 氢键的应用氢键在生物化学、化学和物理学中具有广泛的应用，主要包括以下几个方面：（1）生物大分子的结构稳定性：在蛋白质、DNA和RNA分子中，氢键能够稳定它们的空间结构，从而维持它们的功能。
（2）药物设计：许多药物分子的活性部位中存在氢键供体或者受体，因此设计合适的氢键结构可以提高药物的活性和选择性。
氢键
氢键定义1：氢原子与电负性的原子X共价结合时，共用的电子对强烈地偏向X的一边，使氢原子带有部分正电荷，能再与另一个电负性高而半径较小的原子Y结合，形成的X—H ┅Y型的键。
定义2：和负电性原子或原子团共价结合的氢原子与邻近的负电性原子（往往为氧或氮原子）之间形成的一种非共价键。
在保持DNA、蛋白质分子结构和磷脂双层的稳定性方面起重要作用。
形成的条件⑴与电负性很大的原子A 形成强极性键的氢原子。
⑵较小半径、较大电负性、含孤对电子[1]、带有部分负电荷的原子B (F、O、N)氢键的本质: 强极性键(A-H)上的氢核, 与电负性很大的、含孤电子对并带有部分负电荷的原子B之间的静电引力。
⑶表示氢键结合的通式氢键结合的情况如果写成通式，可用X－H…Y①表示。
式中X和Y代表F，O，N等电负性大而原子半径较小的非金属原子。
X和Y可以是两种相同的元素，也可以是两种不同的元素。
⑷对氢键的理解氢键存在虽然很普遍，对它的研究也在逐步深入，但是人们对氢键的定义至今仍有两种不同的理解。
第一种把X－H…Y整个结构叫氢键，因此氢键的键长就是指X与Y之间的距离，例如F－H…F的键长为255pm。
第二种把H…Y叫做氢键，这样H…F之间的距离163pm才算是氢键的键长。
这种差别，我们在选用氢键键长数据时要加以注意。
不过，对氢键键能的理解上是一致的，都是指把X－H…Y－H分解成为HX和HY所需的能量。
（5）氢键的饱和性和方向性氢键不同于范德华引力，它具有饱和性和方向性。
由于氢原子特别小而原子A和B比较大，所以A—H中的氢原子只能和一个B原子结合形成氢键。
同时由于负离子之间的相互排斥，另一个电负性大的原子B′就难于再接近氢原子。
这就是氢键的饱和性。
氢键具有方向性则是由于电偶极矩A—H与原子B的相互作用，只有当A—H---B在同一条直线上时最强，同时原子B一般含有未共用电子对，在可能范围内氢键的方向和未共用电子对的对称轴一致，这样可使原子B中负电荷分布最多的部分最接近氢原子，这样形成的氢键最稳定。
氢键知识点总结化学
氢键知识点总结化学氢键的概念最早由英国化学家保罗·德罗伊在20世纪初提出。
他观察到在一些分子中，氢原子与氧或氮原子之间存在一种比普通共价键更弱的相互作用力，并将其称为氢键。
后来，随着科学研究的深入，人们发现氢键在生物化学、有机化学和材料科学等领域都具有重要的作用。
1. 氢键的形成氢键是由氢原子与较电负原子（如氧、氮、氟等）形成的。
这些较电负原子的电子云会吸引氢原子的质子，导致氢原子与该原子之间形成一种弱的相互作用力。
常见的氢键形成结构包括氢键Donor与氢键Acceptor，氢键Donor是给予氢原子的原子，通常是氢原子依附的原子，氢键Acceptor是接受氢原子的原子，通常是带有孤对电子的原子。
2. 氢键的性质氢键是一种较弱的相互作用力，其键能通常在5-30 kJ/mol的范围内。
氢键通常比共价键和离子键弱，但比范德华力强。
这使得氢键在生物大分子之间的相互作用、有机分子的空间构型和分子间相互作用等方面扮演着重要的角色。
3. 氢键的影响氢键对分子的性质和行为有着重要的影响。
在生物大分子中，氢键可以影响蛋白质的空间结构、核酸的双螺旋结构、多肽链的折叠等。
在有机分子中，氢键可以影响分子的溶解性、熔点、沸点等性质。
氢键也是许多生物体系中重要的相互作用力，如DNA双螺旋结构中的核苷酸间的氢键相互作用。
4. 氢键的应用氢键在药物设计、化学催化、材料科学等领域中有着广泛的应用。
在药物设计中，设计分子的空间结构和相互作用时常需要考虑氢键的影响。
在化学催化中，氢键可以影响催化剂与底物的相互作用，从而影响催化反应的速率和选择性。
在材料科学中，通过氢键可以构建具有特定结构和性能的材料。
总之，氢键是一种重要的化学相互作用力。
它在生物化学、有机化学和材料科学等领域中发挥着重要的作用，并有着广泛的应用前景。
随着对氢键的深入研究，相信我们对氢键的理解会更加深入，其应用也会得到更多的拓展。
★氢键
氢键在HX熔、沸点变化出现反常，这是因除分子间力外，还有氢键。
1、氢键的形成氢键的生成，主要是由偶极与偶极之间的静电吸引作用。
当氢原子与电负性甚强的原子(如A)结合时，因极化效应，其键间的电荷分布不均，氢原子变成近乎氢正离子状态。
此时再与另一电负性甚强的原子(如B)相遇时，即发生静电吸引。
因此结合可视为以H离子为桥梁而形成的，故称为氢键。
⑴氢键的表示：A─H---B其中A、B是氧、氮或氟等电负性大且原子半径比较小的原子。
生成氢键时，给出氢原子的A—H基叫做氢给予基，与氢原子配位的电负性较大的原子B 或基叫氢接受基，具有氢给予基的分子叫氢给予体。
把氢键看作是由B给出电子向H配对，电子给予体B是氢接受体，电子接受体A─H是氢给予体。
⑵强度用键能表示⑶键能：指A─H---B分解成A-H和B-H所需的能量。
一般在42kJ·mol-1以下，比共价键键能小很多，而与分子间力更接近。
例如H2O中，=463 kJ·mol-1，而氢键键能仅为18.83 kJ·mol-1。
⑷键长：指A原子中心到B原子中心的距离氢键的形成，既可以是一个分子在其分子内形成，也可以是两个或多个分子在其分子间形成。
例如:水扬醛和2—甲基—2—芳氧基丙酸分别在其分子内形成了氢键，而氟化氢和甲醇则是在其分子之间形成氢键。
OHθHOE-氢键并不限于在同类分子之间形成．不同类分子之间亦可形成氢键，如醇、醚、酮、胺等相混时，都能生成类似O一H…O状的氢键。
例如，醇与胺相混合即形成下列形式的氢键：一般认为，在氢键A—H…B中，A—H键基本上是共价键，而H…B键则是一种较弱的有方向性的范德华引力。
因为原子A的电负性较大，所以A—H的偶极距比较大，使氢原子带有部分正电荷，而氢原于又没有内层电子，同时原子半径(约30pm)又很小，因而可以允许另一个带有部分负电何的原子B来充分接近它，从而产生强烈的静电吸引作用，形成氢键。
2、氢键的特点⑴氢键的饱和性由于氢原子特别小而原子A和B比较大，所以A—H中的氢原子只能和一个B原子结合形成氢键。
氢键的相关知识点总结
氢键的相关知识点总结1. 氢键的概念和定义氢键是指两个或多个分子间的相互作用力，其作用力主要来源于氢原子与其他原子形成的非共价键。
在氢键中，氢原子通过与其他原子（通常是氧、氮或氟原子）形成共价键而与带负电性较强的原子形成氢键。
氢键通常被表示为“H···A”，其中H代表氢原子，A代表带负电性的原子。
氢键的形成是在电负性较强的原子上形成部分正电荷，使其与邻近原子的带负电性原子发生相互作用，从而形成了氢键。
氢键的作用力既包括电荷-电荷相互作用力，也包括范德华力等非共价相互作用力。
氢键的强度通常在5-40kj/mol之间，比范德华力强，但比共价键弱。
氢键是一种比较强的作用力，在化学和生物学中起到了非常重要的作用。
它不仅使得分子之间能够形成化学键，还能够在生物体内调控生物分子的结构和功能。
由于氢键的独特性质，使得它成为了一种非常重要的相互作用力，其研究在化学、生物学、物理化学等领域都有着重要的应用和意义。
2. 氢键的结构氢键的结构主要取决于参与形成氢键的分子的性质和构型。
一般而言，氢键的结构可以分为两种类型：线性氢键和非线性氢键。
线性氢键是指氢原子和带负电性原子以直线的方式相互作用形成的氢键。
在线性氢键中，氢原子和带负电性原子之间的键角约为180°，结构上呈现出一条直线状。
线性氢键通常具有较大的键能，且较为稳定。
非线性氢键是指氢原子和带负电性原子以非直线的方式相互作用形成的氢键。
在非线性氢键中，氢原子与带负电性原子之间的键角大约在160°-180°之间，结构上呈现出一定的弯曲状。
非线性氢键通常具有较小的键能，且较为不稳定。
氢键的结构相对复杂，同时也受到多种因素的影响。
分子的构型、成键原子的性质以及外界环境等都能够对氢键的结构产生一定程度的影响。
因此，氢键的结构十分复杂且多样化。
3. 氢键的性质氢键具有一系列独特的性质，使得它成为一种非常重要的相互作用力。
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I. 液晶+液晶
近晶型
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向列型
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பைடு நூலகம்
非液晶+非液晶
• 含氢键合成子结构的液晶基元
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液晶基元（以1，4-亚苯基为核心成分）
• • • • • • • • • • • •
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对苯二甲酸 对萘二甲酸 对苯二酚 对萘二酚 二联苯 三联苯 苯甲酰氧基苯 苯甲酰胺基苯 二苯乙烯 二苯乙炔 苯亚胺基苯 二苯并噻唑
Hydrogen Bonded Supramolecular Polymers
第4章 氢键型超分子聚合物
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1
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Overview
• 氢键型超分子聚合物化学 • 氢键型超分子聚合物物理 • 氢键型超分子聚合物工程
运用氢键给体和氢键受体的相互作用可以设计和组装 线性、螺旋、液晶超分子聚合物。氢键的可逆性提供 了氢键型超分子聚合物结构的加工性和应用前景。液 晶态是氢键型超分子聚合物的最重要的形态。
C1NHB-TC2(N-1) NHB: 氢键数，N：建筑模块数 定义熔点指数：ITm=NHB/(N-1) 对于非共价键， H=TS T=C1/C2ITm=CITm 熔点越高，氢键越稳定
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物理：超分子液晶态
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超分子液晶（扩展的液晶基元）
II. 液晶+非液晶 III.非液晶+非液晶
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可逆性：（向列液晶-各向同性）
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结晶态
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流变性能
复黏度（*）在高频率下下降意味着链解聚（氢键破坏）。 作为工程材料使用的超分子聚合物的主要缺点是它们低的耐 蠕变性和耐水性，可通过形成多重氢键阵列，液晶或结晶态 和与其它非共价键相互作用的组合（氢键/-相互作用，氢 键/配位相互作用）解决（与共价键高分子结合更有效）。
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氢键型主链液晶
双吡啶化合物A和芳族二元酸化合物B的羰基-吡啶之间可 以形成以氢键连接的超分子聚合物。两个单体均不显示 液晶性，但超分子聚合物显示液晶性
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超分子液晶例：主链型
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超分子液晶例：侧链型
含苯甲酸的聚丙烯酸酯与含吡啶酰胺的聚合物17可经双重 氢键（AD-DA）缔合形成侧链热致液晶型超分子聚合物
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提高氢键强度的途径
• 多重氢键（八重） • 形成液晶态（多链聚集）
苯（4重）
脲嘧啶酮衍生物
萘（8重）
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化学：氢键超分子聚合物类型
• • • • • • 主链 侧链 网络（动态交联） 螺旋链 拓扑链 树枝体
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Lehn主链模型
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氢键点阵
（氢键多聚体）
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重要的M2
• 脲嘧啶酮衍生物（Meijer）： 无液晶态（商品化） • 酒石酸衍生物（Lehn）： 液晶态（第一个超分子聚合物， 1990） • 苝酰亚胺 • 热可逆交联橡胶
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氢键的热力学稳定性
H=C1NHB S=C2(N-1) G= H-TS=
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工程（应用）：NLO材料
生色团分子
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光电子信息材料
脲嘧啶酮衍生物
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亲水-疏水材料
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伸缩材料
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参考文献
1. Kato T et al. Macromol Rapid Commun, 2001, 22: 797-814 2. Brunsveld L et al. Chem Rev, 2001, 101: 4071-4097 3. 吕亚非，氢键型超分子聚合物，高分子通报，2005，(3)： 100-108 4. Bosman A W, Sijbesma R P, Meijer E W, Mater Today, 2004, (4): 34-39 5. Prins L J, Reinhoudt D N, Timmerman P. Angew Chem Int Ed, 2001, 40: 2382-2426 6. Armstrong G, Buggy M. J Mater Sci, 2005, 40: 547-559
侧链型: 接枝共聚物 （合成子的位置）
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螺旋链超分子聚合物
螺旋链超分子聚合物的形成是通过每一个单体组分或建 筑模块产生的两个沿线性序列的主相互作用和两个沿螺 旋方向的次相互作用的协同。氢键相互作用是螺旋链生 长的重要因素之一。
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螺旋链
1，3，5-苯乙烯三酰胺衍生物 具有C3对称性，由一个苯环和 三个酰胺侧基组成，可以经三 重分子间氢键生成超分子聚合 物并具有螺旋链结构
氢键型超分子聚合物属于功能高分子，但通过形成多 重氢键和液晶态提高超分子聚合物的耐蠕变性将扩展 超分子聚合物作为材料的应用。
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SupraPolix BV is a company founded by Meijer E W, chemistry professor at the University of Technology in Eindhoven, the Netherlands, to commercialize the proprietary technology platform describing supramolecular polymers.
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Questions?
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脲嘧啶酮衍生物
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能形成氢键的官能团
杂环: 羧基-吡啶，羧基-叔胺，羧基-咪 唑，酚羟基-叔胺，酚羟基-吡啶，酚羟 基-脲羰基
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氢键强度影响因素
排斥作用
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5
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氢键强度影响因素
重数，形状（裂缝cleft）
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提高氢键强度的途径
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Lehn侧链模型
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主链氢键型聚合物类型： 端基型（Clefts）
Lehn: 2个酒石酸(2,3-二羟基丁二酸)衍生物 （2,6-二羟基-1,3-二氮杂苯(A) + 2,6-二乙酰胺吡啶(B)） - 热致液晶聚合物
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主链氢键型聚合物类型: 两面型 (Janus)
• Meijer: 两面性分子氢键型主链超分子聚合物可用含两 个氢键受体（A）和两个氢键给体（D）具有形成氢键 的自互补性的脲嘧啶酮衍生物的氢键二聚体得到
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特殊的超分子聚合物
共价键主链+合成子=嵌段共聚物
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超分子嵌段共聚物（主链型）
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