수소 결합(hydrogen bond)은 한 분자 내에서 전기음성도가 큰 원자(주로 질소, 산소, 불소)에 공유 결합된 수소 원자가, 같은 분자 또는 다른 분자의 전기음성도가 큰 원자(또는 원자단) 사이에 작용하는 인력적 상호작용이다. 국제순수응용화학연합(IUPAC)은 2011년 권고안에서 수소 결합을 "X가 수소보다 전기음성도가 큰 분자 또는 분자 단편 X–H의 수소 원자와, 결합 형성의 증거가 있는 동일하거나 다른 분자의 원자 또는 원자단 사이의 인력적 상호작용"으로 정의하였다.
발견 및 역사
수소 결합의 개념은 1912년 T. S. 무어(T. S. Moore)와 T. F. 윈밀(T. F. Winmill)이 수산화 트리메틸암모늄의 염기 세기를 설명하기 위해 처음 언급한 것으로 알려져 있다. 1920년 W. M. 라티머(W. M. Latimer)와 W. H. 로데부시(W. H. Rodebush)는 물에서의 수소 결합을 설명하는 논문을 발표하였다. 라이너스 폴링(Linus Pauling)은 1939년 저서 《화학 결합의 본질》에서 수소 결합 개념을 체계화하였다.
결합의 메커니즘과 특징
수소 결합은 일반적으로 X–H···Y–Z로 표기하며, X–H는 수소 결합 주개(donor), Y는 수소 결합 받개(acceptor)이다. 수소 결합의 주요 상호작용 성분은 다음과 같다.
- 정전기적 인력(쌍극자-쌍극자 상호작용)
- 전하 이동(charge transfer)에 의한 부분적 공유 결합 형성
- 분산력(London dispersion force)
수소 결합의 세기는 약 1~2 kJ/mol에서 최대 161.5 kJ/mol까지 다양하다. 대표적인 결합 에너지는 다음과 같다.
- F–H···F (이플루오르화물 이온, HF₂⁻): 약 161.5 kJ/mol
- O–H···N: 약 29 kJ/mol
- O–H···O: 약 21 kJ/mol
- N–H···N: 약 13 kJ/mol
- N–H···O: 약 8 kJ/mol
수소 결합의 이상적인 결합 각도는 180°에 가까우며, 각도가 180°에 가까울수록 결합이 강해진다. X–H 결합 길이는 수소 결합 형성 시 일반적으로 증가하며, 이에 따라 적외선(IR) 스펙트럼에서 X–H 신축 진동 주파수가 낮은 에너지 쪽으로 이동(적색 이동, red shift)하는 현상이 관찰된다. 다만 일부 수소 결합에서는 청색 이동(blue shift)이 나타나기도 한다.
수소 결합의 판별 기준 (IUPAC, 2011)
IUPAC은 수소 결합의 증거로 다음 여섯 가지 기준을 제시하였다.
- 수소 결합 형성에 관여하는 힘에는 정전기적 기원, 주개-받개 간 전하 이동에 의한 부분적 공유 결합, 분산력이 포함된다.
- X와 H는 공유 결합되어 있으며, X의 전기음성도가 클수록 H···Y 결합 세기가 증가한다.
- X–H···Y 각도는 일반적으로 180°에 가깝다.
- X–H 결합 길이는 수소 결합 형성 시 증가하며, IR 스펙트럼에서 X–H 신축 진동의 적색 이동과 흡수 단면적 증가가 나타난다.
- 수소 결합은 특유의 NMR 신호(양성자 차폐 감소, X와 Y 사이의 스핀-스핀 커플링 등)를 나타낸다.
- 수소 결합의 깁스 자유 에너지는 실험적 검출이 가능하도록 계의 열에너지보다 커야 한다.
물에서의 수소 결합
물(H₂O) 분자에서 산소 원자는 두 개의 수소 원자와 공유 결합되어 있으며, 두 쌍의 비공유 전자쌍을 가진다. 각 물 분자는 최대 네 개의 다른 물 분자와 수소 결합을 형성할 수 있다(두 개는 수소 원자를 통해, 두 개는 비공유 전자쌍을 통해). 이로 인해 물은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점(0°C)과 끓는점(100°C)이 현저히 높으며, 비열과 표면 장력도 크다. 얼음의 결정 구조는 수소 결합에 의해 육각형 격자를 형성하며, 이로 인해 얼음은 액체 물보다 밀도가 낮아 물 위에 뜨게 된다.
생체 분자에서의 수소 결합
수소 결합은 생명 현상에서 핵심적인 역할을 한다.
- DNA: 두 DNA 가닥은 염기 사이의 수소 결합(A-T는 2개, G-C는 3개의 수소 결합)에 의해 이중 나선 구조를 유지한다.
- 단백질: α-나선(alpha helix)과 β-시트(beta sheet) 등 2차 구조는 주사슬(main chain)의 아미드 수소와 카르보닐 산소 사이의 수소 결합에 의해 안정화된다.
- RNA: 3차원 구조 형성에 수소 결합이 중요한 역할을 한다.
- 탄수화물과 지질: 수화 및 세포막 형성 과정에서 수소 결합이 관여한다.
합성 고분자에서의 수소 결합
나일론, 아라미드(케블라) 등 합성 고분자에서 수소 결합은 사슬 간 결합을 강화하여 기계적 강도와 결정성을 높이는 데 기여한다.
대칭 수소 결합
대칭 수소 결합(symmetric hydrogen bond)은 양성자가 두 개의 동일한 원자 사이의 정확히 중간 지점에 위치하는 특수한 경우로, 3중심 4전자 결합의 일종이다. 이는 일반 수소 결합보다 훨씬 강하며, 고압 얼음이나 [F–H–F]⁻ 이온 등에서 관찰된다.
이수소 결합
이수소 결합(dihydrogen bond)은 금속 수소화물의 수소 원자(수소 음이온성, H⁻)와 전형적인 수소 결합 주개의 수소 원자(수소 양이온성, H⁺) 사이에 형성되는 H···H 상호작용으로, 전통적인 수소 결합과 구별된다.
