原子結(jié)合成分子的各種作用中，氫鍵是一種特別的存在。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)便是由氫鍵構(gòu)成，還有諸多神奇的現(xiàn)象可以用氫鍵解釋。但是，這種特別的存在自其被提出開(kāi)始，就有個(gè)特別的問(wèn)題，它到底屬于分子間作用力還是共價(jià)鍵？盡管很長(zhǎng)時(shí)間里教科書(shū)都把它定義為分子間作用力，但它也具有不可忽視的共價(jià)鍵特性?？茖W(xué)家還發(fā)現(xiàn)氫鍵在這兩者之間轉(zhuǎn)變，那界限到底在哪？最近一篇發(fā)表在Science的論文揭開(kāi)了氫鍵的“隱秘行動(dòng)”?，F(xiàn)在，我們對(duì)氫鍵本質(zhì)的了解更深了。

撰文 | 李存璞（重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副教授）

許多有趣的現(xiàn)象被歸結(jié)于氫鍵的存在：例如冰作為一種固體，其密度卻比液態(tài)水要??；乙醇、乙酸的沸點(diǎn)比類似分子量的有機(jī)物要高得多；又如氫離子和氫氧根在溶液中的遷移比其他各類陰、陽(yáng)離子更為迅捷；以及DNA中由氫鍵綁定的雙螺旋結(jié)構(gòu)保證了遺傳物質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，等等。

那么氫鍵到底是什么？近百年來(lái)許多科學(xué)家一直致力于氫鍵的理論和應(yīng)用，研究但一個(gè)核心問(wèn)題一直未得到完美的回答，氫鍵與化學(xué)鍵如何過(guò)渡？近期， Science上刊登一篇關(guān)于氫鍵的論文引發(fā)熱議，科學(xué)家對(duì)氫鍵的理解再進(jìn)一步。本文將揭示氫鍵的一些理論與應(yīng)用鎖鏈。

氫鍵和其百年?duì)幷摚汗矁r(jià)鍵還是分子間作用力

1923年，著名化學(xué)家Gilbert Lewis在其著作Valence and the Structure of Atoms and Molecules中首次提出了氫鍵的概念[1] 。而從氫鍵概念被提出，一個(gè)問(wèn)題就擺在了科學(xué)家的面前：氫鍵到底屬于分子間作用力還是共價(jià)鍵？

作為元素周期表中的1號(hào)元素，H的原子核外只有一個(gè)電子，這使得當(dāng)H元素與N、O、F等吸電子能力強(qiáng)的非金屬原子形成化學(xué)鍵的時(shí)候，由于電子被N、O、F等元素吸引過(guò)去，導(dǎo)致H原子外圍幾乎沒(méi)有電子包圍——這意味著H原子核幾乎裸露在外，缺少電子保護(hù)的H原子核成為孤家寡人，不像其他原子總多少有電子陪伴在身邊。此時(shí)，如果H周圍存在具有孤對(duì)電子（或π鍵等）的原子，那么H就會(huì)與孤對(duì)電子產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電相互作用。同時(shí)，H原子核傾向于指向孤對(duì)電子所在軌道最為集中的區(qū)域，與一般的靜電吸引相比又具有了一些共價(jià)鍵特有的軌道指向性特征，這種相互作用即為氫鍵。

如上所言，氫鍵的概念一旦提出，就會(huì)陷入其到底是 “共價(jià)鍵”還是“分子間作用力”的爭(zhēng)論。而到今天，這一爭(zhēng)論已經(jīng)持續(xù)了接近100年。

圖1 共價(jià)鍵，分子間作用力，與氫鍵的特點(diǎn)[2]

如圖1所示，共價(jià)鍵來(lái)自于電子軌道的重組，而軌道是有特定的空間取向的。通過(guò)電子與“原子實(shí)”（原子核與除共用電子以外的其他電子）的強(qiáng)相互作用，將原子相互綁定，就可以形成空間取向明確的分子或離子。另一方面，分子內(nèi)部電荷分布不均會(huì)形成偶極，偶極之間的正負(fù)靜電相互吸引，可以形成分子間作用力。由于不存在軌道空間約束，并且分子之間距離較遠(yuǎn)，因此分子間作用力強(qiáng)度弱，且沒(méi)有明確的空間取向。

氫鍵則兼具共價(jià)鍵與分子間作用力的特點(diǎn)：它雖然來(lái)源于電子和H原子核的相互作用，卻沒(méi)有明確的軌道重組；同時(shí)，H原子核往往與孤對(duì)電子在空間中指向明確，以形成類似共價(jià)鍵軌道最大重疊的效果：而這也導(dǎo)致了冰的密度比水小（圖2）。

圖2 在冰中，H為了充分靠近O的孤對(duì)電子，形成了具有特定空間取向的氫鍵[3]，在分子間產(chǎn)生大量空隙，使固體冰的密度反而比液態(tài)水小。

如上所述，定義氫鍵并非易事。即使在國(guó)際上最為權(quán)威的“國(guó)際應(yīng)用與純粹化學(xué)聯(lián)合會(huì)，IUPAC”關(guān)于氫鍵的定義中，也對(duì)其相互作用的來(lái)源略顯含糊其辭[4] ：

Hydrogen Bond：A form of association between an electronegative atom and a hydrogen atom attached to a second, relatively electronegative atom. It is best considered as an electrostatic interaction, heightened by the small size of hydrogen, which permits proximity of the interacting dipoles or charges. Both electronegative atoms are usually (but not necessarily) from the first row of the Periodic Table, i.e. N, O or F.

氫鍵：一種產(chǎn)生于一個(gè)電負(fù)性大的原子與氫原子之間的相互作用，這一氫原子需要某一連接至另一電負(fù)性較大的原子上。氫鍵最好被認(rèn)為是靜電相互作用，具有較小尺寸的H原子提升了偶極或電荷的相互作用。前述的兩種電負(fù)性大的原子一般而言（但不是必須的）位于元素周期表的第二行，例如N，O，或者F等。

因此，氫鍵體系中是否含有、以及含有多少共價(jià)鍵的成分，一直是學(xué)界研究的熱點(diǎn)[5]。了解氫鍵，不僅有物理化學(xué)意義，更有利于人們系統(tǒng)認(rèn)識(shí)宇宙與生命，開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用體系。

氫鍵是生命之源：從有序排列到低勢(shì)壘氫鍵

氫鍵的爭(zhēng)論有著重要的意義。在公眾的認(rèn)知當(dāng)中，水當(dāng)然是生命之源，但進(jìn)一步思考，似乎氫鍵是更本質(zhì)的生命之源。生命起源于水，在生命形成之初，地球溫度波動(dòng)劇烈，在溫度低于零下時(shí)，水面會(huì)結(jié)冰隔絕空氣溫度，讓水中的生命不至被凍死。如果冰的密度比水大，那么結(jié)成的冰塊會(huì)沉于水底，其保護(hù)作用自然蕩然無(wú)存；當(dāng)環(huán)境溫度迅速升高時(shí)，強(qiáng)度較大的氫鍵要吸收大量熱量才被破壞，導(dǎo)致水的比熱容很大，從而可以吸收環(huán)境熱量來(lái)阻止水溫劇烈變化。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)通過(guò)氫鍵進(jìn)行綁定，使生命體的遺傳物質(zhì)保持穩(wěn)定。在遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)錄、翻譯的過(guò)程，同樣有氫鍵參與來(lái)保證物質(zhì)合成的準(zhǔn)確性。

前述的關(guān)于氫鍵的百年?duì)幷?，在生命體中的酶催化過(guò)程中具有重要的討論意義。酶催化似乎異常神奇，可以在溫和的溫度、特定的pH值和水體系實(shí)現(xiàn)高效率的催化反應(yīng)。許多生物教科書(shū)將酶的作用歸結(jié)于其可以使底物分子以特定的構(gòu)象嵌入，從而誘使反應(yīng)發(fā)生：但從能量角度而言，構(gòu)象上的些許優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)不能解釋酶的催化作用。那要靠什么解答呢？

圖3 幾種氫鍵狀態(tài)的勢(shì)壘圖。氫鍵體系會(huì)傾向于帶到勢(shì)壘的谷底，兩個(gè)谷底之間的小山峰越高，則H越難在A、B二者之間進(jìn)行穿梭。（A）雙阱氫鍵，（B）低勢(shì)壘氫鍵，（C）單阱氫鍵

沒(méi)錯(cuò)，又是氫鍵。1994年，美國(guó)威斯康辛大學(xué)和明尼蘇達(dá)大學(xué)的W. W. Cleland與Maurice M. Kreevoy[6] ，與威斯康辛大學(xué)的PA Frey[7]，在同一期Science期刊上發(fā)表了兩篇論文，認(rèn)為一種“低勢(shì)壘氫鍵（Low-barrier hydrogen bond）”對(duì)酶催化反應(yīng)至關(guān)重要。

如圖3所示，一般情況下，在氫鍵中，H與其中一個(gè)原子A形成共價(jià)鍵，與另一個(gè)原子B距離較遠(yuǎn)，形成傳統(tǒng)意義上的更接近分子間作用力的氫鍵；而當(dāng)A、B二者的距離逐漸接近（比如A、B均為O原子，O-O距離小于0.25 nm時(shí)），H可以在A、B兩個(gè)原子之間自由移動(dòng)，此時(shí)難以明確區(qū)分H與A、B之間何者為共價(jià)鍵，何者為分子間作用力：即成為圖3（B）所展示的低勢(shì)壘氫鍵。在酶催化的過(guò)程中，參與反應(yīng)的底物或過(guò)渡態(tài)可以與酶形成低勢(shì)壘氫鍵，低勢(shì)壘氫鍵相當(dāng)穩(wěn)定：這意味著底物在與催化劑形成低勢(shì)壘氫鍵的過(guò)程中，將釋放出許多能量（10到20 kcal/mol），這部分能量恰好被用來(lái)活化底物，使催化反應(yīng)得以在溫和的條件下迅速進(jìn)行。與此同時(shí)，低勢(shì)壘氫鍵中A···H···B距離很近，也可以阻止其他分子的孤對(duì)電子靠近H原子，進(jìn)一步提高了反應(yīng)效率。

補(bǔ)齊最后一環(huán)：超瞬態(tài)光譜找到單阱氫鍵

在低勢(shì)壘氫鍵中，氫鍵的“共價(jià)鍵”與“分子間作用力”這兩種特性之間的界限被模糊，而隨著A、B二者之間的距離更加接近，氫鍵的分子間作用力特征徹底消亡，進(jìn)一步形成如圖3（C）所示的單阱氫鍵，H原子同時(shí)與A、B兩個(gè)原子形成共價(jià)鍵：即三中心共價(jià)鍵。人們之前相信這種單阱氫鍵可能存在于HF2-和[HO···HOH]-這兩種離子中，而這個(gè)“可能”在2021年1月8日出版的Science的一篇文章中被成功地拿掉了[8]。

圖4 （A）傳統(tǒng)雙阱氫鍵，（B）單阱氫鍵（短強(qiáng)氫鍵，SHB）

美國(guó)芝加哥大學(xué)的Andrei Tokmakoff與埃默里大學(xué)的合作者們進(jìn)行了這一創(chuàng)造性的研究。如圖4所示，作者注意到了傳統(tǒng)雙阱氫鍵與單阱氫鍵（作者稱為為短強(qiáng)氫鍵，SHB）在分子光譜上存在一個(gè)重要的區(qū)別：傳統(tǒng)雙阱氫鍵更接近分子間作用力，其能級(jí)差隨著能級(jí)的升高而逐漸縮??；而SHB更接近共價(jià)鍵，其能級(jí)差隨著能級(jí)的升高而逐漸增加。化學(xué)家提出通過(guò)分子光譜學(xué)的方法來(lái)觀測(cè)，尋找HF2-這一離子的能級(jí)差，就有機(jī)會(huì)驗(yàn)證到底HF2-離子中的氫鍵是不是人們之前認(rèn)為的單阱氫鍵。

圖5 分子中共價(jià)鍵的各種振動(dòng)

但這很難。如圖5所示，分子中共價(jià)鍵、氫鍵等都是廣場(chǎng)舞大師，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在進(jìn)行各種各樣的振動(dòng)。它們振動(dòng)的能量很低，在紅外線波長(zhǎng)范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的紅外吸收光譜可以通過(guò)探測(cè)分子振動(dòng)來(lái)研究共價(jià)鍵，但在SHB的研究中，是要觀測(cè)找到振動(dòng)的能級(jí)差規(guī)律。這意味著需要在很短的時(shí)間內(nèi)（本研究為25飛秒，1飛秒為一千萬(wàn)億分之一秒），連續(xù)用兩種紅外光激發(fā)分子，并記錄結(jié)果。這類紅外光譜儀被稱為“超瞬態(tài)紅外光譜儀”，作者團(tuán)隊(duì)是世界上為數(shù)不多可以使用到這種大型儀器的研究組，通過(guò)精妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，他們成功證明了HF2-的能級(jí)差確實(shí)隨著能級(jí)的升高而增大：HF2-中的氫鍵已經(jīng)徹底成為一種三中心原子共價(jià)鍵。也就是說(shuō)，氫鍵變成了一種新的化學(xué)鍵形式。

研究并沒(méi)有到此為止。研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了理論計(jì)算，通過(guò)量子化學(xué)的方法找到了傳統(tǒng)雙阱氫鍵、低勢(shì)壘氫鍵與單阱氫鍵之間的轉(zhuǎn)化界限。如圖6所示，對(duì)于HF2-離子而言，在F與F原子距離在約0.248 nm時(shí)，[F-H···F]-開(kāi)始具有低勢(shì)壘氫鍵的特征；而當(dāng)F與F原子距離進(jìn)一步縮小到約0.238 nm時(shí)，[F-H···F]-則開(kāi)始具有SBH特性；在0.23 nm則完全轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)對(duì)稱的[F···H···F]-單阱氫鍵（圖6（B））。

圖6（A）雙阱氫鍵、低勢(shì)壘氫鍵與單阱氫鍵的轉(zhuǎn)化；（B）具有對(duì)稱單阱氫鍵的[F···H···F]-的離子結(jié)構(gòu)與分子軌道

新發(fā)現(xiàn)具有實(shí)際意義

這項(xiàng)研究用昂貴的超瞬態(tài)光譜，似乎只是為了證明單阱氫鍵的存在，并沒(méi)有除了理論認(rèn)識(shí)拓展之外的其他意義。但就實(shí)驗(yàn)本身而言，新發(fā)現(xiàn)又為我們開(kāi)啟了許多新問(wèn)題等待回答：比如環(huán)境起到了什么作用，分子運(yùn)動(dòng)如何觸發(fā)了轉(zhuǎn)化，等等。事實(shí)上，在應(yīng)用領(lǐng)域，這一發(fā)現(xiàn)有更加深遠(yuǎn)的意義：比如在催化領(lǐng)域模擬低勢(shì)壘氫鍵或單阱氫鍵，有望在溫和條件下催化各類反應(yīng)高效進(jìn)行；又比如在能源領(lǐng)域的燃料電池中，模擬單阱氫鍵提升氫離子或氫氧根離子的傳輸效率；又或者通過(guò)觀測(cè)星際光譜，研究地外世界的各類化學(xué)反應(yīng)……

況且，就算一時(shí)沒(méi)有想到特別重要的應(yīng)用意義，弄清楚氫鍵從分子間作用力到共價(jià)鍵的轉(zhuǎn)變過(guò)程，給氫鍵的百年?duì)幷搫澤弦粋€(gè)休止符，不也很有趣么？

參考文獻(xiàn)

[1] Lewis G N. Valence and the Structure of Atoms and Molecules[M]. Chemical Catalog Company, Incorporated, 1923.

[2] https://www.khanacademy.org/science/class-11-chemistry-india/xfbb6cb8fc2bd00c8:in-in-states-of-matter/xfbb6cb8fc2bd00c8:in-in-intermolecular-forces/a/intramolecular-and-intermolecular-forces

[3] https://almerja.com/reading.php?idm=76592

[4] https://goldbook.iupac.org/terms/view/H02899

[5] Gilli G, Gilli P. The nature of the hydrogen bond: outline of a comprehensive hydrogen bond theory[M]. Oxford University Press, 2009.

[6] Cleland W W, Kreevoy M M. Low-barrier hydrogen bonds and enzymic catalysis[J]. Science, 1994, 264(5167): 1887-1890.

[7] Frey P A, Whitt S A, Tobin J B. A low-barrier hydrogen bond in the catalytic triad of serine proteases[J]. Science, 1994, 264(5167): 1927-1930.

[8] Dereka B, Yu Q, Lewis N H C, et al. Crossover from hydrogen to chemical bonding[J]. Science, 2021, 371(6525): 160-164.