原子結合成分子的各種作用中，氫鍵是一種特別的存在。DNA的雙螺旋結構便是由氫鍵構成，還有諸多神奇的現象可以用氫鍵解釋。但是，這種特別的存在自其被提出開始，就有個特別的問題，它到底屬於分子間作用力還是共價鍵？儘管很長時間裡教科書都把它定義為分子間作用力，但它也具有不可忽視的共價鍵特性。科學家還發現氫鍵在這兩者之間轉變，那界限到底在哪？最近一篇發表在Science的論文揭開了氫鍵的「隱秘行動」。現在，我們對氫鍵本質的了解更深了。
撰文 | 李存璞（重慶大學化學化工學院副教授）
許多有趣的現象被歸結於氫鍵的存在：例如冰作為一種固體，其密度卻比液態水要小；乙醇、乙酸的沸點比類似分子量的有機物要高得多；又如氫離子和氫氧根在溶液中的遷移比其他各類陰、陽離子更為迅捷；以及DNA中由氫鍵綁定的雙螺旋結構保證了遺傳物質相對穩定，等等。
那麼氫鍵到底是什麼？近百年來許多科學家一直致力於氫鍵的理論和應用，研究但一個核心問題一直未得到完美的回答，氫鍵與化學鍵如何過渡？近期， Science上刊登一篇關於氫鍵的論文引發熱議，科學家對氫鍵的理解再進一步。本文將揭示氫鍵的一些理論與應用鎖鏈。
氫鍵和其百年爭論：共價鍵還是分子間作用力
1923年，著名化學家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，一個問題就擺在了科學家的面前：氫鍵到底屬於分子間作用力還是共價鍵？
作為元素周期表中的1號元素，H的原子核外只有一個電子，這使得當H元素與N、O、F等吸電子能力強的非金屬原子形成化學鍵的時候，由於電子被N、O、F等元素吸引過去，導致H原子外圍幾乎沒有電子包圍——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，如果H周圍存在具有孤對電子（或π鍵等）的原子，那麼H就會與孤對電子產生強烈的靜電相互作用。同時，H原子核傾向於指向孤對電子所在軌道最為集中的區域，與一般的靜電吸引相比又具有了一些共價鍵特有的軌道指向性特徵，這種相互作用即為氫鍵。
如上所言，氫鍵的概念一旦提出，就會陷入其到底是 「共價鍵」還是「分子間作用力」的爭論。而到今天，這一爭論已經持續了接近100年。
圖1 共價鍵，分子間作用力，與氫鍵的特點[2]
如圖1所示，共價鍵來自於電子軌道的重組，而軌道是有特定的空間取向的。通過電子與「原子實」（原子核與除共用電子以外的其他電子）的強相互作用，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，分子內部電荷分布不均會形成偶極，偶極之間的正負靜電相互吸引，可以形成分子間作用力。由於不存在軌道空間約束，並且分子之間距離較遠，因此分子間作用力強度弱，且沒有明確的空間取向。
氫鍵則兼具共價鍵與分子間作用力的特點：它雖然來源於電子和H原子核的相互作用，卻沒有明確的軌道重組；同時，H原子核往往與孤對電子在空間中指向明確，以形成類似共價鍵軌道最大重疊的效果：而這也導致了冰的密度比水小（圖2）。
圖2 在冰中，H為了充分靠近O的孤對電子，形成了具有特定空間取向的氫鍵[3]，在分子間產生大量空隙，使固體冰的密度反而比液態水小。
如上所述，定義氫鍵並非易事。即使在國際上最為權威的「國際應用與純粹化學聯合會，IUPAC」關於氫鍵的定義中，也對其相互作用的來源略顯含糊其辭[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：一種產生於一個電負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性較大的原子上。氫鍵最好被認為是靜電相互作用，具有較小尺寸的H原子提升了偶極或電荷的相互作用。前述的兩種電負性大的原子一般而言（但不是必須的）位於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、以及含有多少共價鍵的成分，一直是學界研究的熱點[5]。了解氫鍵，不僅有物理化學意義，更有利於人們系統認識宇宙與生命，開發新的應用體系。
氫鍵是生命之源：從有序排列到低勢壘氫鍵
氫鍵的爭論有著重要的意義。在公眾的認知當中，水當然是生命之源，但進一步思考，似乎氫鍵是更本質的生命之源。生命起源於水，在生命形成之初，地球溫度波動劇烈，在溫度低於零下時，水面會結冰隔絕空氣溫度，讓水中的生命不至被凍死。如果冰的密度比水大，那麼結成的冰塊會沉於水底，其保護作用自然蕩然無存；當環境溫度迅速升高時，強度較大的氫鍵要吸收大量熱量才被破壞，導致水的比熱容很大，從而可以吸收環境熱量來阻止水溫劇烈變化。DNA的雙螺旋結構通過氫鍵進行綁定，使生命體的遺傳物質保持穩定。在遺傳物質轉錄、翻譯的過程，同樣有氫鍵參與來保證物質合成的準確性。
前述的關於氫鍵的百年爭論，在生命體中的酶催化過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值和水體系實現高效率的催化反應。許多生物教科書將酶的作用歸結於其可以使底物分子以特定的構象嵌入，從而誘使反應發生：但從能量角度而言，構象上的些許優勢遠不能解釋酶的催化作用。那要靠什麼解答呢？
圖3 幾種氫鍵狀態的勢壘圖。氫鍵體系會傾向於帶到勢壘的谷底，兩個谷底之間的小山峰越高，則H越難在A、B二者之間進行穿梭。（A）雙阱氫鍵，（B）低勢壘氫鍵，（C）單阱氫鍵
沒錯，又是氫鍵。1994年，美國威斯康辛大學和明尼蘇達大學的W. W. Cleland與Maurice M. Kreevoy[6]，與威斯康辛大學的PA Frey[7]，在同一期Science期刊上發表了兩篇論文，認為一種「低勢壘氫鍵（Low-barrier hydrogen bond）」對酶催化反應至關重要。
如圖3所示，一般情況下，在氫鍵中，H與其中一個原子A形成共價鍵，與另一個原子B距離較遠，形成傳統意義上的更接近分子間作用力的氫鍵；而當A、B二者的距離逐漸接近（比如A、B均為O原子，O-O距離小於0.25 nm時），H可以在A、B兩個原子之間自由移動，此時難以明確區分H與A、B之間何者為共價鍵，何者為分子間作用力：即成為圖3（B）所展示的低勢壘氫鍵。在酶催化的過程中，參與反應的底物或過渡態可以與酶形成低勢壘氫鍵，低勢壘氫鍵相當穩定：這意味著底物在與催化劑形成低勢壘氫鍵的過程中，將釋放出許多能量（10到20 kcal/mol），這部分能量恰好被用來活化底物，使催化反應得以在溫和的條件下迅速進行。與此同時，低勢壘氫鍵中A···H···B距離很近，也可以阻止其他分子的孤對電子靠近H原子，進一步提高了反應效率。
補齊最後一環：超瞬態光譜找到單阱氫鍵
圖4 （A）傳統雙阱氫鍵，（B）單阱氫鍵（短強氫鍵，SHB）
圖5 分子中共價鍵的各種振動
圖6（A）雙阱氫鍵、低勢壘氫鍵與單阱氫鍵的轉化；（B）具有對稱單阱氫鍵的[F···H···F]-的離子結構與分子軌道
新發現具有實際意義
這項研究用昂貴的超瞬態光譜，似乎只是為了證明單阱氫鍵的存在，並沒有除了理論認識拓展之外的其他意義。但就實驗本身而言，新發現又為我們開啟了許多新問題等待回答：比如環境起到了什麼作用，分子運動如何觸發了轉化，等等。事實上，在應用領域，這一發現有更加深遠的意義：比如在催化領域模擬低勢壘氫鍵或單阱氫鍵，有望在溫和條件下催化各類反應高效進行；又比如在能源領域的燃料電池中，模擬單阱氫鍵提升氫離子或氫氧根離子的傳輸效率；又或者通過觀測星際光譜，研究地外世界的各類化學反應……
況且，就算一時沒有想到特別重要的應用意義，弄清楚氫鍵從分子間作用力到共價鍵的轉變過程，給氫鍵的百年爭論劃上一個休止符，不也很有趣麼？
參考文獻
[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.