Nat. Chem.：氫鍵，百歲快樂

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為何雪花總是六角形？為何水在常溫下是液態？為何冰能浮在水面上？其實這都是氫鍵神奇的魔力 [1]。據說，今年是氫鍵被提出的一百周年 [2]。之所以用「據說」，是因為有關氫鍵概念的提出時間一直存在爭議。不過，可以肯定的是，關於氫鍵的研究至少已經歷了一個世紀的歷程。

水分子間的氫鍵。圖片來源：Wikipedia [3]

1932年，鮑林（Linus C. Pauling）曾在他的論文中表示 [4]，「氫鍵」是由Wendell Latimer和Worth Rodebush於1920年明確提出的 [5]。隨後，鮑林在1939年正式出版了著名的書籍——The Nature of the Chemical Bond，把氫鍵的觀點確定了下來。

The Nature of the Chemical Bond。圖片來源於網絡

如今，高中課本中這樣描述氫鍵，「分子之間存在著一種比分子間作用力稍強的相互作用，這種相互作用叫做氫鍵」。2011年，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）將氫鍵定義更新，「氫鍵就是鍵合於一個分子或分子碎片Ｘ–Ｈ上的氫原子與另外一個原子或原子團之間形成的吸引力。有分子間氫鍵和分子內氫鍵之分，其Ｘ的電負性比氫原子強。可表示為Ｘ–Ｈ…Ｙ–Ｚ，其中『…』是氫鍵」 [6]。

早在1912年，Tom S. Moore和Thomas F. Winmill就意識到「氫鍵」的存在。這是因為他們在解釋伯/仲/叔胺水合物和季銨鹼之間的導電性存在很大差異時，設想三甲胺和水之間、季銨鹼與氫氧根之間存在較弱的作用力，即下圖中細線所表示的作用 [7]。這可能是關於氫鍵最早的暗示，儘管我們現在已經知道，圖中兩條「細線」所代表的含義並不相同。

圖片來源：JACS [7]

那麼，上個世紀20年代的科學發展到什麼水平了呢？簡單地說，如果你是一名高中生，穿越回100年前，憑藉你的化學知識都可以成為先知，讓當時的化學家們刮目相看。要是可以寫一部這樣的科學史穿越小說，或許可以碾壓各種網絡爽文穿越劇。

九年前的1911年，盧瑟福（Ernest Rutherford）通過著名的金箔實驗證明了原子核的存在，使得原子的行星模型推翻了1903年湯姆孫（J. J. Thomson）提出的葡萄乾布丁模型，儘管前者其實也是不正確的。一年前的1919年，盧瑟福剛剛利用α粒子轟擊氮核，並將發現的一種全新粒子命名為質子。而十二年後的1932年，查德威克（James Chadwick）才終於發現了中子。換句話說，1920年，科學界剛發現了電子，對質子還不太了解，中子更是未知物，對原子內所有東西的確切位置真的是一無所知。

原子的行星模型。圖片來源於網絡

化學家和物理學家不同，他們會從化學變化中思考原子結構以及與分子之間的關係。1916年，路易斯（Gilbert Newton Lewis）在The Atom and the Molecule [8] 一文中曾做出了準確的預言，他認為「在每個原子中都有一個核（原子核），其在所有化學變化中都是保持不變的」。要知道在當時，化學家還無法分辨共價鍵和離子鍵，比如，路易斯曾提出利用空格和冒號來描述化學鍵中電子的位置（如「Na:Cl」、「I:Cl」），並認為氯化鈉是一種極性極強的分子。

有人會說，那個時代是化學家的「立體主義（Cubism）」時期，整個科學界都在接受畢卡索（Pablo Picasso）等藝術家的影響和洗禮。物理學家對原子的理解還不足以為化學的發展提供準確的信息，於是，化學家們憑藉自己藝術般的想像力，開始了各種大膽的推測。例如，朗繆爾（Irving Langmuir）曾認為原子是「方方正正的」，他在The arrangement of electrons in atoms and molecules [9] 一文中描繪了水分子和臭氧分子的結構示意圖（下圖），其中八面體代表一個氧原子，「+」代表氫原子，共用邊代表單鍵，而共用面則代表雙鍵。

朗繆爾水分子（左）和臭氧分子（右）示意圖。圖片來源：Nat. Chem. [9]

這就是1920年，Latimer和Rodebush在發表論文時的情況。因此，我們很難苛求他們所用的科學概念在今天是精準的，但是他們的判斷和思考，在當時無疑是先進且大膽的。他們在討論「締合液體（Associated Liquids）」時提出，「一個水分子上的一對自由電子可能會對另一個水分子上的氫施加一定的力，將兩個分子結合在一起」，並意識到氫鍵和HF、H2O、NH3高沸點之間存在一定的關係。

這一理論對當時的衝擊無疑是巨大的，科學家們開始質疑，氫原子如何參與了兩個「共價鍵」（至少當時是這麼理解的）？不過，哈金斯（Maurice L. Huggins）和鮑林的研究在「氫鍵」概念的鞏固和傳播過程中，起到了關鍵的作用。1936年，哈金斯發表了關於氫鍵的論文，不但首次用「質子躍遷」解釋了氫離子在水中的移動速度，還詳細地討論了碳酸中的氫鍵和角蛋白摺疊中氫鍵對穩定構象的影響，並大膽地預測了氫鍵將在生物大分子研究中佔據重要地位[10]。

DNA雙螺旋結構中的氫鍵。圖片來源於網絡

隨著X射線衍射和紅外光譜分析的逐步完善，以及中子衍射和NMR核磁共振技術的興起，化學家及物理學家測量出一系列氫鍵的鍵能、鍵長以及鍵角數據。特別值得一提的是Waston和Crick在1953年用X射線衍射技術確定了DNA雙螺旋結構模型（上圖）[11]，氫鍵成為這個模型的重要組成部分。與此同時，第一屆國際氫鍵大會於1957年在南斯拉夫的盧布爾雅那舉行，關於氫鍵的研究受到了化學各個領域的關注。

第一屆國際氫鍵大會論文集。圖片來源：Amazon

隨著化學鍵理論的完善，化學家們對氫鍵的爭論一直沒有停止，氫鍵僅僅是一種分子間弱的靜電相互作用，還是類似於共價鍵存在部分電子云共享？有人甚至懷疑它到底存不存在。而另一方面，氫鍵的類型，也從簡單的強氫鍵，拓展到如今π型氫鍵、二氫鍵、反氫鍵、金屬型氫鍵等等。

1976年，Kitaura和Morokuma運用能量分解法（又稱為Kitaura-Morokuma能量分解法）將氫鍵的能量分解為靜電吸引能（Electrostatic）、極化能（Polarization）、交換互斥能（ExchangeRepulsion）、電荷轉移能（ChargeTransfer）以及一個差項（Coupling）[12]。此外，Coulson計算了水中的氫鍵，其中靜電成分佔了總能量的65%。這些結果暗示著氫鍵可能既包含共價性，又包含靜電相互作用，而後者可能是氫鍵的主要組成部分。Kitaura-Morokuma能量分解法也成為氫鍵鍵能分析的常用方法。

8-羥基喹啉團簇間的分子間氫鍵。圖片來源：Science [12]

2013年，中國科學院國家納米科學中心的裘曉輝研究員課題組在Science 上發表論文（上圖）[13]，他們利用原子力顯微鏡技術，觀測到分子間氫鍵和配位鍵相互作用，在國際上首次實現了分子間作用的直接成像。分子間氫鍵的「照片」被同年的Nature 評為年度最震撼的圖片之一（下圖）[14]。

圖片來源：Nature News [14]。

氫鍵無處不在。它是有機反應的幕後推手，是催化劑的設計指南，是生物體內的平行世界，是化學吸附的傳感器，是光譜紅移藍移的指南針，是材料組裝最後的機理解釋。關於氫鍵的研究還在繼續，且永無止境。如果你相信弱作用力的說法和一條細線，那麼就舉杯慶祝氫鍵誕生108周年；如果你更欣賞Latimer和Rodebush對氫鍵明確且豐富的描述，那麼，就舉杯慶祝氫鍵百歲快樂！

參考文獻：

[1] Why does ice float in water?

https://ed.ted.com/lessons/why-does-ice-float-in-water-george-zaidan-and-charles-morton

[2] Gibb B. C. The centenary (maybe) of the hydrogen bond. Nat. Chem., 2020, 12, 665-667. DOI: 10.1038/s41557-020-0524-2

https://www.nature.com/articles/s41557-020-0524-2

[3] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_bond

[4] Pauling L. J. Am. Chem. Soc., 1935, 57, 2680-2684. DOI: 10.1021/ja01315a102

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja01315a102

[5] Latimer W. M. & Rodebush W. H. Polarity and Ionization from the Standpoint of the Lewis Theory of Valence. J. Am. Chem. Soc., 1920, 42, 1419-1433. DOI: 10.1021/ja01452a015

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja01452a015

[6] Arunan E., Desiraju G. R., Klein R. A., et al. Defining the Hydrogen Bond: An Account (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry, 2011, 83, 1619-1636. DOI: 10.1515/ci.2011.33.5.25c

https://www.degruyter.com/view/journals/ci/33/5/article-p25.xml

[7] Moore T. S. & Winmill, T. F. J. Chem. Soc. Trans., 1912, 101, 1635-1676. DOI: 10.1039/CT9120101635

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/1912/CT/CT9120101635#!divAbstract

[8] Langmuir I. J. Am. Chem. Soc., 1919, 41, 868-934. DOI: 10.1021/ja02227a002

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja02227a002

[9] Lewis G. N. J. Am. Chem. Soc., 1916, 38, 762-785. DOI: 10.1021/ja02261a002

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja02261a002

[10] Huggins M. L. Hydrogen bridges in ice and liquid water. J. Phys. Chem., 1936, 40, 723-731. DOI: 10.1021/j150375a004

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/j150375a004

[11] Watson J. D. & Crick F. H. C. Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature, 1953, 171, 737-738.

https://www.nature.com/articles/171737a0

[12] Kitaura K. & Morokuma K. Int. J. Quantum Chem., 1976, 10, 325-340. DOI: 10.1002/qua.560100211

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/qua.560100211

[13] Zhang J., et al. Real-Space Identification of Intermolecular Bonding with Atomic Force Microscopy. Science, 2013, 342, 611-614. DOI: 10.1126/science.1242603

https://science.sciencemag.org/content/342/6158/611

[14] 365 days: Images of the year

https://www.nature.com/news/365-days-images-of-the-year-1.14303

（本文由小希供稿）