強氫鍵的研究進展

基金項目： 國家自然科學基金（項目編號：22073069、21773082）；河北地質大學2023年度國家預研項目（項目編號：QN2022006）。

收稿日期： 2023-01-30

作者簡介： 王曉娟（1997-），女，山西省運城市人，碩士，2023年畢業于溫州大學化學與材料工程學院，研究方向：物理化學。

通信作者： 丁益宏（1970-），男，教授，博士，研究方向：計算化學。

田曉（1995-），女，博士，研究方向：計算化學。

摘""""" 要： 強氫鍵是介于氫鍵和共價鍵之間的一種相互作用。自1968年發現[HX2]-和[HXY]-結構具有強氫鍵特征以來，關于“短、強”或“低勢壘”氫鍵的研究一直成了人們感興趣的話題。著重介紹了強氫鍵的電子結構以及其在生物、化學和材料設計等方面的應用，最后對強氫鍵未來在分子設計領域的發展進行了展望。

關" 鍵" 詞：強氫鍵；電子結構；材料設計

中圖分類號：O641.2"""" 文獻標識碼： A"""" 文章編號： 1004-0935（2024）02-0250-05

HIBBERT[1]等將氫鍵劃分為三類：非常強 （gt;100.42 kJ·mol-1）、強（50.21～100.42 kJ·mol-1）和弱（8.37～50.21 kJ·mol-1）。人們普遍認為形成強氫鍵的先決條件為pKa均衡原理[2]，對于質子，其更有可能填充在pKa較高的地方，通常pKa較高的部分作氫鍵供體，pKa較低的部分作氫鍵受體。當氫鍵供體和受體的pKa接近時，質子在兩部分之間的轉移能壘最低，此時質子供體和受體部分耦合最大，導致形成較短的氫鍵，此時可形成強氫鍵。到目前為止，[FHF]-之間極短的F—F距離使其成為單勢阱氫鍵，它也是目前為止最強的氫鍵，其能量為"" 191.63 kJ·mol-1[3]。

強氫鍵（SHB）的物理化學表征方法包括X射線晶體學、中子衍射、紅外光譜（IR或FTIR）、核磁共振光譜（NMR）和量熱法。強氫鍵質子的紅外拉伸頻率變得更寬，并且它們所處的頻率變得非常低。另外，參與強氫鍵的質子顯示出非常靠前的核磁共振化學位移，其質子化學位移為δ=16～21[1]。而測量氫鍵強度的一種簡便而常用的方法是？pKa。

強氫鍵與普通的氫鍵在很多方面都不同，首先是鍵型描述方面：普通的氫鍵是受體A和共價鍵合到供體D上的氫原子之間的相互作用，它通常描述為正電荷質子和負電荷受體之間的靜電吸引。而在強氫鍵中，質子在D和A之間共享，并且涉及鍵合原子之間的電子再分配，因此，最好將SHB描述為共價三中心四電子鍵[4]，而不是經典的靜電現象。其次是鍵長和鍵能方面：在強氫鍵中，氫原子和A之間的距離遠小于二者的范德華半徑之和[5]；強氫鍵鍵能被認為應大于50.21 kJ·mol-1[1]。最后是勢壘個數方面：對于普通氫鍵，由于供體-受體分離較大，勢能最低點位于它的共價鍵D—H鍵靠近D的地方，此時會出現對稱或者非對稱的雙阱勢壘。而在強氫鍵中，隨著D···A距離的縮短，氫原子的穿梭勢壘減小，直到質子的零點能超過它，最終產生平底單阱勢，此時質子成為D和A之間離域的受限離子[4]。

此外，強氫鍵在很多方面都起著至關重要的作用，例如酶催化[6]、信號傳導[7]、配體結合[8]、大氣和星際化學[9]、質子傳輸[10]和離子水合作用[11]。長期以來，關于強氫鍵的電子結構是否存在共價鍵成分以及強氫鍵是否在酶催化反應中發揮著重要的作用這兩個方面一直為化學界和生物界的關注點。

1" 強氫鍵電子結構分析

在20世紀20年代到50年代，已有證據表明[FHF]-中存在強氫鍵，這種具有強氫鍵的離子被認為是一種特殊情況。一般來說，最強的氫鍵存在于離子化合物中，并被認為是部分共價的[12]。很早就有人注意到強氫鍵具有共價性質了，例如PAULING報道稱在[FHF]-中有2個等價的共價鍵[13]。另外還有一些實驗數據也表明強氫鍵含有部分共價性質，例如利用X射線和中子衍射數據對苯甲酰丙酮分子內氫鍵進行低溫研究后，發現氫原子兩側的靜電作用和共價鍵均穩定了氫的位置。

眾多化學家也從理論角度分析了這一爭議。PERRIN[14]等通過研究生物分子和小模型化合物中氫鍵的結構和能量，尤其是存在強氫鍵的物質，重點研究了強氫鍵是否除了靜電吸引之外還存在一定程度的共價鍵，是否因為額外穩定的特殊情況才導致形成異常強的氫鍵。他們認為除了經典的靜電吸引，量子-力學相互作用可能也有助于穩定一個強氫鍵。他們認為正是由于以下3個方面才使得電子能夠達到充分離域[15]：A—H···B-和A-···H—B這2種共振形式在能量上非常接近；分子軌道必須由A和B中具有相似能量的原子軌道構成AH和BH應該具有幾乎相同的pKa值。

GERLT[16]等認為當相互作用的原子之間范德華半徑重疊時，鍵能分解為靜電部分和共價部分一定是任意的。簡而言之，強氫鍵供體原子和受體原子的范德華半徑重疊，而氫原子幾乎完全重疊。因此，很明顯，不可能進行唯一的分解，短的強氫鍵具有重要的非靜電貢獻。GILLI和合作者引入了所謂的靜電共價氫鍵模型（ECHBM）[17]，并總結了以下有關氫鍵的特征：弱氫鍵之間為靜電相互作用，氫鍵強度增加共價成分增多，非常強的氫鍵原則上被描述為三中心四電子共價鍵；最強的氫鍵應該是同核和對稱的，因為只有在這種情況下，2個共價鍵才是等能量的，才可以發生有效的耦合。DESIRAJU[18]指出氫鍵的本征性質是靜電相互作用，但這種性質可以不同，一些氫鍵具有電荷轉移性質，這是由于存在部分共價作用而引起的。同時，他還聲稱，氫鍵是一種復雜的相互作用，是由靜電（酸/堿）、極化（硬/軟）、范德華力（色散/排斥力）和共價（電荷轉移）鍵組成的整體。

強氫鍵似乎有一些特定的特征：它們在本質上是共價的或者至少是部分共價的，這歸因于電荷轉移能，在這種情況下，巴德理論[19]的應用是非常有用的；由于中等強度氫鍵和弱氫鍵主要是靜電相互作用，對于強氫鍵，電荷轉移能量項有顯著貢獻。應用能量分解方案也有助于加深對這些相互作用性質的理解，研究表明，離域相互作用能項對于強氫鍵非常重要[20]。

DEREKA[21]等在2021年發表于Science上的一篇文章進一步支持了上述觀點：氫鍵可以解釋為經典的靜電相互作用，如果相互作用足夠強，也可以解釋為共價化學鍵，因此，短的強氫鍵存在于定性描述不同的鍵型之間的交叉點上。之前很少有實驗方法可以幫助理解這種2類化學鍵的交點，但[FHF]-代表一個裸露的短氫鍵，飛秒二維紅外光譜揭示了其在水中獨特的振動勢，顯示了質子運動的超諧波行為。結合高水平的量子化學計算，顯示了從傳統氫鍵到短的強氫鍵之間光譜性質的明顯交叉，這也確定了氫鍵結束以及化學鍵開始的位置。

2" 強氫鍵在各種領域中的重要應用

2.1" 酶催化反應

強氫鍵在許多化學反應中都是非常重要的，尤其是其在酶催化反應中所扮演的角色往往是早期研究的關注點[22-23]。這一課題一直以來在生物界和化學界都存在激烈的爭論。GUTHRIE著重研究了在溶液中分離的反應物之間形成氫鍵的標準自由能。SCHEINER[24]、HERSCHLAG[25]和其他人關注氫鍵供體和受體的質子親和力精確匹配的重要性。GERLT[16]等則認為酶催化反應中關鍵的問題應該是當酶-底物復合物轉化為反應中間體或過渡態時，氫鍵強度是否會大幅增加。這種增加可以通過使成鍵堿基的強度更接近、通過壓縮、通過擠壓無序水、通過引入補充氫鍵等方法來實現。

PERRIN[26]使用同位素微擾方法來尋找溶液中對稱或者單勢阱的氫鍵，這種低勢壘氫鍵被認為是異常強的。事實上，所有所謂的強對稱氫鍵的例子都是在溶液中作為不對稱互變異構體存在而被發現的，這種不對稱性可以歸因于環境的局部溶劑化，他們認為如果局部環境的無序性足以打破對稱性，那么對稱性本身就不足以穩定氫鍵，對稱的氫鍵也沒有增強的穩定性或者不尋常的強度。這種氫鍵在酶催化反應中發揮重要作用并不是因為氫鍵本身的任何不尋常的強度，而是因為“應變”的緩解。PERRIN[14]等認為在酶的底物配合物中，由于其pKa值不匹配，它的氫鍵是較弱的。而如果酶-中間復合物轉化為因pKa值相匹配而形成的低勢壘氫鍵物質，隨之而來的自由能降低可以用來穩定中間體并降低其形成所需活化能[27]，低勢壘氫鍵可以更好地用于穩定過渡態。低勢壘氫鍵可能不是酶催化反應的關鍵特征，但它可能是許多不同貢獻的總和，包括氫鍵、靜電和疏水相互作用以及底物在酶上的正確定位。

與上述觀點不同的是，GERLT[16]等討論了酶中的氫鍵以及在晶體和溶液中的小分子類似物，他們通過結構特征和光譜特征來識別短、強、低勢壘氫鍵，進一步堅持了酶活性位點處存在短、強氫鍵以及短強氫鍵加強了酶促反應速率的觀點，同時他們也為酶催化反應過程中氫鍵強度發生變化的可能性提供了證據。短強氫鍵在酶催化反應中作用的一個例子可以在5-3-酮類異構酶（KSI）中找到，這是加快酶催化反應的范例[28]。

2.2" 燃料電池

在磷酸和硫酸等酸性溶液中的氫由于強氫鍵的存在表現出較高的質子導電性。利用這一特性，磷酸（無水磷酸或濃縮磷酸溶液）已被用作磷酸燃料電池（FCs）中的電解質[29]。然而，液體電解質不能保留其液體性質，因此很難單獨使用它們。而作為以磷酸鹽為基礎的固體電解質材料就可以彌補這一不足，到目前為止已經有很多研究報道了無機固體酸如CsH2PO4和磷酸鹽玻璃的使用[30-31]。

2.3" 新型鈹配合物的設計

MCCLESKEY[32]等比較了鈹（Be）和H+，并表明鈹可以在許多“強氫鍵”中取代H+。其中Be作為一個“四面體質子”（O—Be—O角是四面體，而不是近線性的O—H—O角），其為熱力學上的首選。該類型強氫鍵有2個優點：首先，當一個強氫鍵中的O—X距離在2.4～2.8 ？范圍內時，會使得2個氧原子進入鈹的一個預備的螯合結合位點；第二，強氫鍵提供了一個較低的勢壘路徑，可以通過將質子轉移到酸性更強的位置而不需要破壞強共價O—H鍵；最后，與強氫鍵相關的低質子轉移勢壘為Be結合提供了動力學途徑。基于這一概念，人們設計了新的配體并將它們與Be結合，使Be在磷酸鹽介質中溶解，并可用作熒光顯像劑。MCCLESKEY[33]等用強氫鍵的概念選擇了一種新的三齒酸熒光劑來結合Be，而二甲亞砜（DMSO）中游離BHPP配體的質子核磁共振證實了強氫鍵的形成。肺表面活性劑蛋白D與模擬細菌細胞壁的糖殘基結合的高分辨率晶體結構表明，與糖的羥基部分的結合是通過蛋白質的羧酸殘基發生的，這些殘基在復合物中形成強氫鍵[33]。強氫鍵結合模型在潛在的螯合治療方面也有一定意義。由于在整個生物系統中存在許多強氫鍵位點，因此單純基于熱力學的考慮，很難明確哪些蛋白的結合位點更有競爭力。相反，治療策略應該集中于簡單地使用大量的無毒物質，如檸檬酸或開發四配位復合物，使其可以結合Be。

3" 結 論

DEREKA等利用先進的光譜工具來研究氫原子的運動，即分子振動，表明[FHF]？在水中作為一個對稱結構而存在。溶液中2個氟離子之間的距離很短，以至于質子處于完全對稱的勢阱中，2個氟離子之間沒有勢壘。廣泛的計算研究表明，這類鍵既不是簡單的共價鍵，也不是簡單的氫鍵，原子部分電荷的純相互作用不足以定量描述氫鍵[34]。

強氫鍵中巨大的鍵能說明該單元具備良好的結構穩定性，這解釋了在很多化學體系中可以觀測到強氫鍵存在的大量實驗事實。隨著在越來越多的物質中檢測到強氫鍵，將強氫鍵應用于更加廣泛、不同領域的材料設計將吸引越來越多的研究興趣。需要指出，盡管在自由狀態下，強氫鍵的鍵能非常大，非常適合針對陰離子的光譜學研究，但如果將強氫鍵應用于材料研究中，整個體系應該是電中性的，那么其周圍的環境（如反離子、溶劑）對強氫鍵的熱力學和動力學穩定性就必須被協同考慮。此外，包含強氫鍵的陰離子往往具有非常大的垂直電子脫附能（VDE），例如[FHF]-的VDE的計算值為""" 6.45 eV[35]，遠大于作為超鹵團簇基準的Cl-（VDE=3.61 eV）。顯然，強氫鍵陰離子完全具備作為超鹵離子的特點。超鹵離子在合成[36]、提高聚合物的導電性[37]和生產有機金屬、有機超導體、超酸復合材料以及非線性光學材料[38-40]等領域具有非常重要的應用。因此，以強氫鍵作為超鹵離子的材料設計將是一個非常有潛力的研究課題。

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Research Progress of Strong Hydrogen Bonds

WANG Xiaojuan 1， DING Yihong1*， TIAN Xiao2*

（1. College of Chemistry and Materials Engineering， Wenzhou University， Wenzhou Zhejiang 325035， China;

2. School of Mathematics and Physics， Hebei GEO University， Shijiazhuang Hebei 050031， China）

Abstract：" A “strong hydrogen bond” is a kind of interaction that possesses the strength between hydrogen bond and covalent bond. The study of \"short， strong\" or \"low barrier\" hydrogen bonds has been a topic of interest since the structures of [HX2]- and [HXY]- were found to feature strong hydrogen bonding characteristics in 1968. In this paper， the electronic structure of strong hydrogen bond and its applications in biology， chemistry and material design were reviewed. In the end of the article， the future development of strong hydrogen bond in molecular design was prospected.

Key words：" Strong hydrogen bond; Electronic structure; Material design