化学键的模糊地带,科学家发现具共价键强度的新型氢键

大家都知道氢键与共价键的不同,前者一般被认为依靠弱电吸引力结合,后者则是一种强化学键。但现在,科学家发现了一种与共价键同样强大的新型氢键,它也涉及电子共享,模糊了氢键与共价键之间的区别。

氢键和共价键的本质并不相同,作用强度也差很多,共价键(Covalent bond)是非金属原子彼此共享外层电子所形成的一种化学键,能将分子结合在一起组成较稳定和坚固的化学结构;氢键(Hydrogen bond)则是分子之间的作用力,若要形容的话,氢键像男女朋友,看对眼就在一起,感情淡了就和平分手没有名份束缚,共价键则像有一纸婚约在身,要分要离都比较麻烦点。

然而氢键却在生命构成中占据重要地位,因为拥有双螺旋结构的DNA就是靠着氢键结合在一起,化学家也知道某些氢键似乎比其他氢键更强。为了探讨氢键可以强到什么程度,芝加哥大学化学家Andrei Tokmakoff团队将氟化氢化合物溶解于水中进行实验,却发现惊人的结果。

按照常理,研究人员预期看到氢原子通过共价键与一个氟键结合、然后通过氢键与另一个氟键结合。然而进行实验却发现氢原子被另外2个氟原子挤压在中间,就像在共享电子的共价键,而不是氢原子通过共价键与一个氟原子紧密结合、然后通过另一个氢键松散地与另一个氟原子结合。

这种情况下,共价键与氢键的差异不再明显。

后续计算机计算表明,发生这种行为取决于2个氟原子之间的距离。当氟原子彼此靠近时,它们之间的氢被挤压,让氢键变得更强,直到3个原子开始以共价键形式共享电子形成单链,研究人员称之为氢介导的化学键。但如果氟原子距离较远,则仍适用常规的强共价键与弱氢键结合模式。

研究认为氢介导的化学键不能被称为纯氢键或纯共价键,它实际上更像两者混合体,虽然这项发现引发了“化学键是什么”的反思,不过团队实验表明,当分子在溶液中相互碰撞时,这些类似共价键的强氢键可能会瞬间出现。

由于很多科学家认为强氢键在蛋白质氢化物运输、燃料电池中的质子交换等方面具正面效益,更加了解氢键可能有助于科学家改良这些过程的设计。

新论文发布在《科学》(Science)期刊。

(首图来源:pixabay)

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