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  • 發布時間:2022-04-13 18:40 原文鏈接: 氫鍵與分子間作用力概念辨析

      關于氫鍵,論壇爭論最多的在于不同筆者對氫鍵與分子間作用力從屬關系的爭論。

      傳統定義,將分子間作用力定義為:“分子的永久偶極和瞬間偶極引起的弱靜電相互作用”。隨著研究的深入,發現了許多用現有分子間作用力的作用機理無法說明的現象。比如鹵鍵,有機汞鹵化物時觀察到分子內鹵素原子與汞原子之間存在長距離弱的共價相互作用力,從而引入二級價鍵力(secondary valence forces)的概念。

      現在學術上,已經不再用“分子間作用力”來涵蓋全部的弱相互作用,而是用更準確術語“次級鍵”。氫鍵、范德華力、鹽鍵、疏水作用力、芳環堆積作用、鹵鍵都統稱為“次級鍵”。

      氫鍵是否屬于分子間作用力取決于對”分子間作用力“的定義。如果“分子間作用力”繼續被狹義指代“分子的永久偶極和瞬間偶極引起的弱靜電相互作用”。這樣氫鍵與分子間作用力性質也不完全相同,量子力學計算方法也不完全同……,更像并列關系,氫鍵就不屬于分子間作用力。而我們目前國內普通化學教材、百科大辭典等,就是這個定義,就是狹義指代范德華力。 [3]

      如果”分子作用力“定義指代一切分子的相互作用(這個定義也包括了長程和短程的相互作用),那么氫鍵也屬于分子間作用力,不僅氫鍵屬于,離子鍵力也屬于分子間作用力。《高分子界面科學》一書,張開教授認為引力常數項可將各種極化能(偶極、誘導和氫鍵能)歸并為一項來計算從這一角度出發,范德華力偶極矩相互作用系數可擴大范圍寫成靜電相互作用系數。這樣得到了關于靜電力的廣義范德華力。這樣分子間相互作用的分類一些文獻也有報道。《流體的熱物理化學性質—對應態原理及其應用》作者項紅衛教授認為分子作用勢能的三個類型統稱范德華力,包括定向力、誘導力和色散力,定向力來源于偶極矩產生的引力包括電荷、偶極和四級矩其相互作用由玻爾茲曼權重因子按1/kT冪指數展開可得到平均勢能函數。電荷、偶極和四級矩這些類型的相互作用十分相似均可認為服從Berthelot規律。由于色散力不會產生誘導作用,實際誘導相互作用按靜電力比例修正。

      張季爽和申成對于HF量子計算表明,氫鍵的形成至少四種不同類型的相互作用:1.HF偶極矩的取向力;2.HF分子最高被占用軌道與另一分子最低空余軌道發生軌道重疊和電荷轉移作用,即類共價鍵。3,分子間電子云的排斥作用。4.分子間的誘導偶極作用,非常微弱。氫鍵的本質也是靜電相互作用,主要是偶極作用能和靜電作用能近似可以用廣義范德華力計算式計算,氫鍵作用是氫鍵力的幾何平均值服從Berthelot規律。

      由此來看,氫鍵包含”分子間作用力“集合所構成的”元素“,兩個集合有交集。但是氫鍵還具有它所不具有的特征軌道重疊與電荷轉移。 [3]

      超強氫鍵具有類似共價鍵本質,在學術上有爭議,必須和分子間作用力加以區分。

      很多弱相互作用,既存在于分子內又存在于分子間(從量子化學角度來看);而且可以向化學鍵轉化。所以筆者建議用更嚴格的詞匯統稱為“次級鍵”,而不再用分子間作用力來涵蓋全部的弱相互作用。

      另外,由于存在爭議,其從屬概念的辨析取決于對”分子間作用“的基本定義。而加州大學伯克利分校的John M. Prausnitz指出:”我們對分子間作用力認識遠遠不夠,目前只局限于簡單理想情況“。 筆者認為因此在基礎教育,比如中學教育,不必嚴格區分從屬關系,重點在于了解性質。無論說氫鍵屬于或不屬于分子間作用力都不算錯誤。要將分子間作用力和氫鍵概念的辨析從屬關系的考試題可以從考試中剔除(考誰屬于誰是沒有意義的),可以休矣!學生更重要的在于了解,氫鍵的特性以及幾何平均關系、不嚴格飽和性和方向性、熔沸點、溶解度影響、穩定性以及π氫鍵等等。因為我們對分子間作用力認識遠遠不夠……我們可以參見2011IUPAC對氫鍵的重新定義來看。

      氫鍵是比我們以為的要更加模糊的實體。IUPAC的成員之一、印度科技大學的高塔姆·丹瑟拉朱表示:“它同明顯的邊界之間沒有相互關系。”

      丹瑟拉朱表示,這不僅僅與語義學有關。一個新的定義將對抗化學家們普遍接受的一種有關氫鍵什么時候、在什么地方出現的誤解,并且鼓勵他們思考氫鍵在新的環境——比如考慮到形成有機分子并采用一種以前認為不可能的反應方式下的影響。探索這條道路可能有助于我們研發出更加便宜的、更加環保的有機物,遠離目前對有毒的、昂貴且包含了珍貴金屬元素的催化劑的依賴。

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