科学家首次"看到"了氢键的相互作用

八个月前,中国科学家使用原子力显微镜,成功首次对分子间的氢键进行了实空间观测。近日,麻省理工学院和芝加哥大学的科学家使用新开发的超速飞秒(千万亿分之一秒)红外光源,得以直接“看到”被氢键连接的分子之间的协调振动。这是人类第一次观察到这种在分子水平上随处可见的化学作用。

氢键通常被视为一些中性电荷分子稍带负电的一端和稍带正电的一端之间的相互吸引力。由于氢原子独特的极性性质,氢键能够发生在已经以共价键相连接的氢原子和另一个原子之间。通常,氢原子两边连接的原子电负性都较强。

化学家、论文第一作者路易吉·德马尔科(Luigi De Marco)对氢键的相互作用做出了解释:“氢键的连接是一个十分重要的化学反应,它支配着许多物理、化学和生物反应现象。”

德马尔科说道:“在溶液体系中,将会形成溶剂与溶质之间的强力氢键连接。当我们要研究比如水合溶剂和配体蛋白的连接时,氢键的这种动态相互作用就尤为重要。”氢键在生物大分子反应中也起到了关键作用,而且往往是发现新药物的关键。

但德马尔科同时表示:“一般来说,这种氢键连接的分子的相互作用很难被观测到,这是因为会有来自非相互作用的其他‘噪音’信号。不过,我们已经开发出了一项技术,可以直接探测这种相互作用的实时动态变化。”

德马尔科解释了这项技术的发展:“实际上我们的研究小组在几年前已经开发了类似的技术。简单来说,我们发明了一种方法,来生成一种很短的红外脉冲,但具有难以置信的广谱性。这让我们能够在光谱上把氢键的振动和系统中的其他振动区别开来,这就是我们如何‘直接’观察到氢键的相互作用的。”

德马尔科和芝加哥大学的化学家安德烈·托克马科夫(Andrei Tokmakoff)在研究中使用了N-甲基乙酰胺,它在有机溶液里能形成中等强度的氢键。他们用二维红外光谱来直接表征氢键的结构参数,比如连接的两个分子之间的距离和氢键的配置等等。这些信息可以用溶质-溶剂体系内红外光谱显示出的分子间的交叉峰来表示。

“这就好比你去‘拨动’一个分子键,从而去观察这种‘拨动’如何影响到另一个分子。” 托克马科夫说道,“在我们的实验里,由于约束比较强,你需要同时‘拨动’氢键两端的分子。”

对中国科学家首次“观察”到氢键的成就,德马尔科表示了钦佩:“他们非常精确地观察、测量出了氢键。那是一个美丽的实验,深刻地洞察了氢键的分子结构。”

同时德马尔科也表示,他和托克马科夫的工作是不同的:“我们并不直接得出氢键的结构解析,我们所追踪的是氢键在100飞秒天然尺度里的运动。在溶液里,氢键的相互作用是很重要的。”

德马尔科和托克马科夫今后的工作可能涉及将其他生物分子的相互作用进行可视化,比如蛋白质和DNA的动态变化等等。

“你不能只把水想象成一种溶剂,” 托克马科夫说道,“你要知道,它在所有的地方,特别是生物学方面有巨大的作用。很多计算生物学都忽略了水分子的真实结构,和它真正的量子力学性质。”

氢键连接的分子的振动


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