金陰離子也能形成真正的氫鍵

氫鍵,是化學中最重要的非共價作用力之一。近年來,科學家逐漸將目光轉向一類特殊的氫鍵——由金屬原子扮演氫鍵受體(也就是接受質子的一方)的作用力,但這類作用力究竟算不算「真正的氫鍵」,至今仍充滿爭議。科學家之所以關注它,部分是因為微弱作用力在金屬催化循環中扮演著重要角色。爭議的焦點之一,在於當提供氫原子的一方是 C−H 鍵時,金屬與氫的接觸往往和一般氫鍵有明顯差異。在眾多金屬中,金(Au)常被認為是理想的氫鍵受體,因為它具有很強的相對論效應、很高的電負度,以及很低的配位數。事實上,許多含金的晶體結構中都能看到金與氫的距離很近;但 Schmidbaur 等人表示,這些「很近」其實只是晶格堆積或抗衡離子作用所造成的假象,並非金與氫之間真正的吸引力。儘管後續有研究在金團簇及帶正電的金錯合物中,找到了 C−H···Au 氫鍵的證據,但科學家至今仍無法用光譜實驗直接證實 C−H···Au⁻(金陰離子)氫鍵的存在。困難之處在於:過去雖曾以甲烷(CH₄)作為提供氫原子的分子,但它與金陰離子的結合太弱、又由倫敦力(London Force)主導,並不適合用來檢驗真正的氫鍵。那麼科學家未來有辦法證實嗎?

近日,中國安徽師範大學的研究團隊,首次以光譜實驗證實了 C−H···Au⁻ 氫鍵確實存在。他們使用乙腈(CH₃CN)作為提供氫原子的分子,因為乙腈上拉電子的 −CN 基團會把電子密度往自己這邊拉,使 C−H 鍵更容易提供氫原子,且不會像 CH₃I 那樣與金陰離子反應。研究團隊在氣相中製備出 M⁻···CH₃CN(M = Cu、Au)錯合物,並以陰離子光電子速度成像光譜術(anion photoelectron velocity-map imaging spectroscopy)搭配密度泛函理論計算,測得 Au⁻···CH₃CN 的鍵能為 0.51 eV(Cu⁻···CH₃CN 為 0.43 eV,作為基準,突顯金的相對論效應),這樣的強度已可媲美許多常見的 O−H、N−H 氫鍵。研究團隊進一步做了能量分解分析,發現這樣的作用力約有 60% 來自靜電作用,而不是倫敦力,因而符合真正氫鍵的條件。

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