2026-07-17 09:30:58, 色谱冢 月旭科技
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在液相色谱实验室里,乙腈和水可以说是天天“抬头不见低头见”的老朋友了。但天天使用它们,不知道大家有没有想过这样一个偏学术、又很接地气的物理化学问题:
当乙腈混入水中时,它们之间到底有没有形成氢键?
很多老工程师认为:“乙腈是非质子性溶剂,分子里没有活泼氢,怎么可能形成氢键?”
当然,也有人提出不同观点:“不对啊,乙腈里不是有个氮原子吗?应该可以参与氢键作用吧?”
今天,我们就来一起探讨一下这个问题。
首先我们来看一下乙腈溶于水产生了什么力。
因为乙腈的极性相对正己烷、苯等有机溶剂的极性和水更相近,因此偶极矩也更相近,偶极作用力自然更强,这足以令乙腈和水能够任意比例混溶。
但是否存在氢键作用力,却是有很多不同的看法。通过查阅很多资料,目前学术界也能给出一个明确的结论:
有,但这是一场极端不对称的“单相思”氢键。
我们都知道,氢键是一个网络。水中正因为存在这种网络型的氢键,因此沸点才较高。
而要形成氢键,必须有两个角色:
● 一个负责出氢(氢键供体,H-donor);
● 一个负责用孤对电子去拉住这个氢(氢键受体,H-acceptor)。
水中之所以能够形成网络型的氢键,是因为其同时具有:
● O−H 键(超级供体);
● 氧原子的孤对电子(超级受体)。
而乙腈它就很偏科了。它的甲基上的氢非常不活跃,无法作为氢键供体;但它尾部的氰基(−C≡N)上的氮原子,却拥有一对极为密集的孤对电子,是极强的氢键受体。
所以,当乙腈遇到水,氢键还是可以发生:
水分子主动伸出 O−H 这只手,死死拽住了乙腈氰基上的氮原子(写成 O−H⋯N≡C−CH3)。
这就是它们之间存在的氢键,但这只存在于“水往乙腈贴”的单向通道上,乙腈自己是没法去“贴”水分子身上的氧的。
另外一点,为什么“乙腈+水”混合会变得冰凉?在配制流动相时,我们经常能直观感受到烧杯或流动相瓶身的温度。
当把甲醇和水混在一起,烧杯会微微发烫:(放热反应,体积还会收缩);
但如果把乙腈和水混在一起,杯壁会变得一片冰凉:(吸热反应)。
既然乙腈和水之间能形成氢键,按理说形成新的键应该放热才对,为什么反而变冷了?
因为水本身就是一个稳定的体系,在没有乙腈打扰时,水分子自己和水分子之间靠着强烈的O−H⋯O 三维氢键网络紧紧抱团。
当乙腈强行插足时,它的甲基由于疏水性,会像一堵无形的墙,强行拆散了水分子之间的完美三维氢键网络。
虽然水分子随后和乙腈的氮原子形成了新的 O−H⋯N 氢键,但这个新氢键的强度,远远补偿不了水之间O−H⋯O氢键被强行拆散所损失的能量。
因此,整体结果表现为“拆桥比建桥更费力”,系统吸收热量(△H>0),杯子摸起来就冰冰凉凉的。
虽然在宏观上,乙腈和水能以任意比例互溶,但在微观的纳米尺度上,它们其实都在“各玩各的”(化学上称为微观非均相现象)。
由于乙腈只能做接受体,又带着个大甲基,水分子在微观上非常嫌弃它。在特定的混合比例下,水分子会自动缩成一团形成“水簇”,乙腈分子也自动扎堆形成簇团。
这对于液相色谱方法开发有着深远的影响。
例如:基线噪音与混合不均就是因为它们在微观上爱“抱团”,如果你用液相仪器的双泵在线混合乙腈和水,微观上的组分波动会转化成检测器上的基线噪音。
这就是为什么很多老工程师会建议:对于高灵敏度的分析,最好手动预混好流动相。
另外,在使用乙腈水溶液对样品进行提取时,如果样品含盐量较高,也有可能使体系离子强度增大,从而导致乙腈水溶液发生两相分离,影响提取效果。
在做方法开发时,我们需要搞懂这层微观的分子博弈。什么时候用什么溶剂,效果如何,不能只记结论,更要弄明白其中的“为什么”。这样才能高效解决问题。
作者:色谱冢(月旭公众号签约撰稿人)
排版:林子
审核:裴海洋 王进富
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