水被譽為生命之源，它在支撐生命的過程中扮演著不可或缺的角色。歷經數百年的研究，科學家們已經揭示了水的許多特性和功能，但有關水分子的諸多深層奧秘仍然保持著神秘的面紗。水分子獨特的電子結構使得其氧原子成為一類優異的電子供體，能夠與多種電子受體形成有利的非共價相互作用。這些相互作用不僅在生物體內部的化學反應中至關重要，也在工業生產等人類活動中發揮著廣泛作用。盡管如此，科學界對水分子中氧原子角色的長期觀點較為單一，認為它僅限于作為電子供體。這種觀點可能在一定程度上長期制約著人類對水結構與功能的深入探索。
近年來，非共價相互作用成為化學與材料科學領域的研究熱點，其中硫鍵（chalcogen bonding）作為一種新興的非共價相互作用，引起了廣泛關注。硫鍵是一種特殊的相互作用，發生在第六主族元素（如硒、碲和硫）的σ空穴與電子供體之間，通過這種耦合形成了一種能量上有利的作用。研究發現，硫鍵在多個領域內展現出其不可替代的作用，包括陰離子的識別與萃取、晶體材料的構建、超分子自組裝、材料化學的創新以及在藥物設計和催化中的應用。盡管硫鍵的研究已經取得了豐富的成果，主要集中在硒、碲和硫這三種元素上，但對氧原子在硫鍵中作為受體的可能性仍存有爭議。作為電負性最強的第六主族元素，氧原子傳統上被認為不太可能參與形成硫鍵。然而，通過密度泛函理論（DFT）的計算研究，少數文獻開始探討氧原子作為硫鍵供體的可能性。但氧原子（特別是水分子中的氧原子）能否作為硫鍵供體參與形成硫鍵在實驗上依然是懸而未決的科學難題。
最近，湖南大學何清課題組發展了一類分子機艙（Molecular cabin）體系，通過將雙鋰離子一水合物穩定在分子機艙內，首次直接觀察到氧作為硫鍵供體參與形成的硫鍵。這項研究工作不僅證實電負性很大的氧原子也可以像其他第六主族元素（Te、Se和S）一樣能夠形成硫鍵，而且首次提出非共價極化（如陽離子極化）的主族元素也可能參與形成有利非共價相互作用。水分子中的氧原子在被陽離子高度極化的條件下可以作為電子受體或硫鍵供體與孤對電子或陰離子形成硫鍵作用。這打破了人們對水分子的傳統認識邊界，為深入探索水分子的功能及水的真實結構提供了新視角。這一重要研究成果以“The Missing Chalcogen Bonding Donor: Strongly Polarized Oxygen of Water”為題，發表在國際頂尖化學期刊JACS上。該研究的共同第一作者是湖南大學博士研究生張芹棚和碩士研究生羅柯，湖南大學何清教授擔任唯一通訊作者。
圖1.（a）已報道的基于Te、Se或S的硫鍵示意圖；（b） 水分子中氧原子作為電子供體參與形成的非共價鍵相互作用；（c）本工作所報道的水分子中氧原子作為電子受體的新型硫鍵（由綠色虛線表示）。
首先，作者通過商業可得的cyclen化合物與2，6-二（溴甲基）吡啶在Li2CO3作堿的條件下一鍋反應并未得到目標biscyclen 1的籠狀結構。相反，作者直接得到了biscyclen 1復合物的結構。作者通過單晶結構發現：biscyclen 1能夠將Li+···H2O···Li+復合物穩定在自身空腔內(圖2b-c)。其中，Li+···Owater鍵的距離約為1.87?，Li+···H2O···Li+之間的鍵角約為156.8-160.9°，這表明水-氧之間存在較強的陽離子-偶極相互作用。另外，作者還發現N1···O1和N6···O1之間的距離分別為2.78和2.74?，表明兩個吡啶單元和水之間形成了兩個氫鍵（圖2f）。然而，在氫鍵的背面，其他兩個N···O距離: N1′···O1和N6′···O1分別為3.20和3.18?。作者猜想，這兩個很短的N···O距離（N1′···O1和N6′···O）預示著氮氧兩個原子之間可能存在著弱的硫鍵相互作用。
圖2.（a）Biscyclen 1的化學結構；2Li+·H2O@biscyclen 1的（b） 俯視圖和（c） 主視圖。（d）在298K下，在DMSO-d6中測試得到的2Li+·H2O@biscyclen 1的部分1H NMR氫譜；（c，d）2Li+·H2O@biscyclen 1上Li+極化水和吡啶基單元之間的相互作用的分析。在（d）中，黑色虛線表示氫鍵，綠色虛線表示硫鍵。
為了驗證biscyclen 1中吡啶氮原子與捕獲的水分子中氧原子之間是否存在硫鍵相互作用，作者進行了一系列理論計算研究。首先，他們以2Li+·H2O@biscyclen 1的單晶結構信息為基礎，作為計算的起始坐標。通過對2Li+·H2O@biscyclen 1進行AIM分析，并繪制了相應的圖表（圖3a-b）。研究者計算得到了分子體系中鍵臨界點（Bond Critical Point, BCP）的電荷密度（ρ），其值在0.0064-0.0065 a.u.的范圍內，這一結果表明biscyclen 1中被極化的水分子氧原子與吡啶單元中富電子的氮原子（N1′和N6′）之間，確實存在著能量上有利的非共價相互作用。此外，正的拉普拉斯電荷密度（?2ρ）進一步證實了這種相互作用的存在，為理解硫鍵在復雜分子系統中的作用提供了重要的理論依據。
圖3.（a）復合物2Li+·H2O@biscyclen 1的AIM分子圖；（b）部分Li+極化水和2Li+·H2O@biscyclen 1中相鄰四個吡啶單元在BCP（棕色點）之間的鍵臨界點圖；（c） 表示HH2O···pyridinyl氫鍵和OH2O···pyridinyl的NCI表面（?0.05至0.05 a.u.）；（d） 2Li+·H2O@biscyclen 1的ELF分布；（e，f）2Li+·H2O@biscyclen 1上水分子中氧原子的σ*（OH）反鍵軌道與吡啶N σ孤對電子布居圖。
表1. 計算得到的 2Li+·H2O@biscyclen 1分子中部分鍵臨界點的性質（電荷密度（ρ）與拉普拉斯電荷密度（?2ρ）（單位：a.u.)））
接著，研究團隊通過對2Li+·H2O@biscyclen 1復合物進行非共價作用分析（NCI）揭示了一項有趣的發現：在分析圖3c中，被極化的水分子中氧原子與兩個吡啶氮原子之間的相互作用以綠色呈現（綠色代表弱吸引作用，藍色則代表強吸引作用），這表明在被極化的水分子氧原子與吡啶氮原子之間存在著弱的相互作用。此外，通過電子定位函數（ELF）計算，研究團隊觀察到兩個吡啶氮原子的電子云指向水分子中氧原子的σ空穴，進一步確認了以氧原子為中心的N···Owater硫鍵的形成（如圖3d所示）。此外，進一步的分子靜電勢（MEP）分析（圖4a）、自然鍵軌道（NBO）分析（圖3e-f）以及電荷密度分析（圖4b-c）一致說明：在2Li+·H2O@biscyclen 1復合物中確實存在以氧原子為中心的硫鍵相互作用。
圖4.（a）2個吡啶分子與H2O·2LiBr復合物的分子靜電勢圖；（b）2維和（c）3維變形電荷密度分布圖.
最后，作者提出了一個有趣的假設，即在高濃度鹽溶液中（如水合LiCl）也可能存在以水分子中氧原子為中心的硫鍵。為了驗證這一假設，團隊選擇H2O·(LiCl)2簇進行了一系列的密度泛函理論（DFT）計算，包括原AIM分析、非共價相互作用分析（NCI）、電子定位函數（ELF）和自然鍵軌道（NBO）等。通過這些系統的理論計算，研究團隊確實在LiCl水合物中觀察到了以氧原子為中心的硫鍵，驗證了他們的初始猜想。這項分析的結果揭示了一個重要的現象：在自然界中，尤其是在含鹽的水合體系中，以氧原子為中心的硫鍵不僅存在，而且可能是一種普遍現象。這一發現不僅為我們提供了對硫鍵性質和作用機制更深入的理解，也強調了在復雜溶液體系中探索非共價相互作用的重要性。
