陕师大李霄云团队/麻省大学邢宝山团队/中国海大郑浩团队合作ES&T：可电离有机化合物和碳质材料之间电荷辅助氢键形成的直接光谱证据

成果简介

新型污染物治理是国家生态环境保护“十四五”规划中的工作重点方向，国务院办公厅也于2022年5月24日印发关于《新污染物治理行动方案》。近日，陕西师范大学李霄云课题组、美国麻省大学邢宝山课题组和中国海洋大学郑浩课题组在Environmental Science & Technology上发表了题为“Direct spectroscopic evidence for charge-assisted hydrogen-bond formation between ionizable organic chemicals and carbonaceous materials”的研究论文（DOI：10.1021/acs.est.2c00417）。电荷辅助氢键（CAHB）在碳质材料高效吸附去除可电离有机化合物（IOCs）的过程中可起到关键作用，但其形成的直接证据目前仍不清楚。本研究选择三种药物类污染物（PCs）作为IOCs的代表，通过核磁共振氢谱（¹H NMR）、傅里叶红外光谱（FTIR）和DFT计算探究了IOCs和功能化碳纳米管（CNTs）之间形成CAHB的直接证据，即在FTIR的更高频率处（3787 cm^-1）和¹H NMR的极低场区域（< 18.0 ppm）出现新的特征峰，并量化了CAHB作用机制在CNTs吸附IOCs中的强度和贡献。本研究从理论上证明了CAHB吸附机理存在的客观性，首次在分子学层面上获得了CAHB形成的直观光谱学证据，这对IOCs在环境中的命运、风险和控制具有重要意义，为后续人为调控去除环境中新污染物提供了新思路。
       引言

可电离有机化合物（Ionizable organic chemicals, IOCs）是包括药品、农药、全氟化合物和个人护理品等一大类有机污染物，大量排入到水环境中的IOCs会对水生生物和人类造成严重危害（如性功能障碍、致畸作用和细菌耐药性）。此外，进入水环境的IOCs务必会与其中广泛分布的矿物、有机大分子、热解炭和微塑料等相互作用，从而改变IOCs的地球化学行为（如吸附、解吸、迁移和毒性）。因此，揭示IOCs地球化学行为的驱动力不仅对去除污染水体中的IOCs非常重要，而且对预测或降低IOCs对生态和人类健康的潜在风险也至关重要。碳质材料，包括CNTs、活性炭、石墨烯和生物炭，因其较大的表面积、丰富的孔隙结构和官能团而被推荐成为去除水环境中IOCs的有效吸附剂。由于IOCs易解离，表面通常带电荷，因此除了疏水和π-π相互作用外，电荷驱动的相互作用（如静电和氢键相互作用）通常被认为是碳质材料吸附IOCs的主要作用力。但值得注意的是，这些碳质材料和IOCs在自然环境（pH 5.0~10.0）中大多带负电。因此，两种带负电的有机分子之间由于静电排斥不太可能形成基于静电引力的普通氢键（Ordinary H-bond, OHB）。但一种被称为电荷辅助氢键（Charge-assisted hydrogen bond, CAHB）的异常强氢键可以在具有相似质子亲和力的带电氢供体和氢受体之间形成（|ΔpK_a|<5.0），并伴随着溶液pH值的上升，它的键长比OHB（|ΔpK_a|>5.0）更短，键能也更强。近年来，这种CAHB强相互作用在各种碳质材料吸附IOCs时通过吸附后溶液pH的上升和热力学理论计算被不断地探究和理论推断及验证。然而，由于在之前的研究中发现弱有机酸和氧化矿物表面形成配体交换作用时也会导致溶液pH值的上升，因此该现象并不能作为CAHB形成的充分证据。那么，获得CAHB形成的直接光谱证据就显得尤为重要。此外，具有共价键特性的CAHB的键能比OHB强4倍以上，那CAHB是否会对IOCs的吸附行为有更大的贡献和不可逆吸附程度呢？从而影响IOCs的环境地球化学行为。针对以上科学问题，本研究探究了三种典型PCs（氯贝酸：CA；对乙酰氨基酚：ACT；对氨基苯甲酸：PABA）在不同功能化CNTs（氧化CNTs：O-CNs；氨基化CNTs：N-CNTs；石墨化CNTs：G-CNTs）上的吸附解吸行为，通过H/D同位素替换实验、傅里叶红外光谱（FTIR）和核磁共振氢谱（¹H NMR）表征，以期在分子水平上探寻CAHB形成的直接光谱证据，同时采用解吸滞后指数、解吸释放率和密度泛函理论（DFT）计算量化CAHB在CNTs 吸附 IOCs 时的强度和贡献。
       图文导读

三种药物类污染物在不同CNTs上的吸附

药物类污染物（Pharmaceutical contaminants, PCs）在三种CNTs上的等温吸附以及pH影响如图1所示。PCs在O-CNTs和N-CNTs上的吸附量（比表面积归一化）始终高于G-CNTs，这是G-CNTs表面缺乏官能团导致的，而且发现PCs在O-CNTs和N-CNTs上的吸附自由能（E，通过D-R吸附模型计算）均大于8 kJ/mol，但在G-CNTs上的E值却小于8 kJ/mol。以上结果表明PCs在O-CNTs和N-CNTs上的吸附涉及化学共价相互作用，导致更高的E值。此外，三种PCs在O-CNTs和N-CNTs上的吸附亲和力（K_d）顺序不同。如CA/PABA在O-CNTs上的K_d值高于N-CNTs，而ACT在O-CNTs上的K_d值却低于N-CNTs。在实验pH（7.0）条件下，99.5%以上的CA和PABA以阴离子状态存在，此时O-CNT表面带负电，N-CNTs表面带正电。理论上来说，CA/PABA和O-CNTs、ACT和N-CNTs之间存在静电排斥作用，所以CA/PABA和N-CNTs、ACT和O-CNTs之间的静电吸引和电子供体受体相互作用应导致更强的吸附亲和力。但相反的实验结果说明静电吸引和电子供体受体相互作用不是影响吸附结果的主要因素。

图1. CA（A）、PABA（B）和ACT（C）在三种CNTs上的吸附等温线和对应的吸附分配系数（K_d）。不同pH条件下，三种PCs在G-CNTs（D~F）、O-CNTs（G-I）和N-CNTs（J-L）上的K_d值与pH依赖辛醇-水分配系数（logK_ow^pH）的对比。氯贝酸：CA；对乙酰氨基酚：ACT；对氨基苯甲酸：PABA。

进一步研究发现，随着pH值增加，三种PCs在CNTs上的K_d值随着其疏水性（logK_ow^pH）的降低而显著降低（图1D~L），这强调了疏水作用在PCs吸附过程中的重要性。但值得注意的是，O-CNTs吸附CA/PABA以及N-CNTs吸附PABA/ACT后的K_d值显著高于与PCs的logK_ow^pH，如果疏水作用是主导PCs吸附过程的主要因素，则K_d值曲线应和logK_ow^pH曲线重合（如PCs在G-CNTs上的两条曲线）。因此，PCs和CNTs之间还存在其它强相互作用来抵消PCs和CNTs之间的静电排斥以及随着pH增加而降低的疏水作用，从而促进PCs在O/N-CNTs上的吸附。CAHB作为一种短强氢键可以在具有相似质子亲和力（|ΔpK_a|<5.0）的两种有机分子之间形成，其在之前的研究中已被证明可以克服IOCs和富O/N功能材料之间的静电斥力从而促进IOCs的吸附，并伴随着溶液pH的升高。但正如引言中提到的一样，溶液pH的升高不能作为CAHB形成的直接证据。因此，获得CAHB形成的直接证据尤为重要。

从核磁共振氢谱和红外光谱中获得CAHB形成的直接证据

图2. O-CNTs在不同溶剂（H₂O或D₂O）中吸附CA、ACT和PABA前后的¹H NMR（A）。红色、灰色和绿色区域分别代表脂肪族H、芳香族H和强氢键信号区域。氘化（将H₂O替换为D₂O）前后CA和O-CNTs之间形成CAHB或配体交换相互作用的示意图（B）。溶剂（H₂O）参与了CAHB的形成，但不参与配体交换的形成。不同功能化CNTs吸附CA、ACT和PABA前后的FTIR（C~E），以及PCs自身的FTIR（F）。在FTIR中较高频率（3787cm^-1）处出现新的特征峰，这证明了CAHB的形成。

在本研究中，O-CNTs和N-CNTs与PCs之间形成的氢键可分为OHB（|ΔpK_a|>5.0）和溶剂辅助的CAHB（|ΔpK_a|<5.0）。溶剂辅助的CAHB和配体交换之间的本质区别就是溶剂（H₂O）是否参与。如果溶剂参与成键，将形成CAHB；否则，将形成配体交换。因此，首先通过H/D同位素替换的¹H NMR来区分CAHB和配体交换（图2A），可以发现O-CNTs吸附CA/PABA、N-CNTs吸附ACT/PABA后，在¹H NMR的极低场区域（< 18.0 ppm）出现新的特征峰，这可作为CAHB形成的有力证据之一。有趣的是，当溶剂（H₂O）被D₂O替代后，极低场区域的特征峰消失了，进一步直接证实了溶剂的氘（D）或氢（H）原子参与了这种强氢键的形成，即是CAHB而不是配以交换（图2B）。此外，FTIR是表征氢键的重要光谱技术之一，当氢键强度增加时，H供体处化学键峰的位置可能向更高频率处移动（蓝移）。由于CAHB是一种具有共价键性质的短强氢键，当O-CNTs和N-CNTs吸附PCs后，是否能获得CAHB形成的红外特征峰呢？结果表明（图2C~F），在O-CNTs吸附CA/PABA、N-CNTs吸附ACT/PABA后，在FTIR的更高频率处（3787 cm^-1，−OH或−NH₂的蓝移）发现新的标志峰，同时也没有在PCs自身的FTIR中发现此峰。这就说明此峰不是来自于PCs，而是来自于CNTs吸附PCs后形成的CAHB。重要的是，在|ΔpK_a|>5.0以及G-CNTs吸附PCs后的情况中均没有观察到类似（¹H NMR和FTIR）现象。以上结果共同表明，FTIR的更高频率处（3787 cm^-1）和¹H NMR的极低场区域（< 18.0 ppm）出现的新特征峰可以为IOCs和CNTs之间形成的CAHB提供确凿且直接的光谱证据。

CAHB的类型、强度及其吸附贡献

一般来说，当|ΔpK_a|<5.0（H供体基团和H受体基团之间解离常数之差的绝对值）时，才有可能形成CAHB，其强度会随着|ΔpK_a|减小而增加；当|ΔpK_a|>5.0时，则形成基于静电吸引的弱OHB。在本研究中，O-CNTs和CA/PABA、N-CNTs和ACT/PABA之间的|ΔpK_a|均小于5.0，导致在O-CNTs和CA/PABA之间形成HM-CAHB（[O−H···O]⁻）、在N-CNTs和ACT/PABA之间形成HT-CAHB（[N⁺−H···O⁻]/[O−H···N]⁺），从而促进PCs在CNTs上的吸附，使PCs的K_d值曲线明显高于log K_ow^pH曲线，并在¹H NMR和FTIR中观察到新的特征峰。但在|ΔpK_a|>5.0的情况下，如O-CNTs和ACT、N-CNTs和CA，它们之间形成了弱的OHB，则没有观察到上述现象。显然，不同类型的氢键（同核HM-CAHB[O···H···O]^–、异核HT-CAHB [N⁺−H···O−]/[O−H···N⁺]或OHB）会导致PCs在O-CNTs和N-CNTs上不同的吸附亲和力和行为。因此，为了深入理解IOCs的环境行为，需量化不同类型氢键的强度和贡献。

图3. PCs和CNTs之间不同类型氢键相互作用的密度泛函理论（DFT）计算（A~C），以及PABA （D）、ACT（E）和CA（F）在CNTs上的吸附/解吸。经过三次解吸后PCs在CNTs上的滞后指数（G），以及在不同PCs初始浓度（5、50和100 mg/L）下HM-CAHB/HT-CAHB和OHB对CNTs吸附PCs的贡献（H）。滞后指数（HI）越接近0，解吸滞后程度越低。三种氢键对CNTs吸附PCs的贡献大小顺序为：HM-CAHB > HT-CAHB > OHB。

首先通过DFT计算出的键能（E_ads）、键长和键角来量化不同类型氢键的强度（图3A~C）。一般来说，氢键的键长越短，键角越接近180º，氢键越强。结果表明，与OHB相比（|E_ads| ≤ 6.136 kJ/mol；键长≥ 2.80 Å；键角≤ 175.7º），HM-CAHB和HT-CAHB的键能更大（≥ 56.24 kJ/mol），键长更短（≤ 2.61 Å），键角也更接近180º（≥ 176.7º），可以得出三种氢键的强度大小顺序为：HM-CAHB > HT-CAHB > OHB。此外，CAHB的吉布斯自由能（|∆G| ≥ 53.59 kJ/mol）、焓变（|∆H| ≥ 48.49 kJ/mol）和熵变（|∆S| ≥ 17.10 J/(mol∙K)）均明显高于OHB（|∆G| ≤ 5.73 kJ/mol；|∆H| ≤ 4.60 kJ/mol；|∆S| ≤ 4.31 J/(mol∙K)），表明CAHB更容易发生自发放热反应。然后利用解吸滞后指数（HI）和解吸释放率评估了不同类型氢键所导致的不可逆吸附程度和吸附贡献，结果如图3D~H所示。可以发现更强的HM/HT-CAHB所导致的不可逆吸附程度（HI ≥ 1.69）和吸附贡献（≥ 42.3%）比OHB（HI ≤ 0.43；贡献≤ 36.5%）更大。重要的是，HM-CAHB（HI ≥ 2.57；贡献≥ 84.0%）比HT-CAHB（HI ≤ 2.56；贡献≤ 76.9%）具有更大的不可逆吸附程度和吸附贡献，这是因为HM-CAHB的强度比HT-CAHB更高所致，这与上述DFT计算结果一致。总之，与OHB相比，更强、更稳定的CAHB可导致IOCs在富含官能团（如−OH、−COOH、−NH₂）的材料上具有更高的吸附贡献和更显著的不可逆性，从而进一步影响IOCs在环境中的地球化学行为（如迁移、生物有效性和毒性）。

小结

本研究首次在分子水平上获得了CAHB形成的直接光谱证据，即在FTIR的更高频率处（3787 cm^-1）和¹H NMR的极低场区域（< 18.0 ppm）观察到新的特征峰科可以作为以后判定CAHB作用机制形成的直接光谱证据。此外，PCs和CNTs之间形成的HM-CAHB（≥ 102.9 kJ/mol）和HT-CAHB（≥56.24 kJ/mol）的吸附能均远大于OHB（≤6.136 kJ/mol），说明PCs以CAHB吸附机制吸附在功能化CNTs表面更为稳定，从而导致更大的吸附贡献（≥ 42.3%）和不可逆吸附程度（HI ≥ 1.69），进而在很大程度上会影响和改变这类可电离有机污染物的环境地球化学行为。值得注意的是，除了PCs，其他IOCs（如全氟化合物、个人护理产品）也可能与富含官能团（如−OH、−COOH、−NH₂）的材料之间形成CAHB，如氧化物矿物、有机质、生物炭和老化的微塑料等，进而可能进一步影响IOCs在环境中的地球化学行为（如迁移、生物有效性和毒性）。因此，应仔细评估由 CAHB 主导或控制的IOCs环境行为和风险。该工作不仅为深入理解 IOCs 在自然水环境中的地球化学行为和风险调控提供理论依据，而且为控制 IOCs 污染的功能材料设计提供了新的思路和理论基础。

该项研究得到了国家自然科学基金（41703093、42177202）、陕西省重点研发计划（2202NY-054）、陕西省自然科学基金（2019JM-101）、中央高校自由探索项目（GK202103138、2020CSLZ008、2021CSLY015）和USDA NIFA（2020-67019-31169）等课题的资助。