非极性有机溶剂对分子内氢键弱化程度的单分子力谱定量研究

张 勇，许 俊，鲍 雨，崔树勋

（西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室,成都 610031）

高分子材料由于其高弹性、抗冲击及易加工等特点而被广泛应用于各行各业中.在高分子材料的应用中，其杨氏模量及断裂强度等宏观力学性质备受关注［1～3］.众所周知，高聚物的分子结构对材料宏观力学性质有着决定性作用.因此，高分子的单链力学行为也引起了科研工作者的浓厚兴趣.但早期由于实验设备的限制，高分子单链力学行为的研究基本以理论计算为主［4，5］.随着20世纪90年代基于原子力显微镜（AFM）的单分子力谱（SMFS）等技术的发明，各类高分子的单链弹性得到了直接且深入的研究，这对于进一步理解常见高分子材料的力学性质、合理设计高性能材料具有重要意义［6～20］.

随着对高分子单链力学行为研究的深入，人们发现高分子的单链弹性易受到外界因素的影响.如聚对叔丁基苯乙烯和聚4-乙烯基联苯的单链弹性会随温度的变化而变化［21］.近年来，本课题组发现在理想条件下高分子侧链对单链弹性的影响可以忽略［22，23］.据此，我们提出了高分子单链基准弹性的概念：即在侧链影响被消除的情况下，高分子单链表现出其主链的固有焓弹性，称之为高分子单链的基准弹性［19，22～25］.基准弹性之于高分子单链如同基态之于原子.根据这一概念，可以量化外界因素对高分子单链力学行为的影响［19，26，27］.非极性有机溶剂与溶质分子之间基本只存在范德华力，是最简单的一类液体环境.由于范德华力属于最弱的分子间相互作用，通常可以忽略不计［28，29］，因此非极性有机溶剂常被用来研究高分子单链基准弹性.10多年来，本课题组在非极性溶剂中获得了一系列碳-碳（C-C）主链高分子［如聚苯乙烯（PS）、聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）］、聚乙二醇（PEG）和DNA等大分子的单链基准弹性，为量化外界因素对这些高分子单链力学行为的影响奠定了基础［24，27，30～32］.

近期，本课题组利用自主研发的真空力谱技术在真空环境中对一些高分子的单链弹性进行了深入研究［33］.实验结果表明，对于PEG等侧链间只存在范德华力的高分子，它们在真空和壬烷中的高分子单链弹性是一致的［34］.然而，对于侧链间存在一些特殊非共价相互作用的高分子（如PS及PNIPAM等），它们在真空和壬烷中的高分子单链弹性并不完全相同［31，35］.从分子结构上来看，高分子单链弹性是由其基准弹性和侧链间一些特殊的非共价相互作用共同决定的.根据以上结果可知，非极性溶剂对高分子基准弹性没有影响，但会影响侧链间非共价相互作用力的强度.由于已有研究还不够充分，目前关于非极性溶剂对非共价作用力的影响程度尚不明确，仍需进一步的定量研究以了解其确切影响.

为了更加深入地研究非极性溶剂对非共价作用力的影响，选择一种相对稳定的非共价作用力作为研究对象是十分必要的.聚乙烯醇（PVA）是一种含有大量羟基侧链的C-C主链聚合物［36］.在无外界因素干扰下，PVA单链中的相邻羟基之间可以形成比较稳定的分子内氢键［37～40］.因此，PVA可作为一种模型体系来定量研究非极性溶剂对氢键强度的影响.本文利用SMFS技术对3种不同醇解度的PVA样品在真空和壬烷环境中的单分子行为进行了研究.以C-C主链基准弹性为参照物，分别量化了3种PVA样品在真空和壬烷中的分子内氢键强度.对比结果显示，3种PVA样品在壬烷中的分子内氢键强度均约为其在真空中氢键强度的一半.这一结果表明非极性有机溶剂对于分子内氢键的弱化程度十分显著.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

PVA-99（醇解度98%～99%，Mw=31000～50000）、PVA-88（醇解度87%～89%，Mw=31000～50000）和PVA-80（醇解度80%，Mw=9000～10000），西格玛-奥德里奇公司；其它试剂均为分析纯，使用前未经进一步处理；实验用水均为去离子水（电阻率＞15 MΩ·cm）.

NanoWizardⅡ型原子力显微镜，德国JPK公司；MFP-3D型原子力显微镜，美国Asylum Research公司；AFM5300E型原子力显微镜，日本Hitachi公司；V型氮化硅AFM针尖，德国Bruker公司.

1.2 样品制备

将PVA-99溶于约90℃水中得到浓度约为10μg/mL的水溶液.将PVA-80和PVA-88直接在室温下溶于去离子水中得到浓度约为10μg/mL的水溶液.实验所用基底为氨基化玻璃片.玻璃片氨基化的方法如下：首先将干净的玻璃片置于30%过氧化氢和饱和过硫酸铵的混合溶液[V(过氧化氢)∶V(饱和过硫酸铵)=3∶4]中进行表面羟基化（加热至90℃后保持4 h）；将羟基化玻璃片清洗干净并烘干后，放入3-氨丙基三乙氧基硅烷的二氯甲烷溶液(2 mmol/L)中避光反应4 h以进行氨基化处理；最后将氨基化后的玻璃片依次置于二氯甲烷、无水乙醇、去离子水中分别超声5 min，吹干待用.将100μL PVA水溶液滴在氨基化玻璃片表面，吸附约20 min后用去离子水对表面进行清洗，以移除吸附不牢的分子.随后用洗耳球吹干，并立即进行实验.

1.3 单分子力谱实验

SMFS实验均在室温下进行，拉伸速率为2.0μm/s.样品分子与基底及针尖之间均为物理吸附［41］.针尖悬臂梁的弹性系数（30～50 pN/nm）是在NanoWizardⅡ型原子力显微镜上用热扰动方法测得的［27］.真空SMFS实验均在AFM5300E型原子力显微镜上进行［31，42］.实验前，先使用设备自带的真空泵将AFM内腔抽至高真空（约7.0×10-4Pa），使基底表面上的水膜被完全去除，随后在高真空中放置2 h左右，待针尖和基底上的静电去除后再开始实验.PVA在壬烷中的SMFS实验在NanoWizardⅡ型和MFP-3D型原子力显微镜上完成［19，43］.

2 结果与讨论

2.1 PVA-99在真空及非极性有机溶剂中的SMFS研究

为了研究非极性溶剂对PVA-99分子内氢键强度的影响，首先需要明确PVA-99在真空环境中的单分子拉伸行为.图1（A）示出了3条PVA-99在真空环境中的力-距离（F-E）曲线.在针尖与基底的非特异性作用消失之后，每条F-E曲线都展现出了一个约60 pN的长平台和紧随其后的一个单峰.由于聚合物分子的多分散性以及AFM针尖抓取分子的随机性，即使在相同实验条件下得到的曲线，其平台长度以及单峰出现的位置也是不同的.为了比较不同轮廓长度的F-E曲线，可将每条曲线中对应于某一力值（本文为2000 pN）的拉伸长度归一化为1［44，45］.3条F-E曲线中的单峰经归一化处理后可以很好地重合［图1（B）］，说明这些实验曲线代表了PVA-99在真空中的单链弹性.根据本研究组前期研究结果［46］可知，在真空环境中，PVA与基底表面之间存在的非共价相互作用（如范德华力）将使其紧密吸附在基底上.当PVA单链被拉伸时，它将经历从基底上脱附和弹性拉伸两个阶段，分别对应于F-E曲线中的长平台以及单峰.因为脱附过程基本不影响后续的弹性拉伸，所以下文将不再讨论长平台.

Fig.1 Three representative F⁃E curves of PVA⁃99 with different contour lengths obtained in vacuum(A,shown in different colors)and those F⁃E curves after normalization(B)

图2为PVA-99在壬烷中的归一化F-E曲线.由图2可知，归一化F-E曲线中的单峰能够很好地重合，说明这些曲线代表了PVA-99在壬烷环境中的单链弹性.为了确保壬烷环境可作为非极性溶剂的代表，在非极性有机溶剂辛苯中对PVA-99的单链行为进行了研究.PVA-99在壬烷及辛苯中的有效F-E曲线可以很好地重合（图S1，见本文支持信息），表明烷烃类非极性有机溶剂对PVA分子内氢键的弱化程度基本相同（或差异无法被实验仪器所分辨）.

Fig.2 Normalized F⁃E curves of PVA⁃99 obtained in nonane

2.2 PVA-99在真空及壬烷中的单链弹性对比

为了量化非极性溶剂对分子内氢键的影响，对比研究了PVA-99在真空和壬烷中的单链力学行为.由图3可知，两条曲线在低力区和高力区可以重合，但在中高力区存在显著差异.从分子结构上看，PVA的单链弹性是由C-C主链弹性和侧链间氢键作用共同决定的.已有研究表明，高分子主链的弹性基本不受外界环境的影响，而侧链间的非共价相互作用易受到环境的影响［23，31］.因此，图3中的差异应该与PVA分子内氢键在不同环境中的强度有关.

Fig.3 Comparison of normalized F⁃E curves of PVA⁃99 obtained in vacuum and in nonane with the QM⁃FRC fitting curve in the normalized exten⁃sion range of 0.75—1

为了量化PVA分子内氢键在真空及壬烷中的强度，引入C-C主链弹性作为参考.Hugel等［47］利用量子力学（QM）计算得到了丙烷的理论弹性.在此基础上，Wang等［23］将QM计算结果引入到自由旋转链（FRC）模型中，得到QM-FRC熵焓耦合模型.进一步研究发现，当自由旋转单元的长度为一个C—C键的长度时（即lb=0.154 nm），得到的QM-FRC拟合曲线（图S2，见本文支持信息）可以代表PVA的C-C主链弹性［46］.将QM-FRC拟合曲线与PVA-99在真空及壬烷条件下的F-E曲线进行对比（图3）可知，PVA在真空中的曲线与QM-FRC拟合曲线在100～1600 pN范围内存在显著差异.这一差异是由分子内氢键断裂造成的：当PVA被拉伸时，C-C主链的键长和键角将会增大.与此同时，羟基侧链的空间位置也会发生改变，进而导致邻近羟基相对位置的变化.当邻近羟基的相对位置不再满足分子内氢键形成的条件时［48］，分子内氢键将会发生断裂.与C-C主链的拉伸（如聚乙烯）相比，这一过程将消耗额外的能量.通过计算这两条曲线之间的面积（图S3，具体计算方法见本文支持信息），可以得到在真空中破坏PVA-99分子内氢键所消耗的能量为（4.75±0.05）kJ·mol-1·unit-1（n=3）.由于PVA醇解度的原因，PVA-99中的羟基数量小于重复单元数量.通过对该能量进行归一化处理（除以醇解度），可以得到PVA-99中分子内氢键的平均强度（Evacuum）为（4.8±0.05）kJ·mol-1·unit-1.因为真空中没有溶剂分子等干扰，PVA分子内的氢键接近于理想状态，所以将其在真空中的强度定义为本征氢键强度.

由图3也可以看出，PVA-99在壬烷中的F-E曲线位于PVA-99在真空中的F-E曲线与QM-FRC拟合曲线之间.因为分子内氢键在壬烷环境中是可以存在的，所以PVA-99在壬烷中的F-E曲线与QM-FRC拟合曲线的差异也是由分子内氢键引起的.通过计算PVA-99在壬烷中的F-E曲线与QM-FRC拟合曲线之间的面积可知，在壬烷中破坏PVA-99分子内氢键所消耗的能量为（2.25±0.03）kJ·mol-1·unit-1（n=6）.经过归一化处理后可以确定PVA-99分子内氢键在壬烷中的平均强度（Enonane）为（2.27±0.03）kJ·mol-1·unit-1.对比PVA-99在真空及壬烷中分子内氢键的强度（表1）可知，PVA-99在壬烷中的表观氢键强度约为其本征氢键强度的48%，即非极性有机溶剂对本征氢键强度的弱化程度约为52%.由于未醇解的酯基和羟基形成的氢键与羟基和羟基形成的氢键均属于O—H…O类型的氢键（图S4，见本文支持信息），因此本文将它们归为一类进行统计分析.此外，对于同一PVA分子（如PVA-99），即使所处环境不同，酯基与羟基所形成的氢键数量占总氢键数量的比例是一定的，那么此类氢键强度占总氢键强度的比例也是一定的.当对比同一PVA分子在真空及壬烷中的氢键强度时（ENonane/EVacuum，表1），酯基的影响可通过对比排除.

Table 1 Average strengths of intramolecular hydrogen bonds of three kinds of PVA samples in vacuum and in nonane

2.3 PVA-80和PVA-88在真空及壬烷中的单链弹性对比

为了进一步验证非极性溶剂对分子内氢键的弱化程度，对PVA-80和PVA-88在真空和壬烷中的单链力学行为进行了类似的SMFS研究.PVA-80在真空（图S5，见本文支持信息）及壬烷（图S6，见本文支持信息）中的F-E曲线经归一化后可以重合，说明这些实验曲线分别代表了PVA-80在真空及壬烷中的单链弹性.将PVA-80在真空中及壬烷中的F-E曲线与QM-FRC拟合曲线进行对比［图4（A）］可见，3条曲线之间也存在与图3类似的显著差异.因为两组实验条件相同，仅目标分子的醇解度不同，所以图4（A）所示的差异应该也是由PVA-80的分子内氢键强度在不同环境中的差异导致的.通过分别计算PVA-80在真空及壬烷中的F-E曲线与QM-FRC拟合曲线之间的面积可知，在真空及壬烷中破坏PVA-80中分子内氢键所消耗的能量分别为（2.87±0.03）（n=3）和（1.38±0.03）（n=6）kJ·mol-1·unit-1.经归一化处理，PVA-80分子内氢键在真空及壬烷中的平均强度分别为（3.59±0.03）和（1.73±0.03）kJ·mol-1·unit-1.

PVA-88在真空（图S7，见本文支持信息）及壬烷（图S8，见本文支持信息）中的F-E曲线与QM-FRC拟合曲线之间也存在明显偏差［图4（B）］.通过相同的方法可知，在真空及壬烷中破坏PVA-88中分子内氢键所消耗的能量分别为（3.46±0.04）（n=3）和（1.66±0.03）（n=6）kJ·mol-1·unit-1.相应地，PVA-88的分子内氢键在真空和壬烷中的平均强度经归一化后可以确定为（3.93±0.04）和（1.89±0.03）kJ·mol-1·unit-1.

Fig.4 Comparison of normalized F⁃E curves of PVA⁃80(A)and PVA⁃88(B)obtained in vacuum and in nonane with the QM⁃FRC fitting curve

对比PVA-80和PVA-88在不同环境中的分子内氢键能量（表1）可以看出，它们在壬烷中的表观氢键强度均约为其本征氢键强度的48%，与PVA-99的结果十分接近.即对于任一PVA样品中的分子内氢键，非极性溶剂均可削弱其约50%的本征氢键强度.因为PVA样品所处环境是SMFS实验中的唯一差异，所以弱化可能是由壬烷环境中的范德华力及热扰动导致的：（1）壬烷环境中溶剂分子与PVA之间存在范德华力.当与其它液体环境相比时，因为均存在范德华力作用，一般可忽略不计.但与真空环境进行对比时，这一作用力对分子内氢键的影响不可忽略.（2）与真空环境中残留的微量气体分子相比，壬烷分子的热运动更加显著，这也会对PVA分子内所形成的氢键产生影响.总之，在真空中，因为几乎没有环境的干扰，PVA分子内的所有氢键在拉伸前均可稳定存在，拉伸过程中破坏每个氢键都将消耗一定的能量［Scheme 1（A）］；而在壬烷中，溶剂分子自身的热运动以及其与PVA的范德华力在拉伸之前就会削弱分子内氢键的强度甚至破坏其中一部分氢键，因而在拉伸过程中只需要消耗真空中所需能量的一半即可完全破坏氢键［Scheme 1（B）］.由3种PVA样品的实验结果可知，非极性溶剂对分子内氢键强度的弱化程度与醇解度无关.

Scheme 1 Schematic diagram of stretching PVA in vacuum(A)and in nonane(B)

为了确保上述实验结果的可靠性，以PVA-99为例，在壬烷条件下进行了不同速率（0.2～5μm/s）的SMFS实验.不同速率下得到的F-E曲线经过归一化之后可以很好地重合（图S9，见本文支持信息），说明拉伸速率并不影响PVA-99的单分子行为.这主要是因为PVA分子链运动的时间尺度远小于SMFS实验的时间尺度.这也表明本文中的SMFS实验是在准热力学平衡条件下完成的.

3 结 论

利用SMFS技术，以3种不同醇解度PVA为模型体系，定量研究了非极性溶剂对分子内氢键强度的影响.在真空及非极性溶剂中，PVA展现出不同的力学行为，这是由分子内氢键在不同环境中的强度差异导致的.通过计算PVA在真空或壬烷中F-E曲线与QM-FRC拟合曲线之间的面积，可得到在真空或壬烷中破坏PVA分子内氢键所需要的能量.经过进一步归一化处理，可以分别得到PVA在真空中的本征氢键强度以及在壬烷中的表观氢键强度.通过对比发现，3种PVA样品中的分子内氢键在壬烷中的表观强度约为其本征氢键强度的48%.这一结果说明非极性有机溶剂对分子内氢键的弱化作用十分显著，可削弱约50%的本征氢键强度.此前人们普遍认为非极性有机溶剂对氢键的干扰较微弱.本文研究结果提示人们需重新审视液相环境对氢键以及其它非共价相互作用强度的影响.

支持信息见http：//www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/20210863.