[科普中國]-疏水性

疏水性分子偏向于非極性，并因此較會溶解在中性和非極性溶液（如有機溶劑）。疏水性分子在水里通常會聚成一團，而水在疏水性溶液的表面時則會形成一個很大的接觸角而成水滴狀。

定義疏水性（hydrophobicity）

在化學里，疏水性指的是一個分子（疏水物）與水互相排斥的物理性質(zhì)。

舉例來說，疏水性分子包含有烷烴、油、脂肪和多數(shù)含有油脂的物質(zhì)。

疏水性通常也可以稱為親脂性，但這兩個詞并不全然是同義的。即使大多數(shù)的疏水物通常也是親脂性的，但還是有例外，如硅橡膠和碳氟化合物（Fluorocarbon）。

性質(zhì)理論根據(jù)熱力學的理論，物質(zhì)會尋求存在于最低能量的狀態(tài)，而氫鍵便是個可以減少化學能的辦法。水是極性物質(zhì)，并因此可以在內(nèi)部形成氫鍵，這使得它有許多獨別的性質(zhì)。但是，因為疏水物不是電子極化性的，它們無法形成氫鍵，所以水會對疏水物產(chǎn)生排斥，而使水本身可以互相形成氫鍵。這即是導致疏水作用（這名稱并不正確，因為能量作用是來自親水性的分子）的疏水效應，因此兩個不相溶的相態(tài)（親水性對疏水性）將會變化成使其界面的面積最小時的狀態(tài)。此一效應可以在相分離的現(xiàn)象中被觀察到。

疏水性鍵水是一種其分子由分子間氫鍵連接起來的溶劑。在有離子存在時，水就使它們?nèi)軇┗鐖D所示。然而，碳氫化合物微溶于水而不被它溶劑化。因此，水分子由于非極性區(qū)域的存在而更有秩序地排列，并較被其它水分子完全包圍時處于較高能級。這樣，在內(nèi)部介質(zhì)中，兩個非極性鏈的相互作用（例如，一個（A）屬于某一機體的生物大分子，另一個（B）屬于一個和它成鍵以產(chǎn)生藥理作用的藥物分子）通過原來存在于兩鏈間區(qū)域的水的退出而減小接觸面。結果從與非極性面接觸被置換出來的水分子成為無秩序的，如下圖所示。

水的排列上的紊亂引起體系內(nèi)熵的增加，并由此而減少自由能，使兩個非極性區(qū)域間的接觸穩(wěn)定化，這種締合作用稱為疏水性鍵或疏水性相互作用。它是已知為疏溶劑性力的普遍現(xiàn)象中的一種特例。疏溶劑性力中以疏水性力為最大，因為在一般惰性溶劑中，水的表面張力最大。

在極有利于復合物形成的疏水性相互作用過程中，每一H2C…CH2—相互作用釋放0.7千卡/克分子的自由能。生物大分子（例如酶）在其表面有非極性鏈。很多藥物分子在其結構中也有非極性區(qū)域。上述兩例中這些鏈可以是芳基或烷基。因此可以預期，疏水性力介入生物大分子——藥物復合物的形成，而且可以達到可觀的程度。疏水性力也發(fā)生于極性基團中，例如在瞟呤和嘧啶堿中。事實上對于某些酶已由實驗所證明。1

疏水性分析蛋白質(zhì)肽鏈上各殘基側(cè)鏈對溶劑的相對親水性是一個重要的特征參量。

超二級結構中各殘基對溶劑的相對親水性或疏水性的性質(zhì)是超二級結構的一個重要結構特征。

在天然狀態(tài)，構成蛋白質(zhì)的疏水氨基酸殘基多數(shù)是處在分子的內(nèi)部，形成疏水內(nèi)核，從而維系蛋白質(zhì)的緊密三維結構。對于超二級結構這一局域空間結構的疏水特性的形成，疏水性的變化規(guī)律等都是有待解決的問題。超二級結構中疏水特性的揭示和了解，對蛋白質(zhì)肽鏈的折疊規(guī)律的認識和預測有一定價值。國際上一些生物學家，近年來對這一工作開展了研究，并有文獻報道。

首先，運用T．J．Richmond和F．M．Richards在1978年提出的方法對超二級結構中每一殘基側(cè)鏈對溶劑的親水性進行計算。然后根據(jù)Hubbard和Blundell（1987）給出的判據(jù)進行判斷。該判據(jù)是目前國際上比較通用的一種判據(jù)。如果殘基側(cè)鏈對溶劑相對接觸面積小于7%，那么該殘基被稱為疏水性的，在疏水性模式中用“i”表示；如果殘基側(cè)鏈對溶劑相對接觸面積大于7%，則稱該殘基為溶劑親水性的，在疏水性模式中用“o”表示示。疏水性上限值的確定是因為當氨基酸相對溶劑接觸面積小于7%時，則親水性質(zhì)類同，幾乎不變化。這樣便計算出各類型超二級結構單元疏水性模式。從中可以得到超二級結構這一段肽鏈上每個殘基疏水性和構象的關系，以及構象和氨基酸序列模式的關系。2

疏水性結合在藥物分子中大都會有非極性部分，即只由碳氫原子組成的部分，在受體分子中含有非極性氨基酸殘基，如苯丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸，這些氨基酸殘基的側(cè)鏈在形成蛋白質(zhì)的立體結構時，可能遇到一起形成活性部位的非極性區(qū)，稱為疏水袋（hy-drophobic pocket）。在體內(nèi)，藥物的非極性部分和受體的非極性區(qū)的表面均為有序排列的水分子所包圍。當藥物與受體接近到一定程度時，由于中間空間的縮小，將有序排列的水分子排擠出去。發(fā)生去水合現(xiàn)象（desolvation），這樣便使系統(tǒng)的熵值增高，由此使系統(tǒng)的自由能降低，而成為較穩(wěn)定的狀態(tài)。這種自由能的降低是維持藥物與受體形成復合物的力，稱之為疏水性結合（hydrophobic binding），參見下圖。

疏水性結合力的含義是不明確的，因此，這種作用力的強度沒有明確的計算方法，但它在藥物與受體相互作用中幾乎是普遍存在的。據(jù)估算，兩個次甲基間的疏水性作用可釋放出0.7kcal/mol的能量，盡管很弱，但當有多個相當于次甲基間的疏水性結合時，其作用力仍是可觀的。2

超疏水性超疏水性物質(zhì)，如荷葉，具有極難被水沾濕的表面，其水在其表面的接觸角超過150°，滑動角小于20°。

理論氣體環(huán)繞的固體表面的液滴。接觸角θ，是由液體在三相（液體、固體、氣體）交點處的夾角。

1805年，托馬斯·楊通過分析作用在由氣體環(huán)繞的固體表面的液滴的力而確定了接觸角θ。

氣體環(huán)繞的固體表面的液滴，形成接觸角θ。如果液體與固體表面微結構的凹凸面直接接觸，則此液滴處于Wenzel狀態(tài)；而如果液體只是與微結構的凸面接觸，則此液滴處于Cassie-Baxter狀態(tài)。

其中： 固體和氣體之間的表面張力 = 固體和液體之間的表面張力 = 液體和氣體之間的表面張力，θ可以用接觸角測量計來測量。

Wenzel確定了當液體直接接觸微結構化的表面時，θ角會轉(zhuǎn)變?yōu)棣萕 *

cosθW * = rcosθ 其中，r為實際面積與投影面積的比率。Wenzel的方程顯示了微結構化一個表面將會放大表面張力。疏水性表面（具有大于90°的接觸角）在微結構化之后會變得更加疏水，其新的接觸角將比原來增大。然而，一個親水性表面（具有小于90°的接觸角）在微結構化之后卻會變得更加親水，其新的接觸角將比原來減小。

Cassie和Baxter發(fā)現(xiàn)如果液體懸浮在微結構表面，θ角將會變?yōu)棣菳 *

cosθB * = φ（cos θ + 1）– 1 其中，φ為固體與液體接觸面積的比例。在Cassie-Baxter狀態(tài)下的液體比Wenzel狀態(tài)下更具有運動性。

通過用以上兩個方程計算出的新接觸角，我們可以預測Wenzel狀態(tài)或Cassie-Baxter狀態(tài)是否應該存在。由于有自由能最小化的限制，預測出具有更小的新接觸角的狀態(tài)就會更可能存在。從數(shù)學上來說，要使Cassie-Baxter狀態(tài)存在，以下的不等式必須成立。

cos θ

接觸角是靜態(tài)測量疏水性的方法，接觸角滯后和滑動角則對疏水性的動態(tài)測量法。接觸角滯后是一種鑒定表面異質(zhì)性的現(xiàn)象。當移液器將液體注到固體表面時，液體就會形成一定的接觸角。隨著注入液體的增加，液滴的體積會隨之增加，接觸角也會變大，但三相邊界會保持固定直到液體突然溢出。在液體溢出前瞬間的接觸角被稱為前進接觸角。回退接觸角可以通過將液體從液滴中吸出來測量。隨著液體被吸出，液滴的體積減小，接觸角也減小，但三相邊界同樣保持固定直到被完全吸回。在液體被吸回瞬間的接觸角被稱為回退接觸角。而前進接觸角和回退接觸角之間的差異就是接觸角滯后，它被用來鑒定表面的異質(zhì)性、粗糙性和運動性。非同質(zhì)的表面會有能夠阻礙接觸線的區(qū)域?；瑒咏鞘橇硪环N動態(tài)測量疏水性的方法：在固體表面放置一個液點，傾斜表面知道液滴開始滑動，此時的傾斜角即為滑動角。處于Cassie-Baxter狀態(tài)的液滴通常會表現(xiàn)出比Wenzel狀態(tài)更小的滑動角和接觸角滯后。

研究和應用納米纖維表面的水珠

許多在自然界中找到的超疏水性物質(zhì)都遵循Cassie定律，而它在次微米尺度下可以和空氣組成雙相物質(zhì)。蓮花效應便是基于此一原理而形成的。仿生學上，超疏水性物質(zhì)的例子有利用納米科技中的nanopin膠片（nanopin film）。

應用在CAC（水泥）中摻加疏水劑的做法雖然在俄羅斯和其他獨聯(lián)體（CIS）國家已得到采用，但卻未在其他地方被普遍接受。這種做法能使水泥應用在不利的氣候條件下。

如果把CAC與約占0.05%泥重量的合適的疏水劑如月桂酸、硬脂酸和油酸等共磨，就會在水泥顆粒周圍形成一個疏水的密封層。這樣就得到了一種能在潮濕條件下放置若干周而不與水結合，也沒有在空氣中結成的塊狀體的疏水性水泥。已有報道稱，像上述那些疏水劑雖然影響早期強度（約8h時），但是對后期抗壓強度，或者實際上是對凝結卻幾乎無影響[川。把疏水劑濃度增加到水泥重量的大約0.1%～0.5%，雖然其憎水性大有提高，但其凝結時間以及直到大約7天時的抗壓強度值都受到了遲延和壓抑。為破除疏水的密封層，便需要對混凝土進行強烈攪拌。至于防水劑，由于它們能嚴重影響強度發(fā)展，所以并不推薦加入CAS中。

然而，必須強調(diào)的是，目前并不存在有關疏水劑和防水劑影響CAC長期轉(zhuǎn)晶后強度發(fā)展的已有結果。盡管確實存在一些標準與能在不利氣候條件下用于建筑施工的疏水性波特蘭水泥有關，但是，現(xiàn)有標準中卻沒有一部是涉及疏水性CAC的應用的。3

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王強 - 副教授 - 西南大學