共价键、氢键作用
对分子的认识可以追溯到Robert Boyle在1661年在一篇论文”The Sceptical Chymist”中提出的将分子看作一系列束缚原子，化学工作者通常将分子中的强共价键描述为不同原子间的球棍、弹簧相互作用；但是相对较弱的相互作用，比如液体、固体状态分子间van der Waals力难以描述，不能通过球棍、弹簧模型说明此类作用。氢键是一种比较特殊的作用方式，当两个分子之间携带相反电荷，能够在分子之间构建较强的相互作用。这导致共价键、强氢键的区分非常困难。有鉴于此，芝加哥大学Andrei Tokmakoff等报道了通过飞秒2D红外光谱、量子化学计算相结合，实现了一种有效的方法研究强氢键相互作用。具体的，他们对溶液体系中[F-H-F]-离子的多重耦合运动进行定量表征，分别给出了传统的氢键、短距离强氢键的特征，发现[F-H-F]-中的化学键不是简单的共价键或者氢键，而是一种短程强氢键。特别的，发现了当分子间氢键的强度达到共价键的强度水平，挑战了传统的分子概念。马克斯·普朗克聚合物研究所Mischa Bonn等对此项工作的意义进行总结和展望。
芝加哥大学Andrei Tokmakoff等通过对水中的FHF-的中间体物种进行表征，该分子中H以相同的模式和F原子结合，作者通过将FHF-中的H远离平衡位置，表征势能面的变化，从而对其中的化学键合作用进行深入理解，发现了其中共价键向强氢键变化的过程中经历了弱氢键、中间体氢键；由强氢键向共价键变化的过程中经历了共价性氢键（covalent-hydrogen bonded state）。
图3. 2D飞秒红外测试短程强氢键作用（A. 蓝线：3.6 M KHF2溶液的红外谱 灰色：水的红外吸收 绿线：溶液、水的差分谱 B. 3.6 M KHF2溶液在150 fs、100 fs等待时间的各向同性红外吸收谱）。进一步的，讨论了强氢键的性质、强氢键与传统氢键之间的区别。在传统氢键中，静电相互作用是主导性的；在强氢键作用中，由于原子间距更靠近，静电相互作用仅起到52~62 %，另外的部分由共价、电荷转移、Pauli排斥相互作用贡献。Andrei Tokmakoff教授，美国艺术与科学院院士。分别在加州州立大学萨克拉门托分校获学士学位（1989年），在斯坦福大学获硕士（1992年）、博士学位（1995年）。随后分别在慕尼黑工业大学、芝加哥大学、加州大学伯克利分校做博士后研究，1998年加入麻省理工学院任职，2013年起转入芝加哥大学任教。他主要研究水的化学，以及蛋白质折叠、DNA杂交等生物物理过程的分子动力学。使用尖端光谱学技术，对分子结构随时间的改变进行可视化处理。他曾是Alfred P. Sloan研究员，并曾获得诸多荣誉，包括美国物理学会Ernest Plyler奖。https://chemistry.uchicago.edu/faculty/andrei-tokmakoff-professor-and-chair1. Mischa Bonn*, Johannes Hunger, Crossover from hydrogen to chemical bonding, Science 2021, 371 (6525), 123-124DOI: 10.1126/science.abf3543https://science.sciencemag.org/content/371/6525/1602. Bogdan Dereka, Qi Yu, Nicholas H. C. Lewis, William B. Carpenter, Joel M. Bowman, Andrei Tokmakoff*, Crossover from hydrogen to chemical bonding, Science 2021, 371 (6525), 160-164DOI: 10.1126/science.abe1951https://science.sciencemag.org/content/371/6525/123
