疏水效应 · aiwiki.page

疏水效应是指非极性分子或分子表面在水中倾向于相互聚集，而不是各自单独暴露于水中。这是水性溶剂对非极性物质的响应所产生的集体效应，并不是一种独立的化学键，也不是水与油之间简单的排斥作用。疏水效应参与油水分离、蛋白质折叠和分子自组装等过程。其分子机制与热力学特征取决于参与表面的大小、形状及所处的化学环境。(arxiv.org)

分子基础

水会形成一个动态的氢键网络。非极性基团，包括烃表面的大部分区域，无法提供相当的氢键相互作用。不过，它们仍会通过范德华力与水发生吸引性相互作用。因此，它们与水的相容性有限，不能用缺乏吸引作用来解释；这一现象反映了溶质与水之间的相互作用、水分子之间的相互作用，以及为溶质腾出所排除的分子体积所需代价之间的平衡。(arxiv.org)

这里必须区分两个相关过程。疏水水合关注将非极性物质引入水中时伴随的变化。疏水缔合关注非极性物体相互靠近时由溶剂介导的贡献。与各个物体分别被溶剂化相比，缔合可以降低水合代价，但其总自由能变化还包括直接相互作用以及分子自由度的变化。因此，水合与缔合未必具有相同的热力学特征。(arxiv.org)

历史上一种影响深远的解释认为，非极性溶质周围的水会形成有序、类似冰的“冰山”。这一图景直观地表达了溶剂可采取的构型受到限制的想法，但不应将其理解为普遍存在的晶态外壳。水只需发生相对较小的结构扰动，就能容纳小型疏水溶质；而对水结构的测量，也未能证实真正的类冰有序结构可以作为普遍解释。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

热力学描述

在热力学中，恒定温度和压强下的相关判据是吉布斯自由能的变化：

\Delta G=\Delta H-T\Delta S,

其中， $\Delta H$ 为焓变， $\Delta S$ 为熵变， $T$ 为绝对温度。这些量描述的是包含溶质和溶剂在内的某一特定过程。对于缔合过程，既要考虑溶剂的变化，也要考虑参与缔合的分子所损失的平移、转动或构象自由度。(arxiv.org)

在常温下，小型非极性溶质的水合通常具有不利的熵贡献，并伴随正的水合热容变化。这些观察结果促成了将疏水缔合描述为熵驱动过程的传统观点。但这并不意味着熵占主导是疏水效应的定义性条件。在某些疏水结合体系中，有利的焓贡献会超过不利的熵变，尤其是在缔合使受限空腔内的水发生重组时。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

参考态十分重要。从气相转移到水中、从非极性液体转移到水中，以及在水中发生缔合，是不同的过程。不能把这些过程测得的焓和熵当作同一种不依赖具体环境的“疏水力”的表征来比较。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

对长度尺度的依赖

统计力学将小型溶质的水合与水的密度涨落联系起来。对于理想化的硬粒子，要将其插入水中，就需要水中自发出现一个足以容纳该粒子的空区域。若 $P_0$ 是该区域为空的概率，则其超额插入自由能为

\Delta G_{\mathrm{cavity}}=-k_{\mathrm B}T\ln P_0,

其中， $k_{\mathrm B}$ 为玻尔兹曼常数。这一表达式描述的是空腔的形成；对于真实溶质，还必须计入吸引性相互作用。(arxiv.org)

小型与大型疏水物体处于不同的物理区间。对于小型理想化溶质，水合自由能近似与排除体积成正比。对于足够大的表面，形成界面成为关键，其主要代价近似与暴露面积成正比。在这一区间，疏水水合与表面张力联系起来。在常温常压条件下，两种区间之间的交叉发生在纳米尺度，但并不存在一个普遍适用、大小精确固定的分界点。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

大范围延展、对水吸引较弱的表面还可能促进水密度降低或去润湿，尤其是在受限空间内。这类行为对表面吸引作用、几何形状、压强及溶剂组成都很敏感。不应认为每个疏水表面上都存在稳定的蒸气层。分子模拟表明，温度、压强、盐浓度或醇浓度的变化，都可能使不同水合区间之间的交叉位置发生移动。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

在生物体系与超分子体系中的作用

在许多可溶性蛋白质中，非极性氨基酸侧链在折叠过程中倾向于埋入内部。这种埋藏有助于提高稳定性，而肽链熵的损失则不利于折叠，内部相互作用还会提供额外贡献。量热研究表明，蛋白质的稳定性反映的是这些因素之间的平衡，而不只是疏水性。水合贡献随温度变化，有助于解释为何这种平衡也会随温度改变。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

疏水效应也有助于两亲性分子的组装，这类分子同时具有亲水区域和非极性区域。在水溶液中的胶束里，非极性部分向内聚集，而极性部分保持暴露于水中。这些区域彼此相连，阻止了像油那样不受限制的相分离，并有助于形成有限大小的聚集体。类似原理也参与细胞膜的形成。(arxiv.org)

在分子识别中，配体的结合可以排出或重组蛋白质口袋内的水。针对碳酸酐酶及相关配体的实验发现，增加非极性表面后，结合会增强，但这种增强是由焓驱动的。这说明，仅凭埋藏表面积，无法可靠地确定疏水接触带来的能量收益。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

实验与计算研究

研究人员通过溶解度测量、转移过程测量、量热法、结构实验和分子模拟来研究疏水效应。结合量热测量可确定焓变和缔合行为；不同温度下的测量可揭示热容变化。X射线晶体学可以确定口袋内有序水分子的位置，而模拟则可考察溶剂占据情况、涨落及自由能变化。这些方法提供了互补的证据：无论是静态结构，还是单一的热力学量，都不能唯一确定微观机制。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)