含氟材料为什么疏水，不是应该与水有氢键作用吗？ 第1页

这个问题出在认为“有氢键就不会疏水”，还有逆否命题，“疏水就不会有氢键”。

现实中的问题，往往是多因多果的，没有教材上讲的那么简单。一种物质是否亲水，是否和水互溶是一个非常复杂的问题，氢键只是其中一个要素而已。

比如下面这篇文章^[1]就指出，最简单的有机氟化物——氟甲烷在气相中可以和水形成氢键，却不溶于水（三氟甲烷溶解度就大了）。原因是氟甲烷和水形成的氢键不能降低互溶体系的能量。详细点的解释是，虽然理论计算指出氟甲烷形成的氢键强度几乎与水相同，但它必须作为双氢键受体与这些簇结合，这导致氟甲烷不能与水分子形成低能状环状的2D氢键网络，限制了它在水中的溶解度。

而含氟材料，比如含氟高分子疏水的原因就更复杂了。下面仅是可能的原因。

之前的一个回答提过，全氟烷烃不仅疏水，其他化合物也疏，甚至自己都疏，而且因为偶极相互抵消，极性很低，因此全氟化合物被称为“Gas-Like Liquids”（像气体的液体）。

这些和氟的电负性大和原子半径小相关。氟原子的范德华半径只比氢原子大一些，比其它元素的原子半径小，而且由于相邻氟原子的相互排斥，使氟原子不在同一平面内，主链中氟原子沿碳链作螺旋分布，把碳碳链严密地包裹住了，这样使得原子很难嵌入。而且氟碳原子的共用电子对大大偏向氟原子，形成一层负电荷保护。^[2]下图是解释全氟烷烃溶解氧时用的示意图，体现了“螺旋状”，“分子间离得远”的特点。

上面这些性质的另一个具体表现就是含氟材料表面能很低，疏水疏油。而且氟甲烷的例子也说明了这种体系即使能形成氢键，也不会降低体系的能量。

前几年一个其他院系的课题组来化院做实验的时讨论过类似的问题。她老板看到PDVF加压后可以极化，突发奇想，提出了一个天马行空的方案——PVDF滤膜电场加压后“一面带正电一面带负电”，因此可以吸附铵离子和有机阳离子（极化+氢键），起到类似离子交换树脂的效果。我能说这个故事是因为半年后她用实验证明这个想法不可行。

有时候过于简单的模型会带来误解。

也没有嘲讽他们的意思，因为术业有专攻，他们基本没怎么学大学化学，不过他们又经常要做色谱之类的实验。有一次他们院的同学问过我一个问题“甲氰能溶于水是因为结构里有氨基吗？”。

我当时想了一个例子，向他们解释“溶解性的原因很复杂”，“存在氢键和水溶性不是特别相关”——如果认为丙酮和水互溶是因为羰基可以和水形成氢键的话，乙酸乙酯怎么就不互溶呢？

还要强调一下这里的含氟材料疏水指的是全氟烷烃这类化合物，也有含氟材料亲水的例子。

1. ^ https://doi.org/10.1021/acs.jpca.6b07063
2. ^ Jean G. Riess (2005) Understanding the Fundamentals of Perfluorocarbons and Perfluorocarbon Emulsions Relevant to In Vivo Oxygen Delivery, Artificial Cells, Blood Substitutes, and Biotechnology, 33:1, 47-63, DOI: 10.1081/BIO-200046659