质子化

定义

质子化指原子、分子或离子得到一个质子，生成对应的共轭酸；与之互补的过程是 去质子化，即布朗斯特酸失去一个质子并生成其共轭碱^[1][4]。国际纯粹与应用化学联合会在术语汇编中把质子化具体定义为结合相对同位素质量约等于 1 的 ¹H⁺ 离子。

水获得质子生成水合氢离子、氨获得质子生成铵离子，是最常被引用的两个实例^[3]。带有多个可接受质子位点的分子或离子能够连续发生多次质子化，许多生物大分子属于这类多元碱^[2]。

原理

质子化的发生需要接受体上有可容纳质子的富电子位点，通常是有孤对电子的氧、氮等原子；质子由给予体转移到该位点，两者之间以配位键结合^[5]。以通式表示，酸 HA 把质子交给碱 B，生成共轭碱 A⁻ 与共轭酸 HB⁺：$HA + B ⇌ A^- + HB^+$^[6]。

这一过程可以用下图表示：

flowchart LR

A[酸 HA 质子给予体] -->|给出 H⁺| B[碱 B 质子接受体]

A --> C[共轭碱 A⁻]

B --> D[共轭酸 HB⁺]

质子转移的结果是接受体的质量和电荷各增加 1 个单位，因此质子化分子常写作 [M+H]⁺^[2]。质子化的程度由接受体位点的 pKa 与体系 pH 的相对大小决定，可用 亨德森-哈塞尔巴尔赫方程估算；溶剂性质、温度与反应物浓度同样会移动这一平衡^[5][7]。

大多数质子转移反应进行得很快，正逆两个方向同时存在，体系处于动态平衡；去质子化与质子化构成共轭酸碱对之间的可逆转化^[3][2]。

发展历程

1908 年已有研究者提出酸是氢离子给予体、碱是氢离子接受体的观点^[8]。1923 年，丹麦的布朗斯特和英国的劳里各自独立提出 酸碱质子理论，把给出质子的分子或离子视为酸、接受质子的视为碱，酸碱反应被归结为质子转移过程，这一理论推广了 阿伦尼乌斯电离理论 的适用范围^[6][9]。同年，路易斯提出以电子对接受体和给予体为基础的 路易斯酸碱理论^[8]。

20 世纪后期，随着质谱技术的发展，国际纯粹与应用化学联合会在 1991 年的质谱命名与符号推荐中规范了质子化分子的写法，用 MH⁺ 或 [M+H]⁺ 表示分子与一个质子结合生成的离子，并建议不使用「质子化分子离子」的表述^[10]。2022 年，该组织在物理有机化学术语表中再次收录 protonation 词条，将其界定为结合相对同位素质量约为 1 的 ¹H⁺。

应用

质子化是众多酸碱反应的第一步，酸碱滴定、缓冲溶液的配制以及生物体内 pH 的维持，都建立在质子化与去质子化的平衡之上^[5][7]。血液中血红蛋白的组氨酸残基 pKa 接近生理 pH，在血液酸碱波动时承担缓冲作用^[7]。

在质谱分析中，电喷雾电离等软电离方式常使待测分子结合一个质子而带电，生成的 [M+H]⁺ 离子是正离子模式下最常见的离子形式之一，可用于确定分子量和结构信息^[2][11]。在电喷雾过程中，转移给待测分子的质子通常来自被质子化的溶剂分子^[12]。

有机合成中，质子化可产生碳正离子等活泼中间体，进而引发重排、异构化或阳离子聚合；例如在酸催化下，质子化可促使顺式烯烃向反式烯烃转化^[3][5]。不少酶的催化机理也依赖底物的可逆质子化，丝氨酸水解酶即为一例^[3]。

在生物化学与药学研究中，多肽和蛋白质的净电荷随 pH 变化，其溶解度、稳定性与膜通透性同各可电离基团的质子化状态密切相关^[13]。

局限

质子化能否明显发生取决于给予体的酸性与接受体的碱性是否匹配，只有当平衡有利于生成共轭酸时，质子化产物才占据可观比例；溶剂、温度和浓度都会改变这一比例^[5]。

在溶液中并不存在自由的裸质子，质子总是与溶剂分子结合后再转移，因此同一种酸在不同溶剂中表现出的强度不同，强酸之间的强度差别在碱性较强的溶剂中会被拉平^[9]。

质子化通常可逆，一般不会永久改变物质的组成；但若质子化伴随显著的结构变化，质子化与去质子化的速率可能变得很慢^[3]。

术语方面，国际纯粹与应用化学联合会认为「质子化分子离子」的说法不恰当，容易被误解为分子离子再结合质子，建议统一使用「质子化分子」^[10]。

参见

• 酸碱质子理论 —— 把酸定义为质子给予体、碱定义为质子接受体的理论，是质子化概念的基础。

• 去质子化 —— 质子化的逆过程，指物种失去一个质子。

• 共轭酸碱对 —— 相差一个质子的酸与碱构成的对应关系。

• pKa —— 衡量物种给出质子倾向的定量指标，决定质子化的程度。

• 电喷雾电离 —— 常通过质子化使待测分子带电的一种软电离技术。

• 缓冲溶液 —— 依靠质子化与去质子化平衡抵抗 pH 变化的溶液。