证实：本文采算科技先容了氢键的界说、分类、特征及强度。氢键是氢与电负性原子间的静电劝诱作用，分为浅易、分叉和三叉氢键。氢键显耀影响分子的熔沸点、熔解度、酸碱性、响应速度和构象巩固性，并可通过红外光谱、核磁共振、晶体学及表面狡计等多种设施表征。

什么是氢键？

氢键是一种特殊的分子间或分子内互相作用。

其经典界说为：当一个氢原子与一个电负性很强的原子（经常是F、O、N，即氢键供体Donor）形成共价键D-H后，这个氢原子会因电子云密度镌汰而带有部分正电荷，从而大约与另一个电负性原子的孤对电子产生静电劝诱力，这种样式为D-H···A的互相作用便被称为氢键。

图1 氢键的互相作用过甚供体和受体

氢键的分类？

上述例子是单个氢键受体和单个氢键供体之间的浅易氢键。可是，氢键也不错是多中心的，存在多个受体基团或多个供体基团。当波及两个受体或供体时，这种氢键被称为分叉氢键，文件中偶然也因其氢原子与三个原子成键的特色称为三中心氢键。当波及三个受体或供体时，这种氢键被称为三叉氢键。

经常在这种情况下，一个受体形成氢键的强组分，而其他受体在氢键中起较弱的作用。从最浅易的水分子到复杂的DNA等各样体系中均存在分叉氢键。固然也存在三个及以上受体基团的氢键，但这类情况极为荒僻且经常受严格的几何不断。

图2 浅易氢键、分叉氢键、三叉氢键

图3 （a）二氢键：两个氢原子位于供体原子之间（b）分叉供体氢键（c）一个供体领有两个氢原子，但唯唯一个受体（d）分叉受体氢键：两个氢键分享一个受体

当两个相易的分子通过氢键结合形成一个更大的“分子”，即二聚体时，不错不雅察到羧酸官能团在C=O基团的氧原子和O-H基团的氢原子之间形成氢键。

图4 两个4-氨基苯甲酸分子之间的羧酸二聚体形成

氢键的特征？

氢键最要紧的特征之一是其地方性。最强的氢键经常形成于D、H、A三个原子近乎共线时。这种地方性使得氢键集会大约构建出高度有序的结构，如冰的晶体结构。冰的高度有序结构形成绽开的笼状结构，因此固体冰比液体水稍轻一些，这证实了为什么水中的冰会浮在水面上。

图5 冰的氢键结构

氢键的典型几何结构由给体原子（D）和供体原子（A）之间的原子间距H…A和D…A以及角度θ决定。氢键的角度趋向于线性化或典型的角θ值规模为150°-180°。

图6 氢键的角度依赖性

如上所述，氢键的长度取决于参与的给电子和受电子基团的电负性，这进而影响了键的强度。N—H…O氢键中的H…A距离经常在1.80°到2.00 Å之间，而O—H…O氢键中的H…A距离不错预期为1.60到1.80Å。

在分叉氢键中，经常利害对称的，因为两个经受者到氢的距离颠倒的情况并不常见。在分叉氢键中，经常存在主次之分的主要互相作用。

其主要组分具有较短的H…A1距离，且经常具有更大的D-H…A1键角（即更接近180°）。另一条A2…H键可称为次要组分，经常具有更长的键长和更小的键角。

图7 近水平构型噻吩分子通过主–客体分叉三中心氢键及范德华作用与布朗斯特酸位点（Si（OH）Al基团）键合的暗示图（e）巩固近水平构型噻吩的分叉三中心氢键作用暗示图。DOI：10.1002/anie.202308675

与经典氢键比拟，分叉氢键的主要组分强度经常相等于中等强度的氢键，而次要组分本色上属于中等或弱强度。这主如果由于大多数分叉氢键形成于受体富集型复合物中，第二个受体会削弱主导互相作用的强度。

为便于比较，引入“分叉进度”这一倡导，用于对分叉氢键中主次组分强度比进行大致分类：高度分叉（对称）的氢键主次组分强度着实颠倒，而弱分叉（非对称）氢键则指由极强的主要组分和较弱的次要组分组成的情况。

图8 高度BHB（对称）和弱BHB（非对称）的清晰

分叉氢键（BHB）也有几何不断。组成BHB的三个单个键合物互相作用都是劝诱力，导致BHB中的氢原子皆集由给体和两个受体原子形成的平面。这标明α1+α2+α3的角度总额为360°；当系统偏离平面越远时，角度减小。

图9分叉氢键的α1+α2+α3角度之和不错指令该互相作用的平面性

氢键的强度

氢键是一种既有静电劝诱因素，也包含轨谈互相作用、色散力等多种孝顺的复杂作用劲。氢键的强度苟简是共价单键的十分之一，但比非特异性分子间力强约十倍。其强度由电子密度和供体和受体基团中的电负性决定。

典型的共价键能约为420kJ/mol（100 kcal/mol），而与氢键关系的能量规模从约168kJ/mol到约4.2kJ/mol。这种日常的规模是由于氢键性质的不同形成的。

强氢键具有苟简在168-62.8 kJ/mol规模内的能量，本色上是高度共价的（电子分享），经常由于供体基团上电子密度不及或受体基团上电子密度填塞而产生。强氢键经常呈线性（D-H···A角度接近180°），而且在受体和给体原子之间有苟简2.2到2.5 Å的距离。

表1某些不同类型的氢键示例

中等强度的氢键具有在62.8-16.7 kJ/mol规模内的能量，而且经常比强氢键更长，其典型的供体和受体原子之间的距离约为2.5到3.2 Å。

这种键的地方性也遍及受到较少规定，D-H···A键角经常在130°及以上的规模内。中等强度的氢键主如果静电性质。中等强度的氢键比强氢键更为常见，着实存在于总计生物分子以及很多其他类型的材料中。

弱氢键的D···A长度更长（经常>3.2 Å），键角规模更宽（约90°及以上），关系能量低于~16.7 kcal/mol。弱氢键的本色更接近于范德华力（弱静电）。

即使如斯，博亚体育2026世界杯官方版(中国)官方入口它们在晶体工程等规模的应用也很要紧，因为觉得这些力不错用来颐营养子之间的互相作用，从而摆列出具有所需结构和性质的晶体。

图10 甲醇中的氢键

氢键如何影响化学性质？

沸点、熔点与熔解度

沸点与熔点：分子间氢键的存在，意味着在物资发生相变（如从液态到气态）时，除了需要克服范德华力，还必须提供额外的能量来碎裂这些氢键集会。

因此，大约形成氢键的分子（如水、酒精、氨）经常比分子量左近但不可形成氢键的分子（如甲烷、乙烷）具有颠倒高的熔点和沸点。分子内氢键因不参与分子间互相作用，可能镌汰熔点。

图11 氢键对不同周期共价氢化物沸点的影响

熔解度：俗称的“不异相溶”旨趣在很猛进度上是由氢键主导的。一个物资能否溶于某种溶剂，取决于溶质–溶剂间的互相作用能否抵偿碎裂溶质–溶质和溶剂–溶剂间互相作用所需的能量。

当溶质分子大约与溶剂分子形成氢键时，其熔解度经常会显耀加多。举例，初级醇和糖类因含有多数羟基能与水形成氢键，故在水中具有精熟的水溶性。反之，氢键能力也影响着脂溶性，是药物分子联想中评估其穿膜能力的要紧参数。

酸碱性（pKa）

氢键对分子酸碱性的影响是通过巩固或去巩固分子过甚共轭酸/碱来罢了的。

增强酸性：当一个酸（HA）失去质子（H⁺）形成其共轭碱（A⁻）时，如果A⁻大约通过分子内或与溶剂分子形成氢键而得回额外的巩固性，那么这个去质子化的历程就更容易发生，从而使得母体酸HA的酸性增强（即pKa值镌汰）。

图12（a、b）水杨酸的两种构象，其中a的苯酚OH和COOH形因素子内氢键，b不形成氢键（c）阿司匹林（乙酰水杨酸）不形成氢键

调控质子升沉：在酸碱响应和催化历程中，氢键集会演出着“质子导线”的扮装，促进质子的快速升沉。氢键的形成、断裂和重排是很多酶催化响应中质子升沉设施的核神思制。

图13 氢键集会的作用暗示图。DOI：10.1038/s41467-023-36015-z

化学响应性

影响响应速度：通过与响应物、中间体或过渡态形成氢键，不错转变它们的能量。如果氢键大约选用性地巩固过渡态，它将灵验镌汰响应的活化能，从而加快响应，这是一种要紧的催化花样，被称为氢键催化。

图14 在光催化CO2RR历程中，氢键集会对H2生成的影响。DOI：10.1002/anie.202316991

规定响应选用性：氢键的地方性不错用来“固定”响应物的构象或指导试剂从特定的地方要紧，从而罢了对响应区域选用性或立体选用性的规定。在别离称催化中，手性催化剂通过与底物形成特定的氢键集会，大约高效地开辟产品单一手性构型的生成。

构象巩固性

通过在分子的不同部分之间形成氢键，不错规定化学键的解放旋转，使得分子倾向于保抓某个能量较低的特定构象。这种构象锁定效应关于药物分子的生物活性至关要紧，因为唯零散定构象的药物分子能力与靶点（如卵白质或核酸）的活性位点精准匹配。

如何分析与表征氢键？

现实表征设施

红外光谱（FTIR）‍：当D-H基团参与形成氢键D-H···A时，其伸缩振动频率会发生红移（向低波数迁移），且接收峰会变宽、强度增大。这些变化是判断氢键形成与否的经典把柄。

图15 酒精（左）与己酸（右）O-H键伸缩对比（红色虚线框内）

核磁共振（NMR）‍：形成氢键的质子（H）所处的化学环境发生变化，其电子屏蔽效应减轻，导致其在¹H NMR谱图中向低场（高化学位移值）迁移。通过变温NMR现实，还不错计划氢键的动态性质。

晶体学设施：X射线单晶衍射大约精准测定分子在固态下的三维结构，从而径直不雅察到氢键的键长、键角等几何参数，为交融氢键提供了最直不雅的把柄。

表面狡计与模拟设施

量子化学狡计：密度泛函表面（DFT）‍是当今计划氢键体系最主流的狡计设施之一。它不错准确狡计含有氢键的体系的优化几何构象、互相作用能、振动频率等，并用于瞻望氢键对pKa值、响应能垒等性质的影响。

结合当然键轨谈（NBO）分析或分子华夏子表面（QTAIM）‍等设施，不错从电子结构层面潜入揭示氢键的本色。

图16 乙腈–甲胺勾通物的量子化学拓扑Quantum Chemical Topology（QCT）可视化。紫色点是键合临界点（BCPs），氢原子的基局域被绮丽为线框（电子密度在外部名义以ρ=10-3au截断）。

分子能源学模拟（MD）‍：关于包含多数分子（如溶液体系或生物大分子）的复杂体系，MD模拟不错在原子表率上模拟氢键集会的动态演化历程，揭示氢键在溶剂化、分子识别和构象变化等动态历程中的作用。

机器学习（ML）‍：频年来，期骗机器学习模子来瞻望氢键强度或基于分子结构瞻望关系性质成为一个新的计划热门，它有望以更低的狡计本钱罢了对复杂体系的高效筛选和瞻望。

图17（a）总受体与（b）供体数据库中的氢键距离（HBA–H）博亚体育app官网下载，以Å为单元，与量子化学狡计所得打算值的对比图。DOI：10.1186/s13321-019-0381-4