说明：文章华算科技系统梳理了氢键的定义、分类与核心参数，逐一介绍了XRD、ND、cryo-EM、IR、NMR、Raman等实验手段及DFT、MD、分子对接等氢键计算方法。
氢键不是化学键，而是一种特殊的分子间（或分子内）相互作用，其本质上是一种静电相互作用，是带部分正电荷的氢原子与带部分负电荷的原子之间的吸引力。
氢供体：一个氢原子（H）必须与一个电负性很强、原子半径较小的原子（如 氮N、氧O、氟F）以共价键结合。
氢受体：另一个分子或同一分子的不同部位，必须有一个带有孤对电子的电负性原子（同样是 N, O, F）。
当这两个条件满足时，那个几乎“裸露”的、带部分正电的氢原子核，就会被受体原子上的孤对电子所吸引，从而形成氢键。我们可以将其简写为 X-H···Y，其中X是供体，Y是受体。
图1. 氢键原理的发展史。DOI:10.1002/wcms.1477
随着研究发现，氢键的供体和受体不必局限于 N、O、F。例如 C-H ，C连有吸电子基团时，H 可带 δ+可作为供体形成 “C-H…O” 氢键，π 键（电子云密集区）可作为受体形成 “X-H…π” 氢键 —— 这些被称为 “非经典氢键”，虽强度较弱，但在蛋白质折叠、有机晶体堆积中同样发挥关键作用。
图 2. 氢键网络的作用示意图。DOI：10.1038/s41467-023-36015-z
具有饱和性：一个氢原子只能与一个电负性原子形成一个氢键。因为它只有一个原子核，正电中心只有一个。
具有方向性：氢键的强度与方向有关。当氢供体（H）、氢受体（…O、…N）三者排在一条直线上（键角接近180°）时，静电作用最强，氢键也最稳定。
图3. 考虑方向性氢键相互作用的改进的离子液体溶液相行为的预测。DOI: 10.1021/acs.iecr.9b03741
键长：通常指 X 与 Y 之间的距离（而非 H 与 Y），经典氢键的 X…Y 距离一般为 2.5-3.2 Å（1Å=10⁻¹⁰m），且小于 X 和 Y 的范德华半径之和；
键角：指 X-H…Y 的夹角，理想情况下接近 180°，此时 Y 的孤电子对与 X-H 的反键轨道重叠最佳，键角越小，氢键强度越弱；
键能：破坏 1mol 氢键所需的能量，经典氢键的键能为 1-40 kcal/mol（1 kcal/mol≈4.18 kJ/mol），其中：
弱氢键：1-5 kcal/mol（如 C-H…O）；中强氢键：5-20 kcal/mol（如 O-H…O）；强氢键：20-40 kcal/mol（如 [F-H-F]⁻，键能约 40 kcal/mol，接近弱共价键）。
图4. DFT计算键长。10.1002/chem.202200755
氢键无法通过光学显微镜直接观察，需借助专门的实验技术和计算方法，从结构、光谱、能量三个维度综合分析。
XRD是最常用的方法之一。当 X 射线穿过晶体时，会被分子散射，通过分析散射图案可重构分子的三维结构，直接观察到 X-H…Y 的空间位置（键长、键角）。例如 DNA 双螺旋的结构，就是通过 XRD 首次确定了碱基对间的氢键；
图5. HP2在16GPa下XRD图样的Rietveld精修。DOI：10.1021/acs.inorgchem.0c03345
比 XRD 更适合定位 H 原子。X 射线对轻原子（如 H）的散射能力弱，而中子对 H 的散射清晰，可精准测量 H 与 Y 的距离，常用于分析强氢键（如 [O-H-O]⁻）的质子位置；
图6. ND3BD3 的中子衍射图的Rietveld精修。DOI：10.1021/acs.inorgchem.0c03345
适用于生物大分子（如蛋白质、RNA）。通过快速冷冻样品，保持分子的天然构象，再通过电镜成像重构结构，可观察到蛋白质活性位点与底物间的氢键。
图7. 腺相关病毒 (AAV-DJ) 冷冻电镜重构结构。DOI：10.3390/v12101194
氢键会显著改变 X-H 的伸缩振动频率。例如游离的 O-H 伸缩振动峰在 3600 cm⁻¹ 左右，形成氢键后，O-H 键被 “拉弱”，振动频率降低（红移），峰形变宽 —— 氢键越强，红移越明显（如强氢键的 O-H 峰可红移至 3000 cm⁻¹ 以下）；
图8. 100 mM浓度的1-OH、对溴苯酚（2-OH）、1-CF2H和对溴-α，α-二氟甲苯（2-CF2H）在CCl4中的红外光谱。10.1021/jacs.7b04457
通过氢核（¹H）的化学位移判断氢键。游离的 H 化学位移较小（如甲醇的 O-H 在 δ=4.0 左右），形成氢键后，δ+H 的电子云密度降低，化学位移向低场移动（δ 值增大，如与 O 结合的 O-H 可移至 δ=10-15）；此外，NMR 还可通过 “核 Overhauser 效应（NOE）” 测量 H 与 Y 的距离，验证氢键存在；
图9. 4-NO2(a)、4-Br(f)和4-F(k)核磁共振构象分析。10.1021/jacs.7b04457
与 IR 互补，适用于水溶液等 IR 难以分析的体系。氢键会改变分子的极化率，导致拉曼峰的位移或强度变化，可用于研究水的氢键网络动态。
图10. 甲醇-水二元溶液随着甲醇体积分数变化的拉曼光谱。DOI：10.1016/j.saa.2019.117488
当实验无法直接测量时，如酶活性位点的瞬时氢键，计算模拟可作为重要补充：
基于量子力学原理，计算分子的电子结构。常用方法包括 “密度泛函理论（DFT）” 和 “从头算（ab initio）”，可计算氢键的键能、电荷分布、轨道相互作用，甚至预测氢键的红外光谱；
图11. 四种离子对的 DFT 计算。DOI: 10.3390/ijms22116155
基于经典力学，模拟大量分子的动态行为。例如通过 MD 模拟可观察水溶液中氢键的 “断裂 – 重组” 过程（时间尺度可达纳秒至微秒），分析氢键的寿命和网络稳定性；
图12. 通过分子动力学模拟 Nafion 中氢键网络的演变。DOI: 10.1021/acs.macromol.2c02106
在药物研发中，通过对接计算预测药物分子与靶点蛋白的结合模式，分析氢键的数量和强度，筛选高亲和力的药物候选物。
图13. 杂环 rac-2-Amino-3-carbonitrile 衍生物的经典分子间氢键基序：连接 Hirshfeld 表面分析、CT-DNA 结合亲和力和分子对接。DOI: 10.1021/acs.cgd.1c01514
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