氢键学习指南：定义、分类、量化公式一站式掌握

说明：本文华算科技阐释了氢键的核心定义、多维度分类、量化公式。读者通过本文可掌握氢键的形成本质，了解常规/非常规、强/中/弱等不同类型氢键的特征与典型示例，学会利用键长、键角、红外红移量等参数量化氢键强度。

01

什么是氢键？

氢键的经典定义可以表示为X-H······Y，氢供体（X-H）与氢受体（Y）之间形成的定向相互作用。其中X为电负性强、半径小的原子，通常为N、O、F，部分情况下可扩展至Cl、S等；Y为含孤对电子的电负性原子，同样以N、O、F为主。

其本质是：X的高电负性使H原子呈现部分正电荷（δ⁺），近乎一个“裸露”的质子，与Y的孤对电子形成静电吸引，同时伴随一定程度的轨道重叠，最终形成定向、有饱和性与方向性的弱相互作用。

氢键的能量介于弱范德华力≈0.5kJmol^-1和共价键≈300kJmol^-1之间，常在5–30kJmol^-1之间。正因为它既不易被肉眼看到，又能显著提升分子间的黏合强度，常被形象地称为“隐形胶水”。

02

氢键有哪些类型？

氢键的形成依赖电负性强、半径小的X，与Y含孤对电子的原子特性，核心类型及特征如下：

（1）常规氢键：

X、Y为N/O/F，这类氢键强度较强，键能介于20~40 kJ/mol，兼具显著静电作用与共价成分，是调控物质结构、性能的关键作用力。

O-H…O氢键：最常见类型，存在于水、醇、羧酸、聚合物等体系中。如水分子间H₂O…H-O-H、乙醇与水的混合溶液、羧酸二聚体R-COOH…O=C-R、聚合物中羟基-OH与羰基C=O的相互作用。键能10~30 kJ/mol，键角接近180 °，是维持液态水、生物膜结构的关键。

O-H…N氢键：广泛存在于生物分子、超分子材料中。如蛋白质中肽键的-OH与氨基-NH₂、DNA碱基对，如腺嘌呤的-NH₂与胸腺嘧啶的C=O、MOF材料中配体的-OH与氨基的相互作用。键能8~25 kJ/mol，方向性较强，对生物大分子构象稳定至关重要。

N-H…O氢键：与O-H…N氢键互补，常见于酰胺、胺类化合物。如尼龙分子链间的酰胺键-NH-CO-…O=C-NH-、酶活性位点的-NH₂与底物的C=O键能7~20 kJ/mol，是聚合物力学强度提升、酶-底物特异性结合的核心作用力。

N-H…N氢键：多见于含氮杂环、胺类体系。如咪唑分子间、DNA中鸟嘌呤与胞嘧啶的碱基对3个N-H…N氢键、超分子凝胶中脲基-NH-CO-NH-的相互作用。键能5~15 kJ/mol，虽强度较弱，但数量累积可显著提升体系稳定性。

F-H…F氢键：最强的常规氢键，仅存在于含F-H的化合物中。如HF二聚体F-H…F-H、氟代醇与氟离子的相互作用。键能20~40 kJ/mol，键长极短r_(H…F)≈1.5~2.0Å，含显著共价成分。

（2）非常规氢键

X为C/S/P等，Y为N/O/S等，这类氢键强度较弱，键能1~10 kJ/mol，但在分子识别、晶体堆积中起重要作用，且数量常占优势。

C-H…O氢键：最常见的非常规氢键，C原子需与电负性基团，如C=O、CN相连，使C-H键极化，H呈部分正电荷。

如苯环上的C-H与羰基C=O、蛋白质中疏水侧链的C-H与肽键的O、超分子组装体中的芳香环C-H…O相互作用。键能3~8 kJ/mol，键角范围宽100 °~160 °，是晶体堆积、分子自组装的辅助作用力。

C-H…N氢键：多见于芳香杂环、腈类化合物。如吡啶环的C-H与咪唑的N、腈类化合物R-CN与芳香环的相互作用。键能2~7 kJ/mol，在药物分子与靶点蛋白的结合中起协同作用。

S-H…O/N氢键：存在于硫醇、硫酚类化合物中。如半胱氨酸的-SH与酪氨酸的-OH、硫酚与胺类的相互作用。键能4~12 kJ/mol，在蛋白质二硫键还原、催化反应中起调控作用。

P-H…O/N氢键：见于膦类化合物，应用于催化、配位化学。如膦配体的P-H与金属配合物的O原子、膦酸酯分子间的相互作用。键能5~10 kJ/mol，可调控催化剂的活性位点构型。

氢键强度与键长r_(H…Y)、键角θ_(X-H…Y)直接相关，按强度可分为3类：

（1）强氢键，键能20~40kJ/mol

结构判据：r_(H…Y) Å，θ>160 °，含显著共价成分，电子轨道重叠。如HF二聚体F-H…F、羧酸二聚体O-H…O、质子化胺的N-H…O⁻，如NH₄⁺…COO^–。可用于质子传导材料、燃料电池电解质、强相互作用超分子组装。

（2）中强氢键，键能5~20kJ/mol

结构判据：2.2 Å≤r_(H…Y) Å，120 ° °，以静电作用为主。如水分子间的O-H…O、蛋白质中肽键的N-H…O、醇与胺的O-H…N。可用于维持生物大分子构象、聚合物分子链交联、催化剂与反应物的吸附活化。

（3）弱氢键，键能1~5kJ/mol

结构判据：r_(H…Y)≥2.5 Å，θ≤120 °，静电作用较弱，依赖范德华力协同。如C-H…O、C-H…N、S-H…S氢键。可用于晶体堆积中的分子排列、疏水作用中的协同稳定、药物分子与靶点的弱相互作用累积。

（1）分子间氢键

分子间氢键指的是氢键供体与受体属于不同分子，是最常见的类型。如水与乙醇的混合溶液H₂O…HO-C₂H₅、DNA碱基对间的氢键、聚合物分子链间的氢键。可用于促进分子聚集、提升材料稳定性、调控溶液性质。

（2）分子内氢键

指氢键供体与受体位于同一分子内，通常形成五元环或六元环。如邻硝基苯酚-OH…O₂N-，六元环；水杨酸-OH…O=C-，六元环；蛋白质α-螺旋中的肽键内氢键N-H…O=C。可用于稳定分子构象、降低分子极性、调控材料响应性。

（3）多重氢键

指两个分子间通过2个及以上氢键形成“氢键对”或“氢键簇”，协同增强相互作用。如脲基嘧啶酮UPy基团间的四重氢键2个N-H…O+2个N-H…N、DNA碱基对A-T2个氢键，G-C3个氢键、双齿配体与金属离子的氢键簇。

键能具有“协同效应”，总键能大于单个氢键之和，是超分子自修复材料、特异性分子识别的核心机制。

DOI：10.1038/s41467-023-36015-z

03

如何量化氢键？

氢键强度E_HB可通过键长、键角等几何参数或红外光谱位移定量估算，常用经验公式：

符号含义：r_H…Y为H原子与受体Y原子的距离，Å，关键判据：r_H…Y Å通常认为存在强氢键；k、a为经验常数，随X、Y原子类型变化，如X=O、Y=O时，k≈100，a≈0.3；

物理意义：r_H…Y越短，氢键强度越大，呈指数相关。

这是判断氢键形成的核心依据，氢键形成会导致供体X-H键的伸缩振动频率ν红移，红移量Δν与氢键强度正相关：

符号含义：V₀为自由X-H键的伸缩振动频率；V_HB为形成氢键后X-H键的振动频率，如缔合-OH的ν≈3200~3400 cm⁻¹；c、b为常数，如O-H…O氢键中，c≈0.1、b≈0。

应用：Δν越大，氢键越强，如强氢键的Δν>400 cm⁻¹，中强氢键Δν=200~400 cm⁻¹，弱氢键Δν cm⁻¹。

通过密度泛函理论DFT计算可精准获得氢键的键能与电子结构，核心公式：

符号含义：E_complex为氢键复合物的总能量；E_donor、E_acceptor分别为供体分子与受体分子的单独能量；E_BSSE为基组重叠误差，需校正以提高准确性。

适用场景：通过VASP、Gaussian等软件计算，精准量化氢键强度。

氢键的方向性通过键角θ，X-H…Y的夹角描述，理想氢键的θ≈180 °，强度随θ偏离180 °而减弱。强氢键：θ>160 °，r_H…Y Å；中强氢键：120 ° °，2.2 Å≤r_H…Y Å；弱氢键：θ≤120 °，r_H…Y≥2.5 Å。

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