氫鍵

氫鍵（hydrogen bond）是一種非共價相互作用力，它通常發(fā)生在含有氫原子的分子與具有較強(qiáng)電負(fù)性的原子之間。在氫鍵中，氫原子與一個電負(fù)性較高的原子（如氧、氮或氟）形成極性共價鍵后，它的部分正電荷會吸引另一個分子中的電負(fù)性較高的原子，從而形成一個較弱的非共價相互作用力。換句話說，氫原子與若與電負(fù)性大、半徑小的原子Y（O F N等）接近，在X與Y之間以氫為媒介，生成X-H…Y形式的一種特殊的分子間或分子內(nèi)相互作用，稱為氫鍵。（X與Y可以是同一種類分子，如水分子之間的氫鍵；也可以是不同種類分子，如一水合氨分子（NH3·H2O）之間的氫鍵）。

形成條件

一般而言，氫鍵的能量約在10-40KJ.mol-1。較范德華作用力(低于10KJ.mol-1)強(qiáng)，而遠(yuǎn)小于通?；瘜W(xué)鍵的強(qiáng)度(鍵能是102數(shù)量級)。由于物質(zhì)內(nèi)部趨向于盡可能多地生成氫鍵以降低體系的能量，又因?yàn)闅滏I的“鍵能”小，形成的空間條件較靈活，所以它的形成和斷裂所需活化能很小。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在具備形成氫鍵條件的固體、液體甚至氣體中，都盡可能多地生成氫鍵，這一規(guī)律稱為形成最多氫鍵原理。1

在蛋白質(zhì)的a-螺旋的情況下是N-H…O型的氫鍵，DNA的雙螺旋情況下是N-H…O，N-H…N型的氫鍵，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，所以這樣的氫鍵很多。此外，水和其他溶媒是異質(zhì)的，也由于在水分子間生成O-H—…O型氫鍵。因此，這也就成為疏水結(jié)合形成的原因。

（1） 存在與電負(fù)性很大的原子A 形成強(qiáng)極性鍵的氫原子 。

（2）存在 較小半徑、較大電負(fù)性、含孤對電子、帶有部分負(fù)電荷的原子B (F、O、N)

氫鍵的本質(zhì): 強(qiáng)極性鍵(A-H)上的氫核 與電負(fù)性很大的、含孤電子對并帶有部分負(fù)電荷的原子B之間的靜電作用力。

（3）表示氫鍵結(jié)合的通式

氫鍵結(jié)合的情況如果寫成通式，可用X－H…Y表示。式中X和Y代表F，O，N等電負(fù)性大而原子半徑較小的非金屬原子。

X和Y可以是兩種相同的元素，也可以是兩種不同的元素。

（4）對氫鍵的理解

氫鍵存在雖然很普遍，對它的研究也在逐步深入，但是人們對氫鍵的定義至今仍有兩種不同的理解。

第一種把X－H…Y整個結(jié)構(gòu)叫氫鍵，因此氫鍵的鍵長就是指X與Y之間的距離，例如F－H…F的鍵長為255pm。

第二種把H…Y叫做氫鍵，這樣H…F之間的距離163pm才算是氫鍵的鍵長。這種差別，我們在選用氫鍵鍵長數(shù)據(jù)時要加以注意。

不過，對氫鍵鍵能的理解上是一致的，都是指把X－H…Y－H分解成為HX和HY所需的能量。

（5）氫鍵的飽和性和方向性

氫鍵不同于范德華力，它具有飽和性和方向性。由于氫原子特別小而原子A和B比較大，所以A—H中的氫原子只能和一個B原子結(jié)合形成氫鍵。同時由于負(fù)離子之間的相互排斥，另一個電負(fù)性大的原子B′就難于再接近氫原子，這就是氫鍵的飽和性。

氫鍵具有方向性則是由于電偶極矩A—H與原子B的相互作用，只有當(dāng)A—H…B在同一條直線上時最強(qiáng)，同時原子B一般含有未共用電子對，在可能范圍內(nèi)氫鍵的方向和未共用電子對的對稱軸一致，這樣可使原子B中負(fù)電荷分布最多的部分最接近氫原子，這樣形成的氫鍵最穩(wěn)定。2

成鍵原子

典型的氫鍵中，X和Y是電負(fù)性很強(qiáng)的F、N和O原子。但C、S、Cl、P甚至Br和I原子在某些情況下也能形成氫鍵，但通常鍵能較低。碳在與數(shù)個電負(fù)性強(qiáng)的原子相連時也有可能產(chǎn)生氫鍵。例如在氯仿CHCl3中，碳原子直接與三個氯原子相連，氯原子周圍電子云密度較大，因而碳原子周圍即帶有部分正電荷，碳也因此參與了氫鍵的形成，扮演了質(zhì)子供體的角色。此外，芳環(huán)上的碳也有相對強(qiáng)的吸電子能力，因此形成Ar-H … :O型的弱氫鍵（此處Ar表示芳環(huán)）。芳香環(huán)、碳碳叁鍵或雙鍵在某些情況下都可作為電子供體，與強(qiáng)極性的X-H（如-O-H）形成氫鍵。3

分類

同種分子之間

現(xiàn)以HF為例說明氫鍵的形成。4在HF分子中，由于F的電負(fù)性（4.0）很大，共用電子對強(qiáng)烈偏向F原子一邊，而H原子核外只有一個電子，其電子云向F原子偏移的結(jié)果，使得它幾乎要呈質(zhì)子狀態(tài)。這個半徑很小、無內(nèi)層電子的帶部分正電荷的氫原子，使附近另一個HF分子中含有負(fù)電子對并帶部分負(fù)電荷的F原子有可能充分靠近它，從而產(chǎn)生靜電吸引作用。這個靜電吸引作用力就是所謂氫鍵。即F-H...F。

不同種分子之間

不僅同種分子之間可以存在氫鍵，某些不同種分子之間也可能形成氫鍵。例如 NH3與H2O之間。所以這就導(dǎo)致了氨氣在水中的驚人溶解度：1體積水中可溶解700體積氨氣。567

分子內(nèi)氫鍵

某些分子內(nèi)，例如HNO3、鄰硝基苯酚分子可以形成分子內(nèi)氫鍵，還有一個苯環(huán)上連有兩個羥基，一個羥基中的氫與另一個羥基中的氧形成氫鍵。分子內(nèi)氫鍵由于受環(huán)狀結(jié)構(gòu)的限制，X－H…Y往往不能在同一直線上。分子內(nèi)氫鍵使物質(zhì)熔沸點(diǎn)降低。分子內(nèi)氫鍵必須具備形成氫鍵的必要條件，還要具有特定的條件，如:形成平面環(huán)，環(huán)的大小以五或六原子環(huán)最穩(wěn)定，形成的環(huán)中沒有任何的扭曲。

雙氫鍵與π氫鍵

不同分子之間還可能形成雙氫鍵效應(yīng)，寫為B-H… H-A。比如H3N - BH3，而雙氫鍵很容易脫去H2，所以雙氫鍵也被看成氫化物脫氫的中間體。另外在大分子中往往還存在π—?dú)滏I，大π鍵或離域π 鍵體系具有較大的電子云可以作為質(zhì)子的受體，而形成π—?dú)滏I，也稱芳香氫鍵，在穩(wěn)定多肽和蛋白質(zhì)中也起著重要作用。如圖1所示在CAP - DNA 復(fù)合物中，苯丙氨酸的芳香環(huán)和胞嘧啶形成芳香氫鍵。8

雙面體結(jié)構(gòu)氫鍵

當(dāng)氫原子與兩個較電負(fù)的原子形成氫鍵時，會形成一個平面內(nèi)的三角形結(jié)構(gòu)，其中氫原子位于三個原子之間的中心位置。這種結(jié)構(gòu)在水分子中特別常見，因?yàn)樗肿又械臍湓优c相鄰的兩個氧原子形成氫鍵。9

線性結(jié)構(gòu)氫鍵

當(dāng)氫原子與一個較電負(fù)的原子形成氫鍵時，可以形成線性結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)通常見于分子中含有OH或NH基團(tuán)的化合物，例如醇、酚、胺等。

環(huán)形結(jié)構(gòu)氫鍵

在某些分子中，氫鍵可以形成環(huán)形結(jié)構(gòu)10。這種情況在分子內(nèi)部的氫鍵形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)時特別明顯，如蛋白質(zhì)和DNA分子中所觀察到的。

鍵能

氫鍵的結(jié)合能是2—8千卡（Kcal）。氫鍵是一種比分子間作用力（范德華力）稍強(qiáng)，比共價鍵和離子鍵弱很多的相互作用。其穩(wěn)定性弱于共價鍵和離子鍵。

常見氫鍵的平均鍵能與鍵長數(shù)據(jù)為11：

理化特性

物理性質(zhì)

氫鍵通常是物質(zhì)在液態(tài)時形成的，但形成后有時也能繼續(xù)存在于某些晶態(tài)甚至氣態(tài)物質(zhì)之中。例如在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的HF中都有氫鍵存在。能夠形成氫鍵的物質(zhì)是很多的，如水、水合物、氨合物、無機(jī)酸和某些有機(jī)化合物。氫鍵的存在，影響到物質(zhì)的某些性質(zhì)。

熔沸點(diǎn)

分子間有氫鍵的物質(zhì)熔化或氣化時，除了要克服純粹的分子間力外，還必須提高溫度，額外地供應(yīng)一份能量來破壞分子間的氫鍵，所以這些物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)比同系列氫化物的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高。

分子內(nèi)生成氫鍵，熔、沸點(diǎn)常降低。因?yàn)槲镔|(zhì)的熔沸點(diǎn)與分子間作用力有關(guān)，如果分子內(nèi)形成氫鍵，那么相應(yīng)的分子間的作用力就會減少, 分子內(nèi)氫鍵會使物質(zhì)熔沸點(diǎn)降低.例如有分子內(nèi)氫鍵的鄰硝基苯酚熔點(diǎn)（45℃）比有分子間氫鍵的間位熔點(diǎn)（96℃）和對位熔點(diǎn)（114℃）都低。3

溶解度

在極性溶劑中，如果溶質(zhì)分子與溶劑分子之間可以形成氫鍵，則溶質(zhì)的溶解度增大。HF和NH3在水中的溶解度比較大，就是這個緣故。8

粘度

分子間有氫鍵的液體，一般粘度較大。例如甘油、磷酸、濃硫酸等多羥基化合物，由于分子間可形成眾多的氫鍵，這些物質(zhì)通常為粘稠狀液體。3

密度

液體分子間若形成氫鍵，有可能發(fā)生締合現(xiàn)象，例如液態(tài)HF，在通常條件下，除了正常簡HF分子外，還有通過氫鍵聯(lián)系在一起的復(fù)雜分子(HF)n。 nHF(HF)n 。其中n可以是2，3，4…這種由若干個簡單分子聯(lián)成復(fù)雜分子而又不會改變原物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的現(xiàn)象，稱為分子締合。分子締合的結(jié)果會影響液體的密度。3

過渡態(tài)穩(wěn)定性

在許多化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物需要經(jīng)過一個或多個高能過渡態(tài)才能形成產(chǎn)物12。這些過渡態(tài)通常是化學(xué)反應(yīng)速率的瓶頸，而氫鍵可以在過渡態(tài)中提供額外的穩(wěn)定性。例如，在生物催化反應(yīng)中，酶通常會利用氫鍵形成催化基團(tuán)，有助于穩(wěn)定過渡態(tài)，從而降低反應(yīng)的活化能。氫鍵的形成可以減少過渡態(tài)的能量，使反應(yīng)更容易進(jìn)行，從而加速反應(yīng)速率。

反應(yīng)速率調(diào)控

氫鍵可以通過影響反應(yīng)物之間的結(jié)構(gòu)和取向來調(diào)控反應(yīng)速率。當(dāng)反應(yīng)物之間存在氫鍵時，它們之間的相互作用會增加，反應(yīng)速率可能會降低，因?yàn)樾枰朔嗟南嗷プ饔媚芰?。反之，?dāng)氫鍵被破壞時，反應(yīng)物之間的相互作用減弱，反應(yīng)速率可能會增加。

產(chǎn)物選擇性

氫鍵可以影響化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物選擇性，尤其在有機(jī)合成中尤為顯著。1314在反應(yīng)進(jìn)行過程中，氫鍵的存在或破壞可以導(dǎo)致不同構(gòu)象的產(chǎn)生，從而選擇性地形成特定的產(chǎn)物。氫鍵的存在可以調(diào)控反應(yīng)物的取向，使特定的反應(yīng)通道更容易進(jìn)行，產(chǎn)生特定的產(chǎn)物。15

溶劑效應(yīng)

溶劑中的氫鍵網(wǎng)絡(luò)可以影響化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。例如，氫鍵溶劑可以通過氫鍵與反應(yīng)物分子之間形成氫鍵作用，改變反應(yīng)物的溶解度、穩(wěn)定性和取向。溶劑中的氫鍵網(wǎng)絡(luò)也可能通過影響反應(yīng)物分子的構(gòu)象和相互作用，從而影響反應(yīng)速率和產(chǎn)物選擇性。

催化作用

某些催化劑中含有氫鍵基團(tuán)，這些基團(tuán)可以提供額外的活化位點(diǎn)，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。氫鍵基團(tuán)可以與反應(yīng)物分子之間形成氫鍵相互作用，使反應(yīng)物更容易接近催化中心，從而提高反應(yīng)速率和產(chǎn)物選擇性。

影響及作用

對化合物熔點(diǎn)和沸點(diǎn)的影響

分子間形成氫鍵時，化合物的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)顯著升高。HF和H2O等第二周期元素的氫化物，由于分子間氫鍵的存在，要使其固體熔化或液體氣化，必須給予額外的能量破壞分子間的氫鍵，所以它們的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)均應(yīng)高于各自同族的氫化物，而實(shí)際上HI的熔點(diǎn)大于HF的熔點(diǎn)，因?yàn)镠F固體在變成HF液體時，只破壞了少部分氫鍵。

值得注意的是，能夠形成分子內(nèi)氫鍵的物質(zhì)，其分子間氫鍵的形成將被削弱，因此它們的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)不如只能形成分子間氫鍵的物質(zhì)高。硫酸、磷酸都是高沸點(diǎn)的無機(jī)強(qiáng)酸，但是硝酸由于可以生成分子內(nèi)氫鍵的原因，卻是揮發(fā)性的無機(jī)強(qiáng)酸?？梢陨煞肿觾?nèi)氫鍵的鄰硝基苯酚，其熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于它的同分異構(gòu)體對硝基苯酚。

由于具有靜電性質(zhì)和定向性質(zhì)，氫鍵在分子形成晶體的堆積過程中有一定作用。尤其當(dāng)體系中形成較多氫鍵時，通過氫鍵連接成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多維結(jié)構(gòu)在晶體工程學(xué)中有重要意義。

分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

氫鍵可以在分子中提供穩(wěn)定性，特別是在分子內(nèi)部或分子間形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)時。例如，水分子中的氫鍵網(wǎng)絡(luò)賦予水分子高比熱容和高沸點(diǎn)，從而使水在生物體系和地球上的環(huán)境中起著重要作用。16生物大分子（如蛋白質(zhì)和核酸）的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性往往受到氫鍵的調(diào)控。在蛋白質(zhì)的二級和三級結(jié)構(gòu)中，氫鍵的形成對于蛋白質(zhì)的折疊和穩(wěn)定至關(guān)重要。例如，蛋白質(zhì)的α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu)中，氫鍵在螺旋或折疊的螺旋和片層之間起著重要的作用，使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。17

溶解性和溶解過程中的物質(zhì)交互

氫鍵可以影響分子在溶劑中的溶解性和相互作用。例如，水分子的氫鍵網(wǎng)絡(luò)可以與其他分子形成氫鍵作用，影響其溶解度、溶解速率和溶解過程中的化學(xué)反應(yīng)。在某些情況下，氫鍵的存在可以降低反應(yīng)的活化能，從而加速反應(yīng)速率。此外，氫鍵的形成或破壞可以導(dǎo)致不同產(chǎn)物的生成，從而影響反應(yīng)的選擇性。

分子間作用力

氫鍵與分子間作用力概念辨析

關(guān)于氫鍵，論壇爭論最多的在于不同筆者對氫鍵與分子間作用力從屬關(guān)系的爭論。

傳統(tǒng)定義，將分子間作用力定義為：“分子的永久偶極和瞬間偶極引起的弱靜電相互作用”。隨著研究的深入,發(fā)現(xiàn)了許多用現(xiàn)有分子間作用力的作用機(jī)理無法說明的現(xiàn)象。比如鹵鍵，有機(jī)汞鹵化物時觀察到分子內(nèi)鹵素原子與汞原子之間存在長距離弱的共價相互作用力，從而引入二級價鍵力(secondary valence forces)的概念。

現(xiàn)在學(xué)術(shù)上，已經(jīng)不再用“分子間作用力”來涵蓋全部的弱相互作用，而是用更準(zhǔn)確術(shù)語“次級鍵”。氫鍵、范德華力、鹽鍵、疏水作用力、芳環(huán)堆積作用、鹵鍵都統(tǒng)稱為“次級鍵”。

氫鍵是否屬于分子間作用力取決于對”分子間作用力“的定義。如果“分子間作用力”繼續(xù)被狹義指代“分子的永久偶極和瞬間偶極引起的弱靜電相互作用”。這樣氫鍵與分子間作用力性質(zhì)也不完全相同，量子力學(xué)計(jì)算方法也不完全同……，更像并列關(guān)系，氫鍵就不屬于分子間作用力。而我們目前國內(nèi)普通化學(xué)教材、百科大辭典等，就是這個定義，就是狹義指代范德華力。

如果”分子作用力“定義指代一切分子的相互作用（這個定義也包括了長程和短程的相互作用），那么氫鍵也屬于分子間作用力，不僅氫鍵屬于，離子鍵力也屬于分子間作用力。《高分子界面科學(xué)》一書，張開教授認(rèn)為引力常數(shù)項(xiàng)可將各種極化能（偶極、誘導(dǎo)和氫鍵能）歸并為一項(xiàng)來計(jì)算從這一角度出發(fā)，范德華力偶極矩相互作用系數(shù)可擴(kuò)大范圍寫成靜電相互作用系數(shù)。這樣得到了關(guān)于靜電力的廣義范德華力。這樣分子間相互作用的分類一些文獻(xiàn)也有報(bào)道?！读黧w的熱物理化學(xué)性質(zhì)—對應(yīng)態(tài)原理及其應(yīng)用》作者項(xiàng)紅衛(wèi)教授認(rèn)為分子作用勢能的三個類型統(tǒng)稱范德華力，包括定向力、誘導(dǎo)力和色散力，定向力來源于偶極矩產(chǎn)生的引力包括電荷、偶極和四級矩其相互作用由玻爾茲曼權(quán)重因子按1/kT冪指數(shù)展開可得到平均勢能函數(shù)。電荷、偶極和四級矩這些類型的相互作用十分相似均可認(rèn)為服從Berthelot規(guī)律。由于色散力不會產(chǎn)生誘導(dǎo)作用，實(shí)際誘導(dǎo)相互作用按靜電力比例修正。

張季爽和申成對于HF量子計(jì)算表明，氫鍵的形成至少四種不同類型的相互作用：1.HF偶極矩的取向力；2.HF分子最高被占用軌道與另一分子最低空余軌道發(fā)生軌道重疊和電荷轉(zhuǎn)移作用，即類共價鍵。3,分子間電子云的排斥作用。4.分子間的誘導(dǎo)偶極作用，非常微弱。氫鍵的本質(zhì)也是靜電相互作用，主要是偶極作用能和靜電作用能近似可以用廣義范德華力計(jì)算式計(jì)算，氫鍵作用是氫鍵力的幾何平均值服從Berthelot規(guī)律。

由此來看，氫鍵包含”分子間作用力“集合所構(gòu)成的”元素“，兩個集合有交集。但是氫鍵還具有它所不具有的特征軌道重疊與電荷轉(zhuǎn)移。8

超強(qiáng)氫鍵具有類似共價鍵本質(zhì)，在學(xué)術(shù)上有爭議，必須和分子間作用力加以區(qū)分。

很多弱相互作用，既存在于分子內(nèi)又存在于分子間（從量子化學(xué)角度來看）；而且可以向化學(xué)鍵轉(zhuǎn)化。所以筆者建議用更嚴(yán)格的詞匯統(tǒng)稱為“次級鍵”，而不再用分子間作用力來涵蓋全部的弱相互作用。

另外，由于存在爭議，其從屬概念的辨析取決于對”分子間作用“的基本定義。而加州大學(xué)伯克利分校的John M. Prausnitz指出：”我們對分子間作用力認(rèn)識遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，目前只局限于簡單理想情況“。 筆者認(rèn)為因此在基礎(chǔ)教育，比如中學(xué)教育，不必嚴(yán)格區(qū)分從屬關(guān)系，重點(diǎn)在于了解性質(zhì)。無論說氫鍵屬于或不屬于分子間作用力都不算錯誤。要將分子間作用力和氫鍵概念的辨析從屬關(guān)系的考試題可以從考試中剔除（考誰屬于誰是沒有意義的），可以休矣！學(xué)生更重要的在于了解，氫鍵的特性以及幾何平均關(guān)系、不嚴(yán)格飽和性和方向性、熔沸點(diǎn)、溶解度影響、穩(wěn)定性以及π氫鍵等等。因?yàn)槲覀儗Ψ肿娱g作用力認(rèn)識遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠……我們可以參見2011IUPAC對氫鍵的重新定義來看。

氫鍵是比我們以為的要更加模糊的實(shí)體。IUPAC的成員之一、印度科技大學(xué)的高塔姆·丹瑟拉朱表示：“它同明顯的邊界之間沒有相互關(guān)系?！钡ど毂硎?，這不僅僅與語義學(xué)有關(guān)。一個新的定義將對抗化學(xué)家們普遍接受的一種有關(guān)氫鍵什么時候、在什么地方出現(xiàn)的誤解，并且鼓勵他們思考?xì)滏I在新的環(huán)境——比如考慮到形成有機(jī)分子并采用一種以前認(rèn)為不可能的反應(yīng)方式下的影響。探索這條道路可能有助于我們研發(fā)出更加便宜的、更加環(huán)保的有機(jī)物，遠(yuǎn)離目前對有毒的、昂貴且包含了珍貴金屬元素的催化劑的依賴。8

重新定義

上文討論的氫鍵給出的定義均是傳統(tǒng)鮑林定義，而在2011年IUPAC給出了重新定義。

氫鍵就是鍵合于一個分子或分子碎片X—H上的氫原子與另外一個原子或原子團(tuán)之間形成的吸引力，有分子間氫鍵和分子內(nèi)氫鍵之分，其X的電負(fù)性比氫原子強(qiáng)?？杀硎緸閄—H……Y—Z ?！啊笔菤滏I。 X—H是氫鍵供體，Y是氫鍵受體，Y可以是分子、離子以及分子片段。受體Y必須是富電子的，可以是含孤對電子的Y原子也可以是含π鍵的Y分子，X，Y相同原子時形成對稱氫鍵。3

IUPAC給出的氫鍵六準(zhǔn)則：

1. 氫鍵形成主要源于靜電作用力。由于供體和受體之間電荷遷移產(chǎn)生靜電相互作用，導(dǎo)致H原子核Y原子之間形成部分共價鍵，共價鍵的形成由離散作用所引起。
2. X與氫原子間形成正常的共價鍵X—H是極性鍵。H……Y的強(qiáng)度隨X電負(fù)性增加而增加。
3. X—H……Y之間的二面角是直線或接近180度。氫鍵越強(qiáng)H……Y距離越短。
4. 氫鍵形成使得X—H距離增長，結(jié)構(gòu)變化反映在X—H紅外伸縮頻率紅移。且增加X—H伸縮振動的紅外吸收有效截面。X—H……Y中X—H鍵長增加得越多，H……Y氫鍵就越牢固，一些新的振動模式也相繼形成。
5. NMR譜中X—H……Y—Z氫鍵的形成導(dǎo)致X和Y原子之間氫鍵自旋-自旋耦合以及核Overhauser效應(yīng)增強(qiáng)氫鍵還產(chǎn)生特征NMR信號，X—H上H原子質(zhì)子去屏蔽。
6. 氫鍵的吉布斯自由能大于體系熱能。

規(guī)則1指出，氫鍵源于靜電作用，色散相互作用不再認(rèn)為是氫鍵，而規(guī)則6是為弱氫鍵提供能量判斷的底線。IUPAC規(guī)則指出，氫鍵形成可以看做質(zhì)子遷移反應(yīng)杯部分激活的先兆。氫鍵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來的協(xié)同現(xiàn)象，導(dǎo)致氫鍵性質(zhì)不具備按隊(duì)相加性。 氫鍵在成鍵方向的最優(yōu)選擇影響晶體的結(jié)構(gòu)堆積模式。氫鍵電荷遷移估算表明氫鍵相互作用能與供體和受體間電荷遷移程度密切相關(guān)。通過對氫鍵體系電荷密度拓?fù)浞治?，X，Y原子間會顯示一條連接X、Y以及鍵臨界點(diǎn)的鍵徑。3

拍攝氫鍵

中科院國家納米科學(xué)中心2013年11月22日宣布，該中心科研人員在國際上首次“拍”到氫鍵的“照片”，實(shí)現(xiàn)了氫鍵的實(shí)空間成像，為“氫鍵的本質(zhì)”這一化學(xué)界爭論了80多年的問題提供了直觀證據(jù)。這不僅將人類對微觀世界的認(rèn)識向前推進(jìn)了一大步，也為在分子、原子尺度上的研究提供了更精確的方法。

這一成果發(fā)表在日前出版的《科學(xué)》雜志上，被評價為“一項(xiàng)開拓性的發(fā)現(xiàn)，真正令人驚嘆的實(shí)驗(yàn)測量”“是一項(xiàng)杰出而令人激動的工作，具有深遠(yuǎn)的意義和價值”。

這項(xiàng)研究是由國家納米科學(xué)中心研究員裘曉輝和副研究員程志海領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，以及中國人民大學(xué)物理系副教授季威領(lǐng)導(dǎo)的理論計(jì)算小組合作完成的。裘曉輝帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)對一種專門研究分子、原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的顯微鏡——非接觸原子力顯微鏡進(jìn)行了核心部件的創(chuàng)新，極大提高了這種顯微鏡的精度，終于首次直接觀察到氫鍵，為爭論提供了直觀證據(jù)。另外據(jù)稱，氫鍵有望解決姆潘巴現(xiàn)象。

氫鍵的高清晰照片能幫助科學(xué)家理解其本質(zhì)，進(jìn)而為控制氫鍵、利用氫鍵奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，我們未來有可能人工影響或控制水、DNA和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，生命體和我們生活的環(huán)境也有可能因此而改變。如支撐DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的就是氫鍵，氫鍵還能解開和復(fù)制，在生命遺傳中起到非常重要的作用。18