氢键理论研究的现状及前景 论文综述

氢键理论研究的现状及前景

论文综述

摘要：氢键是分子内或分子间的一种弱相互作用, 氢键的键能较小,但其存在却对物质的性质,结构等方面有很大影响，分子间存在氢键时, 大大地影响了分子间的结合力,故对氢键的研究应用也为对物质的性质有很大影响,在生物、化学、材料等领域起着重要的作用,是目前人们研究的热门领域之一。

关键词：氢键氢键类型氢键结构弱相互作用

一.什么是氢键

1.氢键的定义

1920年首次提出氢键的定义，结合近年来氢键研究的进展，我们认为：氢原子受到与之成键的原子或原子基团的影响，同时又与另一个原子或原子基团形成一种弱相吸作用力，这就是氢键．可以用X一H?Y来表示。

2 .氢键的特点

2.1 氢键存在形式广泛．水、醇、胺、羧酸、无机酸、水合物、氨合物等在气相、固相和超临界相都可能存在原子间、分子间、分子内、或正负离子间的氢键。

2.2 氢键具有方向性，Y原子与X一H形成氢键时，在尽可能的范围内要使氢键的方向与X一H键轴在同一个方向。

2.3 氢键具有饱和性．每个X一H只能与一个Y形成氢键。

2.4 氢键具有协同性，几个相互连接的氢键键能大于各单个氢键键能的加和。

2.5弱氢键具有柔性．弱极化X一H?Y氢键间有方向的静电作用和各向同性的范德华作用相差不多，从几何光学的角度上很容易被拉伸、压缩、弯曲。

3.氢键的本性

关于氢键的本性目前没有统一认识，一般认为氢键是两个偶极子之间的三中心四电子静电作用力，但是氢键的方向性和饱和性不能完全用静电作用的观点来解释．从量子力学和键能角度来看，氢键也不同于共价键．一种新型NMR脉冲频率实验证明N—H?N、F—H?N、N—H?O—C、O一H?O氢键具有一定的共价性。

4 .氢键的强弱—键能

氢键的强弱与X、Y的电负性大小、原子半径大小、氢键距离有关，但没有确定的关系，中性分子间氢键键能10～65 kJ／mol，强于范德华能(<8 kJ／mol)．离子间、离子一分子间氢键键能40～190 kJ／mol ，与弱共价键相当，最强的弱氢键和最弱的强氢键能量相当(20 kJ／mol)。

5. 氢键的几何参数

5.1 键长在X一H?Y中，由X原子中心到Y原子中心的距离就是氢键键长．氢键研究还涉及H?Y距离，X一H总是小于H?Y，但H?Y的存在使X—H变长，在弱氢键中，H?Y的距离变化幅度很大。

5.2 键角键角是指X一H?Y角度，氢键的方向性要求键角接近180。，由于空间阻碍或其他作用力的竞争，氢键柔软弯曲，但至少应大于90。小于90，不是氢键。

6 .氢键的分类

传统上氢键分为分子内和分子间氢键，随氢键研究的需要，分为强氢键和弱氢键，两种特殊的氢键形式：(1)对称氢键，即氢键质子位于给体和受体原子间连线的中点，如K 和二甲酸氢钠。(2)分叉氢键(或称多中心氢键)，即一个质子给

体A—H可同时与两个或三个受体B形成氢键，在一些生物小分子水合物晶体中，分叉氢键出现的机会多一些，如图所示，分叉氢键的出现向传统的氢键饱和性理论提出了挑战。

二. 氢键类型

传统的氢键给体和受体局限于象N、O、F、Cl这样的原子半径小、电负性大的原子，研究发现，在特殊的化学环境下，C、I、S、Se，Te这些原子半径大、电负性小的原子、过渡金属原子、烯、炔、芳香族化合物都能形成氢键．我们以经典0一H、N—H、C1．H和非经典C—H、M—H(M=金属原子)质子给体为线，归纳出以下七大类二十九种氢键类型：

1 . O一H?X型(X= F、N、Br、O、C1、兀体系)

2 . N—·H?X 型(X=F、N、O、C1、Br、S、兀体系)

3 . C1一H?X型(X=N、7、兀体系)

4 . C—H?X型(X=O、F、N、C1、S、Se、I、7)

5. X一H?M 型(X=C、N、O，M =过渡金属原子)

6. H原子正极性化的M ?H ·O-~-C型(M =稀土、过渡金属原子)

7. H原子负极性化的M —H?H—X型(X=C、N、O、S，M =稀土、过渡金属原子) 自从1984 年Taylor和Kennard 对C—H?O氢键具有里程碑意义的研究公布以后，人们开始了对其他类型弱氢键如O一H?7兀、

N— H? 7兀、C—H? 7兀、o—H ? M 、N— H ? M 、M_H?O和C．H?M (M =金属原子)的分析、合成和表征．从经典强氢键O一H?O到非经典C_H?O、N—H?O氢键，再到过渡金属原子直接参与的M—H?O，0一H?M，N—H?M 及H?H键，这些传统上认为是氢键惰性基团形成的氢键是否有点牵强附会?相关原子的近距离接触是否是其他晶体堆积力量作用的结果?它们的形式是否大于它们的化学本质?这些问题并不重要，重要的是这些x—H?Y相互作用的本质是有方向的、弱相吸的．它们的确在晶体结构中出现了，并且不同程度地决定了晶体结构，影响了化合物的物理、化学性质．在晶体工程指向效应上，各种类型的氢键并没有迥然的、实际的划分界限。

三．形成氢键的必要条件

形成氢键的必要条件是，氢在原来分子中结合着的键要有足够强的极性，也就是和氢键合着的原子，要有足够大的负电性，如氧、氟、氮等。氮和氯的负电性几乎相等，但氮原子比较小，容易形成氢键。例如水分子的氢键。氢在水分子虽已和氧共价键合，由于氧的负电性大，电子被强烈地引向氧的一端，使得氢带部分正电荷，在这个氢核外已没有掩护的电子，因此它还能吸引另一负电性元素，即另一水分子的氧，这样一两个水分子就缔合在一起了，氢原子只有一个1S电子，是不可能形成两个共价键的，所以H在它原来的分子中仍旧保持它和氧中间的共价键，它和另一水分子的氧基本上还是静电引力，所以，氢键的键能不大，仅有几个千焦。由于氢键的形成，水分子可以三个、四个、五个或更多个缔合在一起。具有H-O、H-N、H-F等键的化合物，容易由于氢键的形成而缔合成为缔合分子，对它们的熔点、沸点降低，升华热、汽化热减小，也影响溶解度。不同分子之间也能形成氢键，例如有机胺和水也可借氢键而结合，氨和水也能形成氢键。能够形成氢键的物质有水、醇、胺、羧酸、无机酸、水合物、氨合物等，在生命过程中的蛋白质、脂肪、醣都含有氢键，氢键又分分子内氢键和分子间氢键两种。

四. 氢键及氢键理论研究百年历史回顾

尽管由氢键引起的物理化学性质，在19 世纪就已被大量观察到，氢键概念的提出是在20 世纪以后。现在就就20 世纪以后键的研究历史作一简要的回顾。这一历史主要分为四个时期：

第一. 20 世纪初—20 世纪30 年代初期：氢键概念的形成期。

第二. 20 世纪30 年代初期—20 世纪40 年代中期：氢键概念的巩固和传播期。第三. 20 世纪40 年代中期—20 世纪60 年代末期：进一步突破的技术准备时期。

第四. 20 世纪70 年代初期—21 世纪初：氢键理论发展的黄期。

现分述如下：

1．20 世纪初—20 世纪30 年代初期：氢键概念的形成期

在19 世纪后半叶，就发现了许多和氢键相关的现象。比如被广泛研究的气态水合物（最早是Michael Faraday 在1823 年对氯的气态水合物的研究），这类化合物的形成与水的氢键性质密不可分。但是这时还没有人提出氢键的概念。

1902 年，德国化学家Werner 在用主价和副价的概念解释复杂络合物分子中元素的原子价时，首先指出NH4Cl 成键的特殊性。他认为NH3 分子中氮有一个副价“储藏”着，当它与盐酸反应时，这个副价就被HCl 分子中的氢原子所饱和。于是Werner 把氯化铵的结构式写为[H3N?H]Cl 。

这之后，德国的Hantzsch 在1910 年，Pfeiller 在1914 年，继承和发展了Werner 的理论，分别以nebenvalenz 和innere komplexsalzbidung 来描述分子内和分子间的氢键。英国的Moore 和Winmill 在1912 年用weak union 来说明氢氧化三甲基铵的弱碱性。他们把分子间的氢键命名为association，把分子内的氢键命名为chelation，被认为最先注意到了氢键。1920 年，美国化学家Latimer 和Rodebush 在一篇论述HF、H2O、NH3 高沸点的文章中提到：“the hydrogen nucleus held by two octets constitutes a weak bond.”被认为第一次明确地提出了氢键的概念。随后，Huggins 于1922 年在一篇题为《原子的电结构》的文章中也提到“a positively charge kernel containing no electrons in its valence shell reacting with an atom containing a lone valence pair can form a weak bond.”并且Huggins 声称他早在1919 年就先于Latimer 和Rodebush 提出了氢键。Pauling 认为，他们三人同时提出了氢键的概念。1931 年，Pauling 在一本有关化学键成因的书中讨论[H ：F :H]—时第一次用了“氢键”（hydrogen bond）一词。同年，Huggins 讨论氢离子和氢氧根离子在水溶液中的传导作用时，也用了“氢键”（hydrogen bond）一词，但是在文章第二次校订时，他把“氢键”换成了“氢桥”（hydrogen bridge）。自此，氢键这一概念被正式提出。

2．20 世纪30 年代初期—20 世纪40 年代中期：氢键概念的巩固和传播期“氢键”虽然早在20 世纪20 年代就被提出，但一开始显然没有得到广泛的认识和接受。1926 年关于NaHF2 的研究，1930 年关于NH4F2 的研究，1928 年关于尿素的研究以及1940 年关于乙硫胺的研究中都未提到氢键。20 世纪30 年代的大部分关于水与冰结构的文章也对氢键只字未提。1935 年关于乙二酸及一些草酸盐的晶体结构分析的文章中，虽然曾提到H 原子位于两O 原子的正中央，但全文也没有正式提到氢键。“氢键”成为广为人知的概念至少是在1935年以后。在“氢键”概念的巩固和传播过程中，Huggins 和Pauling 起到了重要作用。1936 年，Huggins 发表了两篇关于氢键的文章。在讨论水与冰中的氢键的文章中他第一次用“质子跃迁”解释了氢离子在水中的移动速度。在另一篇关于有机物氢键的文章中，Huggins 列举了大量以O—H、N—H 为质子给体的氢键，他还

详细讨论了碳酸中的氢键和角蛋白折叠（这一问题最早是由Astbury 和Street 在1931 年，Astbury 和Woods 在1933 年用X 射线研究头发、丝绸和羊毛结构时提出的）中氢键对稳定构象的影响。这是一篇极有远见的文章，文章大胆预测了氢键将在生物大分子研究中占据重要地位。1943 年，Huggins 又发表了关于纤维蛋白、脂肪酸、乙二酸衍生物等的氢键的文章。这些都极大地丰富了人们对氢键的认识。Pauling 在1935 年也研究了水和冰中的氢键问题。1939 年，Pauling 正式出版了著名的《化学键的本质》。这本书把氢键的观点确定了下来并传播开来。Pauling 在书中关于氢键的观点主要有两条：1、在某种情况下，一个氢原子同时被两个电负性很强的原子所吸引，这就相当于氢原子在这两个原子间形成了一个键，称作氢键。2、一个氢原子只有一个基态1s 轨道，所以它不能形成2 个纯共价键，故氢键有很大离子成分。自此，氢键的概念得到巩固和发展。另外，需要指出的是，1936 年，红外光谱分析走进了氢键的研究，从此，人们对氢键的判断再也不局限于通过物质的性质和热力学数据，谱学分析逐渐成为氢键分析的主要方法。

3．20 世纪40 年代中期—20 世纪60 年代末期：进一步突破的技术准备时期这一时期，随着X 射线衍射和红外光谱分析的逐步完善，以及中子衍射和NMR 核磁共振技术的兴起，化学家以及物理学家测出了一系列的氢键的键能、键长、键角数据，发展出了更为丰富的研究观测方法。这为后来的进一步理论研究作好了准备。其中，特别值得一提的是Waston 和Crick 在1953 年用X 射线衍射技术确定了DNA 双螺旋结构模型，氢键成为这个模型的重要组成部分。这一模型的诞生，标志着生物学进入了分子生物学时代，同时也把氢键在生命科学研究中的地位上升到了一个新的高度。这一时期的技术进步还包括计算机技术的巨大进步。1960—1973 年，性能稳定、能进行大规模计算的计算机的诞生使半定量的量子力学计算成为可能。尽管这一时期理论计算得到的数据都被后来更强大的计算机所支持的更精确的量子计算所得到的数据所替代，但是这一时期里，理论计算首次作为一种独立的研究方法进入氢键的研究中，这对氢键研究，有着

划时代的意义。另外，在这一时期，1957 年，第一届国际氢键大会在南斯拉夫的卢布尔雅那举行。从大会的论文可以看出，当时人们对氢键本质的认识持两种观点，一是以Coulson 为代表的认为氢键主要由静电吸引能和交换互斥能组成的观点，一是以Pauling 为代表的水的笼形水合物模型。

4．20 世纪70 年代初期—21 世纪初：氢键理论发展的黄金期

随着计算机技术的快速发展，能够支持大规模计算的计算机出现了。氢键的理论研究变得空前活跃。从分子轨道理论、价键理论发展而来的量子力学计算方法，增加了人们的研究手段。由微扰法、自洽场方法、从头算起法等得到的数据，与热力学和谱学得到的数据并列在一起，成为氢键研究的第三大数据来源。

这时期，出现了一个研究氢键本质的重要方法——能量划分方法。

能量划分的思想早在1952 年就由Coulson 提出。1959 年，Coulson 把氢键系统A—H?B 划分为五个状态的叠加

ΨA—H?B = aΨa + bΨb + cΨc + dΨd + eΨe

Ψa A—H?B A—H 间共价键Ψb A--—H+?B A—H 间离子键

Ψc A--—H?B+ A?B 间电荷转移能Ψd A+—H-- ?B A—H 间离子键

Ψe A—H-- ?B+ H?B 间电荷转移能

他计算了O—H?O 中O??O=2.8? 时的情形，静电成分Ψb +Ψd 占了总能量的65%，这暗示着静电相互作用可能是氢键的主要组成部分。1971 年，Morokuma

发明了一种新的能量分解方法，他基于Hatree-Fork 理论，对一些化合物作了计算。1976 年Kitaura 和Morokuma，1977 年Umeyama 和Morokuma 又对更多的化合物进行了计算。Morokuma 的能量分解方法（又称Kitaura-Morokuma 能量分解方法）将能量分解为静电吸引能（Electrostatic）、极化能（Polarization）、交换互斥能（Exchange Repulsion）、电荷转移能（Charge Transfer）以及一个差项（Coupling）。其意义分列如下：静电吸引能：包括单极—单极、偶极—单极及偶极—偶极相互作用，以及其他分子变形之前的静电相互作用。极化能：由于离子变形而产生的作用能变化。交换互斥能：两分子间的电子的互换导致的近程排斥作用，这是唯一使能量升高的项。电荷转移能：两分子的电子分别跃迁到对方的空轨道上引起的电荷转移所引起的能量变化。

差项：对各项的修正，一般很小，可忽略。

Morokuma 之后，又有很多人发展了他的能量分解方法或提出了与Morokuma 不同的能量分解方法，使人们对氢键本质的认识不断加深。而直到目前为止，关于氢键的本质还无定论。很多化学家支持氢键的静电本质，这与大多数实验和计算的出的规律相符；可是也有很多科学家认为电荷转移能（反映氢键的“共价性”）在某些体系中也起到了举足轻重的作用。这一关于氢键本质的争论仍在继续，孰是孰非只好留给历史去评判。在这一时期，其它的氢键理论研究方法也不可忽视，比如电荷密度研究方法、静电势方法以及以等势面计算为代表的动力学研究等，都为氢键理论的发展作出了重要的贡献。在这一时期，还发现了许多新类型的氢键。1972 年，J?nsson 和Kvick 通过种子衍射证实了多中心氢键的存在（这是被Albrecht 和Corey 在1939 年首次观察到的）乙炔作为一质子受体形成的氢键于1974 年首先被Green 在光谱研究中发现；同年，他将苯和一些苯基衍生物列入了氢键的质子受体的列表。（芳香环作为受体的氢键最早是Bamford 于1954 年发现的，但Green 可能是在不知道这一成果的情况下独立发现的。）这样，一类新的氢键X—H?π被发现。（如图2）

芳香环的氢键

（c）

（d）

过渡金属作为受体的氢键由Teller 和Bau 于1981 年首次发现。（如图3）

最近发现的是所谓二氢键，由Crabtree、Siegbahn 和Eisenstein 在1996年报道，（如图4）

这些新类型的氢键的发现，丰富了人类的认识；对这些新类型的氢键的解释促进了氢键理论的发展。在这一时期，随着人们对氢键作用认识的逐步深入，产生了对氢键的某些应用。比如在材料科学中，氢键被应用与分子组装，成为分子基材料的“黏合剂”和组装模板。又比如固相反应软化学中的胶束和囊泡，有很多也要应用氢键的性质。还有利用氢键吸附进行离子交换、离子识别等等。总之，氢键在人类生活生产和科学研究中发挥了越来越重要的作用。

3 氢键的研究意义:氢键通常是物质在液态时形成的，但形成后有时也能继续存在于某些晶态甚至气态物质之中。例如在气态、液态和固态的HF中都有氢键存在。能够形成氢键的物质是很多的，如水、水合物、氨合物、无机酸和某些有机化合物。氢键的存在，影响到物质的某些性质。生物学领域在保持DNA、蛋白质分子结构和磷脂双层的稳定性方面起重要作用，在生物化学领域对于研究物质的理化特性具有重要意义，比如物质的溶沸点，分子键作用力以及物质特殊化学性质。因此氢键的研究对于开创生物化学研究的新局面具有划时代的意义。

3.1 氢键的形成降低了相应基团的热振动，稳定了体系结构氢键对包括配合物、生物大分子的稳定作用已作了研究，稳定化能量高达135 kJ／mol (32 Kcal／mo1) 3. 2 氢键的形成对化合物的物理、化学性质有显著的影响最近，喋啶及结构相似的黄素、喋呤金属配合物模j以酶中金属活性位置及金属环境的研究表明，氢键在调节酶的反应速廖和特异性方面起着一定作用。

3.3 氢键在分子组装中的作用和意义超分子晶体工程是一个新兴研究领域，它能把金属的配位立体几何结构、离子电荷、价、自旋态等典型特点和有机分子特征官能团结合起来，从而把过无机金属的电、磁、结构性质在有机分子中体现出来，以获取新型光、电、磁、导体、超导体或非线性光学材料．具有多维、多核结构的超分子、超离子化合物的设计与合成处于超分子化学、生物学、材料科学和分子电学的交汇点，氢键足够牢固且具有方向性、可预见性和可再现性，在晶体合成策略中至关重要。

五. 氢键的研究方法

对氢键的研究伴随着对质子传递和电子传递现象的探索，丰富的氢键形式对实验

手段和理论方法提出了更高的要求。

1 统计研究方法

Cambridge structural Database(CSD)是晶体结构分析的重要依据，它含有超过160 000个数值及藏量巨大的精确结晶学数据库，对我们研究各种类型氢键提供极大的方便。

2 实验研究方法

2. 1 振动光谱在氢键研究的历史中，红外光谱一直是最重要的谱学手段之一，为研究工作提供了大量翔实可靠的信息．拉曼光谱经常与红外光谱同时运用并互为补充，同时，各种新的振动光谱技术，如基质隔离谱、高压光谱、变温光谱、红外显微镜和偏振光谱等在氢键研究中的应用，大大促进了这一领域的研究工作。

2.2中子光谱中子光源的优势在于中子波长明显短于紫外可见光和红外光波长，可通过中子散射获得整个布里渊区的振动信息。

2.3 核磁共振研究, 人们已利用1H,2H、13C、17O、14N、19F的NMR谱研究了不同类型的氢键体系，近年来，研究重点逐渐转向对自旋一晶格驰豫时间(n )的观察。

2.4 x一射线衍射和中子衍射x射线衍射晶体学通常不能准确测定氢原子位置，而中子衍射可以做到。

3．理论研究方法

已有多种理论方法，包括量子化学从头计算、半经验方法、密度泛函、分子力学和分子动力学方法，被应用于氢键体系的研究。

六、氢键研究历史给我们的启示

回顾氢键研究的历史，我们注意到以下几点：

1．技术发展对科学研究工作产生了深远的乃至决定性的影响

从氢键研究的历史中我们可以看到，随着光谱技术、核磁共振技术、X 射线和中子衍射技术，乃至后来的隧道扫描技术的发展和逐步应用，人们对氢键研究的实验手段越来越丰富，得到的氢键图象也越来越清晰。这些技术的引入，导致了氢键研究方法、研究思路的第一次变革。人们从传统的“分析检测物质结构—>发展理论解释物性”转变为“分析检测物质结构—>从结构数据中归纳分析客观规律和解释语言物质性质”。在这一次技术变革的前后，科学家处理氢键问题时的数据、语言、方法和思路都完全的不同。而计算机技术的长足进步带来了更伟大的第二次变革。依赖于高性能计算机的量子力学计算，不仅为人们提供了又一种研究方法、澄清了大量长期以来争论不休的问题，而且它给

氢键的研究者们以全新的思路。氢键研究的进步再也不是因为测量手段的变化，而主要归功于算法的改进和计算机性能的提高。“从头算起法”把技术和数学给现代科学带来的便利发挥到了极致。

由此可见科学的发展和技术的进步密不可分，而技术进步又在很大程度上以来于社会经济、文化的诸多方面。因此，科学，作为人类文明最璀璨的一颗明珠，在任何时候都植根于社会这片土壤；科学的进步是社会进步的一个侧面，是对社会综合实力的一种反映。

2．科学进步往往是很多科学家共同努力的结果

在氢键的发现过程中，我们看到，不止一位科学家观察和认识到了这一现象。他们相互继承、吸取和补充，最终使氢键概念得以最终确立。1902 年Werner 的原子价解释对后来的科学家无疑是一个启示。如果没有Moore 和Winmill 的研究，很难说Latimer、Rodebush 和Huggins 会不会最终提出氢键。而如果没有上

述科学家的努力，Pauling 也不可能在他的著作中为氢键留下专门的一章，从而使氢键的概念得以广泛传播。当然，同样，如果没有Pauling 和Huggins 的后续研究，氢键概念也不会引起足够的重视，而可能像一个泡沫，消失于历史的长流。这么多科学家在氢键的发现史中是缺一不可的。因此，我们认为，把氢键的发现只归功于某一个人是不合理的，这其中的每一位科学家对这一伟大的发现都有贡献。在科学史上不乏发明权、发现权之争的例子（在氢键的发现权上，Huggins 也曾经进行了争论）。当然，确定发明人，是对科学家智慧和艰苦劳动的肯定和尊重，是社会对个人努力，特别是个人知识产权的承认和保护。但是，如果有时一味地，不顾“科学发展是多位科学家共同努力的结果”的客观规律，出于个人利益或民族热情，争抢科学发明权，我们认为，不仅会损伤某些科学家的感情，而且也不符合科学所要求的实事求是的精神。另外，在氢键的发现过程中，有一些作出了卓越贡献的科学家，却很少被人提起。比如德国科学家Hantzsch 和Pfeiffer，他们的工作不亚于Moore 和Winmill，却未被大众认为是氢键的发现人。可以想见，在科学史上那些伟大名字的身后，还有多少默默无闻的无名英雄（有的是因为政治或民族的原因被人们遗忘）。我们不知道如何表达我们对他们的敬意，但我们必须记住，有这样一群人，他们是那些丰功伟绩的无名的铺路石。

3．科学上存在“再发现”

科学正在以越来越快的速度更新自己。可是，在关注科学日新月异发展的同时也不能忽略科学的历史。近些年氢键研究的热门，包括C—H 氢键和以芳香环为受体的氢键，他们在历史上最早分别在1947 年和1954 年就已被发现，而后来又被重新发现了一遍。这至少可以给我们两点启示：（1）历史上可能有很多重要的发现一直没有给予足够的重视和恰当的认识，这些内容值得我们去进一步深入研究；（2）如果了解历史，就可以一定程度上避免

重新研究和发现已经发现的东西，避免人力物力的浪费。这正是我们进行科学史研究的重要原因之一。

七．氢键未来展望

自20世纪初发现氢键以来，人们对它的研究不断深入，越来越了解到其对现代生物化学研究的作用，特别是对现代高分子的研究具有突出的地位。现代科学技术的发展水平制约，使其发展相对缓慢，但不论在生物化学领域还是在现代生命学研究都具有不可替代的作用，具有广阔的发展情景和未来。

为获得超分子功能材料，我们对氢键的研究涉及了分析、设计和合成三个阶段，我们相信，随着计算机技术的飞速发展和相关软件的商业化，一定会对氢键的研究和晶体工程的发展产生深远影响．进一步完善氢键理论，对电荷转移氢键动态过程的研究，将为化学键理论注入新的活力．传统的氢键理论是建立在化学平衡的基础上，而未考虑氢键在动态过程中的作用，比如氢键质子传递与生命活动的许多过程有紧密联系．随着生命科学的深化发展，这一方向的探索有可能得到一些非常重要的结果。自从八十年前氢键定义问世后，化学家一直想知道是否有其他原子会代替氢原子展示和氢键相似的作用关系，最近有学者提出了“卤键”存在的令人信服的证据．但是，目前氢键的研究也存在一定困难，比如：表征弱氢键的过程缓慢而繁琐，还远未完成，有些性质还很模糊，关于弱氢键的长程特点、协同效应，以及与其他分子间作用力的竞争行为特点，从有方向性到各向同性的转变过程，诸多方面都还研究得很不充分．氢键研究中结晶学方法不能解决的问题有，键能的测定及氢键的热动力学性质测定，这需要大量得量子化学计算来完成。

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