12、分子相互作用的定量分析

分子相互作用的定量分析

1. 应用问题

分子系统的化学性质主要由组成原子间的相互作用决定。化学相互作用主要分为两类：共价相互作用和非共价相互作用。
- 共价相互作用 ：原子间通过共享电子形成化学键。当两个原子靠近时，带正电的原子核会吸引带负电的外层电子，若吸引力足够克服原子核间的排斥力，就会形成化学键，代表着电子被两个原子核平等吸引的能量平衡状态。多个共价相互作用会形成分子，通常用球（原子）和棍（共价键）来表示。
- 非共价相互作用 ：不涉及电子共享，可理解为临时和永久部分电荷间的弱静电相互作用。它是分子内折叠和分子间结合的驱动力，结合能通常在1 - 15 kcal/mol，比共价相互作用小1 - 2个数量级，提取和表征更为复杂。非共价相互作用主要包括以下几种：
- 氢键 ：在生物系统中普遍存在，将氢与电负性原子（如氧、氮、氟、碳）连接起来，可在同一分子内或不同分子间发生。
- 范德华力 ：具有纯粹的量子力学性质，原子核周围电子的不断运动使原子变成波动的多极子，临时电荷会使相邻的带相反电荷的原子相互吸引，形成弱能量的稳定键。多个范德华力的累积效应可能会强烈影响大分子系统的整体结构。
- 空间排斥力 ：短程相互作用，当两个原子相互靠近时，由于过多电子占据同一空间（泡利原理）而产生。其定位对化学设计任务很重要，因为它指示了不能接收额外电子的空间区域。

目前，有两个基于电子密度的标量场被用于分析：
- 带符号的电子密度 ：