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。其中，共价键是一种特别重要的相互作用，它描述了原子间电子的共享。自20世纪初以来，共价键就得到了广泛研究，它决定了分子系统的化学结构，也是分子化学深入研究的对象。

当处理复杂分子系统时，另一种相互作用——非共价相互作用，主导着许多化学现象。非共价相互作用负责多个分子间的结合以及单个分子自身的折叠。例如，蛋白质与药物、催化剂与底物之间的结合，以及自组装材料等化学过程都由非共价相互作用驱动。因此，理解这些相互作用对于解释许多生物过程和化学设计任务（如制药、纳米技术）至关重要。

与共价键不同，非共价相互作用释放的能量少得多，其电子密度值低且变化微小。这使得仅通过研究电子密度来提取和分析非共价相互作用具有挑战性。近年来，带符号电子密度和约化梯度在化学界引起了广泛关注。这两个标量由电子密度导出，可对相互作用进行定性可视化，但目前对它们的分析主要依靠人工完成，自动提取和表征化学相互作用仍是一个待解决的问题。

1.1 分子系统中的相互作用

分子相互作用通过在原子间建立吸引和排斥平衡来决定化学系统的结构，其强度和类型各不相同。主要可分为两类化学相互作用：
- 共价相互作用 ：通过共享电子形成原子间的化学键。从静电角度看，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。若吸引力足够强，克服了原子核间的排斥力，就会形成化学键，此时电子被两个原子核平等吸引，两个原子共享这些电子。多个共价相互作用形成的原子系统就是分子，通常用球（原子）和棒（共价键）来表示。
- 非共价相互作用