分子间和原子间的相互作用是理解物质结构、稳定性与功能的关键因素。随着计算化学方法的发展，人们已经建立起一系列用于分析相互作用本质、强度与分布的理论框架与分析工具。
这些方法不仅适用于小分子反应机理的阐释，也广泛应用于固体材料、蛋白质–配体体系以及功能材料的结构优化与性能预测。本文华算科技系统综述了当前主流的相互作用分析手段，重点包括弱相互作用分析（如SAPT与RDG/NCI图）、键强度定量评估（如COHP方法）与键型识别（如QTAIM与ELF分析）等。
文章旨在通过对分析维度与理论背景的梳理，为材料设计、催化机制解析和生物识别研究提供更清晰的电子结构理解路径。
多尺度相互作用的电子结构基础
化学中的“相互作用”不仅是结构稳定的来源，更是决定体系反应性、功能性与动力学行为的根本因素。在分子层面，共价键与离子键主导了结构构建；而在超分子层面，氢键、π-π堆积、范德华作用则控制着分子识别与柔性调控。
在材料科学、药物化学、催化化学等多个前沿研究中，对“相互作用”的深度理解正成为连接结构与性质的桥梁。因此，开发可量化、可视化并具有物理解释力的相互作用分析工具，是现代计算化学中极为重要的目标。
DOI：10.5935/0103-5053.20140220
从理论角度看，相互作用可从三个维度展开分析：其一是作用强度，涉及化学键的键能、断裂趋势与热力学稳定性；其二是作用类型，涵盖共价、离子、金属键及一系列弱相互作用；其三是电子结构特征，包括轨道间相互作用、电荷转移方向、电子密度分布等。
这三类信息共同决定了结构的“成因”与“功能”。借助当代计算化学的发展，尤其是量子化学与密度泛函理论（DFT）的广泛应用，研究者能够以轨道能量、电荷密度、空间拓扑等多种形式对相互作用展开深入剖析，进而在理论层面对实验观察提供解释与预测支持。
弱相互作用分析方法
弱相互作用广泛存在于生物体系、晶体工程与功能分子组装中，尽管其单个作用能较小，但往往在结构形成与功能实现过程中产生协同增强效应。
例如，DNA双螺旋结构的稳定依赖于碱基间氢键，蛋白质折叠依赖疏水作用与范德华力，分子晶体的堆积方式也受到π-π作用与卤键的显著影响。
由于这些作用难以通过传统键能或键级进行准确表征，因此研究者发展出多种面向弱相互作用的理论工具与图像化技术，用于揭示其空间分布与本质分类。
DOI:10.1007/s00894-020-04501-6
对称适配微扰理论（SAPT）是分析分子间相互作用最具物理清晰度的方法之一。它将总作用能解构为静电、诱导、色散与交换排斥四项，有助于揭示相互作用中哪一物理因素起主导作用。
另一类方法是能量分解分析（EDA），通过将体系分割为不同结构片段，分别计算各类相互作用能，从而判断成键与非共价作用的来源。
与此同时，电子密度导出的图像化方法，如约化密度梯度（RDG）与非共价作用图（NCI），则提供了可视化视角：通过构建Sign(λ₂)ρ等值面图，可直观呈现氢键、色散作用和排斥区在三维空间中的分布与相对强度。
这类方法已广泛应用于蛋白质–小分子识别、分子晶体稳定性分析及功能材料设计中，尤其适用于识别非显性相互作用对结构稳定性的贡献。
DOI: 10.1021/acs.jpca.3c04374
化学键强度定量分析
对化学键强度的定量评价是连接结构与性能预测的核心工具。在共价或金属体系中，单凭键长或电荷分布往往难以准确反映成键能力与键稳定性。
因此，晶体轨道哈密顿布居（COHP）方法提供了一种以轨道能量贡献为基础的分析框架。该方法以能量加权轨道投影形式，将特定原子对间的成键与反键作用区分开来，从而更直观地展示电子填充在成键还是反键轨道上的趋势。
COHP分析的核心在于积分COHP（ICOHP）值，它反映了从最低能级至费米能级范围内，两个原子之间成键轨道的总能量贡献。一般来说，ICOHP越负表示成键强度越高。通过对比多个结构中相同原子对的ICOHP值，可以对键稳定性进行排序，解释结构变换、掺杂效应或材料热稳定性的微观机制。
此外，结合能量分辨COHP（ERCOHP）图谱，还可以识别哪些能级区间（如导带底或价带顶）对特定键强度起到主要贡献，这一能力对于理解电子输运、光吸收等性质尤为重要。
COHP分析不仅适用于金属–配体键的比较，也适用于判断锂离子电池中Li-X键（X为O、S、N等）在充放电过程中的结构保持能力，从而为材料的电化学稳定性提供理论依据。
DOI:10.1103/PhysRevB.100.094110
键型与电子结构分析
化学键的本质不仅仅体现在能量或轨道重叠上，更可从电子密度空间的拓扑结构中获得直观判断。Bader提出的量子原子理论（QTAIM）正是以电子密度为唯一基础，构建起一种完全坐标–密度主导的成键描述体系。
通过识别电子密度的临界点（特别是键临界点，BCP），QTAIM可揭示两原子之间是否存在明确的连接路径，并通过ρ(r)、∇²ρ(r)、H(r)等关键参数对该键的性质进行定量分类。
例如，负的拉普拉斯值表明电子密度聚集，常见于典型共价键；正值则代表密度稀疏，出现在离子键或非共价作用区域。
在此基础上，电子定域化函数（ELF）进一步拓展了电子结构的空间图像化能力。ELF衡量的是电子在空间某一区域的局域化程度，可用于区分共价键电子、孤对电子或金属域电子。
通过绘制ELF等值面，可识别键类型转换、孤电子对迁移等复杂电子结构演化过程。此外，电荷转移行为也是理解键极性与反应趋势的关键因素。Bader电荷方法通过拓扑划分原子空间，实现对电子密度的原子归属划分，并用于定量评价原子得失电子程度。
而近年来发展出的DDEC6等方法则在金属体系中更具优势，不仅能提供更合理的电荷分布，还能分辨出自旋极化与电荷转移方向，对于磁性材料、异质催化剂研究具有重要价值。
DOI: 10.1039/D5RA00486A
总结
计算化学中的相互作用分析方法已从早期的轨道图解、电子云示意逐渐发展为定量化、可视化和物理可解释的系统体系。
本文介绍的SAPT、EDA、COHP、QTAIM、ELF及RDG/NCI等方法，从不同角度揭示了化学体系中键的强弱、性质及空间分布，有效弥合了“结构–功能”之间的理解差距。
尤其是在弱相互作用识别、多中心键结构分析以及功能材料中的电子调控方面，这些方法已成为不可或缺的研究工具。
未来，相互作用分析将朝向更高精度、更强可解释性与更大体系适用性方向发展。一方面，借助机器学习模型与高通量数据挖掘，有望自动归纳典型作用模式；另一方面，多尺度模拟方法（如QM/MM、DFT+MD）将拓宽这些分析技术在动力学过程、溶剂效应与界面相互作用中的应用广度。
相互作用的分析不仅仅是对已有结构的解释工具，更是面向功能分子设计与新材料开发的预测平台，在构建理论指导与实验连接的桥梁方面，将持续发挥其核心作用。