弱相互作用分析是计算化学中研究分子间非共价键作用的关键技术，主要包括氢键、π-π堆积、范德华力等类型。
通过约化密度梯度（RDG）分析可视化相互作用区域，蓝色凹陷对应氢键，绿色区域表征范德华力；电子密度分析可量化键临界点（BCP）的ρ值和拉普拉斯量，区分共价键（∇²ρ∇²ρ>0）；
自然键轨道（NBO）分析通过二阶微扰能E(2)评估超共轭效应；Hirshfeld表面分析则通过dnorm参数和形状指数识别分子间接触特征。这些方法在药物设计、材料科学等领域具有重要应用价值。
弱相互作用分析是计算化学中研究分子间非共价作用的核心手段，这些看似微弱的力（1-10 kcal/mol）在分子识别、自组装和生物大分子构象稳定中具有决定性作用。
以下华算科技从分析指标体系、物理意义及可视化表征三个维度展开系统阐述，并配以典型分析图示说明。
弱相互作用的类型
弱相互作用主要包括氢键（如O-H···O）、π-π堆积（苯环堆叠）、CH-π相互作用（甲烷与苯环间）及范德华力（瞬时偶极作用）。
虽然单个作用能仅为共价键的1/10-1/100，但协同效应使其在DNA双螺旋稳定（氢键网络）、蛋白质折叠（疏水作用）和MOF材料孔隙调控（π-π定向组装）中不可或缺。例如，药物分子与靶标蛋白的结合常依赖多重弱相互作用的协同效应。
DNA双螺旋结构中的氢键网络示意图
核心分析指标及其意义
约化密度梯度（RDG）
RDG通过电子密度梯度归一化处理实现弱相互作用可视化。其物理意义体现在：
电子密度平缓区标记：RDG≈0的区域对应相互作用位点，如氢键在RDG等值面图中表现为蓝色凹陷。
作用类型区分：结合sign(λ₂)ρ参数，蓝色区域（sign(λ₂)ρ₂)ρ≈0）为范德华力。
DOI：10.5935/0103-5053.20140220
电子密度分布（ρ(r)）
通过量子化学计算获得的ρ(r)三维函数揭示：
键临界点（BCP）分析：电子密度在键路径极大值点（∇ρ=0）的数值ρ(BCP)可量化作用强度，如氢键的ρ(BCP)通常为0.002-0.035 a.u.。
拉普拉斯量（∇²ρ）：共价键区域∇²ρ∇²ρ>0（电子离域），如图1B中H···O键的电子密度分布。
自然键轨道（NBO）分析
NBO将分子轨道转换为化学直观的定域轨道，其物理意义包括：
超共轭效应量化：通过二阶微扰能E(2)计算供体（如孤对电子）与受体（如σ轨道）的相互作用能。例如，甲醇中O孤对→C-Hσ的E(2)约为5 kcal/mol。
电荷转移分析：NBO电荷分布可识别关键原子（如氢键供体氧的电荷偏移），图中展示ATP分子中磷酸基团的电荷转移路径。
DOI： 10.3866/PKU.DXHX201603010
基于原子范德华半径划分的分子表面，通过两个核心参数：
dnorm：归一化接触距离，负值（红色）表示接触距离小于范德华半径和，对应强相互作用。
形状指数：曲率参数揭示表面凹凸特征，如π-π堆积表现为互补的”凸-凹”模式。
DOI：10.1016/j.molstruc.2025.142608
相互作用区域指示符（IRI）
IRI通过电子密度Hessian矩阵特征值（λ₁,λ₂,λ₃）构建，其优势在于：
无需预设作用类型：IRI等值面可同时显示共价键（高压缩区域）和弱相互作用（低压缩区域），如图1E中苯二聚体的π-π堆积与C-H键对比。
灵敏度高：可检测能低至0.5 kcal/mol的作用，适用于复杂体系如蛋白质-配体界面 。
分析流程
以金属有机框架（MOF）材料设计为例：
RDG+IRI联用：先通过RDG筛选潜在作用位点，再用IRI细化作用类型（如区分π-π堆积与CH-π作用）。
NBO验证：计算金属节点与有机配体间的电荷转移能，验证配位键的共价成分。
Hirshfeld量化：统计晶体中各类接触的占比（如氢键占表面积百分比），关联孔隙率与稳定性。