总结：静电势（Electrostatic Potential, ESP）就像是一张“分子电场地图”，揭示了电子云与原子核共同塑造的电荷分布密码。它告诉我们，分子哪些区域电子密度富集，更容易吸引亲电试剂；哪些区域电子稀疏，则更容易与亲核试剂结合。
ESP不仅能直观地展示分子的极性，还能预测化学反应的活性位点，解释氢键、卤键等非共价相互作用的本质。更令人兴奋的是，科学家们借助ESP，能够在分子识别、药物设计和功能材料开发中“精准锁定”作用位点。
例如，DNA碱基配对中的氢键方向性，或某些配体如何选择性结合金属离子，都能通过静电势图得到合理解释。理解ESP，就像握住了分子行为的“遥控器”，帮助我们从微观层面预测和操控化学世界。
什么是静电势
静电势（Electrostatic Potential, ESP）是描述分子在空间中产生的静电场分布的一种物理量。它体现了在分子周围某一点放置一个单位正电荷（通常设想为质子探针）时，该点受到的作用势能。
换句话说，ESP将分子内部所有原子核的正电荷与电子云的负电荷共同作用在空间某点的势能叠加，从而形成一张“电势地图”。在这张地图中，数值为正的区域意味着电子密度较低、核电荷影响占主导，因此对外来带负电的物种更具吸引力；
数值为负的区域则说明电子云富集，能够对亲电试剂产生强烈吸引。ESP的计算通常基于量子化学方法，通过对电子密度分布的积分以及对核-电子库仑作用的叠加实现。
研究者常将ESP映射到分子的电子密度等值面或范德华表面，并用颜色标识不同的势能强度，例如红色表示负静电势、蓝色表示正静电势。这样，分子在空间中的电荷分布特征就可以被直观展现。
作为连接分子结构与反应性质的重要桥梁，ESP能够帮助科学家理解分子极性、反应活性和非共价相互作用，在理论化学、材料科学和药物设计等领域都具有广泛的应用价值。
ESP在反应活性预测中的应用
化学反应中一个核心问题是：“反应物的哪个部位会发生反应？” 传统上化学家通过经验规则（如官能团电子效应、前线轨道等）来判断反应活性位点，而分子静电势图为此提供了直观的辅助预测工具。
由于ESP显示了分子各区域的电荷富集程度，电子丰富的负势区域往往是亲电试剂攻击的靶点，而电子缺乏的正势区域则可能吸引亲核试剂。因此，通过观察反应物分子的ESP分布，可以预判哪部分更可能发生键的断裂或形成。
振效应改变了分子表面某些区域的静电势，从而影响这些位置对试剂的吸引力。
2022年，韩国首尔大学的Shin等人在《物理化学化学物理》上发表了一项系统性研究，证明分子静电势可以用作定量刻画取代基电子效应的通用指标。
他们针对400多种单取代苯分子进行DFT计算，统计分析了不同取代基对苯环表面静电势的影响，结果发现：取代基引起的ESP变化与经典的哈梅特常数呈显著线性相关。
例如，给电子基团使苯环某些方向上的静电势变得更负，对应于提高该方向对亲电试剂的吸引力；而吸电子基团则使这些方向的静电势上升为正或减小负值，意味着对亲电试剂吸引力降低。
这种ESP的变化量（即取代基引起的电势移 shift）可以视为取代基电子效应的直接物理量度，甚至可替代经验参数哈梅特常数来预测反应趋势。该研究统计了多种计算方法和溶剂条件下的结果，均显示ESP指标具有稳健的相关性和普适性。
通俗地讲，这意味着我们只要计算出某取代基对分子表面静电势的影响，就能预测它将如何改变该分子的反应活泼性——这是一个很有价值的性质预测途径。
这篇论文通过大量数据证明了ESP作为反应性预测工具的潜力：ESP不仅 qualitatively 指示活性点，还可 quantitatively 评估不同取代基或结构因素对反应速度、平衡的影响。对于有机化学家来说，这是将经验规律物理化的有益探索。
DOI: 10.1039/D2CP03244A
ESP在非共价相互作用研究中的应用
非共价相互作用是分子间组装与识别的基石，包括氢键、卤键、π–π相互作用、范德华力等。尽管这些作用力比共价键弱很多，其选择性和方向性却决定了许多重要的化学和生物过程。
分子静电势在研究这些弱相互作用时发挥着独特作用：它能帮助我们发现并量化分子表面的“带电热区”，预测哪两个分子（或分子内哪两部分）会以何种方式吸引在一起。
以最常见的氢键为例，传统经验是“FON”规则（即氢键通常发生在供氢体X–H（X常为F、O、N）与受氢体Y（常带有孤对电子的F、O、N）之间）。
ESP对此提供了精妙的解释：在供氢分子X–H中，电负性很强的X原子拉走电子，使H原子一侧形成电子密度亏空，在H原子键的延长线上出现一个正静电势区域（即所谓“σ-孔”, sigma-hole）。
这个带部分正电的H（可视作静电势局部最大值）正是氢键的“酸性”一端；而在受氢分子Y上，富电子的Y原子周围出现负静电势区域，作为氢键的碱性一端。于是，当两分子靠近时，前者的正势H会被后者的负势区域所吸引，形成稳定的氢键。
实质上，氢键就是库仑引力驱动的σ-孔相互作用——这一点通过ESP图可以清晰看出：人们经常在氢键示意图上用蓝色的“帽子”表示供氢原子上的正电势，和受氢原子上的红色负电势相对应。
2020年Politzer和Murray等人撰文指出：“满足Hellmann–Feynman定理，氢键就是发生在供体上电子密度降低而产生的正静电势（σ-孔）与受体上负静电势区域之间的库仑相互作用”。
这从理论上阐明了氢键的本质，也说明了为何氢键具有方向性——正因为σ-孔通常位于键的延长线上，所以氢键倾向于线性排列。
DOI: 10.1007/s41745-019-00139-3
更有趣的是，ESP的视角帮助化学家发现了卤素原子也能形成类似氢键的相互作用，即“卤键”。尽管卤素（如氯、溴、碘）本身带有高电负性，按理说周围应是电子云密集的负势区域，但在某些共价键构型下，卤素原子键延长线方向会出现一个电子密度的缺陷——也就是σ-孔。
对于较重、易极化的卤素（如溴、碘），σ-孔往往伴随一个局部正的静电势极大值。这意味着卤素的一侧呈现出电正性，能够充当路易斯酸与其他分子的富电子部位结合。
这一现象最早由计算化学家通过ESP图发现，并在2013年前后被正式定义为“卤键”。卤键的模型与氢键类似：一个分子提供带σ-孔的卤素原子（如C–I键上的碘原子延长线方向），另一个分子的某富电子原子（如羰基氧、卤化物阴离子等）提供负静电势区域，两者相互吸引形成有方向性的非共价键。
在ESP图上，我们可以看到碘原子沿键轴方向出现明显的蓝色区域，而垂直于键方向则是红色的高电子密度区——因此卤素既能一方面表现亲核（侧面富电子），另一方面在轴线上表现亲电，从而和两个不同的受体相作用。
这解释了卤键为何具有独特的线性取向和强度随卤素增大而增强的规律（因为原子越大越极化，σ-孔正电势越高）。卤键的发现极大拓展了非共价相互作用的家族，并已被应用于晶体工程、材料组装和药物设计中。
DOI: 10.1021/acs.cgd.0c01429
ESP在分子识别与超分子化学中的应用
分子识别指的是分子之间通过特定的形状和相互作用匹配而选择性结合的过程。例如，酶识别底物、抗体识别抗原、主体分子捕获客体分子等都是分子识别的体现。超分子化学更关注多个分子通过非共价键形成有序聚集体的现象。
无论是识别还是组装，互补的静电作用常常扮演关键角色——就像钥匙和锁必须机械尺寸匹配，它们的电荷分布也需要“正对负”、“负对正”地匹配才能结合更牢固。分子静电势提供了研究这种电性互补性的直观手段。
设想一个带负电或富电子的客体分子，要被一个主体“口袋”所捕获，那么理想情况下，主体腔穴内部应当带有相应的正静电势，去吸引并稳定客体。
反之亦然，如果客体带正，那么主体内部应呈负势。科学家在设计主体分子（如冠醚、环糊精、杯芳烃等）时，会考虑其内腔或结合位点的ESP分布，以期实现对目标客体的静电匹配。
分子静电势图可以帮助可视化主体分子内表面的电性：例如某环状主体内侧是否充满“红色”（负电势）以捕捉阳离子，或者充满“蓝色”（正电势）以结合阴离子。
这样就能有针对性地修改主体的官能团，使其内部电势分布与欲结合的客体电性互补，从而提高识别选择性和亲和力。
分子识别不局限于中性分子间，配位化学中配体对金属离子的选择也属此列。一个多齿配体若想高效地抓住某特定金属离子，它在可能配位的原子（如氧、氮、硫等）周围应该呈现出显著的负静电势，以强烈吸引带正电的金属离子。近年来，不少配体设计和金属萃取研究利用ESP来挑选理想的配体结构。
2021年，有研究报道了一种新型多齿配体HTTDN对铀酰离子（UO22+）的选择性配位，并利用ESP分析揭示了配位位点的本质。研究者计算了HTTDN分子的静电势映射，发现该配体空腔内部靠近两个氧原子和一个硫原子的区域呈现大面积负
静电势（对应图中深红色），表明这些区域电子密度高，是潜在的配位活性位点。尤其值得关注的是，位于配体结构上的两个羰基氧（标记为O3和O4）附近，各自对应一个负静电势极小值点，ESP数值分别达到约 -40.9 和 -38.3 kcal/mol。
这意味着O3周围电荷密度略高于O4，对正电的铀酰离子的吸引力更强。结合配位实验结果，正是O3原子优先与UO22+配位形成键，而O4则次之。因此，通过ESP图，研究者提前预判了配体中哪个原子对金属的配位亲和力最大，并解释了配体-金属络合物的结构选择性。
通俗来说，他们利用静电势这把“探针”找出了配体最爱抱紧金属的部位。这一方法对设计高选择性的萃取剂、螯合剂非常有价值——只要让配体在关键原子上带足够“红”，就能更牢地抓住目标金属离子。
DOI: 10.1002/aoc.6331
