Angew. Chem.上發表了全面介紹各種共價和非共價相互作用可視化分析方法的綜述
Angew. Chem.上發表了全面介紹各種共價和非共價相互作用可視化分析方法的綜述
文/Sobereva@北京科音 2025-Jun-26
原子、分子間的相互作用在化學體系中無處不在。化學體系中的相互作用可以按強度大體分為化學鍵相互作用和弱相互作用，也可以按作用特征大體分為共價和非共價相互作用。這些相互作用普遍在數值層面上進行研究，如研究相互作用能及其物理成份（能量分解）、幾何參數、鍵級、AIM拓撲分析考察鍵臨界點屬性，等等。而如今，這些相互作用的可視化分析（visual analysis）日趨流行，在計算化學研究文章中被應用得越來越普遍、在文獻中越來越常見。這些方法可以令化學家們十分直觀生動地認識相互作用出現的位置、強度、本質，不僅應用十分便利，也對傳統的基于數值的研究相互作用的方式提供了關鍵性的互補。這些方法在近年來還得到了快速發展，涌現了許多新的分析手段。顯然，對這些可視化分析方法進行全面、系統的綜述是極為重要且迫切的。
近期，北京科音自然科學研究中心（http://www.keinsci.com）的盧天應知名的Angew. Chem. Int. Ed.期刊的邀請，發表了名為Visualization Analysis of Covalent and Noncovalent Interactions in Real Space的綜述，可在此訪問：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202504895。若未訂閱，也可以免費閱讀此文在ChemRxiv上的預印版https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2025-9t442（內容和正式版基本一樣，寫文章時請引用正式版）。
推薦使用Multiwfn程序做文中介紹的各種可視化分析時引用此綜述！
此綜述是到目前為止最完整和系統介紹各種化學體系中相互作用可視化分析方法的文章，面向廣大化學家，特別是計算化學家。文章的寫作注重令內容清晰易懂、深入淺出，且引發廣泛讀者們的興趣。通過此文，化學研究者們可以快速且充分了解各種可視化分析方法的基本思想、適用范疇，并且結合文中提供的豐富的例子，讀者能夠充分體會到它們的重要實用價值。在看過本文有了基本的知識框架后，若想進一步深究物理、算法細節等方面的知識以及了解更多實際應用，推薦再閱讀此綜述中引用的各種方法的原文和相關文章。
此綜述介紹的可視化分析方法十分全面，并且囊括了最新進展。主要介紹了NCI（亦稱RDG）、IRI、IRI-pi、IGM、IGMH、mIGM、aNCI、amIGM、Hirshfeld表面分析、靜電勢分析、范德華勢分析、ELF、LOL、LOL-pi、電子密度拉普拉斯函數、變形密度、價層電子密度。值得一提的是，其中IRI、IRI-pi、IGMH、mIGM、amIGM、范德華勢分析、價層電子密度分析都是此文的作者所提出的。
綜述中還簡要提及了文章作者開發的十分流行的波函數分析程序Multiwfn（主頁：http://www.shanxitv.org/multiwfn），這是唯一可以實現此文介紹的所有方法的程序，有很多方法還是此程序獨家支持的。Multiwfn對于大量相互作用可視化分析方法在計算學領域的普及和推廣起到了關鍵性的作用，此綜述里幾乎所有圖都是基于Multiwfn計算的數據繪制的。Multiwfn的相關信息見《Multiwfn FAQ》（http://www.shanxitv.org/452）和介紹文章J. Chem. Phys., 161, 082503 (2024) DOI: 10.1063/5.0216272。
此外，http://www.shanxitv.org/667介紹的盧天在2024年發表的Visualization Analysis of Weak Interactions in Chemical Systems（Comprehensive Computational Chemistry Vol.2中的一章）和前述的綜述有極為密切的聯系，此文介紹的方法專注于弱相互作用，涉及的方法更少，而由于有明顯更多的篇幅，因而對它們的介紹明顯更深入細致，故和上面的綜述有極大的互補性，強烈建議閱讀！
還十分推薦閱讀以下文章及其中引用的文章獲取更多相關知識以及計算操作細節：
使用Multiwfn做IGMH分析非常清晰直觀地展現化學體系中的相互作用
http://www.shanxitv.org/621（http://bbs.keinsci.com/thread-28147-1-1.html）
使用IRI方法圖形化考察化學體系中的化學鍵和弱相互作用
http://www.shanxitv.org/598（http://bbs.keinsci.com/thread-23457-1-1.html）
使用Multiwfn做Hirshfeld surface分析直觀展現分子晶體和復合物中的相互作用
http://www.shanxitv.org/701（http://bbs.keinsci.com/thread-43178-1-1.html）
談談范德華勢以及在Multiwfn中的計算、分析和繪制
http://www.shanxitv.org/551（http://bbs.keinsci.com/thread-17271-1-1.html）
在Multiwfn中單獨考察pi電子結構特征
http://www.shanxitv.org/432（http://bbs.keinsci.com/thread-10610-1-1.html）
ELF綜述和重要文獻小合集
http://bbs.keinsci.com/thread-2100-1-1.html
靜電勢與平均局部離子化能相關資料合集
http://bbs.keinsci.com/thread-219-1-1.html
使用Multiwfn研究分子動力學中的弱相互作用
http://www.shanxitv.org/186
使用Multiwfn做aNCI分析圖形化考察動態過程中的蛋白-配體間的相互作用
http://www.shanxitv.org/591（http://bbs.keinsci.com/thread-21826-1-1.html）
通過電子定域化函數(ELF)、價層電子密度分析討論親核進攻的方向
http://www.shanxitv.org/606（http://bbs.keinsci.com/thread-23982-1-1.html）
通過價層電子密度分析展現分子電子結構
http://www.whxb.pku.edu.cn/EN/10.3866/PKU.WHXB201709252
此外，筆者的18碳環及相關體系的研究文章中充分利用了文中介紹的許多方法，是很好的應用實例，研究匯總見http://www.shanxitv.org/carbon_ring.html。
量子化學波函數分析與Multiwfn程序培訓班（http://www.keinsci.com/WFN）對前述的綜述中幾乎所有方法都有十分全面、透徹、系統的介紹，并對各種分析方法在Multiwfn中的實際操作做了細致的演示并傳授大量技巧，信息量遠比綜述里的大得多得多，因而很推薦對這些分析方法感興趣者關注和參加。
下面是Visualization Analysis of Covalent and Noncovalent Interactions in Real Space綜述中的圖，供預覽。
