论文标题：Prediction of Hydrogen-Bonding Interaction Free Energies with Two New Molecular Descriptors

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-8015/5/2/12

期刊名：Liquids

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/liquids

氢键作为化学与生物系统中关键的分子间作用力，其相互作用自由能的精准量化对理解溶剂化行为、优化热力学模型至关重要。然而，传统的线性溶剂化能关系（LSER）模型存在依赖实验数据、处理自缔合体系时酸 - 碱作用描述不一致等局限。为此，本文提出一种结合量子化学（QC）计算与 LSER 的新方法，通过构建两个分子描述符实现氢键自由能的简单预测，为相关研究提供了更灵活的工具。

图例：三乙二醇三种构象异构体的 COSMO 几何结构（上）和 COSMO 表面（下）。下图中酸性位点用深蓝色标记，碱性位点用深红色标记。

核心方法：新分子描述符与预测公式

研究引入质子供体能力（α_G）和质子受体能力（β_G）两个描述符，分别表征分子的酸性和碱性特征。它们基于量子化学计算得到的分子表面电荷分布（σ-剖面），结合“可用性分数”（f_GA、f_GB）推导而来——可用性分数反映分子中实际参与氢键作用的酸性 / 碱性位点比例，同系物具有相近值

对于两个分子（1 和 2）的氢键相互作用自由能，计算公式为：

其中，5.71 为 25 °C时的通用常数 [((ln10)) RT]，适用于单一酸性或碱性位点的分子；对于含多个远距离位点的复杂分子（如三甘醇），则需为其作为溶质和溶剂分别设置描述符。

验证与关键发现

通过与 Abraham LSER 模型对比，该方法在多数体系中表现优异：甲醇、乙醇等简单溶剂中，预测值与 LSER 估计值偏差多小于2 kJ/mol；对于三甘醇等多位点分子，使用溶剂特异性描述符后，平均偏差从8.99 kJ/mol 降至0.08 kJ/mol。

研究还报道了常见分子的描述符数据（如甲醇 α_G=0.75、β_G=1.55；水 α_G=1.56、β_G=1.61），为实际应用提供参考。

意义与局限

该方法突破了LSER对实验数据的依赖，可扩展至更多未被覆盖的体系，且在自缔合计算中满足，克服了传统模型的矛盾。但水体系预测偏差较大，分子构象变化对结果的影响仍需深入研究，这些将是未来优化的方向。综上，该研究为氢键相互作用的量化提供了新途径，有望推动溶剂化研究、分子热力学模型开发等领域的发展。