在化学键下面画一条线

自19世纪以来^th一个世纪以来，化学家们用一个简单的简写来表示化学键:——。多年来，随着一代又一代的化学家在路易斯结构、价壳层电子对排斥理论、价电子键和分子轨道理论的指导下成长起来，我们给这些谱线增添了细节。这是一种非常有效的速记，以至于很少有化学家会停下来问一个重要的问题:它是什么?

人们从来没有直接观察到化学键，因为它不是一个物理对象，而是一种相互作用。分子中的每个原子(不管如何定义)都与其他原子相互作用——不管它们是否共享“化学键”。然而，实验化学告诉我们，化学键合原子之间的特殊相互作用具有非常特殊的特征。那么对于化学键有没有一个明确的标准呢?

通往答案的道路

令人惊讶的是，有一个真实空间的，可观察到的特征，几乎完全对应于我们用来定义分子连通性的线。通过键合原子之间电子密度最高的点绘制的线产生的连通性图几乎总是再现传统的结构式。这些“键合路径”是1977年由加拿大理论家理查德·巴德及其同事发现的^[1]。键的路径也反映在一条最大负能量密度的线上，这条线连接着相同的原子核:doppelgänger被称为“维里路径”。这一下子就把化学结构的概念与能量稳定性的概念结合起来了。

在Bader的发现之后的40年里，在高分辨率x射线晶体学获得的电子密度图中，键路径被常规地观察到从头开始计算电子密度。由键路径构建的图形再现了键、共价键、离子键和弱键(包括范德华键和氢键)的环和笼，键的类型和强度反映在键路径性质中。有时化学键路径与连接原子核的直线相对应，但并非总是如此。键的路径可以大大偏离线性，这通常发生在环应变(对于环系统中的键)和较弱的键(如氢键)。最近，在高分辨率原子力显微镜图像中观察到几种键合模式的键合路径。

键路径对于建立键、讨论结构稳定性及其在化学反应中的变化，以及阐明“化学键的性质”都很有用。从更实用的角度来看，它们有助于开发属性和活动的强大的QSAR(定量结构-活性关系)预测模型。^[2]

然而，这仅仅是个开始。键路径是分子原子量子理论(QTAIM)发展的一个里程碑:¹一种全面的化学理论，从分析电子密度的形貌和相关的拓扑结构开始。这样，分子性质就可以严格地分解为原子和基团的贡献，从而使人们能够在原子水平上研究化学。

当然，仍有一些问题没有得到解答——例如，在不存在预期债券路径的情况下，债券路径是存在的，反之亦然。

当然，这些发现也一直存在争议。然而，化学键路径仍然是化学键的一种优雅、丰富和有用的表现。我相信它已经作为一个有价值的科学新想法通过了审查程序。也许它的全部深度尚未被发现。

chsamrif Matta是加拿大哈利法克斯圣文森特山大学的教授

致谢

感谢Todd Keith, Lou Massa和Birger Dittrich对手稿的评论。