NMP/甲醇二元体系的氢键动态与协同相互作用：介电弛豫光谱及温度依赖性的多尺度研究

本研究通过介电弛豫光谱（DRS）结合DFT计算，系统探究了N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）/甲醇二元体系的氢键动态与分子相互作用机制。研究发现，NMP浓度增加导致弛豫时间（τ）缩短，表明分子间作用从自聚集转向偶极-偶极相互作用；负值的过量摩尔体积（VmE）和增强的摩尔极化（Pm）证实了异质分子组装的存在。UV-Vis/FT-IR与QTAIM分析进一步揭示了8-19 kcal/mol的强氢键作用，为生物分子溶剂化及药物设计提供了理论依据。

　　

在化学与生物学领域，氢键（Hydrogen bonding）是介于共价键与范德华力之间的关键相互作用力，其动态特性直接影响蛋白质折叠、药物溶解等过程。然而，混合溶剂中氢键网络的温度依赖性行为仍缺乏系统性研究，尤其是N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）——一种广泛应用于制药和电子工业的极性溶剂——与甲醇的协同作用机制尚未明晰。这一问题制约了溶剂工程在生物医药领域的精准调控。

针对这一科学缺口，来自中国的研究团队在《Journal of Molecular Liquids》发表了突破性成果。该研究通过多尺度实验与理论计算相结合的策略，首次揭示了NMP/甲醇体系在20 MHz–20 GHz宽频域及298.15 K–323.15 K温区的分子动力学规律。研究发现，随着NMP浓度增加，Cole-Cole模型拟合的弛豫时间τ显著缩短，表明体系从甲醇的自聚集态（self-aggregation）向NMP-甲醇偶极相互作用主导态转变。更引人注目的是，负值的过量摩尔体积V_m^E和升高的摩尔极化率P_m共同指向了异质分子组装体的形成，而温度升高会削弱这种相互作用。通过DFT/B3LYP-D3计算，团队量化了二聚体间8-19 kcal/mol的氢键能，QTAIM分析则通过键临界点（BCP）的电子密度拓扑特征，证实了NMP羰基氧与甲醇羟基间存在部分共价性的强氢键。这些发现为理解溶剂化壳层重组及药物载体设计提供了分子层面的理论支撑。

研究主要采用四项关键技术：1）宽频介电弛豫光谱（DRS）检测复介电常数；2）紫外-可见（UV-Vis）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表征氢键；3）密度泛函理论（DFT）计算相互作用能；4）量子理论原子分子（QTAIM）拓扑分析。

Results and discussion

• 密度与体积行为：随着NMP浓度增加，混合体系密度上升，而温度升高导致分子间作用减弱。负值的V_m^E证实了分子间紧密堆积。
• 介电响应：Cole-Cole弛豫模型显示，NMP占比提高使τ值降低，Kirkwood关联因子g^eff>1表明平行偶极取向占优。
• 光谱证据：FT-IR中OH伸缩振动峰红移，UV-Vis吸收带位移，直接证实氢键形成。
• 理论计算：DFT优化构型显示甲醇羟基与NMP羰基形成线性氢键，IEF-PCM溶剂化模型计算得相互作用能为8-19 kcal/mol。

Conclusion
该研究通过多尺度表征揭示了NMP/甲醇体系的氢键动态具有浓度与温度双重依赖性：低温下以甲醇自聚集为主，而高NMP比例时转为分子间氢键网络主导。QTAIM拓扑参数（?²ρ>0且H_BCP<0）证实了氢键的部分共价特性。这些发现不仅深化了对极性溶剂混合效应的理解，更为药物共晶设计、蛋白质低温保存等应用提供了关键的溶剂化参数。例如，调控NMP/甲醇比例可优化药物溶解动力学，而温度依赖的介电响应数据可用于生物传感器开发。研究建立的DRS-DFT-QTAIM联用策略，为复杂流体体系的分子互作研究提供了范式转移。