CN111696619A - 一种预测反应环境对反应活化能影响程度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及反应活化能预测技术领域，具体涉及一种预测反应环境对反应活化能影响程度的方法，包括以下步骤：提供至少一个环境原子的氢键形成能力，环境原子与反应物原子之间存在非共价作用力，且反应物原子从反应态到过渡态的电荷密度发生了变化；提供非共价作用力对反应活化能的影响程度；将环境原子的氢键形成能力和非共价作用力对反应活化能的影响程度代入定量关系模型中，得到影响系数；将待预测环境原子的氢键形成能力代入定量关系模型中，得到待预测反应环境对反应活化能的影响程度。本发明提供的方法对预测反应活化能、通过改变反应环境以催化化学反应或者阻止化学反应发生有指导作用，同时对设计高效人工酶也有重要的指导作用。

Description

一种预测反应环境对反应活化能影响程度的方法

技术领域

本发明涉及反应活化能预测技术领域，具体涉及一种预测反应环境对反应活化能影响程度的方法。

背景技术

改变反应环境以大大增加反应速度对化学催化和酶催化有非常的意义，在设计高效人工酶领域有非常重要的应用前景。著名化学家Pauling的过渡态稳定学说认为酶是通过稳定反应的过渡态来催化反应的，或者是通过增加过渡态与酶之间的结合强度来实现的。因此，目前设计人工酶的基本原理是增加反应物过渡态与酶之间的结合强度或者稳定酶反应的过渡态。

但是，目前根据这一原理设计的人工酶远远不如自然界的酶，研究结果表明，稳定反应的过渡态或者通过增加过渡态与酶之间的结合强度并不一定能催化反应，有时反而使反应速度降低。所以，目前酶高效催化的原因还没有弄清楚，也没有一个酶与反应物之间的作用对酶催化能力的定量关系模型。因而设计高效人工酶还没有一个正确的理论基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种预测反应环境对反应活化能影响程度的方法，本发明提供的方法对预测反应活化能、对通过改变反应环境以催化化学反应或者阻止化学反应发生有指导作用，同时对设计高效人工酶也有重要的指导作用。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种预测反应环境对反应活化能影响程度的方法，包括以下步骤：

(1)提供至少一个环境原子(用Y表示)的氢键形成能力，所述环境原子与反应物原子(用R表示)之间存在非共价作用力，且所述反应物原子从反应态到过渡态的电荷密度发生了变化；

提供所述非共价作用力对反应活化能的影响程度；

(2)将所述步骤(1)中环境原子的氢键形成能力和所述非共价作用力对反应活化能的影响程度代入式I所示的定量关系模型中，得到影响系数；

RFEB_{R_Y}＝k_RH_Y 式I；

式I中，RFEB_{R_Y}为反应物原子与环境原子之间存在的非共价作用力对反应活化能的影响程度；

H_Y为环境原子的氢键形成能力；

k_R为影响系数；

(3)将待预测环境原子的氢键形成能力代入所述步骤(2)的定量关系模型中，得到待预测反应环境对反应活化能的影响程度。

优选地，所述反应环境包括溶液反应的反应环境或酶反应的活性中心。

优选地，当提供至少两个环境原子的氢键形成能力时，所述定量关系模型中H_Y为所有环境原子的氢键形成能力的总和。

优选地，所述影响系数与反应物原子从反应态到过渡态的氢键形成能力的变化之间具有式II所示关系：

k_R＝(H_R≠–H_R)/7.02 式II；

式II中，k_R为影响系数；

H_R≠为反应物原子在过渡态时的氢键形成能力；

H_R为反应物原子在反应态时的氢键形成能力。

优选地，如果反应物原子在从反应态到过渡态的反应过程中的电荷密度没有改变，则所述k_R为0；

如果所述电荷密度增加，则所述k_R为正值；

如果所述电荷密度降低，则所述k_R为负值。

优选地，根据所述定量关系模型和影响系数，构建定性关系模型：

当所述k_R为正值且增加环境原子的氢键形成能力时，反应速度提高；

当所述k_R为正值且降低环境原子的氢键形成能力时，反应速度降低；

当所述k_R为负值且降低环境原子的氢键形成能力时，反应速度提高；

当所述k_R为负值且增加环境原子的氢键形成能力时，反应速度降低。

本发明提供了一种预测反应环境对反应活化能影响程度的方法，包括以下步骤：(1)提供至少一个环境原子的氢键形成能力，所述环境原子与反应物原子之间存在非共价作用力，且所述反应物原子从反应态到过渡态的电荷密度发生了变化；提供所述非共价作用力对反应活化能的影响程度；(2)将所述步骤(1)中环境原子的氢键形成能力和所述非共价作用力对反应活化能的影响程度代入式I所示的定量关系模型中，得到影响系数；(3)将待预测环境原子的氢键形成能力代入所述步骤(2)的定量关系模型中，得到待预测反应环境对反应活化能的影响程度。本发明提供的方法对预测反应活化能、通过改变反应环境以催化化学反应或者阻止化学反应发生有指导作用，同时对设计高效人工酶也有重要的指导作用。

附图说明

图1为式I的推导过程示意图；

图2为反应物原子R与环境原子Y之间的非共价作用力对反应活化能的影响程度；

图3为实施例1中甾酮异构酶催化甾酮异构化反应的示意图；

图4为实施例1中将甾酮异构酶的Tyr16和Asp103改变成其它氨基酸残基后其活性中心与甾酮之间的作用示意图；

图5为实施例2甾酮异构酶催化雌甾-5(10)-烯-3,17-二酮异构化反应的示意图；

图6为实施例2中将甾酮异构酶的Tyr16和Asp103改变成其它氨基酸残基后其活性中心与雌甾-5(10)-烯-3,17-二酮之间的作用示意图；

图7为实施例3中溶剂对溴与烯烃加成反应以及三甲基锍碱性水解反应的反应速度影响示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种预测反应环境对反应活化能影响程度的方法，包括以下步骤：

(1)提供至少一个环境原子的氢键形成能力，所述环境原子与反应物原子之间存在非共价作用力，且所述反应物原子从反应态到过渡态的电荷密度发生了变化；

提供所述非共价作用力对反应活化能的影响程度；

(2)将所述步骤(1)中环境原子的氢键形成能力和所述非共价作用力对反应活化能的影响程度代入式I所示的定量关系模型中，得到影响系数；

RFEB_{R_Y}＝k_RH_Y 式I；

式I中，RFEB_{R_Y}为反应物原子与环境原子之间存在的非共价作用力对反应活化能的影响程度；

H_Y为环境原子的氢键形成能力；

k_R为影响系数；

(3)将待预测环境原子的氢键形成能力代入所述步骤(2)的定量关系模型中，得到待预测反应环境对反应活化能的影响程度。

本发明提供的方法所适用的反应环境优选包括溶液反应的反应环境或酶反应的活性中心；具体的，如在水溶液中反应，则反应环境为水；酶反应的活性中心是指与反应物原子有非共价作用力的环境原子所在的空间。

本发明提供至少一个环境原子(用Y表示)的氢键形成能力，所述环境原子与反应物原子(用R表示)之间存在非共价作用力，且所述反应物原子从反应态到过渡态的电荷密度发生了变化；提供所述非共价作用力对反应活化能的影响程度。在本发明中，环境原子是指在反应态或者过渡态时与反应物原子之间存在非共价作用力的原子，具体的，可以是反应溶剂中的原子(如水溶液反应中溶剂水上的氢原子或者氧原子)、加入的试剂中的原子(如醋酸钠中的氧负原子)、酶活性中心的原子或者是辅酶上的原子等。在本发明中，所述非共价作用力优选包括氢键、静电作用和范德华力。在本发明中，所述氢键形成能力的定义为：一个极性原子X的氢键形成能力就是将该极性原子在水中变为非极性原子的ΔG(ΔG是指与非共价键有关的标准自由能变；本发明所述氢键形成能力，实际上是综合考虑了非共价作用力，即，同时考虑了静电作用和范德华力)，用H_X表示(非极性原子的氢键形成能力为0)。本发明对于所述环境原子的氢键形成能力的获取方法没有特殊的限定，优选参照文献中方法得到(Chen,D.；Oezguen,N.；Urvil,P.；Ferguson,C.；Dann,S.M.；Savidge,T.C.Regulation of protein-ligand binding affinity by hydrogen bondpairing.Sci.Adv.2016，2,e1501240，简称为参考文献1。Chen,D.；Li,Y.；Zhao,M.；Tan,W.；Li,X.；Savidge,T.；Guo,W.；Fan,X.Effective lead optimization targeting thedisplacement of bridging receptor-ligand water molecules.Phys.Chem.Chem.Phys.2018,20,24399-24407，简称为参考文献2)。

得到环境原子的氢键形成能力和所述非共价作用力对反应活化能的影响程度后，本发明将所述环境原子的氢键形成能力和所述非共价作用力对反应活化能的影响程度代入式I所示的定量关系模型中，得到影响系数；

RFEB_{R_Y}＝k_RH_Y 式I；

式I中，RFEB_{R_Y}为反应物原子与环境原子之间存在的非共价作用力对反应活化能的影响程度；

H_Y为环境原子的氢键形成能力；

k_R为影响系数。

在本发明中，当提供至少两个环境原子的氢键形成能力时，所述定量关系模型中H_Y优选为所有环境原子的氢键形成能力的总和。

在本发明中，所述影响系数与反应物原子从反应态到过渡态的氢键形成能力的变化之间具有式II所示关系：

k_R＝(H_R≠–H_R)/7.02 式II；

式II中，k_R为影响系数；

H_R≠为反应物原子在过渡态时的氢键形成能力；

H_R为反应物原子在反应态时的氢键形成能力。

在本发明中，式I的推导过程示意图如图1所示，图中所有的ΔG都是指与非共价键有关的标准自由能变，所有的SubR都是表示反应物，带有彩色的R和R^≠分别表示反应物中一个原子的反应态和过渡态，灰色部分表示非极性的(或者去极性化的)原子或者基团。图1中，一个反应物原子与水溶液的作用对反应活化能影响程度，用ΔG_aqu表示。因为R和R^≠变成非极性原子后都一样了，所以ΔG₃＝0。ΔG₁和ΔG₂分别为R和R^≠的氢键形成能力，分别以H_R和H_R≠表示。由该循环可以得到：ΔG_aqu＝H_R-H_R≠。如果以对反应活化能的影响程度(RFEB)表示(如果得到的RFEB_aqu为正值，则反应环境降低了反应活化能；如果得到的RFEB_aqu为负值，则反应环境增加了反应活化能)，反应物原子与水溶液作用对反应活化能的影响程度如式III所示：

RFEB_aqu＝H_R≠-H_R 式III；

在溶液反应中，如果与R作用的不是水，而是任意环境原子，从反应态(GS)到过渡态(TS)的过程用图1(B)上面的过程表示。根据R与Y的氢键作用对反应活化能的影响程度(RFEB_sol)与Y的氢键形成能力(以H_Y表示)成正比(基于参考文献1)，可以得到式IV所示关系式：

RFEB_sol＝(H_R≠-H_R)H_Y/H_w 式IV；

式IV中，H_w为水中氢原子或者氧原子上一对孤单电子的氢键形成能力，它等于7.02kJ/mol。对于一个特定的反应原子来说H_R≠和H_R的值是固定的，(H_R≠-H_R)/H_w的值也是固定的，如果用k_R表示(H_R≠-H_R)/7.02，则式IV变为RFEB_{R_Y}＝k_RH_Y，即前面的式I。

图1(B)中下面的部分表示在酶反应中，R与Y的氢键作用对酶反应活化能的影响程度(RFEB_enz)。酶反应与溶液反应的不同之处是：酶反应中R与Y的氢键从反应态到过渡态的方位是固定的，而且接近作用力最强的方位，而在溶液反应中氢键的方位会改变，但很多实验数据表明，氢键方位变化所引起的自由能变不大，图1中ΔG_{reorg_GS}和ΔG_{reorg_TS}的值都很小，而且相互抵消，所以RFEB_enz与RFEB_aqu接近，因此式I也可用来表示在酶反应中氢键作用对反应活化能的影响程度。

得到影响系数后，本发明将待预测环境原子的氢键形成能力代入所述定量关系模型中，得到待预测反应环境对反应活化能的影响程度。在本发明中，当所述待预测环境原子的个数≥2时，则所述待预测环境原子的氢键形成能力为所有待预测环境原子的氢键形成能力的总和。在本发明中，如果所得RFEB_{R_Y}为正值，则反应环境降低了反应活化能，如果所得RFEB_{R_Y}为负值，则反应环境增加了反应活化能(如图2所示，图2表示反应物原子R与环境原子Y之间的非共价作用力对反应活化能的影响程度，R和R^≠分别为反应原子的反应态和过渡态，H_Y为Y的氢键形成能力，k_R为影响系数)。

在本发明中，进一步地可以得知，如果反应物原子在从反应态到过渡态的反应过程中的电荷密度没有改变，则所述k_R为0；

如果所述电荷密度增加，则所述k_R为正值；

如果所述电荷密度降低，则所述k_R为负值。

在本发明中，进一步地可以根据所述定量关系模型和影响系数，构建定性关系模型：

当所述k_R为正值且增加环境原子的氢键形成能力时，反应速度提高；

当所述k_R为正值且降低环境原子的氢键形成能力时，反应速度降低；

当所述k_R为负值且降低环境原子的氢键形成能力时，反应速度提高；

当所述k_R为负值且增加环境原子的氢键形成能力时，反应速度降低。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

利用本发明提供的反应环境对反应活化能影响程度的定量关系模型预测甾酮异构酶(英文名：ketosteroid isomerase，缩写为KSI)活性中心氨基酸残基对它所催化的甾酮(英文名：5-androstene-3,17-dione，缩写为5-AND)异构化反应的活化能的影响。图3为KSI催化5-AND异构化反应的示意图，包括反应态(GS)、过渡态(TS)以及产物(Product)，图中黑色分子为反应物5-AND，蓝色部分为KSI与反应物5-AND作用的氨基酸残基(反应环境)；图中从过渡态到产物之间会经历多个步骤，但这些步骤与本发明无关，所以省略这些步骤且用两个箭头表示。KSI中Tyr16和Asp103上的极性氢(支链上O-H上的H，即图3中形成氢键的氢)与5-AND上氧之间的作用降低了反应的活化能，这两个极性氢即为影响反应活化能的环境原子。已有文献报道(Fried,S.D.；Bagchi,S.；Boxer,S.G.Extreme electric fieldspower catalysis in the active site of ketosteroid isomerase.Science 2014,346,1510-4，简称为参考文献3)，如果将Tyr16和Asp103上的极性氢变成不能与5-AND上氧作用的非极性氢(即将环境原子包围非极性氢)，则反应活化能从11.5kcal/mol增加到18.8kcal/mol，增加了7.3kcal/mol(即30.5kJ/mol)。根据参考文献1和2中报道的计算氢键形成能力的方法，可以计算得出Tyr16和Asp103中极性氢的氢键形成能力分别是14.01kJ/mol和7.74kJ/mol，那么可以根据式I计算该反应中5-AND上氧原子的k_R：

k_R＝30.5/(14.01+7.74)＝1.403；

在此基础上，计算将KSI中的Tyr16和Asp103改变成其它氨基酸残基后反应的活化能：

(1)Y16F KSI(即，将KSI中的Tyr16变成Phe16)：将Tyr16变成Phe16后，原来Tyr16上与5-AND上氧作用的极性氢变成了Phe16苯环上的非极性氢(如图4A所示)。由于非极性原子Y的氢键形成能力为0，那么可以根据式I计算Y16F KSI与5-AND上氧之间的作用对反应活化能的影响程度是：

RFEB_{R_Y}＝k_RH_Y＝1.403×(0+7.74)＝10.86kJ/mol＝2.60kcal/mol；

进一步可以得到Y16F KSI催化5-AND的异构化反应活化能是：18.8-2.60＝16.2kcal/mol；参考文献3中报道的实验值为16.0kcal/mol，计算值与实验值基本吻合。

(2)Y16S KSI(即，将KSI的Tyr16变成Ser16)：将Tyr16变成Ser16后，由于Ser16比Tyr16体积小很多，在反应中心有水存在(见参考文献3)，原来Tyr16上与5-AND上氧作用的极性氢变成了水上的氢(如图4B所示)。根据参考文献1和2中报道的计算氢键形成能力的方法，可以计算得出水上氢原子的氢键形成能力为7.02kJ/mol，那么可以根据式I计算Y16SKSI与5-AND上氧之间的作用对反应活化能的影响程度是：

RFEB_{R_Y}＝k_RH_Y＝1.403×(7.02+7.74)＝20.71kJ/mol＝4.95kcal/mol；

进一步可以得到Y16S KSI催化5-AND的异构化反应活化能是18.8-4.95＝13.8kcal/mol；参考文献3中报道的实验值为13.6kcal/mol，计算值与实验值基本吻合。

(3)D103L KSI(即，将KSI的Asp103变成Leu103)：将Asp103变成Leu103后，原来Asp103上与5-AND上氧作用的极性氢变成了Leu103苯环上的非极性氢(如图4C所示)。由于非极性原子Y的氢键形成能力为0，那么可以根据式I计算D103L KSI与5-AND上氧之间的作用对反应活化能的影响程度是：

RFEB_{R_Y}＝k_RH_Y＝1.403×(14.01+0)＝19.66kJ/mol＝4.70kcal/mol；

进一步可以得到D103L KSI催化5-AND的异构化反应活化能是：18.8-4.70＝14.1kcal/mol；参考文献3中报道的实验值为14.2kcal/mol，计算值与实验值基本吻合。

(4)D103N KSI(即，将KSI的Asp103变成Asn103)：将Asp103变成Asn103后，原来Asp103上与5-AND上氧作用的极性氢变成了Asn103上的极性氢(如图4D所示)，根据参考文献1和2中报道的计算氢键形成能力的方法，可以计算得出该极性氢的氢键形成能力为5.18kJ/mol，那么可以根据式I计算D103N KSI与5-AND上氧之间的作用对反应活化能的影响程度是：

RFEB_{R_Y}＝k_RH_Y＝1.403×(14.01+5.18)＝26.92kJ/mol＝6.44kcal/mol；

进一步可以得到D103N KSI催化5-AND的异构化反应活化能是：18.8-6.44＝12.4kcal/mol；参考文献3中报道的实验值为12.3kcal/mol，计算值与实验值基本吻合。

实施例2

利用本发明提供的反应环境对反应活化能影响程度的定量关系模型预测KSI活性中心氨基酸残基的改变对它所催化的雌甾-5(10)-烯-3,17-二酮(英文名：5(10)-estrene-3,17-dione，缩写为5(10)-EST)异构化反应的活化能的影响。图5为KSI催化5(10)-EST异构化反应的示意图，包括反应态(GS)、过渡态(TS)以及产物(Product)，图中黑色分子为反应物5(10)-EST，蓝色部分为KSI与反应物5(10)-EST作用的氨基酸残基(反应环境)；图中从过渡态到产物之间会经历多个步骤，但这些步骤与本发明无关，所以省略这些步骤且用两个箭头表示。KSI中Tyr16和Asp103上的极性氢(支链上O-H上的H，即图5中形成氢键的氢)与5(10)-EST上氧之间的作用降低了反应的活化能，这两个极性氢即为影响反应活化能的环境原子。已有文献报道(Schwans,J.P.；Sunden,F.；Gonzalez,A.；Tsai,Y.；Herschlag,D.Evaluating the catalytic contribution from the oxyanion hole in ketosteroidisomerase.J.Am.Chem.Soc.2011,133,20052-5，简称为参考文献4)，如果将Tyr16变成Phe16后(如图6A所示)(一个环境原子变成了非极性氢)，反应速度降低19000倍，即反应的活化能增加了5.7log(19000)＝24.4kJ/mol。Tyr16中极性氢的氢键形成能力是14.01kJ/mol，Phe16苯环上的非极性氢的氢键形成能力是0，那么可以根据式I计算该反应中5(10)-EST上氧原子的k_R：

k_R＝24.39/14.01＝1.741；

在此基础上，计算将KSI中的Tyr16和Asp103改变成其它氨基酸残基后反应的活化能：

(1)Y16TKSI(即，将KSI的Tyr16变成Thr16)：将Tyr16变成Thr16后，在反应中心有水存在，原来Tyr16上与5(10)-EST上氧作用的极性氢变成了水上的氢(如图6B所示)。水上氢原子的氢键形成能力为7.02kJ/mol，比Tyr16中极性氢的氢键形成能力(14.01kJ/mol)低6.99kJ/mol，那么Y16T KSI催化5(10)-EST异构化的反应活化能比wild type KSI(没有改变的KSI)催化该反应的活化能高，计算得出它们之间的差为：

ΔRFEB_{R_Y}＝k_RΔH_Y＝1.741×6.99＝12.17kJ/mol＝2.91kcal/mol；

参考文献4中实验测得Y16T KSI K催化5(10)-EST异构化比wild type KSI催化5(10)-EST异构化慢190倍，即活化能高5.7log(190)＝12.99kJ/mol＝3.11kcal/mol，计算值与实验值基本吻合。

(2)D103A KSI(即，将KSI的Asp103变成Ala103)：将Asp103变成Ala103后，原来Asp103上与5(10)-EST上氧作用的极性氢变成了Ala103上的非极性氢(如图6C所示)。由于非极性原子Y的氢键形成能力为0，比Asp103上极性氢的氢键形成能力(7.74kJ/mol)低7.74kJ/mol，那么D103A KSI催化5(10)-EST异构化的反应活化能比wild type KSI催化该反应的活化能高，计算得出它们之间的差为：

ΔRFEB_{R_Y}＝k_RΔH_Y＝1.741×7.74＝13.48kJ/mol＝3.22kcal/mol；

参考文献4中实验测得Y16T KSI K催化5(10)-EST异构化比wild type KSI催化5(10)-EST异构化慢198倍，即活化能高5.7log(198)＝13.1kJ/mol＝3.13kcal/mol，计算值与实验值基本吻合。

实施例3

对本发明提供的反应环境对反应活化能影响程度的定性关系模型的正确性进行验证：

(1)在溴与烯烃加成反应中(如图7A所示)，两个溴原子在过渡态的电荷密度比在反应态的电荷密度大(环境原子是与两个溴原子有静电作用的氢原子和氧原子，见图7A)，在此基础上定性关系模型表明，增加与溴作用的环境原子的氢键形成能力就可以使反应速度大大增加。文献(Reichardt,C.Solvents and Solvent Effects in OrganicChemistry.third ed.；WILEY-VCH:Marburg,Germany,2003，简称参考文献5)中实验证明，将反应溶剂CCl₄(CCl₄中所有原子的氢键形成能力接近0)变为甲醇时(甲醇中O-H基团上H和O的氢键形成能力都远大于0)，反应速度增加10⁵以上；将反应溶剂甲醇变为水(水上氢的氢键形成能力比甲醇上氢的氢键形成能力大)，反应速度进一步提高近10⁵。因此实验结果支持了定性关系模型。

(2)在三甲基锍的碱性水解反应中(如图7B所示),氧和硫原子在过渡态的电荷密度比在反应态的电荷密度低，在此基础上定性关系模型表明，降低与这两个原子作用的环境原子的氢键形成能力可以使反应速度大大增加。参考文献5中实验证明，将反应溶剂水变成乙醇(乙醇上氢的氢键形成能力比水上氢的氢键形成能力比小)，反应速度增加10⁴以上。因此实验结果支持了定性关系模型。

由以上实施例可知，本发明提供了一个简单又能准确预测反应环境对反应活化能影响程度的定量关系模型，它对预测反应活化能、对通过改变反应环境以催化化学反应或者阻止化学反应发生有指导作用，同时对设计高效人工酶也有重要的指导作用，具有很好的应用前景；

基于上述定量关系模型推导出的定性关系模型，在应用时由于不需要准确的氢键形成能力的数据，因此在应用上更加简便，广泛；定性关系模型对改变反应环境以改变反应速度有重要的指导意义，对设计高效人工酶提供了一个正确的理论基础，在酶工程中有重要的潜在应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种预测反应环境对反应活化能影响程度的方法，包括以下步骤：

(1)提供至少一个环境原子的氢键形成能力，所述环境原子与反应物原子之间存在非共价作用力，且所述反应物原子从反应态到过渡态的电荷密度发生了变化；

提供所述非共价作用力对反应活化能的影响程度；

(2)将所述步骤(1)中环境原子的氢键形成能力和所述非共价作用力对反应活化能的影响程度代入式I所示的定量关系模型中，得到影响系数；

RFEB_{R_Y}＝k_RH_Y 式I；

式I中，RFEB_{R_Y}为反应物原子与环境原子之间存在的非共价作用力对反应活化能的影响程度；

H_Y为环境原子的氢键形成能力；

k_R为影响系数；

(3)将待预测环境原子的氢键形成能力代入所述步骤(2)的定量关系模型中，得到待预测反应环境对反应活化能的影响程度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应环境包括溶液反应的反应环境或酶反应的活性中心。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当提供至少两个环境原子的氢键形成能力时，所述定量关系模型中H_Y为所有环境原子的氢键形成能力的总和。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述影响系数与反应物原子从反应态到过渡态的氢键形成能力的变化之间具有式II所示关系：

k_R＝(H_R≠–H_R)/7.02 式II；

式II中，k_R为影响系数；

H_R≠为反应物原子在过渡态时的氢键形成能力；

H_R为反应物原子在反应态时的氢键形成能力。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，如果反应物原子在从反应态到过渡态的反应过程中的电荷密度没有改变，则所述k_R为0；

如果所述电荷密度增加，则所述k_R为正值；

如果所述电荷密度降低，则所述k_R为负值。

6.根据权利要求1～5任一项所述的方法，其特征在于，根据所述定量关系模型和影响系数，构建定性关系模型：

当所述k_R为正值且增加环境原子的氢键形成能力时，反应速度提高；

当所述k_R为正值且降低环境原子的氢键形成能力时，反应速度降低；

当所述k_R为负值且降低环境原子的氢键形成能力时，反应速度提高；

当所述k_R为负值且增加环境原子的氢键形成能力时，反应速度降低。

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