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量子化学において、自然結合軌道（NBO）とは、電子密度が最大となる計算された結合軌道のことです。NBOは、「自然原子軌道」（NAO）、「自然混成軌道」（NHO）、「自然結合軌道」（NBO）、および「自然（半）局在分子軌道」（NLMO）を含む一連の自然局在軌道セットの1つです。これらの自然局在セットは、基底原子軌道（AO）と分子軌道（MO）の中間に位置します。
計算化学では、原子内および原子間の結合における電子密度の分布を計算するために、自然（局在）軌道が使用されます。これらは、分子の局在した1中心領域および2中心領域において「最大占有特性」を持ちます。自然結合軌道（NBO）は、可能な限り高い割合の電子密度を含み、理想的には2.000に近い値となり、ψの最も正確な「自然ルイス構造」を提供します。高い割合の電子密度（ %-ρ Lと表記）は、一般的な有機分子では99%を超えることが多く、正確な自然ルイス構造に対応します。
自然軌道の概念は、N電子波動関数に固有の正規直交1 電子関数のユニークなセットを記述するために、1955 年にPer-Olov Löwdinによって初めて導入されました。 [ 1 ]
各結合NBO σ AB（ドナー）は、原子AとB上の2つの指向性価電子ハイブリッド（NHO）h A、h Bと、対応する分極係数c A、c Bで表すことができます。
結合は、共有結合（c A = c B）からイオン結合（c A >> c B）の極限まで滑らかに変化する。
各価電子結合性NBO σは、価電子空間の広がりを完成させるために、対応する価電子反結合性NBO σ*（アクセプター）とペアにする必要があります。
結合性NBOは「ルイス軌道」型（占有数が2に近い）であり、反結合性NBOは「非ルイス軌道」型（占有数が0に近い）である。理想化されたルイス構造では、満たされたルイス軌道（2つの電子）は、形式的に空の非ルイス軌道によって補完される。価電子反結合の弱い占有は、理想化された局在ルイス構造からの不可逆的な逸脱を示しており、これは真の「非局在化効果」を意味する。[ 1 ]
NBOを計算できるコンピュータプログラムを用いることで、最適なルイス構造を見つけることができる。最適なルイス構造とは、ルイス軌道内の電子電荷（ルイス電荷）が最大となる構造と定義される。ルイス軌道内の電子電荷が少ないということは、電子の非局在化が強く影響していることを示している。
共鳴構造では、主要な寄与構造と副次的な寄与構造が存在する可能性があります。たとえば、アミドの場合、NBO計算では、カルボニル二重結合を持つ構造が支配的なルイス構造であることが示されています。ただし、NBO計算では、共鳴構造に結合極性効果が含まれているため、「共有結合イオン共鳴」は必要ありません。[ 2 ]これは、他の最新の原子価結合理論の方法と同様です。