分子间相互作用与分子识别（北京大学化学与分子工程学院张驰窦萌徐迟胡田骁）摘要：化学的研究几百年来主要集中在分子层次，针对分子的组成、结构和性质。

分子的微观结构决定了其宏观性质，而联系宏观性质和微观结构的就是分子之间的相互作用和反应。

自从1987年诺贝尔奖获得者J.M.Lehn提出超分子的概念以来，这一学科迅速发展，在现代材料、催化剂等领域起着极大的作用。

超分子的性质和结构主要由分子间相互作用决定，分子间相互作用的一种特异选择性表现在分子识别上。

本文通过介绍分子间相互作用的类型和分子识别的基本原理，简单阐述了超分子化学的基础内容和一些实例。

关键词：分子间力Van der Waals力次级键氢键分子识别原理应用超分子一、分子间相互作用1.什么是分子间相互作用分子间相互作用就是基团或分子间除去共价键、离子键、和金属键外一切相互作用力的总称。

物质凝聚态的存在是分子间存在相互作用的最简单的证据。

分子间相互作用的强弱可以用分子间相互作用能U的大小来衡量，它是一个势能量，为分子间距离R的函数。

如图1.1.1所示：它有一个在长程相互吸引的区域，其力为-∂V/∂R它在较劲的范围是排斥区；式中R m是相应于能量最低点的分子间距离，σ表示分子间势能为零的距离，ε表示吸引势阱的深度。

V(R)函数曲线的形式会因分子的不同而略有差异，但它们是具有共同的特征的。

图1.1.1典型分子间作用势能函数2.分子间相互作用的组成分子间相互作用主要包括：离子或电荷基团，偶极子，诱导偶极子等之间的相互作用力，氢键力，疏水基团相互作用力及非键电子推迟力等，大多数分子间作用能在10kJ.mol-1以下，比通常的共价键键能小一、二个数量级，作用范围约为0.3-0.5nm，除氢键外，一般没有方向性和饱和性。

各种分子间相互作用能的大小与距离r的函数关系如下：表1.2.1一些分子间相互作用能与分子间距离的函数关系（1）Van der Waals力以上表1.2.1中作用能与1/r6成正比的三种作用力统称Van der Waals 力。

它是人们在研究气体行为时，发现在气相中分子之间存在吸引力和排斥的作用，用Van der Waals方程以校正实际气体对理想气体的偏离时提出来的，Van der Waals方程如下。

如果气体占据的体积为V，气体分子占据的体积为b，那么V-b为气体中分子自由移动空间。

分子间的吸引力使得气体体积缩小，正比于密度平方，因此引入常数a来表征这一影响。

p+av2V−b=RTVan der Waals力分为三种：a.静电力或永久偶极相互作用力极性分子有永久偶极矩，永久偶极矩间可以产生静电作用使能量体系降低。

理论计算得到这种静电作用平均能量为：E 静=−2μ12μ223kTr6(4πε0)2其中μ1和μ2是两个相互作用分子的偶极矩，r是分子质心间的距离，k 为Boltzmann常数，T为绝对温度。

由此可见，分子间静电作用能随分子的偶极矩增大而增大，对同类分子来说静电作用能和偶极矩四次方成正比。

当温度升高时，破坏偶极子的取向，相互作用能降低，故它是和绝对温度T 成反比的。

b.诱导力即偶极子-诱导偶极子间作用力非极性分子在极性分子偶极矩电场的影响下会发生”极化作用”,即电子云会发生变形，产生所谓“诱导偶极矩”。

此“诱导偶极矩”和极性分子永久偶极矩间会产生吸引作用使能量降低。

理论计算得两个分子相互作用平均的诱导作用能为：E 诱=−μ12α2（4πε0）2r6其中μ1是极性分子偶极矩，α2是被极化分子的极化率，它和分子的电子数目和电子云是否容易变形有关。

对于极性分子间相互作用而言，除静电力之外，也有相互诱导的“极化作用”，产生“偶极偶极矩”使相互作用进一步加强。

c.色散力。

非极性分子间也有相互作用力的存在，称为“色散力”，因为它的公式和光的色散作用有些类似而得名。

它可以被看做是分子的“瞬间偶极矩”相互作用的结果，即分子间虽然无偶极矩，但分子运动的瞬时状态有偶极矩，这种“瞬时偶极矩”会诱导临近分子也产生和它相吸引的“瞬时偶极矩”，反过来也一样，这种相互作用便产生色散力。

理论计算这种力的作用能是：E 色=−32I1I2I1+I2(α1α2r6)1(4πε0)2式中I1,I2是两个相互作用分子的电离能，α1,α2是他们的极化率，对同类分子间的作用色散力和分子的极化率的平方成正比。

静电力只存在极性分子之间；诱导力存在于极性分子之间及极性分子与非极性分子之间；色散力不管是非极性分子还是极性分子之间都存在。

实验表明：对大多数分子而言，色散力是主要的，下表列出一些分子的三种分子间作用力的分配情况：表1.2.2若干分子的Van der Waals作用能（2）电荷基团间的相互作用电荷基团间的相互作用力又称为盐键，本质上是一种静电作用力，由Coulomb定律，其作用能和基团间的距离成反比而与荷电荷数的数量成正比。

例如：RCOO-与NH3+之间的静电作用（3）非键电子推斥作用非键电子推斥作用存在于一切基团之间，与Pauli斥力有关，是短程作用力。

（4）次级键（secondary bond）次级键是典型的强化学键和弱的范德华作用之间的各种化学键的总称。

氢键（X-H…Y）和没有氢原子参加的（X…Y）间弱化学键都属于次级键。

次级键可根据原子间的距离、核磁共振谱和光谱等实验数据来确定。

化学反应过程中形成的过渡态正是以次级键为特征的中间体或活化络合体。

次级键在物质的结构和性质的研究以及生物体系和超分子化学中起着重大作用。

a.氢键（hydrogen bond）氢键X-H…Y是由两个电负性都很高的元素（例如F,O,N等）通过三中心四电子键形成的，其中X-H是极性键，由于X电负性高，氢原子相当于一个裸露的原子核，所以可以和另一个强电负性元素原子Y产生强烈的相互作用而形成氢键。

氢键的键能较强，一般在40kJ.mol-1左右。

物质的物理性质和化学性质在很大程度上受到氢键的影响，如物质的熔点、沸点、溶解度和酸碱性等。

水的是生命之源，它的性质也很大程度上取决于水分子的结构特点，适合于形成各种各样以氢键为基础的空间结构。

这也是冰有多种晶型的原因。

冰的一种最常见的晶体结构如图1.2.1所示图1.2.1冰的Ih结构图中白球为氧原子，黑球为氢原子蛋白质，核酸等生命物质的形成和其空间结构也和氢键有很大的关系。

例如在DNA中碱基之间可以通过形成氢键来维持双链结构。

A和T之间形成两个氢键，G和C之间形成三个氢键（如图1.2.2所示）。

图1.2.2 DNA中碱基之间形成氢键示意图又如在蛋白质中，氢键是维持蛋白质高级结构的重要因素（图1.2.3）。

图1.2.3 蛋白质的各种二级结构中的氢键除了常规氢键外还有一些非常规的氢键，如图1.2.4所示。

图1.2.4 两种非常规氢键(a) X-H…π氢键，或称芳香(b) X-H…H-Y氢键，在H3BNH3中氢键（aromatic hydrogen bond）还有诸如X-H…M（M为负电子金属原子）等非常规氢键。

b.非氢键型次级键非氢键型次级键主要分为（i）非金属原子间的次级键，（ii）非金属原子和金属原子间的次级键，（iii）金属原子和金属原子间的次级键。

判断次级键的标准主要以原子间的实际距离和典型的共价键及范德华半径之和相比较。

图1.2.5示出了几种典型的非氢键型次级键。

图1.2.5 几种典型的非氢键型次级键(a)NO气体二聚物中的次级键(b)S4N4中的次级键VO(acac)2•Py中钒和氮之间的次级键O[AuP(o-tol)3]3-和S[AuP(o-tol)3]42-的结构，其中金原子之间存在次级键（5）疏水效应分子间相互作用的一个重要组成是疏水效应，它在分子识别过程中起着重要的作用。

分子间疏水效应是一个复杂的过程。

它主要决定于熵效应。

水是由松散的动态的氢键网络组成。

当存在非极性分子时，水的氢键网络会发生重排。

为了保持氢键数目水分子会在非极性溶质表面有序地形成笼状排列。

当受体分子和底物分子作用的时候，非极性溶质受体表面的有序水被非极性底物所替代，这部分有序的水变成无序的水，引起熵增。

图1.2.6说明了疏水效应的一种特殊情况----疏水空腔效应。

图1.2.6 疏水空腔效应3.分子间作用力对物质理化性质的影响及原因许多与分子间作用有关的性质，如物质的沸点、熔点、汽化热、融化热、溶解度、粘度、表面张力、吸附等等，都与分子间作用力的大小有关。

下面举例说明：（1）对沸点、熔点、汽化热、融化热的影响气体分子凝聚成液体和固体是分子间作用力的结果，若忽略熵因素的影响，则一般分子间作用力越大，越不易汽化，沸点较高，汽化热也较大。

固体溶解也要部分客服分子间作用力，分子间作用力越大，一般熔点和融化热较大。

例如F2、Cl2、Br2、I2极化率顺序增大，色散力顺序增大，沸点、熔点、汽化热、融化热都顺序增大。

又如顺式二氯乙烯沸点比反式二氯乙烯高，因为前者有偶极矩，静电力和诱导力较大。

（2）溶解度物质的溶解，也涉及分子间作用力的问题，“相似相溶”这个经验规则可由分子间作用力得到说明。

溶解过程的熵变总是一个正值，只要焓变不是一个太大的正值，即溶解过程焓变较小的话，溶解过程的Gibbs自由能变就可以小于零，即溶解过程可以自发进行。

所以这里的“相似相溶”不仅仅指的是结构上的相似，更重要的在于溶剂分子之间，溶质分子之间以及溶剂和溶质分子之间的相互作用的形式相似。

比如苯和水，一个没有极性，一个有极性。

苯分子之间主要是较强的色散力作用，水分子之间主要是诱导力作用和氢键的作用，当混合后，上述两者均遭到破坏，取而代之的是苯和水分子之间不强的偶极-诱导偶极相互作用，所以导致溶解过程的Gibbs自由能变化大于零，不易互溶。

（3）固体的吸附固体吸附剂如分子筛、硅胶、氧化铝、活性炭等高比表面的物质能吸附各种分子，期间的作用力主要也是范德华力，分子筛，硅胶，氧化铝等表面有很强的极性基团（Si-O、Al-O、OH等），对极性分子H2O等吸附能力很强，对非极性分子如烃类吸附能力较弱，故工业上常利用这些吸附剂作为干燥剂，脱除液体或气体烃中的水分。

活性炭容易吸附各种有机分子和它表面有许多有机基团是有联系的。

（4）表面能物质内部的分子，受周围分子的作用力，能量较低，物质表面的分子，周围接触的分子数目少，能量较高，这就是表面能的来源。

分子间作用力较强的物质表面能较大，反之较小。

例如水的分子间作用力（包括氢键）较强，故表面能较大（72.8尔格/cm2），比一般的有机物的表面能大，下表列出一些表面能数据供比较。

2工业上广泛应用的各种表面活性剂，起作用往往和降低表面能或界面能有关，涉及的主要也是与分子结构有关的分子间作用力的问题。

二、分子识别的原理与应用1.分子识别的原理分子识别的概念已有100多年的历史，是从生物学开始的，化学家是在对生命过程的研究中逐渐审视这个极其重要的概念。