非共价相互作用

非共价相互作用与共价键的不同之处在于它不涉及电子共享，而是涉及分子之间或分子内的电磁相互作用的更分散的变化。在形成非共价相互作用时释放的化学能通常约为1-5kcal/mol（每6.02×1023个分子1000-5000卡路里）。非共价相互作用可以分为不同的类别，例如静电、π效应、范德华力和疏水效应。非共价相互作用对于维持大分子（如蛋白质和核酸）的三维结构至关重要。此外，它们还参与许多生物过程，在这些过程中，大分子彼此特异性但短暂地结合（参见DNA页面的属性部分）。这些相互作用也严重影响药物设计、结晶度和材料设计，特别是对于自组装，以及一般来说，许多有机分子的合成。分子间力是发生在不同分子之间而不是同一分子的不同原子之间的非共价相互作用。

离子相互作用涉及具有相反符号的完全xxx电荷的离子或分子的吸引力。例如，氟化钠涉及钠上的正电荷(Na+)与氟化物上的负电荷(F-)的吸引力。然而，这种特殊的相互作用在加入水或其他高极性溶剂后很容易被破坏。在水中离子对主要是熵驱动的；在中等离子强度I下，单个盐桥通常相当于约ΔG=5kJ/mol的吸引力值，在I接近零时，该值增加到约8kJ/mol。ΔG值通常是相加的，并且在很大程度上独立于参与离子的性质，过渡金属离子等除外。这些相互作用也可以在特定原子上具有局部电荷的分子中看到。例如，与乙醇盐（乙醇的共轭碱）相关的全部负电荷通常伴随着碱金属盐的正电荷，例如钠阳离子(Na+)。

氢键(H-bond)是一种特定类型的相互作用，它涉及部分正的氢原子与高度负电的、部分负的氧、氮、硫或氟原子（不与所述氢共价结合）之间的偶极-偶极吸引原子）。它不是共价键，而是归类为强非共价相互作用。它解释了为什么水在室温下是液体而不是气体（鉴于水的低分子量）。最常见的是，氢键的强度介于0–4kcal/mol之间，但有时可高达40kcal/mol在氯仿或四氯化碳等溶剂中，人们观察到例如酰胺之间的相互作用，添加剂值约为5kJ/摩尔。根据LinusPauling的说法，氢键的强度基本上由静电荷决定。对氯仿或四氯化碳中的数千个配合物的测量已经导致所有种类的供体-受体组合的自由能增加。

卤素键是一种非共价相互作用，不涉及实际键的形成或断裂，而是类似于称为氢键的偶极-偶极相互作用。在卤素键合中，卤素原子充当亲电子试剂或电子寻求物质，并与亲核试剂或富电子物质形成弱静电相互作用。这些相互作用中的亲核试剂往往是高度电负性的（例如氧、氮或硫），或者可能是阴离子的，带有负的形式电荷。与氢键相比，卤素原子代替部分带正电的氢作为亲电体。卤素键不应与卤素-芳香族相互作用混淆，因为两者是相关的，但定义不同。卤素-芳族相互作用涉及作为亲核试剂的富电子芳族π-云；卤素键仅限于单原子亲核试剂。

范德华力是涉及xxx或感应偶极子（或多极子）的静电相互作用的一个子集。其中包括：

• xxx偶极-偶极相互作用，也称为Keesom力
• 偶极诱导偶极相互作用，或德拜力
• 诱导偶极诱导偶极相互作用，通常称为伦敦色散力

氢键和卤素键通常不属于范德华力。

偶极-偶极相互作用是分子中xxx偶极之间的静电相互作用。这些相互作用倾向于排列分子以增加吸引力（降低势能）。通常，偶极子与电负性原子有关，包括氧、氮、硫和氟。例如，一些指甲油去除剂中的活性成分丙酮具有与羰基结合的净偶极子（见图2）。由于氧比与其共价键合的碳更具电负性，因此与该键相关的电子将比碳更靠近氧，从而在氧上产生部分负电荷（δ-）和部分正电荷（δ+)在碳上。它们不是完全电荷，因为电子仍然通过氧和碳之间的共价键共享。如果电子不再被共享，那么氧-碳键将是静电相互作用。通常分子包含偶极基团，但没有整体偶极矩。如果分子内存在导致偶极子相互抵消的对称性，则会发生这种情况。这发生在四氯甲烷等分子中。请注意，两个单独原子之间的偶极-偶极相互作用通常为零，因为原子很少携带xxx偶极。参见原子偶极子。

偶极诱导的偶极相互作用（德拜力）是由于具有xxx偶极的分子接近另一个没有xxx偶极的非极性分子。这种方法导致非极性分子的电子朝向或远离接近分子的偶极子极化（或诱导偶极子）。具体来说，偶极子可以引起来自非极性分子的电子的静电吸引或排斥，这取决于进入偶极子的方向。具有较大原子半径的原子被认为更容易极化，因此由于德拜力而受到更大的吸引力。

伦敦分散力是最弱的非共价相互作用类型。然而，在有机分子中，大量的接触会导致更大的贡献，特别是在杂原子存在的情况下。它们也被称为诱导偶极诱导的偶极相互作用并且存在于所有分子之间，即使是那些本来就没有xxx偶极子的分子。分散相互作用随着相互作用基团的极化率而增加，但被极化率增加的溶剂削弱。它们是由电子暂时排斥相邻分子的电子引起的，导致一个分子上的部分正偶极子和另一个分子上的部分负偶极子。己烷是没有极性或高电负性原子的分子的一个很好的例子，然而在室温下是液体，主要是由于伦敦色散力。在这个例子中，当一个正己烷分子接近另一个正己烷分子时，进入正己烷的一个暂时的、弱的部分负偶极子可以极化另一个正己烷分子的电子云，从而导致该正己烷分子上的一个部分正偶极子。在没有溶剂的情况下，烃类（如己烷）由于分散力而形成晶体；晶体的升华热是色散相互作用的量度。虽然这些相互作用是短暂且非常弱的，但它们可能是为什么某些非极性分子在室温下是液体的原因。在该己烷分子上引起部分正偶极子。在没有溶剂的情况下，烃类（如己烷）由于分散力而形成晶体；晶体的升华热是色散相互作用的量度。虽然这些相互作用是短暂且非常弱的，但它们可能是为什么某些非极性分子在室温下是液体的原因。在该己烷分子上引起部分正偶极子。在没有溶剂的情况下，烃类（如己烷）由于分散力而形成晶体；晶体的升华热是色散相互作用的量度。虽然这些相互作用是短暂且非常弱的，但它们可能是为什么某些非极性分子在室温下是液体的原因。

π-效应可以分为许多类别，包括π-π相互作用、阳离子-π和阴离子-π相互作用以及极性-π相互作用。通常，π效应与分子与共轭分子（如苯）的π系统的相互作用有关。

π-π相互作用与分子系统的π轨道之间的相互作用有关。芳环的高极化率导致分散相互作用，这是对所谓的堆积效应的主要贡献。这些在核碱基的相互作用中起主要作用，例如在DNA中。举个简单的例子，具有完全共轭π云的苯环将通过π-π相互作用以两种主要方式（和一种次要方式）与相邻的苯环相互作用。苯堆叠的两种主要方式是边对面的，焓约为2kcal/mol，另一种是移位（或滑动堆叠），焓约为2.3kcal/mol。由于π轨道中电子的高静电排斥，夹心构型的相互作用不如前面提到的两种稳定。

阳离子-π相互作用涉及阳离子的正电荷与分子π系统中的电子相互作用。这种相互作用非常强（在某些情况下与氢键一样强或更强），并且在化学传感器中有许多潜在的应用。例如，钠离子可以很容易地位于苯分子的π云之上，具有C6对称性。阴离子-π相互作用与阳离子-π相互作用非常相似，但相反。在这种情况下，阴离子位于贫电子π系统之上，通常通过在共轭分子上放置吸电子取代基来建立

极性-π相互作用涉及具有xxx偶极子（例如水）的分子与π系统的四极矩相互作用（例如苯中的四极矩（见图5）。虽然不如阳离子-π相互作用强，但这些相互作用可以非常强（~1-2kcal/mol），并且通常参与蛋白质折叠和含有氢键和π系统的固体的结晶。事实上，任何具有氢键供体的分子（氢与高负电性结合atom)将与共轭分子的富电子π系统具有良好的静电相互作用。

疏水效应是希望非极性分子在水溶液中聚集以与水分离。这种现象导致非极性分子对极性水分子（通常是球形液滴）的暴露表面积最小，并且常用于生物化学研究蛋白质折叠和其他各种生物现象。当混合各种油（包括食用油）和水时，也经常看到这种效果。随着时间的推移，位于水面上的油将开始从较小的液滴聚集成大的扁平球体，最终导致所有油的薄膜都位于水池之上。然而，疏水效应不被认为是非共价相互作用，因为它是熵的函数，而不是两个分子之间的特定相互作用，通常以熵为特征。焓补偿。如果有限数量的水分子被限制在空腔内，则实质上是焓疏水效应。配体置换这些水分子释放了水分子，这些水分子随后在本体水中享有接近四个的xxx氢键。

大多数药物是小分子，它们通过与酶或受体结合引发生理反应，导致酶功能的增加或减少。除了各种非共价相互作用外，小分子与蛋白质的结合受空间或空间考虑的组合控制，尽管一些药物确实共价修饰活性位点（参见不可逆抑制剂）。使用酶结合的锁和钥匙模型，药物（钥匙）必须具有大致适当的尺寸以适合酶的结合位点（锁）。使用适当大小的分子支架，药物还必须与酶非共价相互作用，以使结合亲和力结合常数最大化并降低药物从结合位点解离的能力。已开发出非共价金属药物。例如，已经制备了双核三螺旋化合物，其中三个配体链缠绕在两种金属周围，形成大致圆柱形的四阳离子。这些化合物与不太常见的核酸结构结合，例如双链DNA、Y形叉形结构和4路连接。

大多数蛋白质从一级（线性）氨基酸序列折叠成三维结构受许多因素影响，包括非共价相互作用。折叠的前约5毫秒主要取决于氢键，由此蛋白质折叠以在球状蛋白质内部定向非极性氨基酸，而更多极性氨基酸残基暴露于水性溶剂中。这一阶段被称为疏水坍塌，当非极性非共价相互作用将水排除在发展中的3D蛋白质结构内部时。在这个初始爆发阶段之后，更多的极性非共价相互作用接管。在蛋白质折叠开始后5到1000毫秒之间，蛋白质的三维结构，称为二级和三级结构，除了二硫键（共价键）外，还通过氢键的形成而稳定。通过一系列小的构象变化，空间方向被修改，以达到可实现的xxx能量最小化方向。蛋白质的折叠通常由称为分子伴侣的酶促进。立体、键应变和角应变在蛋白质从一级序列折叠到三级结构的过程中也起主要作用。单个三级蛋白质结构也可以组装形成由多个独立折叠的亚基组成的蛋白质复合物。总的来说，这被称为蛋白质的四级结构。四级结构是通过在不同亚基之间形成相对强的非共价相互作用（例如氢键）来产生功能性聚合酶。一些蛋白质还利用非共价相互作用在催化过程中结合活性位点中的辅因子，但是辅因子也可以共价连接到酶上。辅因子可以是有助于活性酶催化机制的有机或无机分子。辅因子与酶结合的强度可能会有很大差异。非共价结合的辅因子通常通过氢键或静电相互作用锚定。

非共价相互作用对液体的沸点有显着影响。沸点定义为液体的蒸气压等于液体周围压力的温度。更简单地说，它是液体变成气体的温度。正如人们所预料的那样，一种物质存在的非共价相互作用越强，它的沸点就越高。例如，考虑三种化学成分相似的化合物：正丁醇钠(C4H9ONa)、乙醚(C4H10O)和正丁醇(C4H9OH)。上图中列出了与溶液中每种物质相关的主要非共价相互作用。如前所述，离子相互作用需要比氢键更多的能量来破坏，而氢键又比偶极-偶极相互作用需要更多的能量。在沸点中观察到的趋势（图8）准确地显示了预期的相关性，其中正丁醇钠比正丁醇沸腾需要更多的热能（更高的温度），正丁醇的沸腾温度比乙醚高得多。化合物从液态变为气态所需的热能与打破每个分子在其液态下经历的分子间力所需的能量有关。