分子间弱相互作用
第3章有机分子的弱相互作用与物理性质
氢键特点：
键能一般比化学键键能小，通常为20-30kj/mol 。 具有较强的方向性和饱和性，氢键一般要求为直线型 或者稍有弯曲。即前面表达式中XHY三者通常在一条 直线上面。 氢键的这种作用会强烈的影响常见有机化合物的沸 点，一般来说形成分子间氢键的化合物相对于近似分 子量的其它化合物，其沸点会大大提升。比如甲烷和 水。 N、O、F三种元素对应的氢键强度，一般来说是依 次增加的。 氢键对光谱数据会产生影响。 根据分子具体结构，可能形成分子内氢键或者分子 间氢键。
范德华力及其分类
范得华力无饱和性和方向性，其本质可以看成一种静电 作用力。其强度一般只有化学键的十分之一到百分之一。 但是这种作用的大小决定物质的沸点，溶解度和表面作用 力。 通常我们分成色散力，诱导力，取向力三种类型。一般 非极性分子和非极性分子之间只有色散力，极性分子和非 极性分子之间则有色散力和诱导力存在，而极性分子之间 则三种力均存在。 思考：甲烷，氯甲烷，丙酮，乙酸乙酯这些分子都存在 这些作用力吗？
氢键概念的使用
最典型的氢键使用，莫过于我们对核酸，蛋白质的研 究。自然界选择了氢键这种有一定强度但并不是太强的 结构保证了生命的稳定遗传和适当变异。详细内容将在 后面相应章节讨论。 常见小分子中氢键对沸点和溶解度的影响，我们看看 下面溶液体系中氢键的形成： HF-H2O；CH3NH2-H2O；CH3COOH；
弱相互作用对物理性质的影响 分子间的相互作用与物质的沸点：
沸点是在一定压力下，某物质的饱和蒸汽压与大气压力相 等时对应的温度。饱和蒸汽压是指在一定温度下，与液体或 固体处于相平衡时蒸汽所具有的压力。 分子能否从液相逸出挥发成为气态的自由分子，取决于分 子本身的动能和分子间弱相互作用力的相对大小。分子间的 弱相互作用力越大，分子由液相进入气相所需要的能量将越 高，即温度越高。 表3-3中列出了一些简单正烷烃的沸点参数。 可见：随着分子的分子量增大，分子间的瞬间作用力也随 之增强，从统计结果上看就是分子间的作用力更强，相应的 其宏观表现的沸点数据就更高。
分子间作用力课件2021-2022学年高二下学期鲁科版(2019)选择性必修2
化学与生命 DNA双螺旋结构中的氢键
DNA分子有两条链，链内原子之间以很强的共价键结合，链之 间则是两条链上的碱基以氢键配对，许许多多的氢键将两条链连 成独特的双螺旋结构，这是遗传基因复制机理的化学基础。
知识整合
共价键与范德华力、氢键的比较
共价键 范德华力
氢键
概
念 相邻的原子间 把分子聚集在
强烈的相互作 一起的作用力
酚)，其原因是
。
由于
能形成分子内氢键，所以水杨酸的第二级电离更困
难，故 Ka2(水杨酸)< Ka(苯酚）
④解释一些反常现象 如水结成冰时，为什么体积会膨胀。
冰 水
O
O
HHHH
O
HH
O HH
O HH
冰 水
追根寻源
为什么水呈现出独特的物理性质
水分子之间存在着氢键，使水的沸点比硫化氢的沸点高出139 ℃，导致在 通常状况下水为液态，地球上因此有了生命。冰中的水分子之间最大程度地形 成氢键。由于氢键有方向性，每个水分子的两对孤对电子和两个氢原子只能沿 着四个sp3杂化轨道的方向分别与相邻水分子形成氢键，因此每个水分子只能与 周围四个水分子接触。水分子之间形成的孔穴造成冰晶体的微观空间存在空隙， 反映在宏观性质上就是冰的密度比水的密度小。正是由于冰的这一独特结构， 使冰可以浮在水面上，从而使水中生物在寒冷的冬季得以在冰层下的水中存活。
③氢键也影响物质的电离、溶解等过程
如：氨气极易溶于水，溶解度约为1：700；乙醇能与水任意比互溶
★★★如果溶质分子与溶剂分子间可以生成氢键，则溶质的 溶解度增大。
又如：已知苯酚
具有弱酸性，其 Ka=1.1×10‒10；水杨酸
第一级电离形成的离子
分子间作用力范围
分子间作用力范围
分子间作用力范围指的是分子之间相互作用的距离范围。
这种相互作用是由于分子间的电荷分布和极性不同引起的。
在化学反应或物质的性质中，分子间作用力起着非常重要的作用。
分子间作用力范围包括范德华力、静电力、氢键等。
其中，范德华力是由于分子间瞬时极性引起的吸引力；静电力是由于分子间电荷分布不均引起的吸引力和斥力；氢键是由于分子中的氢原子和带有电负性原子的分子间的相互作用引起的。
不同的分子间作用力范围决定了分子间的分布和相互作用方式，进而影响到物质的性质。
例如，在液态和气态中，分子间作用力比较弱，分子间距离较大，因此这些物质具有较大的体积和较弱的密度；而在固态中，分子间作用力比较强，分子间距离较小，因此这些物质具有较小的体积和较大的密度。
分子间作用力范围也是化学反应的重要因素之一。
在化学反应中，分子间的相互作用方式决定了反应的速率和产物的类型。
因此，理解分子间作用力范围对于研究化学反应和设计新的材料具有重要意义。
- 1 -。
分子间相互作用的理论研究方法简介
分子间相互作用的理论研究方法简介
06级博士生：汤建庭 导 师：杨启华 研究员
2008年5月27日
内容
一、分子间相互作用研究的方法和意义
二、理论方法研究分子间相互作用的 困难性
三、组态相互作用(CI) 四、偶合簇理论(CC) 五、多体微扰理论(MBPT) 从头计算方法
六、密度泛函(DFT)方法
3、超分子方法的大小一致性问题 大小一致性是指由无相互作用的若干子体系所组成体系 的能量，等于孤立子体系的能量之和[3,6]。不满足则高估结合 能。 △E = EAB – (EA + EB)
A A
△E
B
无相互作用
B
大小一致性方法[3,6]： 完全FCI 二次组态相互作用QCI
偶合簇CC
A B
Moller-Plesset微扰 MPn (n = 2~4)
VXC [ (r )] —交换相关势密度
(r ) | i (r ) |
i 1 N 2
i—K-S单电子波函数
i
i
交换相关泛函
局域密度近似泛函 (LDA)：交换泛函仅和局域电荷密度有关， 而与密度的变化无关。（Slater交换泛函[24] + VWN相关泛函[25]） LDA方法高估结合能，在分子间相互作用较弱时尤为显著。
分子间相互作用
生物分子体系
药物设计
计算机模拟
晶体工程
物理学科
分子间相互作用主要有:离子 或荷电基团、偶极子、诱导偶极 子之间的相互作用，氢键，疏水 基团相互作用，及非键电子推斥 作用等[1]。
核磁 共振法
X-射线 衍射法
红外拉曼 光谱法
分子间 相互作用研究 的实验方法
氢键对生物活性分子中的作用综述
氢键对生物活性分子中的作用前言氢键是一种介于共价键(200～ 400KJ•mol-1 )和范德华力(10 ～40KJ•mol-1 )之间的一种特殊相互作用,其键能在30 ～ 200KJ•mol-1间 ,键长比范德华力半径之和小 ,但比共价键键长之和大很多。
氢键作用是人们较早认识的分子间弱相互作用之一。
研究表明从无机物到有机物，氢键在分子的构象，分子间的聚合以及化学体系的功能等方面都起着重要的作用。
物质的许多性质如沸点、熔点、粘度、表面张力等都与此有关。
一、氢键的定义和类型氢键是指与电负性极强的元素 X 相结合的氢原子和另一分子中电负性极强的原子之间所形成的一种弱键。
可表示为X-H…Y。
X,Y 通常是 F ,O 和 N 等元素。
氢键有很多种形成方式，可以是在一个分子内形成，也可以是在两个或多个分子间形成。
二、氢键化合物性质的影响氢键是一种最常见也是最重要的分子间的相互作用 ,其强度变化幅度很大。
氢键虽然是一种弱键 ,但由于它的形成将对物质的聚集状态产生影响 , 所以物质的物理性能、形状结构等方面会发生明显的变化和很大的影响。
物质的性质出现了反常现象 ,如冰中存在氢键 ,聚集态中的分子采取一些特定的缔合状态, H2O分子必须按四方体堆积结合起来。
还有氧族元素的氢化物的沸点递变规律中 H2O 的沸点的特殊性, 氮族、卤族元素中NH3和 HF 的沸点的特殊性。
这些分子间的氢键 , 在固体、液体都存在,其物质的许多特性都可以用氢键的概念加以解释。
用简单无机分子很容易说明氢键的概念, 但这个概念的重要性却体现在生命化学中。
生物体内存在各种各样的氢键。
氢键对稳定生物大分子的构型十分重要。
三、氢键在生物分子中的存在状态蛋白质、核酸、糖、脂等是生物体特有的大分子有机化合物 ,是建造生物体的主要成分,被称为生物分子。
1.蛋白质蛋白质的二级结构主要是通过氢键化的 N-H-O=C维系的在无机分子中原子的个性影响着化学键的性质 , 而生物化学反应中只涉及氢键, 通常是氮和氧原子之间的氢键(N —H …O)。
分子间的相互作用力
分子间的相互作用力分子间的相互作用力是指不同分子之间相互吸引或排斥的力量。
这些力量在化学和生物分子中起着重要的作用，影响着分子的结构、性质和相互之间的相互作用。
下面将详细介绍分子间相互作用力的几种主要类型：范德华力、氢键、离子键、共价键和金属键。
1.范德华力：范德华力是一种临时性的吸引力，最常见的就是在非极性分子中的分子间相互作用。
范德华力是由于偶极矩在时间上的随机分布所引起的，这些偶极矩是由于电子的运动而产生的。
范德华力的大小与分子之间的距离和分子的极化程度有关。
当两个非极性分子之间的距离足够近时，它们之间会发生范德华力的相互作用。
2.氢键：氢键是一种特殊的范德华力，它是由于氢原子与高电负性原子（如氮、氧和氟）之间的相互作用而产生的。
氢键是较强的相互作用力，对于分子之间的结合、分子的性质和生命过程都具有重要的影响。
例如，水分子中的氢键是使水具有高沸点和高表面张力的原因之一3.离子键：离子键是由正负离子之间的静电吸引力形成的，通常涉及阳离子与阴离子之间的相互作用。
离子键是非常强的相互作用力，可以导致分子或晶体的形成。
离子键在很多物质中起着关键的作用，如盐、氯化钠等。
4.共价键：共价键是由于原子之间的共享电子而形成的。
在共价键中，原子之间通过共享电子来实现稳定的化学结合。
共价键的强度取决于原子之间的电负性差异和相互之间的距离。
共价键是化学反应中最常见的一种相互作用力。
5.金属键：金属键是金属原子之间的相互作用力，是原子通过电子在整个金属晶格中的自由运动而形成的。
金属键是金属具有良好导电性、热导性和延展性的原因之一除了上述几种主要的分子间相互作用力之外，还有其他一些次要的相互作用力，如静电相互作用、疏水作用和范德华斥力等。
静电相互作用是由于电荷之间的吸引或排斥而产生的。
疏水作用是水分子与非极性分子之间的相互作用力，是导致水溶液中水分子包围非极性分子形成水合物的原因之一、范德华斥力是由于电子云的重叠而产生的排斥力，是主要的范德华力作用的对立面。
疏水、静电力结合、络合、氢键、范德华力、π–π 相互作用
疏水、静电力结合、络合、氢键、范德华力、π–π 相互作用全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：疏水、静电力结合、络合、氢键、范德华力、π–π 相互作用是分子间相互作用中常见的几种力，它们在化学、生物等领域发挥着重要作用。
本文将分别介绍这几种力的特点和应用。
疏水作用指的是非极性分子在水中的相互作用。
饱和碳氢链是不带电的，因此对水没有亲和力。
为了减少和水接触的面积，碳氢链之间会相互聚集形成疏水核心。
这种现象在生物领域中尤为常见，例如细胞膜中的疏水区域在蛋白质的折叠和稳定过程中发挥重要作用。
静电力结合是指带电荷的分子之间由于静电吸引而形成的相互作用。
正负电荷之间会吸引彼此，使分子相互结合。
这种力在化学反应中常常用来引导分子的结合和排斥。
静电力结合的应用涉及许多领域，例如在材料科学中可以通过电荷性质对聚合物进行改性，提高材料性能。
络合是通过配位键形成的分子之间的结合现象。
金属离子通常会与配体形成络合物，形成稳定的化学结构。
络合在化学催化、配位化学等领域有着广泛的应用，可以用来改善催化剂的活性和选择性。
氢键是一种特殊的化学键，由氢原子与带有部分负电荷的原子形成。
氢键在生物分子的结构中起着重要作用，例如DNA双螺旋结构中的氢键稳定了DNA的空间结构。
氢键还广泛应用于药物设计、生物医学等领域，可以用来改变分子的结构和性质。
范德华力是分子之间的弱相互作用力，包括范德华吸引力和范德华斥力。
范德华力虽然较弱，但在大分子的结构稳定和相互作用中发挥着重要作用。
范德华力的研究有助于理解生物分子的结构和相互作用机制。
π–π 相互作用是π电子云之间的相互作用力，通常发生在具有芳香环结构的分子中。
π–π 相互作用对于有机合成、材料科学和药物设计等领域有着重要的应用价值，可以用来改变分子的结构和性质。
第二篇示例：疏水作用是指疏水基团或分子在溶剂中遇到聚合物或其他分子团分子时所发生的一种特殊的微观相互作用。
疏水基团通常指的是具有亲水性较差的疏水基或疏水链段，它们在水性溶剂中会聚集在一起，形成一个稳定的疏水核心。
分子间弱相互作用
分子间弱相互作用范德华力是由两个非极性分子之间的瞬时偶极引起的吸引力，也被称为偶极-偶极引力。
这种力与分子的电子云的运动有关，当电子云分布不均匀时会形成分子的瞬时偶极矩。
这种瞬时偶极矩可以导致附近的分子出现感应偶极，并相互吸引。
虽然范德华力很弱，但当大量分子之间存在这种相互作用时，其总和可以显著影响物质的性质。
范德华力是液体和固体的存在和相变之一的重要原因。
氢键是一个特殊的范德华力，在分子间存在强的吸引作用。
它主要在含氢原子和电负性较强的原子间形成，在化学系统中起到关键的角色。
氢键在生物化学、溶液中的相互作用以及液体中分子的聚集等方面具有重要意义。
例如，水分子之间通过氢键形成液态水的网络结构，使水具有高的沸点和融点，这对地球上的生命起着重要的保护作用。
此外，氢键也可以影响物质的溶解度、表面张力和粘度等性质。
除了范德华力和氢键，还存在其他类型的分子间弱相互作用，如离子-离子相互作用、疏水作用和π-π相互作用等。
离子-离子相互作用是由带电离子之间的静电相互作用引起的。
当正负电荷之间存在时，它们会相互吸引并形成稳定的结构。
离子-离子相互作用广泛存在于盐和晶体等物质中。
疏水作用是由于水分子的极性和非极性部分的亲疏水性而导致的。
当非极性部分的分子相互接触时，它们倾向于排斥周围的水分子，从而形成疏水相互作用。
这种作用对于脂质分子在生物体中的自组装和细胞膜的形成至关重要。
π-π相互作用是芳香分子之间的非共价相互作用。
这种相互作用是由于π电子云的重叠而产生的吸引力，它在有机化学和生物化学中占有重要地位。
π-π相互作用可以影响分子的构象和聚集，如蛋白质的二级和三级结构以及DNA的双螺旋结构。
总的来说，分子间弱相互作用在物质的结构和性质中发挥着关键的作用。
它们通过影响分子的聚集和相互作用，调控物质的状态和性质，在生物体系、溶液中的相互作用以及相变等方面具有重要的意义。
因此，对这些弱相互作用的研究对于理解自然界中的各种现象和应用在材料科学、药物设计等领域具有重要的意义。
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化合物 甲胺 乙胺 丙胺 丁胺 二甲胺
二乙胺 三甲胺
沸点（℃） 化合物
沸点（℃）
-7
三乙胺
90
17
三丁胺
213
49
苯胺
184
77.8
N-甲基苯胺 196
7
N，N-二甲 194
基苯胺
56
二苯胺
302
3.5
乙酰胺
221
化合物 甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 戊烷 己烷
熔点（℃） 化合物
-182.6
庚烷
-183
0.9
-105.5
第三节 分子间的弱相互作用与分子识别及自组装
• 分子识别是一种人工受体和小分子之间的选择性 相互结合，而不是单纯的分子间相互作用。
• 分子自组装的原理是利用分子与分子或分子中某 一片段与另一片段之间的分子识别，相互通过非 共价作用形成具有特定排列顺序的分子聚合体。
第四节 生物大分子的弱相互作用
• 表面活性剂分子在水中因为这种作用可以 形成胶束。
分子间的弱相互作用对物理性质的影响
• 分子间相互作用与沸点 • 分子间相互作用与熔点 • 分子间相互作用与溶解性
化合物 甲℃）化合物
-161.6 庚烷
-88.5 辛烷
-42.1 壬烷
-0.5
癸烷
36.1
十一烷
一大段时间内的大体情况
+_
+_
_+ _ +
+_
非极性分子的瞬时偶极之间的相互作用
每一瞬间
诱导力
• 诱导偶极与固有偶极之间产生的分子间相 互作用力。决定诱导力强弱的因素包括极 性分子的偶极矩以及非极性分子的极化率。
+_
分子离得较远
+ _ +_
分子靠近时
取向力
• 极性分子之间固有偶极的取向所产生的吸 引力。
第三章 有机分子的弱相互作用与物理性质
• 分子间的弱相互作用方式 • 分子间的弱相互作用对物理性质的影响 • 分子间的弱相互作用与分子识别及自组
装 • 生物大分子的弱相互作用
分子间的弱相互作用方式
• 范德华作用力 色散力 诱导力 取向力
• 氢键作用 • 疏水亲脂作用
色散力
• 由瞬时偶极而产生的分子间相互作用力
1）氢键键能一般为20-30 kJ/mol，这与理论计算 的偶极-偶极或偶极-离子的静电作用能基本相当。
2）不同类型氢键的键能随X，Y原子电负性的增大或 半径的减小而增大。
3）氢键的几何构型一般为直线型或稍有弯曲，以使 X，Y间静电斥力最小。
疏水亲脂作用
• 有机分子溶解于水后，水分子要保持原有 的结构而排斥有机分子的倾向称为疏水作 用，而有机分子之间的范德华吸引力称为 亲脂作用。
68.8
十二烷
沸点（℃） 98.4 125.7 150.7 174.1 195.9 216.3
化合物 乙醇 丙醇 丁醇 乙二醇 甲醚 乙醚 四氢呋喃
沸点（℃） 化合物
78.3
乙醛
97.8
丙烯醛
117.7 丙酮
197.5 甲酸
-24
乙酸
34.6
甲酸甲酯
66
乙酸甲酯
沸点（℃） 21 53 56 100.5 118 32 59.1
辛烷
-187.1
壬烷
-138
癸烷
-129.7
十一烷
-95
十二烷
熔点（℃） -90.5 -56.8 -53.7 -29.7 -25.6 -9.7
正戊烷
沸点（℃） 36 熔点（℃） -130
异戊烷
28 -160
新戊烷
9.5 -17
化合物 顺-2-丁烯 反-2-丁烯
沸点（℃） 3.7
熔点（℃） -139.0
_
_
+
+
分子离得较远
+ _ +_
取向
氢键作用
• 分子中与一个电负性很大的元素相结合的H 原子，还能与另一分子中电负性很大的原 子间产生一定的结合力而形成的键。 表示为：X—H…Y，其中X，Y代表F，O， N等电负性原子
氢键的键能比化学键的键能小且具有较强的方向性 和饱和性。氢键的静电作用的本质可成功地解释氢 键的一些性质，例如：
• 蛋白质二级结构: -螺旋(helix)、 • -折叠(folder)
• DNA的碱基对: A-T G-C
角蛋白