第四章分子间相互作用和超分子组装

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1、第四章分子间相互作用和超分子组装第一节分子间相互作用1.1引言物质处于不断运动变化Z中，物质ZI'可的各种相互作用支配着物质的运动和变化，物质Z间相互作用十分复杂，它们有各种各样的表现形式。无论在牛物体内，还是在牛物体外，牛物分子和所涉及到的化学物质都存在分子运动及变化，包括牛物分子的口身运动及各种物质的分子代谢。生物分子之间，生物人分子与化学物质之间也存在各种各样的相互作用。化学物质具备特界的化学基团或化学结构，与相互补的生物大分子发生作用，导致生物人分子的化学和构象上的变化，进而引发或抑制了某些生物反应。因此，可以认为化学物质与蛋白质受体，酶和核酸之I'可的作用力，是生物效应的

2、原动力。通常把分子间相互作用力分为两类，即强相互作用(主要指共价键)和弱相互作用(乂称分子间力，包括范德华力、氢键等)(表5-1).前者通常维持分子的基本结构，它是使分子中或分子间的原子之间结合的主要相互作用，这些作用决定着生物大分子的一级结构。也有部分化合物是通过强相互作用起作用的，其结合能远远超过分子的平均热动能。弱相互作用在数值上虽比强相互作用小得多，但它在维持生物大分子的二级、三级、四级结构中以及在维持其功能活性中起着相当重要的作用，也是化合物与生物大分子相互作用的重要识别方式。1.1.1共价键在共价键中，若成键两原子的电负性差值为零，这种键称为非极性共价键；若成键两原子的

3、电负性差值不等于零，这种键称为极性共价键。由两个相同原子形成的单质分子，如H2、C12等，两个原子电负性相等，对共用电子对的吸引力相同，分子中电子云的分布是均匀的，整个分子中正电荷重心和负电荷重心重合，这种分子叫非极性分子(nonpolarmolecule),分子中的键是非极性共价键。由两个不同原子所形成的分子，如HC1,由于氯原子对电子的吸引力大于氢原子，共丿U电子对偏向氯原子一边，结果氯原子一边显负电，而氢原子一边显正电，形成正负两极，这种分子称为极性分子(polarmolecule),分子中的键为极性共价键。1.1.2分子间力分子间作用力指存在于分子与分子Z间或高分子化合物分

4、子内官能团之间的作用力，简称分子间力。它主要包括：•范徳华力：起初为了修正范徳华方程而提出。普遍存在于固、液、气态任何微粒之间，与距离六次方成反比。根据来源不同又可分为：•色散力(en:Londondispersionforce):瞬时偶极Z间的电性引力；•取向力：固有偶极之间的电性引力；•诱导力：诱导偶极与固有偶极Z间的电性引力；•氢键：X-H...丫类型的作用力。1.2常见的几种分子作用力1.2.1范德华力这是一种普遍存在的作用力，是一个原子的原子核吸引另一个原子外围电子所产生的作用力。它足一种比较弱的、非特异性的作用力。此种作用力非常依赖原子间的距离，当相互靠近到大约0・4〜

5、0.6nm时，这种力就表现出较大的集合性质。范德华力包括引力和斥力，通常，按照战了•力学的微扰方法所得到的能量分解，可将范徳华力的能晴表示为：E=E引+£斥=E.+E.+E色+E斥式中E.、E.、E色、E斥分别是静电力.诱导力、色散力、斥力所表示的能最。1nn一般包括三个部分：(1)取向力(或定向力)取向力发生在极性分子和极性分子之间，当两个极性分子相互接近时，同极相斥，异极相吸；一个分子的带负电的一端和另一个分子带正电的一端接近，使极性分子按一定方向排列。在已取向的极性分子间，由丁静电引力而互相吸引，称为取向力(orientationforce)□两个极性分子的相互作用如图所示C

6、IS)0二取向力与分子偶极矩的平方成正比，与热力学温度成反比，与分子间距离的七次方成反比。由此可见，随着分子间距离变大，取向力递减得非常Z快。(2)诱导力在极性分子和非极性分子间以及极性分子间都存在诱导力。当极性分子和非极性分子充分接近时，极性分子使非极性分子产生诱导偶极，这种由于诱导偶极而产生的吸引力，称为诱导力(inducedforce).极性分子与非极性分子的和互作用如图7-12所示。同样，当极性分子与极性分子相互接近时，除取向力外，在彼此偶极的相互影响下，每个分子也会发生变形而产生诱导偶极，因此也存在着诱导力。诱导力的木质是静电引力，它与极性分子偶极矩的平方成正比，与被诱导

7、分子的变形性成正比，与分子间距离的七次方成反比。诱导力与温度无关。(1)色散力任何一个分子，由于电子的不断运动和原子核的不断振动，常发生电子云和原子核之间的瞬时相对位移，从而产生瞬间偶极。分子靠瞬间偶极而相互吸引，这种力称为色散力(dispersionforce),又称为伦敦(Londonforce)o色散力必须根据近代量子力学原理才能正确理解它的來源和本质，由于从量子力学导出的这种力的理论公式与光色散公式相似，因此把这种力叫做色散力。量子力学的计算表明，色散力与分子