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弱作用力的“强作用”----《物质结构与性质》苏教版134学科提炼

微粒间的作用力类型不同大小也有强弱之分。化学键(离子键、共价键、金属键)是发生在相邻原子或离子之间的作用力，属于较强的作用力。分子与分子之间存在的相互作用力(范德华力、氢键等)比化学键要弱的多。过去人们更多关注于化学键的研究，现在越来越多的事实证明弱作用力也能表现出“强作用”。

分子间作用力虽然比化化学键弱的多，但与物质的性质(尤其是熔点、沸点、溶解度、粘度等)密切相关。蛋白质和酶等大分子的生物功能与他们的构象密切相关，而这些令人叹为观止的、高度有序的三维结构几乎完全是依靠范德华力及氢键立起来的。此外分子间作用力在分子组装，分子器件等领域也有着特殊的意义。

“超分子”被称为共价键分子化学的一次升华，超分子化学被称为“超越分子概念的化学”。在形成超分子的各种分子间相互作用中，氢键尤为特殊。被称为“超分子化学中的万能相互作用”。氢键的强度在化学键和范德华力之间具有方向性和饱和性。使得它在超分子自组装过程中起着关键的作用。利用分子间氢键键合可以按照所希望的方式将一定的结构单元或功能单元组装成具有储存信息、转移信息和催化功能的超分子结构，使现代化学在生命科学，材料和信息技术等方面发挥更大的作用。而传统的有机合成方法，是很难制备上述材料的。

可见，分子间作用力虽然微弱，但对物质的性质和制备有着不可替代的重要功能，他在材料科学、信息科学、生命科学等诸多领域均具有重要的理论意义和广阔的应用前景。曾被忽略的弱分子间作用力所具有的巨大潜力不断被揭示。

这实际上是化学中的一个重要领域——超分子化学，它超越了研究共价键的传统分子化学，转而研究由非共价键组装起来的、更为复杂的分子集合体。

1.什么是非共价键？

非共价键是一个比“分子间作用力”更广泛的术语，它包括了所有分子间作用力，同时也包括一些分子内的作用力。

①定义：非共价键是指不涉及电子共享或转移的原子间或分子间相互作用。它们的能量通常比共价键低得多(通常只有共价键强度的十分之一到百分之一)，但却是维持复杂结构和大分子功能的关键。

②主要类型(之前的分子间作用力都包含在内)：

氢键：最强的一类非共价键，具有方向性和饱和性。

范德华力：包括色散力、诱导力和取向力(偶极－偶极作用)。

π－π堆积作用：芳香环体系之间的相互作用，是DNa双螺旋结构和石墨烯层状结构稳定的重要原因。

疏水效应：非极性分子或基团在水环境中为了减少与水的接触而聚集在一起的趋势，是细胞膜形成和蛋白质折叠的核心驱动力。

离子－偶极作用：离子与极性分子之间的作用，例如金属离子溶解在水中。

阳离子－π作用：带正电的离子与富电子芳香环之间的吸引力。

2.什么是超分子

超分子可以理解为由两个或两个以上的分子通过非共价键自发地组装而成的、具有特定结构和功能的复杂实体。

一个很好的比喻是：

共价键像焊接：将原子牢固地、永久地连接成一个分子(比如制造一辆汽车的零件)。

非共价键像魔术贴或乐高积木：通过可逆的、灵活的相互作用，将多个已经完整的分子“拼装”成一个更大、更复杂的结构(比如把许多辆汽车和道路拼装成一个功能完善的交通系统)。

超分子的核心特征：

①自组装：整个过程是自发进行的，无需外力强制。

②可逆性：非共价键的断裂和形成相对容易，使得超结构可以动态调整、自我修复或响应外界刺激。

③协同效应：多个弱相互作用协同在一起，可以产生非常强的结合力和高度的特异性。

④涌现性(Emergent Properties)：

超分子整体会展现出其单个组成部分所不具备的新性质和新功能。

3.非共价键如何形成超分子？

超分子无处不在，尤其是在生命体系和现代材料科学中。

生命中的超分子：

DNA双螺旋：两条DNA链通过氢键(A－T， C－G配对)和π－π堆积作用组装在一起。这种非共价结合使得DNA能够在细胞分裂时方便地解开和复制。

蛋白质的四级结构：多个蛋白质亚基通过氢键、离子键、疏水效应等非共价力组装成有功能的蛋白质复合物，如血红蛋白。

酶与底物：酶通过精确的氢键、离子键等识别并结合底物分子，进行催化反应。

细胞膜：磷脂分子通过疏水效应自发形成双分子层，构成了细胞膜的基础结构。

人工合成的超分子：

轮烷、索烃：像机械零件一样的分子，其中一个分子环套在另一个分子轴上，依靠非共价力保持结构，是分子机器的雏形。

超分子聚合物：单体分子通过可逆的非共价键(如多重氢键)连接成长链，这类材料可能具有自愈合等智能特性。

金属－有机框架材料：金属离子与有机配体通过配位键(一种较强的非共价键)组装成多孔晶体材料，用于气体储存、分离和催化。

总结：

正是多种多样、协同作用的非共价键，驱动了简单分子自组装成复杂而精巧的超分子结构，这不仅是生命的基础，也是未来新材料和新技术的重要源泉。