总结：弱相互作用，虽然名字里有个“弱”字，却是自然界和材料科学中不可或缺的隐形力量。它们不像共价键那样牢不可破，却以“积少成多”的方式，主导着分子自组装、晶体构筑和生命体系的稳定。
无论是壁虎依靠范德华力在墙上攀爬，水分子间氢键赋予水独特的液态性质，还是DNA双螺旋因氢键与π–π堆积而稳固存在，都展现了弱相互作用的巨大能量。
正是这些微妙却普遍存在的作用，推动了药物设计、超分子化学和功能材料的发展。理解弱相互作用，就像是解锁分子世界的“隐形规则”，让我们得以设计更精准的药物、更高效的材料，甚至揭示生命的奥秘。
“弱相互作用”一般指强度弱于典型共价键或离子键的一类分子间或分子内相互作用。与形成分子骨架的化学键不同，弱相互作用不涉及价电子的重新成键，通常能量较低、具有可逆性，对分子结构和组装起辅助稳定作用。
例如，一般范德华力的能量仅数千焦每摩尔（弱相互作用通常具有方向性较弱或中等（如氢键、卤键具有明确取向，而色散力则无特定方向），且具有“可饱和性”较低的特点，即多个弱相互作用可同时存在并累积效应。
正因如此，弱相互作用广泛存在于分子晶体、生物大分子和功能材料中，是维系复杂分子结构和超分子组装的关键力量。
范德华力
范德华力是分子或稀有气体原子之间普遍存在的弱相互作用力，又称范德瓦耳斯力。在化学中它表现为非定向、无饱和性的静电作用，其强度远小于典型化学键。范德华力来源于分子间瞬态电荷分布产生的引力，可进一步分为三类机制：
取向力（永磁偶极–偶极相互作用）：存在于两个极性分子之间，永久偶极相互吸引并趋向于彼此取向。
诱导力（偶极–诱导偶极相互作用）：一个极性分子可极化邻近的非极性分子，使后者产生诱导偶极，两者由此相互吸引。
色散力（瞬时偶极–诱导偶极相互作用）：两个非极性分子由于电子云随机瞬时偏振而产生一对方向相反的瞬时偶极矩，各自诱导对方形成偶极并产生吸引力。色散力是非极性体系中范德华力的主要来源，由Fritz London于1930年基于量子力学原理首次定量解释，因此也称伦敦色散力。
范德华力虽然单个作用很弱，但在大量分子间累加后影响显著。例如，稀有气体原子凝聚成惰性气体晶体完全依赖色散力，氖、氩等只有在极低温下才能液化或固化，即因为范德华力微弱。
又如，壁虎能够在墙壁和玻璃等光滑界面上自由行走，正是利用了脚趾下数以百万计微米级绒毛与表面之间的范德华力。
每根绒毛（seta）的末端分叉成更小的“扁平结构”spatula，以增大接触面积，从而累积足够大的范德华引力支撑壁虎体重。这种巧妙利用范德华力的天然设计是功能生物材料的典型范例。
范德华力在很多分子材料的性质中扮演重要角色。例如，分子量和极化率较大的分子往往范德华作用更强，因此分子晶体的熔点、沸点随分子尺寸增大而升高。
值得注意的是，范德华力本质上源于瞬态电荷分布引起的弱静电吸引，其作用范围较短（通常只有在分子间距离接近分子直径时才显著），且随距离r的增大迅速衰减（理想模型下色散力随r−6减弱）。
因此，在分子排列紧密的凝聚相（如固态分子晶体、分子自组装膜）中，范德华力对结构稳定性的贡献尤为突出。总体而言，范德华力作为最普遍的弱相互作用，为分子材料提供了“背景黏合剂”，虽然单分子作用有限，但大量累积可产生不容忽视的宏观效果。
氢键
氢键（Hydrogen bond）是最广为人知的一类弱相互作用，表现为含氢共价键一方的氢原子与另一富电子原子（通常是F、O、N等高电负性原子）的吸引作用。
典型氢键可记作D–H…A，其中D–H为供氢体（氢键供体），H…A为氢键，由氢原子与受氢原子A（氢键受体，如O、N等带孤对电子的原子）之间的静电吸引和部分共价作用构成。
氢键具有较强的方向性和一定的键长范围（一般H…A距离在2~3Å量级），其强度虽低于共价键，但通常高于大多数范德华力，因此在结构生物学和材料科学中具有举足轻重的作用。
水是氢键作用典型的例子：每个水分子通过氢键与周围邻居相连，形成动态的三维网络。这赋予水异常高的沸点和熔点以及独特的溶剂能力，因为大量氢键稳定了液态水结构。
再如蛋白质和核酸等生物大分子的结构同样依赖氢键：蛋白质的二级结构（α螺旋、β折叠）由主链酰胺N–H与羰基C=O之间的氢键锁定形态；
DNA双螺旋中，两条互补链借助碱基对之间的氢键而缠绕在一起，其中A–T碱基对由2个氢键连接，G–C碱基对由3个氢键连接，形成高度特异的碱基配对规则。
这些氢键确保了遗传信息复制的精确性。然而，需要指出氢键并非唯一作用力：DNA双螺旋的稳定还依赖碱基平面间的π–π堆积，蛋白质折叠中也有疏水相互作用等协同影响。
氢键的强度介于共价键与范德华力之间，典型氢键键能约10–40kJ/mol，多数情况在20kJ/mol左右，使其既足以稳定分子结构，又可在适当条件下可逆断开。某些特殊氢键（如低能垒氢键或协同共振氢键）强度更高，可达到60–150kJ/mol，与弱共价键相当。
氢键强度受供体-受体电负性差、氢键几何（线性度）等影响：更线性的氢键通常更强。同样，氢键可以是分子内的（如分子构象锁定）或分子间的（如分子间配对）。氢键的高度方向性使其成为分子识别和组装的重要工具。
例如，在分子晶体工程中，常通过精心设计分子末端的氢键供体和受体，实现分子的有序自组装；在药物设计中，配体与受体蛋白间的氢键结合位点往往决定了结合的亲和力和选择性。
总之，氢键以其中等强度和高度方向性，在稳定物质结构和介导分子功能方面发挥着不可或缺的作用。
CH–π相互作用是一种非传统的弱氢键作用，指分子中的C–H键（特别是略带正电的H，如与芳香环或电负性基团相连的C–H）作为供体，与另一分子的π电子云（如芳香环的π体系）之间形成的吸引作用。
尽管早期不被视为“真正”的氢键，但研究表明CH…π的确广泛存在于有机晶体和生物分子中，并对结构有显著影响。其作用机理可视为：C–H键带有微弱正电荷的氢原子靠近芳香环富电子的π云，引发以色散力为主、辅以微弱静电作用的吸引力。
由于C–H供体的极性远弱于N–H/O–H氢键供体，典型CH–π相互作用非常微弱，孤立的一对CH…π作用焓变往往不到1kcal/mol（
然而，当多个CH–π相互作用协同出现时，其总稳定能可显著累积，因此在大分子和超分子体系中不能忽视。
DOI: 10.3390/molecules200916672
晶体工程和超分子组装领域率先关注CH–π作用。1979年Andreetti等报道的对苯[4]芳烃与甲苯分子包结物中，就观察到宿主叔丁基的C–H与客体芳香环之间存在多重CH…π接触，稳定了主–客体复合物。
此后，大量X射线晶体学统计研究证实：有机晶体结构中普遍存在C–H…π短距离接触（距离小于C和π受体原子的范德华和）。
例如Umezawa等在1999年的统计分析发现，许多芳香化合物晶体里C–H到芳香环中心的距离显著短于范德华和，印证了CH–π相互作用的广泛性。
在生物分子中，蛋白质的疏水核心常出现芳香侧链与甲基/亚甲基之间的CH–π堆积，有助于维持蛋白质折叠架构；酶-底物复合物中，底物的某些C–H也可能与酶活性位点的芳香残基发生CH–π作用，从而增强结合。
由于CH–π作用参与分子识别，在药物设计中亦受到重视：例如某些药物分子含芳香环，当其与蛋白结合时，蛋白疏水口袋内的C–H···π相互作用可以提高配体的结合力和选择性。
另外，在有机发光和光电材料的分子堆积中，CH–π作用可影响分子取向和堆叠，从而间接调控光、电性能。
DOI: 10.1021/jm100112j
需要注意，CH–π相互作用方向性较弱且单一作用能小，因此往往被视作色散力的组成部分之一。不过，当供体C–H具有较高酸性（例如三氯甲烷的C–H、炔烃的≡C–H），则CH–π作用中的静电成分和方向性都会有所增强，接近传统氢键的特点。
但无论如何，CH–π仍比典型氢键弱很多，在非极性溶剂中单个CH–π相互作用对稳定性的贡献不及氢键。因此在设计分子结构时，CH–π常被视为“辅助”相互作用，其作用需要多个同时出现方能体现。
然而在晶体工程中，这一点也被用于精巧设计：通过使分子间形成多重CH…π接触，可以诱导晶体采用特定的堆积模式，获得所需的结构或功能性质。
综上，CH–π相互作用作为一种非传统弱键，在有机化学、超分子化学和生物体系中扮演了润物细无声的角色，其微弱但广泛的影响正得到越来越多的关注。
卤键（Halogen Bond）
卤键是卤素原子参与的一种方向性弱相互作用，可视作氢键的类似物。根据IUPAC定义：卤键是指分子实体中共价键结合的卤素原子，利用其延伸键轴方向的亲电性区域（σ-孔），与另一分子或同一分子内的亲核性区域之间所形成的净吸引相互作用。
简单来说，当卤素（如氯、溴、碘）连接在供体分子上时，其靠近键轴另一侧会出现电子密度不足的局部正区（σ孔），能够吸引另一富电子原子或基团（受体，如含孤对电子的氧、氮，或π电子云）产生配位般的非共价结合。
这种作用即卤键。典型卤键可用R–X…Y表示，其中R–X是卤键供体（X为卤素原子，R为其连接基团），Y为卤键受体（如路易斯碱分子）。
卤键具有很高的方向性：一般X…Y三原子接近共线（∠R–X…Y≈180°），因为σ孔位于卤素键的延长线上。
卤键强度随卤素原子不同而异：电负性越低、原子序数越大的卤素越易形成卤键，即I>Br>Cl>>F的趋势。氟原子由于高度电负性使σ孔几乎不存在，一般不参与卤键（特殊情况下与强吸电子基团相连时才可能形成所谓“氟键”）。
卤键的发现可追溯到1910年代Moore和Winmill对I–2与有机胺形成加合物的研究，但直到近二十年才系统得到研究和应用。
现代研究表明卤键强度可与中等氢键相当，典型键能在5–30kJ/mol范围，强的卤键（如碘参与的）在特定条件下可超过50kJ/mol，比许多氢键更强。卤键在晶体中表现出独特的结构方向性和可调控性。
例如，在有机分子晶体工程中，引入碘、溴等卤素可以导向性地控制分子间距离和角度，从而设计出多样的超分子结构。
卤键已经广泛应用于结晶材料、自组装网络和功能材料的构筑：许多共晶、生物大分子配位复合物中均存在卤键的身影。例如，卤代苯分子通过溴…氧卤键在二维表面自组装出“风车”状图案；含卤素的液晶材料利用卤键加强分子间凝聚，提升热力学稳定性。
在药物设计与分子识别中，卤键也展现出独特价值。当药物分子中引入适当的卤素原子时，可与蛋白质受体的羰基氧、酰胺氧等形成卤键，从而增加结合力和选择性。这被视为有机氟/溴原子提升药效的一种机制。
此外，有机催化和材料化学领域也开始利用卤键：例如卤键催化剂通过卤素与底物阴离子过渡态的结合稳定来降低反应能垒，被称为“卤键催化”。总的来说，卤键作为氢键以外另一强有力的非共价键，丰富了超分子化学的“键”工具箱。
随着对卤键本质认识的深化和计算模拟方法的发展，卤键在化学、材料和生物领域的应用前景将更加广阔。
π–π堆积作用
π–π堆积作用（π–π stacking）是指芳香环体系之间通过平行或近平行方式发生的相互吸引作用。芳香环具有高度离域的π电子云，当两个芳香环相距较近、平面近乎平行时，它们的π云可发生相互诱导和重叠，从而产生一定的吸引力。
这种作用在DNA、蛋白质和有机功能材料中普遍存在，并对结构稳定和性质产生重要影响。
DNA双螺旋中，相邻碱基平面间即存在显著的π–π堆积作用。尽管传统观点强调碱基互补的氢键在维系双螺旋中的作用，但研究表明碱基堆积提供了主要的稳定能来源。
例如，Kool等通过人工合成不含互补氢键但结构类似碱基的非极性碱基对，仍观察到DNA双链可以形成且稳定性接近正常碱基对。
这一实验说明了堆积相互作用的关键作用：芳香碱基对在双螺旋轴向堆叠，产生显著的疏水效应和色散作用，为双链提供了稳定的“粘合作用”。
有分析指出，在水溶液中DNA碱基堆积所提供的稳定能甚至高于氢键的贡献，氢键更多是保证序列特异性，而堆积才是驱动双螺旋形成的主因之一。
在光电功能材料中，π–π堆积同样举足轻重。许多有机半导体（如并五苯、酞菁、咔唑衍生物等）的分子结构包含平面的芳香片段，这些分子在固态往往通过面对面或偏移叠堆形成一维柱状堆积，从而实现沿堆积方向的电荷传输。
理论计算显示，π堆积可以显著增大分子轨道的重叠，降低电荷在分子间跳跃的势垒。例如，Hutchison等人的研究指出：当芳香寡聚物分子平行且小角度错位堆积时，可同时增加前线轨道（特别是LUMO）的重叠并减少静电排斥，使电荷传输的带宽达到最大。
优化的π–π堆积结构（通常以一定倾斜角度而非完美平行堆叠）在有机场效应晶体管材料中被证明可提高载流子迁移率。因此，通过分子设计调控π堆积是提升有机电子器件性能的关键策略之一。
例如，给芳香小分子引入取代基调控堆积方式，可在晶体工程中控制π–π距离和取向，进而调整材料的光学带隙、载流子迁移率等性质。
DOI: 10.1021/ja0533996
需要提及的是，对π–π相互作用机理的理解经历了一段历史争论。早期曾认为芳香环堆积主要源于电荷转移共振结构（如电子供体-受体之间的吸引），但后来Hunter和Sanders于1990年的经典论文澄清：芳香环间更本质的是静电和色散相互作用组合。
芳香环具有四极矩，导致面对面堆积时同电荷区相对而出现一定排斥，因此现实中更常见的是偏移平行叠堆或T型垂直相交结构，以最大化诱导吸引、最小化静电排斥。
总之，π–π堆积并非形成新的键，而是多重弱相互作用的统称，其强度取决于环系的极化率、取代基性质以及堆积几何等因素。
在DNA双螺旋的碱基层叠、蛋白质内部芳香残基的聚簇，以及功能有机晶体中，π–π堆积都已被证明对稳定构象和赋予功能有关键影响。理解并利用π–π相互作用，已成为设计高性能分子材料和阐释生物大分子构效关系的重要内容之一。
DOI: 10.1021/acs.cgd.7b01385
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