Intermolecular force
调节分子间相互作用的弱力，在生物化学中至关重要。
分子间作用力（IMFs）是调节分子间相互作用的力，包括原子、离子或其他邻近粒子之间的电磁吸引和排斥。与共价键等分子内力相比，它们较弱，但这两类力都是分子力学中力场的重要组成部分。关于微观力本质的首次提及见于亚历克西·克洛德·克莱罗1743年的著作《地球形状理论》。随后，拉普拉斯、高斯、麦克斯韦、玻尔兹曼和鲍林等科学家的贡献推动了现代理解的发展。
吸引性分子间作用力分为几种类型：氢键、离子-偶极和离子-诱导偶极力、阳离子-π、σ-π和π-π键、范德华力（Keesom力、Debye力和伦敦色散力）、阳离子-阳离子键以及盐桥。这些力的信息通过宏观测量获得，如粘度和压力-体积-温度数据，并通过维里系数和分子间对势（如Lennard-Jones势）与微观方面相关联。在最广泛的意义上，这些相互作用发生在任何不形成化学键的粒子之间，尽管它们在生物化学中至关重要，因为酶促反应始于底物和酶之间的弱分子间相互作用。
氢键涉及共价键合到高电负性元素（通常是氮、氧或氟）上的氢原子与另一个高电负性原子之间的吸引。它通常被描述为一种强静电相互作用，但也具有方向性特征，并产生比范德华半径更短的原子间距离。形成的氢键数量等于供体和受体分子之间的活性对数量。分子间氢键解释了水与其他第16族氢化物相比的高沸点，而分子内氢键则有助于蛋白质和核酸的二级、三级和四级结构。盐桥或离子配对是阳离子和阴离子位点之间的非共价吸引，由静电力驱动；在水介质中，缔合通常是熵驱动的且吸热，在中等离子强度下，1:1组合的ΔG值约为5至6 kJ/mol，取决于离子强度。
Quick Facts
- Relative strength
- Weaker than covalent bonds; ion–dipole bonding is not categorically stronger than hydrogen bonding
Facts from the source article.
背景与渊源
分子间作用力分为几种类型，包括氢键、离子-偶极力、范德华力（Keesom力、Debye力、伦敦色散力）和盐桥。氢键涉及共价键合到氮、氧或氟上的氢原子与另一个电负性原子之间的吸引；它具有方向性且比范德华力强。在液态水中，每个水分子最多可形成四个氢键，但由于热运动，并非所有键在任何时候都活跃，这仍然有助于水的高沸点。分子内氢键部分负责蛋白质和核酸的二级、三级和四级结构。
阅读指南
分子间作用力是理解物质物理性质（如沸点、粘度和溶解度）的基础。它们在生物化学和分子生物学中至关重要，因为所有酶促反应都始于底物和酶之间的弱分子间相互作用。这些相互作用虽然单独较弱，但可能导致能量状态的显著重组以及共价键的断裂或形成。分子间作用力的研究通过维里系数和对势将宏观测量（如PVT数据）与微观方面联系起来。其重要性延伸到聚合物（包括合成和天然聚合物）的结构，以及溶液中离子的稳定性，如在水合焓中所见。
历史基础与力的本质
分子间作用力的概念在科学思想中有着深厚的根源。关于这些微观相互作用本质的最早已知参考出现在亚历克西·克洛德·克莱罗1743年在巴黎出版的论文《地球形状理论》中。在随后的几个世纪里，一系列杰出的科学家——包括拉普拉斯、高斯、麦克斯韦、玻尔兹曼和鲍林——各自为理解粒子在共价键之外的距离上如何相互吸引和排斥做出了贡献。分子间作用力，有时称为次级力，本质上源于电磁，调节原子、离子和邻近分子之间的吸引或排斥。它们明显弱于通过共价键中共享电子对将分子原子结合在一起的分子内力。然而，这两类力都是分子力学中使用的力场不可或缺的组成部分，强调了即使弱相互作用也不仅仅是学术上的好奇心，而是分子尺度上物质建模的实用工具。
吸引性相互作用的分类及其生物学范围
吸引性分子间作用力的领域非常多样化。氢键位于光谱的一端，而伦敦色散力占据另一端。它们之间是离子-偶极和离子-诱导偶极力、阳离子-π、σ-π和π-π键相互作用、Keesom力和Debye力、阳离子-阳离子键以及在蛋白质和超分子环境中发现的盐桥。范德华力是一个统称，包括Keesom力、Debye力和伦敦色散力成分。在最广泛的定义中，任何不导致离子键、共价键或金属键形成的分子、原子、离子或分子离子之间的相互作用都符合分子间作用力的范畴。这些相互作用明显弱于共价键，通常不会引起参与粒子电子结构的重大重组。然而，这一界限并非绝对：在酶促和催化反应中，活性位点上具有精确空间排列的多个弱相互作用可以共同驱动共价键的断裂和形成，使分子间作用力成为生物化学和分子生物学中必不可少的第一步。
氢键：方向性、水与分子结构
氢键在分子间作用力中占据特殊地位。当共价键合到高电负性元素（通常是氮、氧或氟）上的氢原子被另一个带有孤对电子的电负性原子吸引时，就会产生氢键。虽然通常被描述为一种强静电相互作用，但氢键也表现出类似共价键的特征：它具有方向性，比范德华力强，产生比范德华半径之和更短的原子间距离，并且涉及有限数量的伙伴，这一特征可解释为一种价键形式。供体分子贡献其氢原子，而受体提供孤对电子；键的数量等于可用氢原子和孤对电子之间的共同计数。水完美地体现了这一点：每个分子有四个活性键位，由此产生的分子间氢键解释了水相对于其他第16族氢化物异常高的沸点（100°C）。同时，分子内氢键支撑着蛋白质和核酸的二级、三级和四级结构，并塑造了合成和天然聚合物。
测量、对势与热力学量化
理解分子间作用力连接了微观和宏观世界。在实验上，关于这些相互作用的信息是通过粘度、压力、体积和温度（统称为PVT数据）的宏观测量提取的。与分子尺度行为的联系通过维里系数和分子间对势建立，包括Mie势、Buckingham势和Lennard-Jones势。例如，盐桥可以在热力学上进行量化：在中等离子强度的水溶液中，1:1阴离子-阳离子对的缔合自由能集中在5至6 kJ/mol左右，很大程度上与离子大小或极化率无关。这些值是可加的，并且大致随电荷线性变化；双电荷磷酸根阴离子与单电荷铵阳离子配对产生约10 kJ/mol。在零离子强度下，Debye-Hückel方程预测ΔG为8 kJ/mol。偶极-偶极（Keesom）相互作用比伦敦力强但比完全的离子-离子吸引弱，驱动极性分子如HCl和氯仿对齐其部分电荷，降低势能并产生净吸引。