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yjcmwgk

禁虫 (文坛精英)

密度泛函·小卒

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[交流] 【求助】大家认为pi-pi相互作用的本质是什么？已有1人参与

(部分回帖在物理版
http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=1701383&fpage=1
如需也请阅读)

当然一切相互作用（范德华力除外）的本质都是分子轨道分布（Molecular Orbital Distribution）的扩展，或者是轨道的耦合。这个小卒还是明白的。
不过，对于这种距离达到了3-5埃（这已经是范德华力的作用范围了），而这种pi-pi作用却比范德华强2-10倍，大家觉得这个原因是什么？
（1）从轨道耦合角度考虑？
（2）从“两个分子的分子轨道的对称性匹配”角度考虑（呵呵，这个考虑和上一个考虑基本类似）？
（3）还是从电子在两个分子之间的转移来考虑？
小卒毕竟是化学出身，那种比较底层的微观图景的理解，确实不是那么清楚。还请各位虫友不吝赐教

PS:以苯为例，pi-pi相互作用指的是“相距3-5个埃”的两个苯分子的PI电子之间的相互作用

[ Last edited by GrasaVampiro on 2009-12-13 at 15:58 ]

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1楼 2009-12-01 10:11:58

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yjcmwgk

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转另两个牛人给我的回答：在另一个地方回答了我这个问题：

saitou大侠给我的回答：

从“底层”（引自楼主）来看，苯环不再是苯“环”了，而是一堆具有特定电子分布的碳原子，如果考虑远程相互作用的话、再将核子与核子间的作用单提出来放在一边，那Pi-Pi相互作用的变化就是波的相互作用及核与电子波的作用。
  ——其实问题就在于，拆的越细，越看不到整体：苯环再怎么拆也还是苯环，它的架子是没有散的。

以下纯属个人观点：
  苯环是否有方向性？苯分子从化学角度讲，对称性相对高了。如果再把它拆了，那就更难看出什么“方向性”。“方向”其实就是指“不对称性”，不过要超出一般几何意义。ls也谈到了瞬时偶极的问题，在苯出现偶极的瞬时，应该算是不对称的了。也好比说原来规则的正方块，现在变成了奇形怪状的多面体，而这种形态恰恰使得它与相邻的苯环（就按lz说的3-5唉吧）能产生更强的相互作用（在一定程度上可以是二者总能更低）。
  所以，lz提到的“比较弱”的范氏力大约是在“被动的、刚性的、无变形的”范畴内分析的吧，即使按照2楼提供的思路去分析，也只是将结果精度提高而已。我认为，较强的Pi-Pi相互作用应该是从把苯环当作整体的角度来分析，而非简单地将作用力拆分对号入座。

综上，楼主提到的轨道耦合是有价值的思路

以楼主的第三幅图为例：这两个苯环按照楼主的条件（即轨道+/-）来看是对称的吗？答案是否定的，不信你把分子构象加进去再看。为了达到最佳的匹配，这两个分子是呈镜面对称的，即具有手性。

这样的观点，如果以2楼的电子波的角度分析，那就不大成立了：因为轨道本身就非定域，又如何能够标出+/-呢，所谓+中有- -中有+，++--无穷尽也...，但是如果将时间作为新的维度引入，那么无穷变幻的波也是有穷尽的。化学里的定域如果将时间维作为显式的（我认为其实就是个显式的，只不过对于应用没什么价值，所以从理论上都被省略了）条件，和物理上的所谓波的概念实际上是统一的，而不是矛盾的。
  量子力学也是建立在统计的基础上，而将时间“冻结”了的分子轨道也是采用了统计学意义上的大概率事件来阐述问题的，对于简单的阐述而言大可不必复杂化——以至要从波函数写起。事实证明，化学上这种理论是成功的，也就间接证明了这种处理“时间停止”的方法的合理性。

sobereva大侠给我的回答：（PS：sobereva大侠就是gsgrid和multiwfn程序的编写者）

研究表明pi-pi相互作用本质就是范德华作用，只是因为环上电子的离域，导致其分子平面上电子密度高，使得平面在堆叠的时候彼此间范德华作用比一般情况要强。并不是强的轨道相互作用所致。

[ Last edited by yjcmwgk on 2009-12-1 at 16:07 ]