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π-π堆积作用是芳香体系(π)的一种特殊空间排布,是一种与氢键同样重要的非共价键相互作用,但是对它的研究没有氢键研究的那么透彻。Hunter等经过理论计算和试验验证指出,π-π堆积作用起源于芳香体系之间不同的符号电子云之间的吸引,π-π堆积作用机理见图 1-2,一般很少出现完全相对的芳香体系的堆积,因为会产生强烈的排斥作用(图 1-2c)。
常见的堆积作用分为两种:错位面对面堆积作用(offset face-to-face),即F-型堆积(图 1-2a),两个芳香体系基本平行;边对面堆积作用(edge-to-face),即T-型堆积(图 1-2b),两个芳香体系互相垂直(图 1-3),有研究认为后者比前者更为稳定。最常见的π-π堆积作用就是苯环之间的堆积作用,它们的能量大小约为1~50 kJ•mol-1,多数在10 kJ•mol-1左右和以下。
两个完全平行平面之间的垂直距离(h)一般在0.35 nm左右,心心之间距离(D)为0.33 ~ 0.40 nm,心心之间的横向侧移距离(d)为0.13 nm。对于不完全平行的两个平面,其二面角应该小于20º,用一个平面的中心到另一个平面的垂直距离代替h。
Stacking of six-membered aromatic rings in crystals
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