π-π堆积是
芳香化合物的一种特殊空间排布,指一种常常发生在
芳香环之间的弱相互作用,通常存在于相对富电子和缺电子的两个分子之间,是一种与氢键同样重要的
非共价键相互作用。
常见的堆叠方式有两种:面对面和面对边,面对面堆叠又可分为完全面对面堆叠和部分面对面堆叠。面对边相互作用可以看作是一个芳环上轻微缺电子的
氢原子和另一个芳环上富电子的π
电子云之间形成的弱氢键。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。
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,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,两个芳香体系互相垂直,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
垂直距离一般在0.35 nm左右,心心之间距离为0.33 ~ 0.40 nm,心心之间的横向侧移距离为0.13 nm。对于不完全平行的两个平面,其二面角应该小于20º,距离用一个平面的中心到另一个平面的垂直距离代替。