Вандерваальсові взаємодії

Навіть у межах неполяризованої молекули розподіл електронної щільності є рівномірним лише в разі його усереднення за часом. У кожний момент часу внаслідок флуктуацій щільності виникають локальні неоднорідності, тобто парціальні заряди різного знаку, і молекула являє собою тимчасовий диполь. При наближенні іншої молекули такий тимчасовий диполь першої молекули індукує диполь у межах другої молекули, унаслідок чого виникає притягання електричної природи (рис. 7).

Квантова механіка свідчить, що енергія пари молекул, електронні системи яких поляризовані, є нижчою за енергію пари неполяризованих молекул. У результаті всі молекули та атоми на близьких відстанях притягуються один до одного. Взаємодії такого типу були описані Ван дер Ваальсом (Johannes Van der Waals) і носять його ім’я.

Вандерваальсові взаємодії між неполяризованими молекулами називають дисперсійними; взаємодії між двома поляризованими молекулами (постійними диполями) – орієнтаційними (або диполь-дипольними); між неполяризованою молекулою та постійним диполем індукційними (або взаємодіями типу диполь-індукований диполь).

Рис. 7. Взаємодія міжтимчасовими диполями двох молекул.

Основні властивості вандерваальсових взаємодій:

• Вандерваальсові взаємодії, які призводять до притягання на малих відстанях, реалізуються між будь-якими молекулами й атомами незалежно від їхньої природи.

• Вандерваальсові взаємодії є короткодіючими: енергія взаємодій швидко знижується з відстанню між молекулами чи атомами r (пропорційно до 1/r⁶). Тобто вандерваальсові взаємодії є суттєвими при безпосередньому контакті між молекулами (атомами, хімічними групами).

• Слова безпосередній контакт означають, що існує певна оптимальна величина r⁰ – відстань, на якій енергія взаємодій є мінімальною. При зниженні r притягання між молекулами змінюється на відштовхування: електронні оболонки різних молекул (уже насичені валентними електронами) не можуть проникати одна в одну (відповідно до принципу заборони Паулі). Величина r⁰ характеризує розмір кожного атома (вандерваальсів радіус), який використовується при побудові молекулярних моделей (як, наприклад, на рис. 3). Непроникність атомів один для одного (стеричні обмеження) має велике значення для структури біополімерів: серед великої кількості конформацій можливими є лише ті, для яких не спостерігається проникнення однієї частини ланцюга в іншу (два атоми не можуть займати одну область простору).

• Вандерваальсові взаємодії є найслабшими серед усіх нековалентних взаємодій. Для порівняння: величина середньої кінетичної енергії теплового руху RT при 27 °С становить 0,6 ккал/моль; типові значення енергії вандерваальсових взаємодій (на відстані r⁰) варіюють у межах 0,1 – 0,5 ккал/моль. Останнє твердження потребує уточнення стосовно макромолекул. Коли взаємодіють досить великі поверхні, між якими реалізується велика кількість міжатомних контактів, вандерваальсові взаємодії стають суттєвим фактором стабілізації структури макромолекул і макромолекулярних комплексів. Для того, щоб таких контактів було справді багато (щоб не було пустот), дві поверхні повинні добре відповідати одна одній (як ключ до замка) – бути просторово комплементарними. Просторова комплементарність між поверхнями макромолекул є одним із важливих механізмів специфічної взаємодії між ними.