Даже в пределах неполяризованным молекулы распределение электронной плотности является равномерным только в случае его усреднения по времени. В каждый момент времени вследствие флуктуаций плотности
возникают локальные неоднородности, т.е. парциальные заряды разного знака, и молекула представляет собой временный диполь. При приближении другой молекулы такой временный диполь первая молекула индуцирует диполь в пределах второй молекулы, вследствие чего возникает притяжение электрической природы (рис. 1.7). Квантовая механика показывает, что энергия пара молекул, электронные системы которых поляризованные, ниже по энергии пара неполяризованным молекул. В результате все молекулы и атомы на близких расстояниях притягиваются друг к другу. Взаимодействия такого типа были описаны Ван дер Ваальса (Johannes Van der Waals) и носят его имя. Вандерваальсови взаимодействия между неполяризованным молекулами называют дисперсионными; взаимодействия между двумя поляризованными молекулами (постоянными диполями) - ориентационной (или диполь-дипольными) между неполяризованным молекулой и постоянным диполем-индукционными (или взаимодействиями типа диполь-индуцированный диполь).
Основные свойства вандерваальсовы взаимодействий:
• Вандерваальсови взаимодействия, которые приводят к притяжения на малых расстояниях, реализуются между любыми молекулами и атомами независимо от их природы.
• Вандерваальсови взаимодействия является короткодействующими: энергия взаимодействий быстро снижается с расстоянием между молекулами или атомами r (пропорционально 1/r6). Есть вандерваальсови взаимодействия являются существенными при непосредственном контакте между молекулами (атомами, химическими группами).
• Слова "непосредственный контакт" означает, что существует определенная оптимальная величина Г0 - расстояние, на котором энергия взаимодействия минимальна. При снижении r притяжения между молекулами меняется на отталкивание: электронные оболочки разных молекул (уже насыщенные валентными электронами) не могут проникать друг в друга (согласно принципу запрета Паули). Величина гз характеризует размер каждого атома (ван-дерваальсив радиус), который используется при построении молекулярных моделей (как, например, на рис. 1.3). Непроницаемость атомов друг для друга (стерические ограничения) имеет большое значение для структуры биополимеров: среди большого количества конформаций возможны лишь те, для которых не наблюдается проникновение одной части цепи в другую (два атома не могут занимать одну область пространства).
• Вандерваальсови взаимодействия являются самыми слабыми среди всех нековый-лентних взаимодействий. Для сравнения: величина средней кинетической энергии теплового движения RT при 27 ° С составляет 0,6 ккал / моль; типичные значения энергии вандерваальсовы взаимодействий (на расстоянии гь) варьируют в пределах 0,1-0,5 ккал / моль.
Последнее утверждение требует уточнения относительно макромолекул. Когда взаимодействуют достаточно большие поверхности, между которыми реализуется большое количество межатомных контактов, вандерваальсови взаимодействия становятся существенным фактором стабилизации структуры макромолекул и макро-молекулярных комплексов. Для того, чтобы таких контактов было действительно много (чтобы не было пустот), две поверхности должны хорошо соответствовать друг другу (как ключ к замку) - быть пространственно комплементарными. Пространственная комплиментарность между поверхностями макромолекул является одним из важных механизмов специфического взаимодействия между ними.