本文是由Lars Rummel和Peter R. Schreiner*（通讯作者，来自德国吉森大学有机化学研究所）共同撰写，并于2024年发表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上的一篇综述论文。该论文的标题是“London Dispersion: Advances and Prospects in Understanding London Dispersion Interactions in Molecular Chemistry”，旨在系统总结和阐述伦敦色散（London Dispersion, LD）相互作用在分子化学领域的最新研究进展与未来前景。
本文的核心主题是强调伦敦色散力——作为范德华（van der Waals）相互作用中吸引部分的主要贡献者——在决定分子结构、稳定性和化学反应性方面所扮演的长期被低估但至关重要的角色。论文指出，过去十年间，通过理论与实验的紧密结合，学界对LD相互作用的量化、理解及其作为化学设计元素的应用取得了重大进展。本文重点回顾了近八年来（自作者2015年发表相关综述以来）的主要成果，特别是在利用LD作为结构基元、量化LD相互作用以及阐明其在化学反应中的根本作用等方面的突破。
一、 LD相互作用的本质、重要性及被忽视的历史 论文开篇即指出，LD相互作用源于电子密度的量子力学涨落导致的诱导偶极-诱导偶极吸引。尽管它是分子聚集和识别的关键驱动力，但数十年来，这种无处不在的相互作用在结构与反应性中的作用并未得到充分重视。传统的化学教育常过分强调静电相互作用，而将“空间位阻”简单等同于排斥效应，忽略了其中吸引性的LD成分。例如，苯二聚体的几何偏好曾被归因于四极矩静电作用，但最新研究表明，这是LD与泡利排斥竞争的结果，静电作用并非主因（图3）。这种认知的转变是近年来该领域发展的基础。
二、 理论与计算方法的进展：量化与可视化LD 为了深入理解和量化LD，计算化学方法取得了显著进步。本部分详细介绍了多种前沿方法： 1. 密度泛函理论（DFT）校正： Grimme等人发展的DFT-Dn（如D3, D4）系列经验色散校正是最流行的后验校正方法，通过在DFT能量中加入力场型色散项来考虑LD。最新的D4校正通过基于几何和原子位置的色散系数缩放，更好地处理了带电体系和过渡金属配合物。 2. 波函数理论（WFT）的能量分解分析： Neese等人发展的局域能量分解（LED）方法，可在耦合簇（CCSD(T)）水平上将相互作用能分解为静电、交换、电荷转移、色散等物理组分。与对称适应微扰理论（SAPT）相比，LED能同时处理强、弱相互作用，为理解LD在诸如受挫路易斯对（FLP）、Agostic配合物等体系中的贡献提供了强大工具。 3. 可视化技术： 为了直观展现LD，非共价相互作用（NCI）图、色散相互作用密度（DID）图和伦敦色散势（LDP）图被广泛使用。NCI图通过颜色编码（蓝色为强吸引，红色为强排斥，绿色为弱作用如LD）展示相互作用的强度和性质。DID和LDP图则能更定量、更特异地定位和描绘LD相互作用的起源与空间分布（图4）。这些工具使得研究者能够“看见”并分析分子内和分子间的LD接触。
三、 LD相互作用的实验证实与分子天平研究 实验上，通过设计精巧的“分子天平”来测量不同构象或构型异构体之间的微小能量差，是研究LD的主要手段。论文回顾了几种经典的分子天平体系： 1. Wilcox扭转天平： 基于Tröger碱的刚性骨架，用于研究芳基-芳基或烷基-芳基相互作用。研究表明，烷基-芳基之间的σ-π相互作用与芳基-芳基边缘-面对面相互作用同样重要，提示了显著的LD贡献。 2. Shimizu芳烃堆叠天平： 基于双环N-芳基亚胺骨架，专门用于量化面对面芳烃堆叠中的LD。通过双突变循环扣除溶剂效应等干扰因素，他们量化了芳烃堆叠中的LD能量。 3. 环辛四烯（COT）构型天平： 1,4-和1,6-二取代COT之间的平衡。尽管1,6-异构体空间更拥挤，但LD使其在所有测试溶剂中都是热力学优势构型。该体系成功用于研究烷基、硅基等不同取代基作为LD供体（DED）的强度，并证明了LD在溶液中的持久性（图13, 14）。 4. 9,9’-联芴烯构象天平： 通过Z/E异构体平衡研究烷基-烷基相互作用。研究发现，随着烷基链极性化能力增加，折叠的Z-异构体更受青睐，环己基因其构象刚性能够实现完美的对齐，表现出最强的DED效应（图11）。 此外，论文还介绍了Chen等人利用质子结合二聚体的解离能、Albrecht等人利用钛(IV)三儿茶酚酸配合物的二聚平衡来量化LD相互作用的研究。这些实验共同表明，尽管溶液中存在溶质-溶剂相互作用对分子内LD的部分补偿（约70%），但LD效应依然显著存在，并可通过精心设计的实验进行测量和分离。
四、 LD作为设计元素稳定特殊分子结构 LD已被证明是合成和稳定非常规、高张力分子的关键策略，形成了所谓的“保护性LD壳”或“束身衣效应”。 1. 六苯基乙烷（HPE）衍生物： 传统认为苯基的空间排斥导致HPE极易解离。然而，全间位叔丁基取代的HPE却能够稳定分离。计算表明，叔丁基之间巨大的LD相互作用（形成“束身衣”）克服了解离趋势，稳定了中心C-C键（图15, 16）。这一概念可延伸至更重的四素体（如Si, Ge, Sn）HPE类似物，其中更长的键长反而因更强的LD而更稳定。 2. 四面体烷： 高度张力的四面体碳骨架可以通过外围庞大的叔丁基或三甲基硅基（如四(三甲基硅基)四面体烷）的LD相互作用来实现动力学和热力学稳定。 3. 金刚烷二聚体： 金刚烷基团之间通过大量紧密的H…H接触产生强LD，形成了异常长的中心C-C键（约1.71 Å），这颠覆了“键越长越弱”的简单认知。 4. 二苯基甲烷二聚体： 全间位叔丁基取代的二苯基甲烷在固态和气相中均以头-头方式二聚，其中一个H…H接触距离短至约1.57 Å，创下纪录，其稳定性主要归因于巨大的LD吸引能（约-52 kcal mol⁻¹）。 这些实例强有力地证明了，通过合理设计DED，LD可以作为一种强大的工具来稳定传统意义上不稳定或高应变的分子结构。
五、 LD作为反应性和催化的驱动力 在催化领域，LD已从单纯的“空间位阻”概念中脱离出来，成为提高反应速率、选择性和开发新反应途径的关键设计元素。 1. 影响催化剂构象与活性： 例如，在全间位叔丁基取代的二苯基硫脲中，LD作用使催化无活性的syn-syn构象成为优势构象，从而抑制了催化活性（图19）。相反，在Fürstner发展的铋-铑双金属桨轮催化剂中，特定的三异丙基硅基（TIPS）和叔丁基组合通过LD将手性“杯状”结构锁定在活性构象，显著提升了环丙烷化反应的速度和选择性（图20）。 2. 加速反应速率： Zipse等人发现，在仲醇的硅基化反应中，使用带有庞大芳香侧链的硅基试剂，其反应速率反而比小位阻试剂更快。计算表明，过渡态中增强的CH-π和π-π（LD）相互作用是速率增加的原因（图21）。 3. 控制立体选择性： * Corey-Bakshi-Shibata（CBS）还原： 对传统基于空间排斥的立体控制模型提出了挑战。Schreiner等人证明，手性恶唑硼烷催化剂中苯基与底物之间的LD相互作用（CH-π）对稳定优势过渡态、产生高对映选择性起到了关键作用（图22）。基于此新认识设计的改进催化剂，甚至对最具挑战性的丁酮底物也取得了更高的对映选择性（图23）。 * 寡肽催化： 在转-环己烷-1,2-二醇的动力学拆分和首个对映选择性Dakin-West反应中，将环己基丙氨酸作为DED引入寡肽催化剂，能够形成一个酶口袋般的结合位点，通过LD与底物结合，从而实现了优异的对映选择性和位点选择性（图24）。 * 布朗斯特酸催化： 在亚胺的转移氢化反应中，催化剂和底物上的叔丁基通过LD作用稳定了更拥挤的Z-亚胺构象及其与催化剂形成的过渡态，从而大幅提高了对映选择性（图25）。 * Minisci反应： Phipps等人报道的首例α-羟基自由基的对映选择性Minisci反应中，计算分析表明，产物对映选择性的差异源于优势过渡态中底物与手性磷酸催化剂3,3‘-位取代基之间存在的额外LD稳定作用。
本篇综述具有重要的学术意义和价值： 1. 系统性总结与知识更新： 全面梳理了近十年LD研究在理论、实验和合成应用方面的突破性进展，为化学界，特别是物理有机化学、超分子化学和催化领域的研究者提供了最新的知识图谱和研究工具集。 2. 范式转换的推动： 论文有力地论证了从“空间位阻”（强调排斥）到“空间相互作用”（平衡排斥与吸引，尤其是LD）的思维转变的必要性。这修正了化学教科书中的传统观点，促进了更精确的化学理解。 3. 指导未来研究： 通过展示LD在稳定奇特结构、控制反应路径和催化性能方面的成功案例，为化学家设计新功能分子、开发高选择性催化剂和探索新反应提供了强有力的设计原则和灵感来源。 4. 强调交叉融合： 全文贯穿了理论计算、先进光谱学（如旋转光谱、低温NMR）和合成化学的紧密协作，凸显了现代化学研究多学科交叉融合的特点与成功范式。
本文不仅是一篇详尽的文献综述，更是一份宣告伦敦色散力已从一个模糊的物理概念成长为可量化、可设计、可操控的“化学工具”的宣言书，标志着分子化学设计进入了一个能够更精细利用所有非共价相互作用的新阶段。