在化學中，pi堆積（也稱為π-π堆積）是指芳香環的pi鍵之間假定的有吸引力的非共價相互作用（軌道重疊）。然而，這是對這種現象的誤導性描述，因為芳環的直接堆疊（三明治相互作用）是靜電排斥的。更常見的是（見右圖）交錯堆疊（平行位移）或pi-teeing（垂直T形）相互作用，兩者都具有靜電吸引力。蛋白質中的氨基酸殘基是交錯堆疊，然后是垂直方向。夾層方向相對少見。Pi堆積是排斥的，因為它將來自一個環的帶有部分負電荷的碳原子放在來自第二個環的其他帶部分負電荷的碳原子的頂部，并且將帶有部分正電荷的氫原子放在同樣帶有部分正電荷的其他氫原子的頂部。在交錯堆疊中，兩個芳環中的一個側向偏移，使得xxx個環中帶有部分負電荷的碳原子位于第二個環中帶有部分正電荷的氫原子上方，從而使靜電相互作用變得有吸引力。同樣，兩個環相互垂直取向的pi-teeing相互作用具有靜電吸引力，因為它將部分帶正電的氫原子置于部分帶負電的碳原子附近。芳香環之間的這些交錯堆疊和π-teeing相互作用對于DNA和RNA分子內的核堿基堆疊、蛋白質折疊、模板指導合成、材料科學和分子識別非常重要。盡管在科學文獻中廣泛使用術語pistacking，但它的使用沒有理論依據。

苯二聚體是研究pi堆積的原型系統，在氣相中被實驗性束縛為8-12kJ/mol（2-3kcal/mol），質心之間的距離為4.96?T形二聚體。較小的結合能使得苯二聚體難以進行實驗研究，而且二聚體本身僅在低溫下穩定且容易成簇。其他反對pi堆積的證據來自X射線晶體結構測定。在許多簡單芳香族化合物的晶體結構中可以觀察到垂直和偏移平行構型。在蛋白質數據庫中對高分辨率X射線蛋白質晶體結構的調查中觀察到類似的偏移平行或垂直幾何形狀。對芳香族氨基酸苯丙氨酸、酪氨酸、組氨酸和色氨酸的分析表明，這些側鏈的二聚體在大于平均范德華半徑的距離處具有許多可能的穩定相互作用。

苯二聚體的優選幾何形狀已通過MP2-R12/A計算和非常大的平衡校正的aug-cc-PVTZ基組在高水平的理論中建模。兩個最穩定的構象是平行位移和T形，它們基本上是等能的。相比之下，三明治結構最大化了pi系統的重疊，從而破壞了交互的穩定性。三明治配置代表一個充滿活力的鞍點，這與這種配置在X射線晶體數據中的相對稀有性一致。苯二聚體的這三種幾何構型的相對結合能可以通過四極/四極和倫敦色散力的平衡來解釋。雖然苯沒有偶極矩，但它有很強的四極矩。局部C-H偶極子意味著環中的原子帶有正電荷，相應的負電荷代表環上方和下方的電子云。由于氟的電負性，六氟苯的四極矩反轉。夾心結構中的苯二聚體被倫敦色散力穩定，但被排斥的四極/四極相互作用不穩定。通過抵消其中一個苯環，平行置換的構型減少了這些排斥相互作用并穩定下來。芳環的大極化率導致分散的相互作用作為堆積效應的主要貢獻。這些在核堿基的相互作用中起主要作用，例如在DNA中。T形結構具有良好的四極/四極相互作用，因為一個苯環的正四極與另一個苯環的負四極相互作用。在這種配置中苯環相距最遠，因此有利的四極/四極相互作用明顯補償了分散力的減弱。

微調pi堆疊相互作用的能力將在許多合成工作中很有用。一個例子是增加小分子抑制劑與含有芳香族殘基的酶袋的結合親和力。雜原子和取代基對pi堆積相互作用的影響難以建模且存在爭議。

Hunter和Sanders提出了取代基在pi堆積相互作用中的作用的早期模型。他們使用基于sigma和pi原子電荷、相對取向和范德華相互作用的簡單數學模型來定性地確定靜電在取代基效應中占主導地位。根據他們的模型，吸電子基團減少了芳環的負四極，從而有利于平行置換和夾心構象。相比之下，給電子基團增加了負四極，這可能會增加具有適當幾何形狀的T形配置中的相互作用強度。基于這個模型，作者提出了一套管理pi堆疊交互的規則，這些規則在應用更復雜的計算之前一直流行。Hunter-Sanders模型的實驗證據由Siegel等人提供。使用一系列取代的順和反1,8-二鄰甲苯基萘。在這些化合物中，由于空間擁擠，芳基以堆疊的幾何形狀對峙，并且通過核磁共振光譜測量差向異構化的障礙。作者報告說，具有吸電子取代基的芳環具有更高的旋轉勢壘。對此結果的解釋是，這些基團降低了芳環的電子密度，允許更有利的夾心pi堆疊相互作用，因此更高的勢壘。換句話說，吸電子基團在基態中導致不太不利的靜電相互作用。亨特等人。應用更復雜的化學雙突變循環與氫鍵拉鏈來解決pi堆疊相互作用中的取代基效應問題。該技術已被用于研究多種非共價相互作用。單突變，在這種情況下改變芳環上的取代基，會導致二次效應，例如氫鍵強度的變化。雙突變量化了這些二次相互作用，因此即使是微弱的感興趣的相互作用也可以從陣列中分離出來。他們的結果表明，更多的吸電子取代基具有更少的排斥pi堆積相互作用。相應地，這種趨勢與五氟苯的相互作用完全相反，五氟苯的四極矩與苯的量級相等但符號相反。這些發現為亨特-桑德斯模型提供了直接證據。然而，使用雙突變方法測量的堆疊相互作用非常小，作者指出這些值可能無法轉移到其他系統。在后續研究中，Hunter等人。驗證了xxx個近似值，即雙突變循環中相互作用的芳環的相互作用能受靜電效應支配。然而，作者指出，與下面討論的環取代基的直接相互作用也做出了重要貢獻。事實上，這兩個因素的相互作用可能導致pi堆積相互作用的復雜的取代基和幾何依賴行為。

Hunter-Sanders模型受到了許多研究小組的批評，他們提供了相互矛盾的實驗和計算證據，證明pi堆疊相互作用主要不受靜電效應的控制。Rashkin和Waters報道了針對靜電取代基效應的最明確的實驗證據。他們使用以平行置換構象堆疊的間位和對位取代的N-芐基-2-(2-氟苯基)-溴化吡啶作為pi堆疊相互作用的模型系統。在他們的系統中，亞甲基接頭阻止了有利的T形相互作用。與之前的模型一樣，π堆積相互作用的相對強度通過NMR測量為圍繞聯芳基鍵的旋轉速率，因為π堆積相互作用在過渡態中被破壞。對位取代環具有小的旋轉勢壘，隨著吸電子基團的增加而增加，這與先前的發現一致。然而，盡管芳環中的電子密度幾乎相同，但間位取代環的旋轉勢壘要大得多。作者將這種差異解釋為一個環的氫原子邊緣與另一個環上的電負性取代基的直接相互作用。這一說法得到了所討論質子的化學位移數據的支持。對pi堆疊中因素的相對貢獻的許多詳細分析已通過計算得到證實。Sherill和Sinnokrot使用高級理論報告了一個令人驚訝的發現，即所有取代的苯二聚體在三明治結構中比苯二聚體具有更有利的結合相互作用。Sherill小組后來的計算工作表明，三明治結構的取代基效應是相加的，這表明色散力和取代基之間的直接相互作用的強烈影響。注意到T形構型中取代苯之間的相互作用更復雜。最后，Houk和Wheeler還為直接交互在pi堆疊中的重要性提供了令人信服的計算證據。在他們對三明治構象的取代苯二聚體的分析中，他們能夠使用一個非常簡單的模型來概括他們的發現，其中取代苯Ph-X被H-X取代。值得注意的是，這種粗略的模型導致了相對相互作用能的相同趨勢，并且與計算的Ph-X值密切相關。這一發現表明苯二聚體中的取代基效應是由于取代基與芳環的直接相互作用，并且不涉及取代苯的π系統。后一點將在下面進行擴展。總之，似乎靜電、色散和直接相互作用對pi堆疊相互作用中的取代基效應的相對貢獻高度依賴于幾何形狀和實驗設計。在這個問題上缺乏共識可能只是反映了問題的復雜性。

對pi堆積的傳統理解涉及p軌道中離域電子之間的四極相互作用。換句話說，這種相互作用的發生需要芳香性。然而，幾個小組提供了相反的證據，質疑pi堆積是否是一種獨特的現象，或者它是否延伸到其他中性的閉殼分子。在與上述其他實驗相同的實驗中，Paliwal和合著者從具有兩種構象狀態的芳基酯構建了分子扭轉平衡。折疊狀態與T形幾何形狀具有明確定義的pi堆疊相互作用，而展開狀態沒有芳基-芳基相互作用。兩種構象的核磁共振化學位移是不同的，可用于確定兩種狀態的比率，這被解釋為分子內力的量度。作者報告說，對折疊狀態的偏好并不是芳基酯所獨有的。例如，環己酯比苯酯更傾向于折疊狀態，而叔丁酯比任何芳基酯更傾向于折疊狀態。非芳族pi堆積相互作用結果的其他證據包括理論化學中的批判性研究，解釋了經驗觀察的潛在機制。Grimme報告說，由一個或兩個環組成的較小二聚體的相互作用能對于芳族和飽和化合物都非常相似。這一發現與生物學特別相關，并表明pi系統對堆疊核堿基等現象的貢獻可能被高估了。然而，研究表明，對于大的芳族二聚體，可以看到增加的穩定相互作用。如前所述，這種相互作用能量高度依賴于幾何形狀。實際上，大的芳族二聚體僅相對于它們在三明治幾何形狀中的飽和對應物是穩定的，而它們的能量在T形相互作用中是相似的。Bloom和Wheeler采用了一種更直接的方法來模擬芳香性的作用。作者比較了苯與2-甲基萘或其非芳族異構體2-亞甲基-2,3-二氫萘之間的相互作用。后一種化合物提供了一種保留p電子數量的方法，同時消除了離域效應。令人驚訝的是，非芳族化合物與苯的相互作用能更高，這表明pi鍵定位在pi堆積相互作用中是有利的。作者還考慮了將苯同源分解為乙烯和1,3-丁二烯，并比較了夾層中的苯與這些相互作用。他們的計算表明，苯和同源苯之間的相互作用能在三明治和平行置換構象中都高于苯二聚體，再次突出了局部π鍵相互作用的有利性。這些結果強烈表明該模型中的pi堆疊相互作用不需要芳香性。即使根據這些證據，Grimme也得出結論說pi堆疊確實存在。然而，他警告說，較小的環，特別是T形構象的環，與它們的飽和對應物的行為沒有顯著不同，并且該術語應該指定為堆疊構象中的較大環，它們似乎表現出協同pi電子效應。

在buckycatcher中可以找到一個強有力的堆疊演示。這種分子鑷子基于兩個凹形巴基碗，完美契合一個凸形富勒烯分子。只需蒸發含有這兩種化合物的甲苯溶液即可進行絡合。在溶液中，基于NMR化學位移的變化測量了8600M-1的締合常數。Pi堆積在蛋白質晶體結構中很普遍，也有助于小分子和蛋白質之間的相互作用。因此，pi-pi和陽離子-pi相互作用是合理藥物設計的重要因素。一個例子是FDA批準的用于治療阿爾茨海默病的乙酰膽堿酯酶(AChE)抑制劑他克林。提出他克林與Trp84的吲哚環具有pi堆積相互作用，并且這種相互作用已被用于合理設計新型AChE抑制劑。

甚至已經使用過渡金屬對π配位苯基的幾種變體進行了測試，以堆疊η6-苯基托烷，使用環戊二烯基和三羰基代替苯。在三羰基的情況下，化合物對其預期配體位點??的親和力加倍（假設是由于產生的靜電影響更有利于目標）。

π系統是超分子組裝中的重要組成部分，因為它們與各種官能團具有多種非共價相互作用。在超分子組裝中應用π-π相互作用的一個值得注意的例子是鏈烷的合成。鏈烷合成的主要挑戰是以受控方式互鎖分子。Stoddart及其同事利用富電子苯衍生物和貧電子吡啶環之間的強π-π相互作用開發了一系列系統。[2]通過雙(吡啶)(A)、雙對亞苯基-34-crown-10(B)和1,4-雙(溴甲基)苯(C)反應合成Catanene(圖2)。A和B之間的π-π相互作用指導形成互鎖的模板中間體，該中間體通過與化合物C的取代反應進一步環化，生成[2]鏈烷產物。