化學(xué)學(xué)科的研究新領(lǐng)域—超分子化學(xué)

張景慧 王佳博 馬小雪

摘 要：超分子化學(xué)是上世紀(jì)八十年代末才興起的一門新興邊緣學(xué)科，它迅速地與有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)和新型材料科學(xué)結(jié)合起來，為生命科學(xué)的研究和新技術(shù)、新材料的開發(fā)開拓了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。本文從超分子化學(xué)的發(fā)展進(jìn)程和理論基礎(chǔ)入手，分析超分子體系的功能，指出了超分子化學(xué)對(duì)科學(xué)理論研究的重要意義和廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵字：超分子化學(xué)；發(fā)展；理論基礎(chǔ)；超分子體系的功能

1 前言

經(jīng)典理論認(rèn)為：分了是保持物質(zhì)性質(zhì)的最小單位，然而分子一經(jīng)形成，就處于分子間力的相互作用之中，這種力場(chǎng)不僅制約著分子的空間結(jié)構(gòu)，也影響物質(zhì)性質(zhì)。近年來，逐漸發(fā)現(xiàn)一些傳統(tǒng)分子理論難以解釋的現(xiàn)象，如DNA合成等形成的有序組合、綠色植物的光合作用、酶的催化作用等，均有特異的物質(zhì)識(shí)別、輸送及能量傳遞和轉(zhuǎn)換功能。隨著冠醚化學(xué)的發(fā)展，分子間作用力協(xié)同作用的重要性逐漸為人們所認(rèn)識(shí)，超分子化學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。在超分子體系中，分子與分子間力的關(guān)系就如同在分子中原子和共價(jià)鍵的關(guān)系一樣。150多年來，有機(jī)化學(xué)家的興趣主要集中于有機(jī)分子的共價(jià)鍵方面，現(xiàn)在這一興趣中心已開始向非共價(jià)鍵作用方向轉(zhuǎn)移。

2 超分子化學(xué)的發(fā)展

1967年C. J. Pederson發(fā)表了關(guān)于冠醚的合成和選擇性絡(luò)合堿金屬的報(bào)告，揭示了分子和分子聚集體的形態(tài)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的選擇性起著重要的作用；D.J. Cram基于在大環(huán)配體與金屬或有機(jī)分了的絡(luò)合化學(xué)方面的研究，提出了以配體（受體）為主體，以絡(luò)合物（底物）為客體的主客體化學(xué)；J. M . Lehn模擬蛋白質(zhì)螺旋結(jié)構(gòu)的白組裝體的研究?jī)?nèi)容，在一定程度上超越了大環(huán)與主客體化學(xué)而進(jìn)入了所謂“分子工程”領(lǐng)域，并進(jìn)一步提出了超分子化學(xué)即“超越分子的化學(xué)”的概念。未來超分子體系化合物的特征應(yīng)為：信息性和程序性的統(tǒng)一；流動(dòng)性和可逆性的統(tǒng)一；組合性和結(jié)構(gòu)的多樣性的統(tǒng)一。超分子化學(xué)便成為一門研究集信息化、組織性、適應(yīng)性和復(fù)合性于一體的物質(zhì)的學(xué)科。

3 超分子化學(xué)的理論基礎(chǔ)

超分子化合物是由主體分子和一個(gè)或多個(gè)客體分子之間通過非價(jià)鍵作用而形成的復(fù)雜而有組織的化學(xué)體系。主體通常是富電子的分子，可以作為電子給體（D），如堿、陰離子、親核體等。而客體是缺電了的分子，可作為電子受體（A），如酸、陽(yáng)離子、親電體等。超分子化學(xué)和配位化學(xué)同屬于授受體化學(xué)，超分子體系中主體和客體之問不是經(jīng)典的配位鍵，而是分子間的弱相互作用，大約為共價(jià)鍵的5%-10%。因此可以認(rèn)為，超分子化學(xué)是配位化學(xué)概念的擴(kuò)展。超分子體系的微觀單元是由若干乃至許許多多個(gè)不同化合物的分子或離子或其它可單獨(dú)存在的具有一定化學(xué)性質(zhì)的微粒聚集而成。聚集數(shù)可以確定或不確定，這與分子中原子個(gè)數(shù)嚴(yán)格確定具有本質(zhì)區(qū)別。超分子的形成不必輸入高的能量，不必破壞原來分子的結(jié)構(gòu)及價(jià)健，主客體間沒有強(qiáng)的化學(xué)鍵，這就要求主客體之問要有高度的匹配性和適應(yīng)性，不僅要求分子在空間兒何構(gòu)型和電荷，甚至親疏水性的互相適應(yīng)，還要求在對(duì)稱性和能量上的匹配。

4 超分子體系的功能

冠醚、環(huán)糊精和杯芳烴等大環(huán)化合物都具有穴狀結(jié)構(gòu)，能通過非共價(jià)鍵與離了以及中性分子形成超分子，在化學(xué)物質(zhì)的分離提純，功能材料的研制及超分子催化方面已表現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，引起了越來越多的化學(xué)家對(duì)它的重視和研究。

4.1 超分子體系的識(shí)別功能

分子與位點(diǎn)識(shí)別是超分子體系的基礎(chǔ)，識(shí)別是指給定受體與作用物選擇性結(jié)合并產(chǎn)生某些特定功能的過程。發(fā)生在分子間的識(shí)別過程為分子識(shí)別，發(fā)生在實(shí)體局部間的識(shí)別過程謂之位點(diǎn)識(shí)別，識(shí)別過程需要作用物與受體間空間匹配、力場(chǎng)互補(bǔ)，實(shí)質(zhì)上是超分子信息的處理過程。分子識(shí)別是類似“鎖和鑰匙”的分子間專一性結(jié)合，可以理解為底物與給定受體間選擇性鍵合，是形成超分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。超分子作用對(duì)于某些化學(xué)反應(yīng)過程如催化等具有重要的意義，特別是在生物體系中，相當(dāng)多的生物化學(xué)過程離不開這種作用，如底物與蛋白質(zhì)的作用，酶催化過程，遺傳密碼的復(fù)制、翻譯、轉(zhuǎn)錄等以及抗體與抗原的作用等。因此，分子識(shí)別是白然界生物進(jìn)行信息存貯、復(fù)制和傳遞的基礎(chǔ)，以分子識(shí)別為基礎(chǔ)，研究構(gòu)筑具有特定生物學(xué)功能的超分子體系，對(duì)揭示生命現(xiàn)象和過程具有重要意義，并可能給化學(xué)研究帶來新的突破。

4.2 超分子體系的催化功能

超分子催化即可由反應(yīng)的陽(yáng)離子受體分子實(shí)現(xiàn)，也可由反應(yīng)陰離子受體來實(shí)現(xiàn)，還可通過作用物與輔助因子的結(jié)合產(chǎn)生共催化，實(shí)現(xiàn)合成反應(yīng)。超分子體系對(duì)光化學(xué)反應(yīng)的催化作用、酶催化和模擬酶催化均是利用了超分子體系的分子識(shí)別作用達(dá)到了高選擇性、溫和條件下的催化目的。通常意義上的催化（熱）反應(yīng)中，無論是多相催化還是均相催化，超分子現(xiàn)象都常常出現(xiàn)。在多相催化中，形形色色的界面現(xiàn)象必須存在。固體催化劑表面上各類吸附位、活性中心與反應(yīng)物、中間物和產(chǎn)物間不可避免地存在著各種各樣的弱的、具有一定選擇性的相互作用，從而有可能形成多組分超分子系統(tǒng)。均相催化反應(yīng)中，催化劑與介質(zhì)、反應(yīng)物、中問物和產(chǎn)物問也會(huì)存在弱的選擇性相互作用力。這是有選擇地活化、改組化學(xué)鍵的前提。基于生物體抵御外來抗原，形成與之識(shí)別的抗體的性質(zhì)，產(chǎn)生了抗體催化研究。抗體催化具有酶催化的一些特性，專一性選擇識(shí)別反應(yīng)物、過渡態(tài)和反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的低活化能、高選擇性，實(shí)現(xiàn)一些普通催化化學(xué)難以實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)。其中關(guān)鍵是選擇合成合適的半抗原，以便誘導(dǎo)篩選出特定要求的催化抗體。目前抗體催化已應(yīng)用于酞基轉(zhuǎn)移、β-消去、C-C鍵形成及斷裂、水解、過氧化及氧化還原等反應(yīng)中。

4.3 超分子體系信息傳遞功能

超分子體系受外界的刺激產(chǎn)生性能和結(jié)構(gòu)的變化，繼而將刺激信號(hào)轉(zhuǎn)變成分了信息并在體系中傳輸。這種傳輸?shù)谋举|(zhì)是電子轉(zhuǎn)移、能量轉(zhuǎn)移、物質(zhì)傳輸、化學(xué)轉(zhuǎn)換。超分子體系的多樣性也決定了載流子的多樣性，以及超分子體系的元激發(fā)過程中的各種結(jié)構(gòu)載流子。超分子體系的不均一性決定了信息傳導(dǎo)過程的多通道與多種方式，包括跨膜傳導(dǎo)道的傳輸、特征振蕩與特征頻率等。特別是納米尺寸的量了限域效應(yīng)、神經(jīng)傳導(dǎo)、離了通道與離了泵介電限域效應(yīng)，體現(xiàn)了特殊介面效應(yīng)下信息傳導(dǎo)的新規(guī)律。信息傳輸與能量補(bǔ)償相互匹配，保證信息傳輸穩(wěn)定與有序的進(jìn)行。嚴(yán)格來說有三個(gè)特點(diǎn)是最主要的：一是快速響應(yīng)；二是非線性；三是放大作用。

5 結(jié)語(yǔ)

超分子化學(xué)是化學(xué)的一個(gè)嶄新的分支學(xué)科，又與物理學(xué)、信息學(xué)、材料科學(xué)和生命科學(xué)等緊密相關(guān)，對(duì)超分子體系的深入研究，實(shí)際上已超出了化學(xué)范疇，形成了超分子科學(xué)。可以預(yù)見，作為超分子化學(xué)起源的主客體化學(xué)將與有機(jī)合成化學(xué)、配位化學(xué)和生物化學(xué)互相促進(jìn)，為生命科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等共同發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介

張景慧（1990-），女，漢族，陜西省漢中市，本科在讀，包裝工程專業(yè)。

王佳博（1993-），女，漢族，吉林省長(zhǎng)春市，本科在讀，安全工程專業(yè)。

馬小雪（1991-），女，漢族，遼寧省沈陽(yáng)市，本科在讀，安全工程專業(yè)。