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，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)分子的共價鍵方面，現(xiàn)在這一興趣中心已開始向非共價鍵作用方向轉(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)合堿金屬的報告，揭示了分子和分子聚集體的形態(tài)對化學(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)的白組裝體的研究內(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或多個客體分子之間通過非價鍵作用而形成的復(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)家對它的重視和研究。

4.1 超分子體系的識別功能

分子與位點(diǎn)識別是超分子體系的基礎(chǔ)，識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)生在分子間的識別過程為分子識別，發(fā)生在實(shí)體局部間的識別過程謂之位點(diǎn)識別，識別過程需要作用物與受體間空間匹配、力場互補(bǔ)，實(shí)質(zhì)上是超分子信息的處理過程。分子識別是類似“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

超分子化學(xué)是化學(xué)的一個嶄新的分支學(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)?？梢灶A(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)。

參考文獻(xiàn)

[1] Jean Marie Lehn.超分子化學(xué)一概念和展望[M].北京：北京人學(xué)出版社，2002.

[2] 杜燦屏等.21世紀(jì)紀(jì)有機(jī)化學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001， 12： 217- 220.

[3] 王佛松等.展望21世紀(jì)的化學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001， 1： 189- 191.

[4] 邱立勤等.化學(xué)領(lǐng)域的前沿一超分子化學(xué)[J].化學(xué)世界，1997， 4： 171-177.

[5] 周成飛.超分子材料的發(fā)展[J].化工新型材料，2001，10： 30- 32

作者簡介

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，遼寧省沈陽市，本科在讀，安全工程專業(yè)。