超分子电化学

1超分子电化学化学学院刘彤2011210421摘要：超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学。超分子化学是化学领域一个崭新的学科分支，本文综述了分子识别和自组装的有关内容以及和超分子化学的分类，并指出了超分子化学对科学理论研究的重要意义和广阔的应用前景。关键字：超分子电化学分子识别自组装超分子电化学的利用前言：“超分子”一词早在20世纪30年代已经出现，但在科学界受到重视却是50年之后了。超分子化学可定义为“超出分子的化学”，是关于若干化学物种通过分子间相互作用结合在一起所构成的，具有较高复杂性和一定组织性的整体的化学。在这个整体中各组分还保持某些固有的物理和化学性质，同时又因彼此间的相互影响或扰动而表现出某些整体功能。超分子体系的微观单元是由若干乃至许许多多个不同化合物的分子或离子或其他可单独存在的具有一定化学性质的微粒聚集而成。聚集数可以确定或不确定，这与一分子中原子个数严格确定具有本质区别，把多个组分的基本微观单元聚集成“超分子”的凝聚力是一些(相对于共价键)较弱的作用力。如范氏力(含氢键)、亲水或憎水作用等。在与其他学科的交叉融合中．超分子化学已发展成了超分子科学。由于超分子学科具有广阔的应用前景和重要的理论意义。超分子化学的研究近十多年来在国际上非常活跃，我国也积极开展这方面的研究工作。超分子科学涉及的领域极其广泛，不仅包括了传统的化学(如无机化学、有机化学、物理化学、分析化学等)，而且还涉及材料科学、信息科学和生命科学等学科。超分子化学的兴起与发展促进了许多相关学科的发展，也为它们提供了新的机遇。本文对超分子化学作了简单的综述。在超分子化学研究中,两个最重要的科学问题是分子识别和分子自组装、分子间多种弱相互作用的加合效应和协同作用。本文先对自组装和分子识别进行简要说明。1自组装自组装是自然界生物系统的一类基本属性,如DNA和RNA的双螺旋结构、多肽和蛋白质的二级及高级结构、生物膜的形成与稳定、酶的高级结构与功能发挥等,都是多种不同弱相互作用加合协同的结果。超分子自组装是指在平衡条件下相同或不同分子间通过非共价键弱相互作用自发构成具有特种性能的长程有序的超分子聚集体的过程。超分子自组装是指一种或多种分子依靠分子间的相互作用自发地结合起来，形成分立的或伸展的超分子。由分子组成的晶体，也可看作识分子通过分子间作用力组装成的一种超分子。分子识别和超分子自组装的结构化学内涵体现在电子因素和几何因素两个方面，前者使分子间的各种作用力得到充分发挥，后者适应于分子的几何形状和大小，能互相匹配，使在自组装时不发生大的阻碍。分子识别和超分子自组装是超分子化学的核心内容。2自组装通常涉及一个主体和一个或多个客体，沿用生物学中的术语，前者即受体，后者为基质。当自组装成超级分子时，较大的受体的结合位通常是会聚的，被结合的较小基质的结合位则是发散的，两者在电子性能和几何空间上互补。在生物过程中，基质和蛋白质受体的结合，酶反应中的锁钥关系，蛋白质-蛋白质络合物的组装，免疫抗体抗原的结合，分子间遗传密码的读码翻译和转录，神经递素诱发信号，组织的识别等，都涉及这种自组装作用。超分子化学不仅研究自然界中现实的自组装作用，还要人工合成具有这种作用的组装体。在形成组装体时，最基本的功能是分子的识别、转化和移位。2.分子识别在超分子化学研究中,两个最重要的科学问题是分子识别和分子自组装、分子间多种弱相互作用的加合效应和协同作用。分子识别是由于不同分子间的一种特殊的、专一的相互作用，它既满足相互结合的分子间的空间要求，也满足分子间各种次级键力的匹配，体现出锁和钥匙原理。在超分子中，一种接受体分子的特殊部位具有某些基团，正适合与另一种底物分子的基团相结合。当接受体分子和底物分子相遇时，相互选择对方，一起形成次级键；或者接受体分子按底物分子的大小尺寸，通过次级键构筑起适合底物分子居留的孔穴的结构。所以分子识别的本质就是使接受体和底物分子间有着形成次级键的最佳条件，互相选择对方结合在一起，使体系趋于稳定。3、超分子电化学电子可控的分子器件是将分子识别事件转化为电子信号的基本元素，通过以结构相关的方式结合可影响氧化还原性质。这些由于复合而引发的干扰导致了对识别的电化学表征。由受体－底物结合而产生的电化学效应确定了超分子电化学的研究范围。氧化还原变化和受体—底物对结合强度的相互影响，使人们可通过电来控制化合过程或通过结合来改变氧化还原特性。4.超分子电化学的利用：杯芳烃-槲皮素超分子电化学探针测定苯二酚研究了在pH5.75的B-R底液中杯芳烃-槲皮素体系的相互作用和电化学极谱行为。在2.5次微分极谱仪上槲皮素在-1.12V(vs.SCE)处产生还原波,杯芳烃使其峰电位正移,峰电流增敏,加入苯二酚后体系的峰电流减小,故可利用杯芳烃-槲皮素形成的超分子作电化学探针测定苯二酚。研究了该探针的形成条件和影响因素,建立了测定苯二酚的新极谱方法。该方法线性范围为10-8~10-7,检测限为7.8×10-9mol/L.应用该法测定废水中的苯二酚。除此之外，在基于二茂铁的多位点受体的合成、表征及超分子电化学识别研究、多胺类超分子化合物、卟啉类超分子化合物、树状超分子化合物、酞菁类超分子化合物、杂多酸类超分子化合物等领域有重要作用。5、超分子化学的前景展望在与其他学科的交叉融合中．超分子化学已发展成了超分子科学．由于超分子学科具有广阔的应用前景和重要的理论意义。超分子化学的研究近十多年来在国际上非常活跃，我国也积极开展这方面的研究工作。超分子科学涉及的领域极其广泛，不仅包括了传统的化学(如无机化学、有机化学、物理化学、分析化学等)，而且还涉及材料科学、信息科学和生命科学等学科。超分子化学的兴起与3发展促进了许多相关学科的发展，也为它们提供了新的机遇。基于超分子化学中的分子识别．通过分子组装等方法构筑的有序超分子体系已展示了电子转移、能量传递、物质传输、化学转换以及光、电、磁和机械运动等多种新颖特征。超分子功能材料及智能器件、分子器件与机器、DNA芯片、导向及程控药物释放与催化抗体、高选择催化剂等等，将逐一成为现实。科学界有人预言，分子计算机和生物计算机的实现也将指日可待。在信息科学方面，超分子材料正向传统材料挑战，一旦突破，将带动信息及相关领域的产业技术革命．将对世界经济产生深远的影响。可以确信，超分子科学已成为21世纪新思想、新概念和高新技术的重要源头。