超分子化学

超分子化学1.超分子化学概述经典理论认为：分子是保持物质性质的最小单位，这种以共价键为基础的原子重组是分子化学的一大特征，这些工作可以形象地描述为：原子+原子--分子（共价键）。然而分子一经形成，就处于分子间力的相互作用之中，这种力场不仅制约着分子的空间结构，也影响物质的性质。超分子（supramolecule）通常是指由两种或两种以上分子依靠分子间相互作用结合在一起，组装成复杂的、有组织的聚集体，并保持一定的完整性，使其具有明显的微观结构和宏观性质。分子间的关系如同原子通过共价键形成分子一样。1987年，诺贝尔化学奖授予C.Pedersen(佩德森)、J-M.Lehn(莱恩)和D.Cram(克拉姆)等人，以表彰他们在超分子化学领域的基础工作：佩德森发现了冠醚化合物，莱恩发现冠醚化合物并提出了超分子概念，克拉姆是主客体化学的提出者。超分子和超分子化学通常包括两个方面：（1）将超分子定义为由受体和底物在分子识别的基础上缔合形成组成确定，分立的低聚分子物种。（2）由大量数目不确定的组分按其性质自发缔合成的超分子聚合体（supramolecularassemblies）超分子化学这一门新兴的学科就随着冠醚、环糊精、杯芳烃等大环配体的发展以及分子识别和分子自组装的研究的进展而迅速发展起来的。Lehn的超分子化学定义“超分子化学是超出单个分子以外的化学，它是有关超分子体系结构与功能的学科。超分子体系是由两个或两个以上的分子通过分子间作用力连接起来的实体”。超分子有别于分子和配合物，它是由主体和客体在满足几何匹配和能量匹配的条件下，通过分子间非共价键的作用，缔合形成的具有某种特定功能和性质的超级分子。分子间非共价键作用力又称弱相互作用力，是超分子作用力的基础，它包括静电力、氢键力、范德华力等，这些非共价键力的性质和特征如表1所示。分子识别和自组装是超分子形成的两个重要方面。分子间弱相互作用力在一定条件下的加合和协同作用形成的有一定方向性和选择性的强作用力，成为分子识别和自组装的主要作用力。表1分子间作用力的分类类型力的范围吸引(-)有加和性*(A)排斥(+)无加和性(NA)重叠短程-／+NA(库仑力及电子交换)静电较短程-/+A诱导长程-NA色散长程-近似A共振长程-／+／磁作用长程-／+／氢键较短程-A超分子形成的原因G=H-TS能量因素熵因素能量因素能量因素：降低能量在于分子间键的形成。（a）静电作用盐键即带电基团键的作用正负离子正负基团R-COO－····H3N+-R离子－偶极子作用偶极子－偶极子作用＋－－＋－＋＋－+（b）氢键常规氢键X-H····YX,Y=F,O,N,C,Cl非常规氢键X-H····X-H····MX-H····H-Y（c）M-L配位键金属原子和配位体间形成的共价配键为主（d）π…π堆叠效应。它既可以按面对面的形式，也可以按边对面的形式。(e)诱导偶极子—诱导偶极子作用即色散力：范德华力（f）疏水效应溶液中疏水基团或油滴的相互聚集，将增加溶液中水分子间的氢键数量，使体系能量降低.[{Na(H2O)2}3{Ni(C3N2H4)}3(SbW9O33)2]9-theinclinationofimidazoleringis60ºandtheclosecontactdistancebetweenringsisca.3.5Åtheclosecontactdistancebetweenadjacentpyridinesis3.4ÅinNa7[Ni(H2O)6][{Na(H2O)2}3{Ni(C5H5N)}3(AsW9O33)2]·35H2O熵增加因素（a）螯合效应：由螯合配位体形成的配合物比相同配位数和相同配位原子的单啮配位体形成的配合物稳定的效应。Co(NH3)62+Co(en)32+logK5.113.8Ni(NH3)62+Ni(en)32+logK8.718.6（b）大环效应：和螯合效应有关，在能量因素和熵因素上增进体系稳定性。（c）疏水效应（空腔效应）当有疏水的客体（guest）存在时，客体分子会自发地进入空腔，排挤出水分子，这时，水分子呈现游离状态，无序度增加。3.锁和钥匙原理锁和钥匙原理是指受体和底物（主体和客体）之间在能量和熵效应的互相配合，互相促进，形成稳定的超分子体系的原理。二、分子识别和超分子自组装1.几个概念分子识别（molecularrecognition）是由于不同分子间的一种特殊的、专一的相互作用，它即满足互相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。一个底物和一个接受体分子各自在其特殊部位具有某些结构，适合于彼此成键的最佳条件，互相选择对方结合在一起。超分子自组装：分子之间依靠分子间相互作用，自发的结合起来，形成分立的或伸展的超分子。识别和自组装的根据是：电子因素：各种分子间作用力得到发挥几何因素：分子的几何形状和大小互相匹配分子识别和自组装是超分子形成的两个重要方面。分子间弱相互作用力在一定条件下的加合和协同作用形成的有一定方向性和选择性的强作用力，成为分子识别和自组装的主要作用力。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，体现出锁和钥匙原理，当接受体分子的底物分子相遇时，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。形成超分子时，要求分子间达到能量和空间结构的匹配，称之为识别。分子识别可定义为这样的一个过程，对于一个给定的受体，底物选择性的与之键合。因而，选择和键合是识别的两个方面。具体的说，分子识别过程需遵循两个原则，即互补性和预组织原则。互补性是指识别分子间的空间结构和空间电学特性的互补性。空间结构的互补即“锁与钥匙”的相配，这种相配需要识别分子间达到一种刚性和柔性的统一。如图1所示，Pedersen的冠醚-6在对K+的识别过程中，构象发生了变化，形成了和K+相配的空腔及键合位置。而电学特性互补要求键合点和电荷分布满足非共价键的形成，包括氢键的形成，静电相互作用，π堆积相互作用，疏水相互作用等。图1冠醚-6在对K+的识别的结构互补预组织原则是指受体与底物分子在识别之前将受体中容纳底物的环境组织的愈好，其溶剂化能力愈低，则它们的识别效果愈佳，形成的配合物愈稳定。图2表示了这个过程。图2大环配体对Na+和Li+识别的预组织过程为了达到高度专一的识别效果，受体的设计也必须遵循互补性和预组织原则。分子识别中，虽然刚性有序的受体可以达到高度识别，但交换过程，调节，协同和改变构象要求一定的柔性，以使受体对变化进行调整和响应。刚性和柔性的有机统一手性识别手性识别，按照Dalgleish的理论，手性拆分剂与消旋体混合物中的一个对映体最少同时有三个相互作用，这些作用中至少一个是由立体化学决定的。这种手性识别机理认为，消旋体混合物中只有一个对映体与手性拆分剂具有合适的手征性，能与拆分剂同时具有三个相互作用点。同时，另一个对映异构体则和拆分剂只发生二点作用，前者所形成的复合物较后者稳定，在许多物理性质上（如溶解性，熔点等）存在差异，因而，利用这些差别可将两复合物分开，从而，达到拆分的目的。分子间的三点作用类型包括氢键，偶极相互作用，位阻排斥，疏水吸引等作用，这些作用都可以成为手性识别的重要因素。在这个理论的指导下，已成功地合成了许多拆分剂用于消旋体的手性拆分。超分子自组装超分子自组装(supramolecularself-assembly)是指一种或多种分子，依靠分子间相互作用，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，也可看作分子通过分子间作用力组装成一种超分子。超分子化学为化学科学提供新的观念、方法和途径，设计和制造自组装构建元件，开拓分子自组装途径，具有特定的结构和基团的分子自发地按一定的方式组装成所需的超分子。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。超分子合成子合成子（synthon）一词是在有机合成中表示“用已知的或想象的合成操作所能形成组装出来的分子中的结构单位。”将这个通用的、可变的定义用于超分子，即得：“超分子合成子是用已知的或想象的、包含分子间相互作用的合成操作所能形成或组装出来的超分子中的结构单位。”超分子合成子是从设计的相互作用组合中推得，是指超产物中的结构单位，而不等同于反应物的作用基团。超分子合成子把分子片的化学特征和几何识别特征结合在一起，即把明确的和含蓄的分子间相互作用组合中推得，是指超分子产物中的结构单位，而不等同于反应物的作用基团。超分子合成子把分子片的化学特征和几何识别特征结合在一起，即把明确的含蓄的分子间相互作用的内容包含在内。合成子：用已知的或想象的合成操作所能形成或组装出来的分子中的结构单位。超分子合成子：用已知的或想像的、包含分子间相互作用的合成操作所能形成的超分子中的结构单位。利用氢键的识别，设计超分子合成子是超分子化学的重要内容。下面列出几个以氢键结合的合成子：一些有代表性的超分子合成子分子识别:受体对底物的作用受体结构储存信息(1)尺寸,形状等(2)构象,手性(3)结合点性质,电子性质(电荷,极性,极化力,范德华力)等识别过程----信息的储存和读取过程识别条件:受体和底物(1)结构互补(2)作用力互补(3)有较大的接触区域A:多个作用点,B:大区域的强结合(4)介质效应,疏水,亲水作用(5)作用力协同作用分子受体设计设计原则(1)大的接触面积,如空腔,互补.大环配体受体.(2)刚性与柔性的平衡.a受体的稳定性需要刚性分子结构b识别过程的变换,调控,协同作用等需要柔性(3)氢键的作用在分子识别过程中非常重要(4)π堆积提供了平面杂环低物的识别(5)酶催化依赖于配位作用与过渡态的稳定性球形识别受体:大环配体(1)天然大环配体,如颉氨霉素,孢菌素等,显示抗生素特性(2)合成大环配体,聚醚,冠醚和它的衍生物(3)合成大多环配体合成大环配体合成大多环配体底物:金属阳离子,卤阳离子大环配体:1.二维大环配体,环形空腔,平面2.三维大多环配体,类似球形空腔,更适合(AC)和(AEC)的识别球形识别特点1.强的作用,如氧对碱金属离子(AC)的作用2.结构互补,空穴等3.立体比平面有更强的选择性,二,三,四环选择性不同特点：1.配位作用N、S对过渡金属的配位，具有更强的选择性2.结构互补，穴状配合物。谱学，磁学。3.立体选择性多氮杂、多硫杂配体、过渡金属离子识别3．生物活性与手性识别手性或不对称性物质是含有不对称碳原于的化合物，这类化合物在化学及生命科学中普遍存在。自然界中，绝大多数分子(如糖，氨基酸)和由它们组成的生物大分子(如蛋白质、DNA等)在空间结构上都具有不对称性，使得生物体能够高度地选择识别某一特定的手性分子，从而产生生物作用。随着人们对手性物质的深入研究，发现有些物质的D-异构体和L-异构体在生物体中的活性差异很大，而有的所起的作用完全不同，甚至截然相反。20世纪60年代，欧洲和日本的孕妇因服用外消旋的镇静药“反应停”而引起千万个婴儿畸形，制造这一悲剧的正是“反应停”中的L-型旋光体。这一悲剧提醒人们，对一种新药投入市场之前，必须对其不同的旋光异构体进行药理试验。表2所列的是人们已证实的一些手性药物对映体不同的药理活性。这些不同手性药物对映体药理活性差异的主要原因是：生命机体本身就是由具有高度不对称性的生物大分子组成。这种不对称性赋予生物大分子受体（酶、血浆蛋白及组织蛋白），通过一定的信息去识别不同的对映体。与之契合者，才能发生相互作用，从而产生生理活性。这种对映有择性的生物作用现象是自然界的一种普遍现象，在农药香料等方面也同样存在