超分子化学基础

第8章超分子化学基础化学是研究物质及其转化的科学，生命是物质的最高表现形式。常规的、以共价键为基础的分子的化学，是涉及认识和掌握有关分子物种的合成、结构、性质、转化和应用的规律。超分子化学(supramolecularchemistry)的研究对象是由分子间非共价键的相互作用，将分子结合和组织在一起，形成比分子本身要复杂得多的化学物种。超分子化学是高于分子层次的化学，是一个学科间高度交叉发展的科学领域，包含有化学、物理和生物学等跨学科的特色。作为一个新的科学领域，在其诞生、成长和成熟过程中，一些新的概念和新的术语逐渐地发展形成。虽然“超分子”(“Übermoleküle”)一词早在1930年代中就已用来描述由配位饱和物种聚集而成的高度组织实体，但有关超分子概念却随着科学的发展而不断扩展其内容。超分子(supermolecule)是由两种或两种以上分子依靠非共价键的分子间作用力结合在一起，形成复杂的、有组织的缔合体，并能保持确定的完整性，即具有特定的相行为和比较明确的微观结构和宏观特征。由分子到超分子和分子间键的关系，正如由原子到分子和共价键的关系一样，。由于分子间作用力的多样性和复杂性，以及对于像生命物质的重要作用和影响，超分子化学的内容已迅速地扩展，不仅包含化学各个分支，还包含物理学、生物学等许多学科，逐渐结合成新的学科领域。8-1分子间相互作用分子间的相互作用是除共价键、离子键和金属键以外，分子间相互作用的总称。分子间相隔较远时，以吸引作用为主；相隔很近时，以排斥作用为主。当分子相互接近聚集在一起时，吸引作用和排斥作用达到平衡，使分子间作用能处于最低点，而成为稳定的聚集体。分子之间作用力的概念在7-1中已作介绍。严格地说,除了范德华力之外,分子间作用力还包括荷电基团间的作用,氢键,疏水基团相互作用,π-π堆叠作用以及非键电子推斥作用等。大多数分子的分子间作用能在l0kJ·mol-1以下，比一般的共价键键能小1-2个数量级，作用范围约为0.3-0.5nm(1nm=10-9m)。荷电基团间的静电作用，其本质和离子键相当，又称盐键，如,—COO-…+H3N—，其静电吸引能正比于互相作用的基团间荷电的数量，与基团电荷重心间的距离成反比。氢键作用是分子间最重要的强相互作用。疏水基团相互作用是指极性基团间的静电作用和氢键使极性基团倾向于聚集在一起，因而排挤疏水基团，使疏水基团相互聚集所产生的能量效应和熵效应。以蛋白质为例，在蛋白质分子中，疏水侧链基团如苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等较大的疏水基团，受水溶液中溶剂水分子的排挤，使溶液中蛋白质分子的构象趋向于把极性基团分布在分子表面，和溶剂分子形成氢键和盐键，而非极性基团聚集成疏水区，藏在分子的内部，这种效应即为疏水基团相互作用。据测定使两个CH2基团聚集在一起形成的稳定能约达3kJ·mol-1。π-π堆叠作用是两个或多个平面型的芳香环平行地堆叠在一起产生的能量效应。最典型的是石墨层型分子间的堆叠，其中层间相隔距离为335pm。在其他小分子组成的晶体中，芳香环出现互相堆叠在一起的现象也非常普遍。π-π堆叠作用和芳香分子中离域分子轨道同相叠加有关。非键电子推斥作用是一种近程作用。8-2-1分子识别超分子具有识别记忆、变换功能和传输功能。识别功能使特定的接受体对底物有选择作用，见图8-4。据此可以设计具有在能量上和空间上能够互相匹配的接受体和底物，使它们互相选择结合成超分子，并将信息存储在特定构造和成键位置中。变换功能是指超分子具有特定的反应性能和催化作用。传输功能是指底物分子具有通过生物膜等功能，其机理是作用物分子和膜中的分子缔合成超分子，再解离和扩散完成，见图。所以超分子的概念部分仍属于分子范畴，而部分已超出传统化学的原子¾分子层次，上升到分子以上层次，即有序高级结构。8-2-2晶体工程超分子化学并不局限在溶液中。结构化学家和晶体学家很快地了解到有机晶体是一个完美的超分子，是在一个惊人的准确水平上，数以百万计的分子互相识别、自行排列。如果说分子是原子通过共价键构建而成，则固态的超分子(晶体)是分子通过分子间的相互作用构建起来。晶体工程定义为“通过分子堆积了解分子间的相互作用，用以设计具有特定的物理性质和化学性质的新晶体。”晶体工程已成为一门开发利用分子或离子组分间非共价键的相互作用，合理地设计晶体结构，使之得到有价值的晶体的学科。晶体工程和分子识别的概念非常相似，它们都是以分子间的相互作用操纵超分子组装的技艺，结晶过程是一种高度精确的分子识别的实例。反而言之，晶体工程的目的是沿着分子识别指引的途径进行超分子的自发组装。晶体工程和分子识别是超分子化学的孪生子，都是使分子组分间的功能得到多方面配合，优化分子间不同强度的、定向的和与距离有关的各种相互作用。晶体工程已由结构化学家和物理化学家利用晶体学的知识加以发展，去设计新材料和固态反应。分子识别已由物理有机化学家利用生物的倾向和模拟生物合成过程加以发展。8-2-3自组装自组装是个含义较广的名词，既可适用于分子，也可适用于超分子。自组装是指一种或多种组分的分子，相互间能自发地结合起来，形成分立的或伸展的分子或超分子。分子自组装是靠共价键，超分子自组装靠非共价键，即各种分子间的作用力。超分子自组装涉及多个分子自发缔合成单一的、高复杂性的超分子聚集体。由分子组成的晶体，也是一种超分子。超分子的特性既决定于组分在空间的排列方式，也决定于分子间作用力的性质。分子晶体中分子排列结构和分子间作用力有关，也和堆积因子有关。超分子化学为化学科学提供新的观念、方法和道路，设计和制造自组装构建元件，开拓分子自组装途径，使具有特定结构和基团的分子自发地按一定方式组装成所需的超分子，并进一步聚集成宏观的聚集体。右图示出以π-π相互作用的方式进行不可逆自组装的结构。下图示出具有互补配位键和互补氢键的分子自组装形成分子盒和分子网球。8-2-4超分子合成子合成子一词是1967年由Corey引进，表示“用已知的或想像的合成操作所能形成或组装出来的分子中的结构单位”。在30年后按同样的含义用于超分子。“超分子合成子是用已知的或想像的、包含分子间相互作用的合成操作所能形成或组装出来的超分子中的结构单位。”分子识别和分子间相互作用的空间排列，可像常规有机合成中的相同路线进行。实际上，晶体工程的目标是去了解和设计合成子，使它有足够的能力将一种网络结构变成另外一种，而确保其一般性和预示性。下图示出若干超分子合成子的实例。超分子合成子是从设计的相互作用组合中推得，而不等同于相互作用基团。相互作用基团和合成子的区别虽然是细微的，但却实在地存在，因为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的内容包含在内。当化学和几何学不可避免地联系在一起时，单纯的相互作用基团也可看作是合成子，如Cl···C1，I···I和N···Br等。在超分子合成子中除了经常包含强氢键结合的品种外，如N—H···O和O—H···O等，弱氢键结合的品种，如C—H···X，也要考虑。虽然弱氢键的能量仅在2~20kJ·mol-1范围，但在晶体结构和堆积上所起的作用已和常规氢键所起作用相当。8-3晶体工程中氢键的作用氢键是晶体工程中最常用的一种工具,通过分子间的氢键的形成产生分子识别效应,从而进入晶体工程,构筑出超分子结构。8-3-1氢键和晶体堆积利用超分子合成子控制结构时，氢键对点阵能的贡献必须予以估算，要求选择的合成子在氢键上对总的点阵能有着明显的贡献，否则就不能利用。晶体的点阵能ELatt(晶格能)通常由四部分组成:静电能(Ee)、推斥能(Er)、色散能(Ed)和零点能(E0)：ELatt＝-Ee+Er-Ed-E0在尿素(NH2CONH2)晶体中，每个尿素分子周围都有6个其他尿素分子通过氢键互相结合。通过对尿素晶体势能的计算，说明在总的点阵能中氢键的相互作用能占85％。对剑桥晶体学数据库进行系统分析，说明有机晶体通常只在数目有限的几个低对称晶系中出现，大部分为三斜、单斜和正交晶系，优先采用具有平移对称元素的空间群，如P2l/c等。因为这有助于一个分子的突出部分和相邻分子的凹陷部分接触，达到最有效的空间堆积。大的平面形芳香分子趋向于面对面地堆叠，而略向边缘位移降低推斥作用对π-π堆叠能的影响。总之，结构的排列依赖于分子间相互作用的微妙平衡。8-3-2晶体工程中氢键的式样在超分子化学、分子识别和晶体工程领域中，氢键是不可缺少的工具用以设计分子聚集体。由于晶体的性质依赖于它的结构，利用具有某种特殊性能的原料设计出所需的晶体是可做到的。晶体工程已在许多领域有着丰富的成果，如生物分子底物的结合和识别，反应活性和催化作用，石油化工，以及新的非线性光学材料和铁电材料的合成等。近年来，晶体工程为了设计出新式样的晶体，对于那些能形成较强的和稳定的分子间相互作用的有机化合物，如碳水化合物、羧酸和酰胺以及无机化合物中相似的物种产生很大兴趣。通过研究，已在分子水平上，把识别的几何学与功能性和超分子式样的设计联系在一起。反过来这些超分子式样又可以使晶体具有特定的物理性质和化学性质。有机合成和晶体工程都力求统一到固体的分子识别式样中去。这种情况已通过实验反复地观察到，特定的构建基块或超分子合成子都清楚地显示出优选的式样。包含有这种基块的分子趋于结晶出同时在能量上有利、在密堆积上有效的排列的物种。下图及图8-8示出晶体工程中一些优选的式样：条状、带状、环状和层状的聚集体，其中三角形代表相同的或不同的模版组分，虚线代表分子间相互作用。条状和带状聚集体由于在材料科学中的应用，对晶体工程已显示出其重要性，例如通过氢键产生分子平移的稳定性，使晶体出现极性，这是导致许多物理性质的必要条件。层型聚集体由于能构建出具有特定性能的排列，有利于开拓应用途径，引起人们的兴趣。羧酸是晶体工程中为了控制功能团式样常用的化合物，它最普遍的连接式样是形成二聚体和多聚体。含有小取代基的羧酸，如甲酸和乙酸，一般形成多聚体合成子；其他取代基，特别是带芳香基团的羧酸则形成二聚体。例如对苯二酸和间苯二酸形成一维的条带，1,3,5-苯三酸利用它三重轴对称性形成二维氢键结合的层，而金刚烷-l,3,5,7四羧酸则形成金刚石型的骨架，如右图所示。8-3-3氢键和晶体设计1.网络设计通常由分子形成具有平移对称性的超分子结构，它是一种网络，理论上含有数目无限的分子。最简单的网络是有着一级平移对称性的一维α-网络。一般氢键结合的α-网络可由单一品种的分子组成，例如二级胺，如图8-9所示。一个具有二级平移对称性的超分子结构是一个β-网络，它包含有可分成独立的α-网络或分立组装的亚结构。例如简单二酰胺的β-网络,如图所示。第四种也就是最后一种超分子结构型式有着三级平移的对称性，称为γ-网络。在许多情况下，一个完整的晶体结构就是一个γ-网络。一个γ-网络应含有α-网络或是β-网络作为它的亚结构。如所示金刚石型网络。在建立氢键结合的网络时，一个最重要的化学概念是互补性，也就是在数目、形状和原子间距离等方面氢键的给体和受体都得到密切配合。而重要的晶体学概念是对称操作，它把形成每个分子间氢键的两个分子相互关连在一起。一个成功的设计，需要连续的氢键式样，它维持着化学的连结性和联结的对称操作。2.超分子瓣状体的构建胍正离子(GM+)和碳酸基二聚体在晶体工程中广泛地用作结构基块。已有几胍正离子(GM+)和碳酸基二聚体种有序的、扩展的氢键网络的实例，说明分子组分自组装成预先规定的堆积式样。分子瓣状体的生成，例如磺酸胍盐，1,3,5-苯三酸等，决定于给体和受体的氢键结合点的数目及组分的三重轴对称性。利用胍正离子(GM+)和碳酸氢离子二聚体(HC-)2可制得新型的瓣状体[2GM·4HC]2-4，示于图中。由图可见，每个瓣状体中由2个GM+单元和4个HC-单元组成准六重轴花瓣，它们是直线形条带结构中的一部分。因为在直线形条带4中，每个GM+单位有着一对自由的氢键给体点，一个带有合适的受体点的“分子连接体”，如对苯二酸盐5，或4-硝基苯甲酸盐6，都可用作平行条带的桥，形