超分子化学及分子识别和分子自组装

按照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-A2．超分子体系中的分子识别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。而要发生手性识别，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。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。综上所述，在大多数情况下，使用外消旋混合物药物、农药、香料香精等，会使无效成分在人体或环境中积累，造成危害和污染。从经济上来说，使用消旋混合物中的无效成分也是一种浪费。针对外消旋化学品潜在的危险性，美国食品与药物管理局在1992年5月颁布新的法案，严格限制外消旋化学品的使用。现在，药物中有10％以单一旋光体出售，而且这个比例将会不断提高。这就对手性化合物的制备提出了迫切的要求。4．手性化合物的制备单一手性物质的获得方法有三种：1)手性源合成法：是以手性物质为原料合成其它手性化合物。2)不对称合成法：是在催化剂或酶的作用下合成得到以某一对映体为主的化学的或生物的不对称合成法，近20年来取得了长足进步，并且已开始进入工业化生产。3)外消旋体拆分法：是在手性助剂的作用下，将外消旋体拆分为纯对映体，这种方法已被广泛使用。外消旋体拆分方法有：1)化学拆分法：与纯手性物质形成非对映体盐或共价衍生物，然后利用非对映体的性质差异进行分离(如分级结晶)，再将衍生物还原为纯对映体。2)酶或微生物法：利用酶或微生物对对映体具有专一识别能力的性质，消耗掉一种对映体而得到另一种对映体。3)色谱拆分法：色谱拆分法可分为气相色谱法和液相色谱法。5.分子识别及自组装的应用—手性识别和消旋体的手性分离CrystalpackingdiagramofcomplexofS-phyenlalanineandS-mandelicacidviewedalongthebaxis,dashedlineshowsH-bonding