超分子化学及分子识别和分子自组装

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化学新进展————超分子化学及分子识别和分子自组装

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。

于是，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。

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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。

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表1 分子间作用力的分类

类型

力的范围

重叠 短程 (库仑力及电子交换) 静电 较短程 诱导 长程 色散 长程 共振 长程 磁作用 长程 氢键 较短程

吸引(-) 有加和性*(A) 排斥(+) 无加和性(NA) -/+ NA

-/+ -/+ -/+ -

A NA 近似A // A

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2.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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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

Crystal packing diagram of complex of Sphyenlalanine and S-mandelic acid viewed alongthe b axis, dashed line shows H-bonding

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