超分子化学 综述

摘要：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：超分子化学 分子识别 自组装

定义

超分子化学（supramolecular chemistry）是化学与生物学、物理学、材料科学、信息科学和环境科学等多门学科交叉构成的边缘科学，亦称主- 客体化学(host-guest chemistry)。 简介

超分子化学的发展不仅与大环化学（冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、碳60等）的发展密研究息息相关。到目前为止，尽管超分子化学还没有一个完整、精确的定义和范畴，但它的诞生和成长却是生机勃勃、充满活力的。

超分子稳定形成的因素

超分子稳定形成的因素，可从能量降低因素、熵增加因素及锁和钥匙原理来分析，通过这些分析,可加深对超分子和超分子化学的理解和认识,这比将超分子中分子间的结合力简单归结为非共价键更为具体、明确

分子识别和自组装

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。 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[5] 。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

发展简史

1987年诺贝尔化学奖授予C.J Pedersen (佩德森)、J.M Lehn (莱恩)、D.J Cram (克来姆)三位化学家，以表彰他们在超分子化学理论方面的开创性工作。1967 年Pederson 等第一次发现了冠醚。这可以说是第一个发现的在人工合成中的自组装作用。Cram 和Lehn在Pedersen工作的启发下，也开始了对超分子化学的研究。从此之后，超分子化学作为一门新兴的边缘科学快速发展起来。

超分子化合物的分类

3.1杂多酸类超分子化合物

杂多酸是一类金属一氧簇合物，一般呈笼型结构，是一类优良的受体分子，它可以与无机分子、离子等底物结合形成超分子化合物。作为一类新型电、磁、非线性光学材料极具开发价值，有关新型Keg-gin和Dawson型结构的多酸超分子化合物的合成及功能开发日益受到研究者的关注。合成了Dawson型磷钼杂多酸对苯二酚超分子膜及吡啶Dawson型磷钼多酸超分子膜修饰电极，发现该膜电极对抗坏血酸的催化峰电流与其浓度在0.35～0.50mol/L范围内呈良好的线性关系。合成了多酸超分子化合物，首次发现了杂多酸超分子化合物溶于适当有机溶剂中可表现出近晶相液晶行为。

3.2 多胺类超分子化合物

由于二氧四胺体系可有效地稳定如Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)等过渡金属离子的高价氧化态，若二氧四胺与荧光基团相连，则光敏物质荧光的猝灭或增强就与相连的二氧四胺配合物与光敏物质间是否发生电子转移密切相关，即通过金属离子可以调节荧光的猝灭或开启，起到光开关的作用。 大环冠醚由于其自组装性能及分子识别能力而引起人们广泛的重视。近来，冠醚又成为在超分子体系中用于建构主体分子的一种重要的建造单元。]利用了冠醚分子的分子识别能力及蒽醌分子的光敏性，设计合成了一种新的氮杂冠醚取代蒽醌分子，并以该分子作为主体分子，以稀土离子作为客体构成超分子体系，并研究了超分子体系内的能量转移过程。

3.3 卟啉类超分子化合物

卟啉及其金属配合物、类似物的超分子功能已应用于生物相关物质分析，展示了更加诱人的前景，并将推动超分子络合物在分析化学中应用的深入开展。

3.4 树状超分子化合物

树状大分子(dendrimer)是20世纪80年代中期出现的一类新的合成高分子。首次合成以阴离子卟啉作为树状分子的核，树状阳离子为外层，基于卟啉阴离子与树状阳离

子之间静电作用力来组装树状超分子复合物。镧系金属离子(Ln3+)如Tb3+和Eu3+的发光具有长寿命(微秒级)、窄波长、对环境超灵敏性等特点，是一种优良的发光材料，但镧系金属离子在水溶液中只有很弱的发光。

3.5 液晶类超分子化合物

侧链液晶聚合物具有小分子液晶和高分子材料的双重特性，晏华在《超分子液晶》中详细讨论了超分子和液晶的内在联系，探讨了超分子液晶分子工程和超分子液晶热力学。从分子设计的角度出发，合成了以对硝基偶氮苯为介晶基团的丙烯酸类液晶聚合物，液晶基元上作为电子受体的硝基和作为电子给体的烷氧基可与苯环、N-N之间形成一个离域的π电子体系。初步的研究表明：电晕极化制备的该类聚合物的取向膜具有二阶非线性光学性质。

3.6 酞菁类超分子化合物

合成了带负电荷取代基的中位四(4′-磺酸基苯基)卟啉及锌络合物和带正电荷取代基2,9,16,23 四[(4′-N,N,N三甲基)苯氧基]酞菁季铵碘盐及锌络合物，并用Job氏光度滴定的方法确定了它们的组成，为面对面的杂二聚体或三明治式的杂三聚体超分子排列。发现在超分子体系中卟啉与酞菁能互相猝灭各自的荧光，用纳秒级的激光闪光光解技术观察到卟啉的正离子在600～650 nm 和酞菁负离子自由基在550～600 nm的瞬态吸收光谱。结果表明在超分子体系中存在分子间的光诱导电子转移过程

前景

现代化学与18、19世纪的经典化学相比较，其显著特点是从宏观进入微观，从静态研究进入动态研究，从个别、细致研究发展到相互渗透、相互联系的研究，从分子内的原子排列发展到分子间的相互作用。从某种意义上讲，超分子化学淡化了有机化学、无机化学、生物化学和材料化学之间的界限，着重强调了具有特定结构和功能的超分子体系，将四大基础化学（有机化学、无机化学、分析化学

和物理化学）有机地融合为一个整体，从而为分子器件、材料科学和生命科学的发展开辟了一条崭新的道路，且为21世纪化学发展提供了一个重要方向。

超分子化学并非高不可攀，有许多超分子结构似乎都可见我们的日常生活。例如，可以把轮烷（rotaxane）比为东方的算盘；索烃（catenane）舞池中的一对舞伴；C60类似于圆拱建筑；环糊精（cyclodextrins）和激光唱盘（CD）有同样的简称和信息存放功能；DNA双螺旋则与家喻户晓的早餐佐食麻花多少有点相似。以非共价键弱相互作用力键合起来的复杂有序且有特定功能的分子结合体——“超分子”是共价键分子化学的一次升华，被称为“超越分子概念的化学”，它不仅在材料科学、信息科学，而且在生命科学中均具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

为了鼓励和推进超分子化学的深入研究，1987年诺贝尔化学奖授予了超分子化学研究方面的三位科学家：美国的佩德森（Pedersen C J）、克拉姆（Cram D J）和法国的莱恩（Lehn J M）。莱恩在获奖演说中曾为超分子化学作了如下解释：超分子化学是研究两种以上的化学物种通过分子间力相互作用缔结而成的具有特定结构和功能的超分子体系的科学。

超分子化学在药物开发中的应用研究是国际学术界和工业界共同关注的一个热点。药物分子和其它有机分子通过氢键作用结合在一起形成的药物超分子化合物,可有效改善药物的溶解度、生物利用度等性质,成为药物制剂的一个新选择。超分子药物化学是超分子化学在药学领域的新发展。该领域发展迅速，是一个新兴的交叉学科领域，正在逐渐变成一个相对独立的研究领域。迄今已有许多超分子化学药物应用于临床，其效果良好。更多的超分子体系正在作为候选药物进行临床研究开发。超分子化学药物因具有良好的稳定性、安全性、低毒性、不良反应少、高生物利用度、消除药物异味、克服多药耐药、药物靶向性强、多药耐药性小、生物相容性好、高疗效以及开发成本低、周期短、成功可能性大等诸多优点而备受关注，在抗肿瘤、抗炎镇痛、抗疟、抗菌、抗真菌、抗结核、抗病毒、抗癫痫、作为心血管和磁共振成像药物等医药领域具有很大的发展潜力。可以预料，在不远的将来，超分子化学药物的研究与开发必将越来越活跃，可能逐渐发展成为一个独立的超分子药物化学学科研究领域。目前超分子化学药物研究虽然取得了许多重要进展，超分子化学药物的主体分子涉及环糊精、卟啉、高分子及其他多类结构化合物，客体分子本身为药物和非药物分子等，但主要工作集中在环糊精类、卟啉类及金属络合物类等超分子化学药物领域。应该说超分子化学药物的研究还处于起步阶段。随着超分子化学进一步发展和超分子药物研究的深入，超分子化学药物的研究与开发必将进一步延伸。

药物共晶是一种新兴的药物晶型。一个给定的活性药物分子通过形成共晶，一方面可以大大丰富其结晶形式，另一方面可以改善其物化性质及临床疗效。药物活性分子通常因含有各种官能团而具有不同的生物活性。最新研究发现，这些官能团能够利用氢键或者其它非共价键作用而与其它有机分子通过分子间的识别作用生成超分子化合物，即药物共晶，从而有效改善药物本身的结晶性能、物化性质及药效，成为药物固体制剂的一个新选择。被引入的有机分子，也称为共晶试剂，可以是辅料、维生素、矿物质、氨基酸及食品添加剂等。因此，对于一个给定的药物，可能生成数以百计的药物共晶，为剂型设计提供了更多的选择。此外，新的药物共晶可获得知识产权保护，延长原有药物的市场周期，具有广阔的应用前景。超分子化学的药物共晶研究在国际上已经取得了一些进展。基于超分子化学原理的药物共晶研究可以从分子水平上控制药物分子的结晶过程，调控药物分子在晶体中的排列方式，从而达到改善药物性质的目的。在药物研发领域中，共晶筛选已成为继多晶型筛选和盐类筛选之后的又一项常规前期研究开发程序。目前药物共晶放大生产的相关研究也已展开，其产品的上市指日可待。然而迄今为止，对药物共晶的研究还处于起步阶段，大部分研究工作主要是进行药物共晶的设计、筛选及结构解析，对于药物共晶性质的系统研究及药物共晶结构与性能之间的相关性研究尚很少涉及。因此，深入探讨药物共晶形成的机理以提高共晶的筛选效率，通过药物共晶调控药物分子之间相互作用和堆积排列方式以达到定向改变药物熔点、溶出速率、溶解度和生物利用度等性质的目的，以适应药物开发的需要，将是药物共晶这一新兴研究领域将要面临的主要任务。

超分子化学作为一门新兴的边缘学科，其内容新颖，生命力强大，用途广泛。从某种意义上讲，超分子化学淡化了有机化学、无机化学、生物化学和材料化学之间的界线，着重强调了具有特定结构的超分子体系(非单一分子体系)，将四大基础化学(无机、有机、分析、物化)有机地融为一体，从而为分子器件、信息科学、材料科学、生命科学、能源科学、医药学和环境科学的发展开辟了一条崭新的道路，且为21世纪化学发展提供了一个重要的热点研究方向。Cram在20世纪80年代就曾预言，到20世纪末21世纪初，30%～40%的化学家将要运用包括分子识别在内的超分子化学的某些知识去解决所面临的问题，特别是在酶模拟、色谱、催化剂和药物控制释放等方面。自超分子化学这一概念确立以来，超分子

化学的应用涉及信息科学、材料科学、生命科学、能源科学、医药学和环境科学等领域。不管是哪方面的应用，都有它的优势以及不足。我们有理由相信，随着世界科学家对该领域研究的不断深入，超分子化学必将在生命科学、环境科学、能源科学、材料科学、医药学等领域的应用中大放异彩。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nou6.html