化學學科的研究新領域—超分子化學

張景慧 王佳博 馬小雪

摘 要：超分子化學是上世紀八十年代末才興起的一門新興邊緣學科，它迅速地與有機化學、生物化學和新型材料科學結合起來，為生命科學的研究和新技術、新材料的開發開拓了一個嶄新的領域。本文從超分子化學的發展進程和理論基礎入手，分析超分子體系的功能，指出了超分子化學對科學理論研究的重要意義和廣闊的應用前景。

關鍵字：超分子化學；發展；理論基礎；超分子體系的功能

1 前言

經典理論認為：分了是保持物質性質的最小單位，然而分子一經形成，就處于分子間力的相互作用之中，這種力場不僅制約著分子的空間結構，也影響物質性質。近年來，逐漸發現一些傳統分子理論難以解釋的現象，如DNA合成等形成的有序組合、綠色植物的光合作用、酶的催化作用等，均有特異的物質識別、輸送及能量傳遞和轉換功能。隨著冠醚化學的發展，分子間作用力協同作用的重要性逐漸為人們所認識，超分子化學應運而生。在超分子體系中，分子與分子間力的關系就如同在分子中原子和共價鍵的關系一樣。150多年來，有機化學家的興趣主要集中于有機分子的共價鍵方面，現在這一興趣中心已開始向非共價鍵作用方向轉移。

2 超分子化學的發展

1967年C. J. Pederson發表了關于冠醚的合成和選擇性絡合堿金屬的報告，揭示了分子和分子聚集體的形態對化學反應的選擇性起著重要的作用；D.J. Cram基于在大環配體與金屬或有機分了的絡合化學方面的研究，提出了以配體（受體）為主體，以絡合物（底物）為客體的主客體化學；J. M . Lehn模擬蛋白質螺旋結構的白組裝體的研究內容，在一定程度上超越了大環與主客體化學而進入了所謂“分子工程”領域，并進一步提出了超分子化學即“超越分子的化學”的概念。未來超分子體系化合物的特征應為：信息性和程序性的統一；流動性和可逆性的統一；組合性和結構的多樣性的統一。超分子化學便成為一門研究集信息化、組織性、適應性和復合性于一體的物質的學科。

3 超分子化學的理論基礎

超分子化合物是由主體分子和一個或多個客體分子之間通過非價鍵作用而形成的復雜而有組織的化學體系。主體通常是富電子的分子，可以作為電子給體（D），如堿、陰離子、親核體等。而客體是缺電了的分子，可作為電子受體（A），如酸、陽離子、親電體等。超分子化學和配位化學同屬于授受體化學，超分子體系中主體和客體之問不是經典的配位鍵，而是分子間的弱相互作用，大約為共價鍵的5%-10%。因此可以認為，超分子化學是配位化學概念的擴展。超分子體系的微觀單元是由若干乃至許許多多個不同化合物的分子或離子或其它可單獨存在的具有一定化學性質的微粒聚集而成。聚集數可以確定或不確定，這與分子中原子個數嚴格確定具有本質區別。超分子的形成不必輸入高的能量，不必破壞原來分子的結構及價健，主客體間沒有強的化學鍵，這就要求主客體之問要有高度的匹配性和適應性，不僅要求分子在空間兒何構型和電荷，甚至親疏水性的互相適應，還要求在對稱性和能量上的匹配。

4 超分子體系的功能

冠醚、環糊精和杯芳烴等大環化合物都具有穴狀結構，能通過非共價鍵與離了以及中性分子形成超分子，在化學物質的分離提純，功能材料的研制及超分子催化方面已表現出了廣闊的應用前景，引起了越來越多的化學家對它的重視和研究。

4.1 超分子體系的識別功能

分子與位點識別是超分子體系的基礎，識別是指給定受體與作用物選擇性結合并產生某些特定功能的過程。發生在分子間的識別過程為分子識別，發生在實體局部間的識別過程謂之位點識別，識別過程需要作用物與受體間空間匹配、力場互補，實質上是超分子信息的處理過程。分子識別是類似“鎖和鑰匙”的分子間專一性結合，可以理解為底物與給定受體間選擇性鍵合，是形成超分子結構的基礎。超分子作用對于某些化學反應過程如催化等具有重要的意義，特別是在生物體系中，相當多的生物化學過程離不開這種作用，如底物與蛋白質的作用，酶催化過程，遺傳密碼的復制、翻譯、轉錄等以及抗體與抗原的作用等。因此，分子識別是白然界生物進行信息存貯、復制和傳遞的基礎，以分子識別為基礎，研究構筑具有特定生物學功能的超分子體系，對揭示生命現象和過程具有重要意義，并可能給化學研究帶來新的突破。

4.2 超分子體系的催化功能

超分子催化即可由反應的陽離子受體分子實現，也可由反應陰離子受體來實現，還可通過作用物與輔助因子的結合產生共催化，實現合成反應。超分子體系對光化學反應的催化作用、酶催化和模擬酶催化均是利用了超分子體系的分子識別作用達到了高選擇性、溫和條件下的催化目的。通常意義上的催化（熱）反應中，無論是多相催化還是均相催化，超分子現象都常常出現。在多相催化中，形形色色的界面現象必須存在。固體催化劑表面上各類吸附位、活性中心與反應物、中間物和產物間不可避免地存在著各種各樣的弱的、具有一定選擇性的相互作用，從而有可能形成多組分超分子系統。均相催化反應中，催化劑與介質、反應物、中問物和產物問也會存在弱的選擇性相互作用力。這是有選擇地活化、改組化學鍵的前提。基于生物體抵御外來抗原，形成與之識別的抗體的性質，產生了抗體催化研究。抗體催化具有酶催化的一些特性，專一性選擇識別反應物、過渡態和反應，實現反應的低活化能、高選擇性，實現一些普通催化化學難以實現的反應。其中關鍵是選擇合成合適的半抗原，以便誘導篩選出特定要求的催化抗體。目前抗體催化已應用于酞基轉移、β-消去、C-C鍵形成及斷裂、水解、過氧化及氧化還原等反應中。

4.3 超分子體系信息傳遞功能

超分子體系受外界的刺激產生性能和結構的變化，繼而將刺激信號轉變成分了信息并在體系中傳輸。這種傳輸的本質是電子轉移、能量轉移、物質傳輸、化學轉換。超分子體系的多樣性也決定了載流子的多樣性，以及超分子體系的元激發過程中的各種結構載流子。超分子體系的不均一性決定了信息傳導過程的多通道與多種方式，包括跨膜傳導道的傳輸、特征振蕩與特征頻率等。特別是納米尺寸的量了限域效應、神經傳導、離了通道與離了泵介電限域效應，體現了特殊介面效應下信息傳導的新規律。信息傳輸與能量補償相互匹配，保證信息傳輸穩定與有序的進行。嚴格來說有三個特點是最主要的：一是快速響應；二是非線性；三是放大作用。

5 結語

超分子化學是化學的一個嶄新的分支學科，又與物理學、信息學、材料科學和生命科學等緊密相關，對超分子體系的深入研究，實際上已超出了化學范疇，形成了超分子科學。可以預見，作為超分子化學起源的主客體化學將與有機合成化學、配位化學和生物化學互相促進，為生命科學、材料科學、能源科學、環境科學等共同發展作出巨大貢獻。

參考文獻

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作者簡介

張景慧（1990-），女，漢族，陜西省漢中市，本科在讀，包裝工程專業。

王佳博（1993-），女，漢族，吉林省長春市，本科在讀，安全工程專業。

馬小雪（1991-），女，漢族，遼寧省沈陽市，本科在讀，安全工程專業。