1、化学学科的研究新领域超分子化学摘 要：超分子化学是上世纪八十年代末才兴起的一门新兴边缘学科，它迅速地与有机化学、生物化学和新型材料科学结合起来，为生命科学的研究和新技术、新材料的开发开拓了一个崭新的领域。本文从超分子化学的发展进程和理论基础入手，分析超分子体系的功能，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；发展；理论基础；超分子体系的功能 1 前言 经典理论认为：分了是保持物质性质的最小单位，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，也影响物质性质。近年来，逐渐发现一些传统分子理论难以解释的现象，如 DNA 合成等
2、形成的有序组合、绿色植物的光合作用、酶的催化作用等，均有特异的物质识别、输送及能量传递和转换功能。随着冠醚化学的发展，分子间作用力协同作用的重要性逐渐为人们所认识，超分子化学应运而生。在超分子体系中，分子与分子间力的关系就如同在分子中原子和共价键的关系一样。150 多年来，有机化学家的兴趣主要集中于有机分子的共价键方面，现在这一兴趣中心已开始向非共价键作用方向转移。 2 超分子化学的发展 1967 年 C. J. Pederson 发表了关于冠醚的合成和选择性络合碱金属的报告，揭示了分子和分子聚集体的形态对化学反应的选择性起着重要的作用；D.J. Cram 基于在大环配体与金属或有机分了的络合
3、化学方面的研究，提出了以配体（受体）为主体，以络合物（底物）为客体的主客体化学；J. M . Lehn 模拟蛋白质螺旋结构的白组装体的研究内容，在一定程度上超越了大环与主客体化学而进入了所谓“分子工程”领域，并进一步提出了超分子化学即“超越分子的化学”的概念。未来超分子体系化合物的特征应为：信息性和程序性的统一；流动性和可逆性的统一；组合性和结构的多样性的统一。超分子化学便成为一门研究集信息化、组织性、适应性和复合性于一体的物质的学科。 3 超分子化学的理论基础 超分子化合物是由主体分子和一个或多个客体分子之间通过非价键作用而形成的复杂而有组织的化学体系。主体通常是富电子的分子，可以作为电子给
4、体（D） ，如碱、阴离子、亲核体等。而客体是缺电了的分子，可作为电子受体（A） ，如酸、阳离子、亲电体等。超分子化学和配位化学同属于授受体化学，超分子体系中主体和客体之问不是经典的配位键，而是分子间的弱相互作用，大约为共价键的 5%-10%。因此可以认为，超分子化学是配位化学概念的扩展。超分子体系的微观单元是由若干乃至许许多多个不同化合物的分子或离子或其它可单独存在的具有一定化学性质的微粒聚集而成。聚集数可以确定或不确定，这与分子中原子个数严格确定具有本质区别。超分子的形成不必输入高的能量，不必破坏原来分子的结构及价健，主客体间没有强的化学键，这就要求主客体之问要有高度的匹配性和适应性，不仅要
5、求分子在空间儿何构型和电荷，甚至亲疏水性的互相适应，还要求在对称性和能量上的匹配。 4 超分子体系的功能 冠醚、环糊精和杯芳烃等大环化合物都具有穴状结构，能通过非共价键与离了以及中性分子形成超分子，在化学物质的分离提纯，功能材料的研制及超分子催化方面已表现出了广阔的应用前景，引起了越来越多的化学家对它的重视和研究。 4.1 超分子体系的识别功能 分子与位点识别是超分子体系的基础，识别是指给定受体与作用物选择性结合并产生某些特定功能的过程。发生在分子间的识别过程为分子识别，发生在实体局部间的识别过程谓之位点识别，识别过程需要作用物与受体间空间匹配、力场互补，实质上是超分子信息的处理过程。分子识别
6、是类似“锁和钥匙”的分子间专一性结合，可以理解为底物与给定受体间选择性键合，是形成超分子结构的基础。超分子作用对于某些化学反应过程如催化等具有重要的意义，特别是在生物体系中，相当多的生物化学过程离不开这种作用，如底物与蛋白质的作用，酶催化过程，遗传密码的复制、翻译、转录等以及抗体与抗原的作用等。因此，分子识别是白然界生物进行信息存贮、复制和传递的基础，以分子识别为基础，研究构筑具有特定生物学功能的超分子体系，对揭示生命现象和过程具有重要意义，并可能给化学研究带来新的突破。 4.2 超分子体系的催化功能 超分子催化即可由反应的阳离子受体分子实现，也可由反应阴离子受体来实现，还可通过作用物与辅助因
7、子的结合产生共催化，实现合成反应。超分子体系对光化学反应的催化作用、酶催化和模拟酶催化均是利用了超分子体系的分子识别作用达到了高选择性、温和条件下的催化目的。通常意义上的催化（热）反应中，无论是多相催化还是均相催化，超分子现象都常常出现。在多相催化中，形形色色的界面现象必须存在。固体催化剂表面上各类吸附位、活性中心与反应物、中间物和产物间不可避免地存在着各种各样的弱的、具有一定选择性的相互作用，从而有可能形成多组分超分子系统。均相催化反应中，催化剂与介质、反应物、中问物和产物问也会存在弱的选择性相互作用力。这是有选择地活化、改组化学键的前提。基于生物体抵御外来抗原，形成与之识别的抗体的性质，产
8、生了抗体催化研究。抗体催化具有酶催化的一些特性，专一性选择识别反应物、过渡态和反应，实现反应的低活化能、高选择性，实现一些普通催化化学难以实现的反应。其中关键是选择合成合适的半抗原，以便诱导筛选出特定要求的催化抗体。目前抗体催化已应用于酞基转移、-消去、C-C 键形成及断裂、水解、过氧化及氧化还原等反应中。4.3 超分子体系信息传递功能 超分子体系受外界的刺激产生性能和结构的变化，继而将刺激信号转变成分了信息并在体系中传输。这种传输的本质是电子转移、能量转移、物质传输、化学转换。超分子体系的多样性也决定了载流子的多样性，以及超分子体系的元激发过程中的各种结构载流子。超分子体系的不均一性决定了信
9、息传导过程的多通道与多种方式，包括跨膜传导道的传输、特征振荡与特征频率等。特别是纳米尺寸的量了限域效应、神经传导、离了通道与离了泵介电限域效应，体现了特殊介面效应下信息传导的新规律。信息传输与能量补偿相互匹配，保证信息传输稳定与有序的进行。严格来说有三个特点是最主要的：一是快速响应；二是非线性；三是放大作用。 5 结语 超分子化学是化学的一个崭新的分支学科，又与物理学、信息学、材料科学和生命科学等紧密相关，对超分子体系的深入研究，实际上已超出了化学范畴，形成了超分子科学。可以预见，作为超分子化学起源的主客体化学将与有机合成化学、配位化学和生物化学互相促进，为生命科学、材料科学、能源科学、环境科
10、学等共同发展作出巨大贡献。 参考文献 1 Jean Marie Lehn.超分子化学一概念和展望M.北京：北京人学出版社，2002. 2 杜灿屏等.21 世纪纪有机化学发展战略M.北京：化学工业出版社，2001， 12： 217- 220. 3 王佛松等.展望 21 世纪的化学M.北京：化学工业出版社，2001， 1： 189- 191. 4 邱立勤等.化学领域的前沿一超分子化学J.化学世界，1997， 4： 171-177. 5 周成飞.超分子材料的发展J.化工新型材料，2001，10： 30- 32 作者简介 张景慧（1990-） ，女，汉族，陕西省汉中市，本科在读，包装工程专业。 王佳博（1993-） ，女，汉族，吉林省长春市，本科在读，安全工程专业。 马小雪（1991-） ，女，汉族，辽宁省沈阳市，本科在读，安全工程专业。
