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超分子化学研究进展摘要:超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学。在与材料科学、生命科学、信息科学、纳米科学与技术等其它学科的交叉融合中,超分子化学已发展成了超分子科学,被认为是21世纪新概念和高技术的重要源头之一。本文介绍了超分子化学的基本理论和概念,论述了其基本功能和应用,探讨了当前超分子化学领域的研究热点和进展状态,以及目前还存在的基本问题。一、前言关于超分子化学的发展特别要提到三个人,PedersonC,,他们分享了1987年诺贝尔化学奖[1]。,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;,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;,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,即在分子水平上制造有一定结构的分子聚集体而起到一定的特殊性质的工程,并进一步提出了超分子化学即“超越分子的化学”的概念,他指出:“基于共价键存在着分子化学领域,基于分子组装体和分子间键而存在着超分子化学”[2]。超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学,它主要研究分子间的非共价键的弱相互作用,如氢键、配位键、亲水键相互作用及它们之间的协同作用而生成的分子聚集体的组装、结构与功能。超分子化学作为化学的一个独立分支,已经得到普遍认同。它是一个交叉学科,涉及无机与配位化学、有机化学、高分子化学、生物化学和物理化学,由于能够模仿自然界已存在物质的许多特殊功能,形成器件,因此它的潜在应用价值已倍受人们青睐。超薄膜、纳米材料、高分子有机金属材料、非线性光学材料及高分子导电材料等已成为国内许多研究机构热点。此外,超分子化学在生物传感器、润滑材料、防腐蚀材料、膜材料、黏合剂及表面活性剂等方面也有很广泛的应用前景[3],目前,除了冠醚外,环糊精、环芳烃、索烃、旋环烃、级联大分子等作为新的超分子实体,引起广泛关注。国际上超分子科学的研究开展得如火如荼,发达国家和地区,如欧盟、美国和日本等都投入了大量的人力和物力进行超分子科学方面的研究与开发。在国家自然科学基金委、科技部、教育部、中国科学院等相关部门的大力支持下,我国的科学工作者较早地开展了超分-T-科学研究,并做出了一大批有特色的工作。我们将会在下面的文章中介绍超分子科学研究的热点和基本问题。二、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,可以作为电子给体,如碱、阴离子、亲核体等;客体是缺电子的分子,可作为电子受体,如酸、阳离子、亲电体等。超分子体系中主体和客体之间不是经典的配位键,而是分间的弱相互作用,其键能大约为共价键的5一10%,且具有累加性,但形成的基础是相同的,都是分子间的协同和空间的互补,因此可以认为,超分子化学是配位化学概念的扩展[4],下图1的(a)--(d)表示了有关概念的典型示例[5],目前研究超分子化学内的弱相互图1(a)典型的共价键配位化合物[Co(NH3)6]Cl3;(b)多中心键的有机配合物二茂铁中配体环戊二烯基;(c)离子偶极作用和空间配位的主客体化合物苯并-15冠-5的铜配合物;(d)弱作用的生物体系缔合物。作用力的方法主要有:经验法、分子力学法、统计力学法和量子化学法。三、,沿用生物学中的术语,前者即受体,后者为基质。当自组装成超级分子时,较大的受体的结合位通常是会聚的,被结合的较小基质的结合位则是发散的,两者在电子性能和几何空间上互补。在生物过程中,基质和蛋白质受体的结合,酶反应中的锁钥关系,蛋白质-蛋白质络合物的组装,免疫抗体抗原的结合,分子间遗传密码的读码翻译和转录,神经递素诱发信号,组织的识别等,都涉及这种自组装作用。超分子化学不仅研究自然界中现实的自组装作用,还要人工合成具有这种作用的组装体。在形成组装体时,最基本的功能是分子的识别、转化和移位。(1)分子识别分子识别(molecularrecognition)是主体(或受体)对客体(或底物)选择性结合并产生某种特定功能的过程。它是不同分子间的一种特殊的、专一的相互作用,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[6](见图2)图2锁和钥匙原理示意图在超分子中,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;