化学学科探究新领域—超分子化学

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1、化学学科探究新领域—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

2、等形成的有序组合、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。62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化学方

3、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6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（D

4、），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6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

6、别是类似“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6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

7、物与辅助因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