超分子化学及分子识别和分子自组装
化学中的超分子化学和化学生物学
化学中的超分子化学和化学生物学化学，是自然科学的一个重要分支，主要研究物质的组成、性质、结构、变化以及它们之间的相互作用。
在这个领域中，超分子化学和化学生物学是两个备受瞩目的方向。
它们在理论和应用上都取得了很大的进展，并带来了许多革命性的新颖技术和思想。
一、超分子化学超分子化学，是研究分子之间的相互作用、组装和自组装等问题的科学领域，主要涉及化学、物理、生物等学科。
在生物领域中，超分子化学中的分子识别、分子自组装等现象已经成为大家广泛关注的研究方向。
例如，在医药化学中，药物设计需要明确分子与分子之间的相互作用机制，而超分子化学提供了丰富的方法来解决这个问题。
另一个例子是在材料化学中，研究纳米材料的制备和性能也涉及到超分子化学的研究内容。
超分子化学的一个重要概念是配位化学，它是一种化学过程，涉及至少两个反应物，在其中一个分子中形成复合物，并通过相互作用来调整反应物和产物之间的相对位置和方向性。
配位化学在合成新分子、制备新材料和分离混合物等领域中都有广泛应用。
二、化学生物学化学生物学，是化学和生物学的一种交叉学科，研究化学与生命现象之间的相互关系。
在化学生物学中，研究的问题包括：生物大分子的合成、酶的活性和机理、药物的发现和设计等。
通过掌握这些问题的知识，人们可以有效地研发新药物、改善健康状况、提高生物工艺制造能力等。
化学生物学在药物设计和发现中扮演着重要角色。
近年来，生物制药在国际市场不断扩张，而化学生物学的强大作用则在其中起到了至关重要的作用。
化学生物学通过设计新的药物分子结构，来发现和研究与疾病相联系的目标蛋白，预测和调节药物与受体之间的相互作用机制，从而改善药物的效果和副作用。
化学生物学还与材料科学、新能源技术等领域有着密切的联系。
例如，以生物原料为基础制备的新材料有着广泛的应用前景和发展空间。
同时，通过模拟和合成光合作用等生物转化过程，也可以有效提高太阳能电池和其他新能源技术的效率和可持续性。
超分子化学的概念和发展
超分子化学的概念和发展超分子化学是研究分子之间的相互作用、自组装和自组织行为的跨学科领域。
它探索了尺度在集团分子和纳米米级之间的体系，通过调控分子之间的相互作用，实现了结构、功能和性能的精确控制，从而为材料科学、生物医学、信息技术等领域提供了新的解决方案。
超分子化学的概念最早可以追溯到20世纪20年代，但正式被提出并得到广泛关注是在20世纪60年代。
当时，物质的组装原理、多种构型的稳定性以及自组装过程被认为具有重要意义。
然而，真正推动超分子化学发展的奠基性工作是由法国化学家让·马里·勒纳纳德（Jean-Marie Lehn）在20世纪70年代提出的。
勒纳纳德提出了超分子化学的核心思想，即“化学系统的功能性与结构性质之间的相互关系，通过分子组装而实现”。
他发展了一种新的化学概念，即“主客体相互作用”，揭示了分子间相互作用对结构和功能的调控作用。
基于这一概念，勒纳纳德发展了分子识别和分子自组装的原则，并创造性地提出了配位化学（coordination chemistry）和超分子化学的交叉领域——超分子识别化学。
超分子化学的发展得益于仪器设备的进步、理论计算方法的发展以及高分辨率成像技术的突破。
这使得研究人员能够更好地观察和理解分子之间的相互作用、自组装和自组织行为。
同时，超分子化学也得到了生物化学、材料科学和纳米科技等领域的广泛应用和支持。
超分子化学的研究内容包括超分子结构、超分子自组装、超分子识别和反应等方面。
超分子结构的研究关注分子之间的非共价相互作用，以及这些相互作用对分子组装和结构稳定性的影响。
超分子自组装则探索分子在适当条件下自发组装成大分子结构或材料的过程。
超分子识别研究研究分子之间的特异性相互作用，以实现非常规分子识别和分离。
超分子反应则关注在超分子体系中进行的非共价相互作用驱动的化学反应。
超分子化学的发展在实际应用上具有广泛的潜力和前景。
在材料科学领域，超分子化学为设计和制备新型材料提供了新思路。
超分子化学
例3: 三苯基磷磺酸钠盐环糊精组装
三苯基磷磺酸单钠盐和
β- 环糊精相互作用，三 苯基磷磺酸钠盐被作为客体和环糊精发生了自组 装．
6、 超分子研究的基本问题
目前超分子化学研究涉及的核心问题是各种弱相互作 用的方向性和选择性如何决定分子间的识别及分子的 组装性质。其中包括更基本的科学问题，如弱相互作 用的本质是什么，它们之间的协同效应如何进行等等。 要解决这些问题则： (a)强理论研究，可以进一步认识弱相互作用的本质及 规律； (b)和通过组装与识别相互作用来构造高级结构、设计 功能器件及分子机器要加强研究。
自组装技术的重要作用主要体现在以下几方面：
(a)在合成材料或制备功能体系时，科技工作者可以在更广的 范围内选择原料； (b)自组装材料的多样性，通过自组装可以形成单分子层、膜、 囊泡、胶束、微管以及更为复杂的有机/无机、生物/非生物 的复合物等其多样性超过其他方法所制备的材料； (C)多种多样、性能独特的自组装材料将被广泛应用在光电子、 生物制药、化工等领域，并对其中某些领域产生未可预知的 促进作用； (d)自组装技术代表着一类新型的加工制造技术，对电子学等 有很大的促进作用。
3、超分子的结构化学
(1) 能量降低因素 超分子体系和其他化学体系一样，由分子形成稳 定超分子的因素，在不做有用功能时，可从热 力学自由焓的降低(△G<0)来理解： △G= △H－T△S △H为焓变，代表降低体系能量的因素； △S为体系熵增的因素
分子聚集在一起，依靠分子间的相互作用力，客体 间通过非共价键缔合作ห้องสมุดไป่ตู้形成。 主客体间的相互作用方式主要有以下几种，同时也 是降低超分子体系能量的主要因素：
分子识别主要为离子客体识别和分子客体 识别，依靠非共价键的分子作用力。
超分子化学中的分子识别与自组装
超分子化学中的分子识别与自组装超分子化学是研究分子之间非共价相互作用的科学，它的诞生，标志着化学科学由物质的性质和变化向“分子世界”的探索和研究转移。
其中分子识别和自组装是超分子化学中最基础、最核心的概念，也是现代化学、材料科学和生命科学等领域所需的基础学科之一。
本文将从超分子化学的角度，探讨分子识别和自组装的原理和应用。
一、超分子化学简析超分子化学是通过非共价作用构建新型结构和功能的方法。
其中包括氢键、范德华力、离子对吸引、π-π作用等各种非共价相互作用。
在分子之间存在的相互作用力中，氢键是最基本、最重要的一种。
例如DNA中双螺旋结构的形成，各种生理作用的发挥，都离不开氢键的作用。
超分子化学的研究对象主要为分子在溶液中的行为，以及分子之间的相互作用，在这个体系中，分子的性质和功能不仅与分子本身有关，还与周围分子的性质和环境有关。
二、分子识别分子识别是超分子体系中的基础概念。
分子识别是指不同分子之间特异性地相互识别、相互结合的过程。
这种分子间的相互作用是非共价性质的，相互作用力不够强大，因此分子识别是一种特异性的分子间相互作用。
在生物学、化学和药学等领域，分子识别是一种重要的现象和研究问题。
分子识别的过程是一个动态平衡过程。
在这个过程中，分子的结构、功能和属性都发生了变化。
分子识别需要满足三个条件：相互作用力强、选择性强、动态平衡。
相互作用力强是指分子间的非共价作用力要足够强大，才能使得相互作用得以发生。
选择性强是指分子识别必须是特异性的，分子对分子的识别应该是具有一定选择性的。
而动态平衡是指分子识别的过程是不断进展的，分子间的相互作用和分子结构的变化是一个动态平衡的过程。
分子识别的应用涉及到许多领域，例如材料科学、药物研究、化学催化等。
三、自组装自组装是另一个重要的超分子化学概念。
自组装是指分子在特定条件下，按照一定规律进行自身排列的过程。
自组装的思想可以看作是利用自然现象，来构筑新材料或者新分子的一种手段。
化学科学的研究新领域超分子化学
化学科学的研究新领域超分子化学一、本文概述超分子化学，作为化学科学中的一个新兴研究领域，近年来逐渐受到了广泛的关注和研究。
它主要关注于分子间相互作用和分子自组装等超分子体系的构筑、性质和功能研究。
超分子化学不仅深化了我们对分子间相互作用的理解，也为材料科学、生物医学、能源科学等多个领域提供了新的思路和方法。
本文将对超分子化学的研究背景、发展现状、主要研究领域以及未来展望进行详细的介绍和探讨。
我们将回顾超分子化学的发展历程，了解其从分子间相互作用到超分子体系的演变过程。
我们将重点介绍超分子化学在分子识别、自组装、超分子器件等领域的研究进展和应用。
我们还将探讨超分子化学在纳米材料、生物医学和药物传递、能源储存与转换等领域的潜在应用。
我们将展望超分子化学的未来发展方向，以期为该领域的深入研究和应用提供有益的参考。
通过本文的阐述，读者可以全面了解超分子化学的基本概念、研究内容和发展趋势，为相关领域的研究人员提供有益的启示和借鉴。
本文也旨在为超分子化学的发展和应用提供更为广阔的空间和机遇。
二、超分子化学的基本原理超分子化学，作为一门新兴的化学科学领域，其基本原理主要围绕着分子间的相互作用和非共价键的形成。
超分子化学的核心概念是“超分子”，指的是通过分子间相互作用力（如氢键、范德华力、金属配位键、π-π堆积等）自发形成的、具有特定结构和功能的分子聚集体。
这些作用力虽然弱于共价键，但在特定条件下，它们能够精确控制分子的排列和组合，从而构建出复杂而有序的超分子结构。
超分子化学的基本原理包括分子识别、自组装和动态可逆过程。
分子识别是指分子间通过特定的相互作用选择性地结合，这是超分子结构形成的基础。
自组装则是指分子在无需外界干预的情况下，通过分子间相互作用自发形成有序的超分子结构。
这种自组装过程往往伴随着能量的降低和熵的增加，是超分子化学中的一个重要驱动力。
动态可逆过程是超分子化学的另一个重要原理，它指的是超分子结构在外部刺激下能够发生可逆的变化。
超分子化学在纳米材料制备中的应用
超分子化学在纳米材料制备中的应用超分子化学是一种研究分子间相互作用和自组装的学科，它通过分子间相互作用构建出有序的、具有特定性质的超分子结构。
在纳米材料制备中，超分子化学发挥着重要作用，可以实现高效的、可控的纳米材料制备。
一、分子识别与自组装在超分子化学中，利用分子间的非共价相互作用（如氢键、范德华力、离子-离子相互作用等）构建起各种超分子结构。
其中，分子识别是实现自组装的重要手段。
分子可以通过末端基团、酞菁、卟啉等基团进行分子识别，实现自组装。
利用这些基团的配位作用或电荷相互作用，可以控制分子在空间上的排列方式。
例如，利用多酰胺化合物的分子间氢键相互作用，可以构建出高度有序的薄膜结构。
二、纳米胶束纳米胶束是由难溶性分子在溶液中聚集形成的微小球体。
在纳米胶束中，分子可以通过疏水作用聚集在胶束的内部，形成水包油的结构。
纳米胶束具有良好的稳定性、可控的形态和大小，因此被广泛应用于纳米材料制备中。
通过改变胶束中分子的种类、浓度和溶剂性质等因素，可以实现纳米材料的生长和形态控制。
例如，利用逆相微乳液法可以制备出尺寸可控的金纳米粒子，其尺寸可以通过微乳液中水相区域的大小来调控。
三、超分子模板法超分子模板法是利用含分子识别基团的小分子在溶液中组装形成的超分子结构，作为模板进行纳米材料生长的方法。
通过调整组成溶液和控制沉淀条件，可以制备出具有特定孔径、形态的纳米材料。
例如，利用脱氧胆酸为模板，在溶液中合成氧化铁和氧化锰纳米管，在纳米管的表面形成了特定的孔径和形态。
超分子化学在纳米材料制备中的应用，不仅可以控制纳米材料的大小、形态和结构，还可以实现纳米结构的组装和组合，构建复杂的纳米材料结构和功能。
未来，随着超分子化学和纳米材料研究的不断深入，超分子纳米材料的制备和应用将得到进一步拓展和发展。
超分子化学及分子识别和分子自组装
力的范围 吸引-) 有加和性*(A)
排斥(+) 无加和性(NA)
重叠
短程
-／+
NA
(库仑力及电子交换)
分子间的三点作用类型包括氢键，偶极相互作用，位阻 排斥，疏水吸引等作用，这些作用都可以成为手性识别 的重要因素。在这个理论的指导下，已成功地合成了许
多拆分剂用于消旋体的手性拆分。
3．生物活性与手性识别
手性或不对称性物质是含有不对称碳原于的化合物这类化 合物在化学及生命科学中普遍存在自然界中，绝大多数分 子如糖，氨基酸)和由它们组成的生物大分子(如蛋白质、 DNA等)在空间结构上都具有不对称性，使得生物体能够 高度地选择识别某一特定的手性分子，从而产生生物作用。 随着人们对手性物质的深入研究，发现有些物质的D-异构 体和L-异构体在生物体中的活性差异很大，而有的所起的 作用完全不同，甚至截然相反。 20世纪60年代，欧洲和 日本的孕妇因服用外消旋的镇静药反应停 而引起千万个 婴儿畸形，制造这一悲剧的正是“反应停”中的L-型旋光 体。这一悲剧提醒人们，对一种新药投入市场之前，必须
于是，超分子化学这一门新兴的学科就随着冠醚、环 糊精、杯芳烃等大环配体的发展以及分子识别和分子自组 装的研究的进展而迅速发展起来的。
按照Lehn的超分子化学定义超分子化学是超出单个分子以 外的化学它是有关超分子体系结构与功能的学科超分子体 系是由两个或两个以上的分子通过分子间作用力连接起来 的实体。超分子有别于分子和配合物，它是由主体和客体 在满足几何匹配和能量匹配的条件下，通过分子间非共价 键的作用，缔合形成的具有某种特定功能和性质的超级分 子。分子间非共价键作用力又称弱相互作用力，是超分子 作用力的基础，它包括静电力、氢键力、范德华力等，这 些非共价键力的性质和特征如表1所示。
超分子化学：从分子识别到自组装
超分子化学是一门研究分子之间相互作用和自组装行为的学科，它的研究内容涵盖了从分子识别到自组装的方方面面。
在这个领域里，化学家们通过设计和合成具有特定结构的分子，探索它们在固体、液体和气体中的相互作用，从而揭示分子之间的相互关系，以期对自然界和人工系统中出现的复杂现象做出解释，并为材料科学、医药化学和生物学等领域提供新的思路和方法。
在超分子化学中，分子识别是一个重要的研究内容。
分子识别是指分子之间通过非共价相互作用来定向选择性地结合在一起的过程。
通过精确设计和控制分子的结构和非共价相互作用，研究人员实现了对特定分子的高选择性结合，甚至可以选择性地识别、分离和检测特定的生物大分子。
这种分子识别的过程不仅揭示了生物体内如何识别和响应外界信号的原理，还为设计和合成具有特定功能和性能的新材料提供了理论基础和实验方法。
另一方面，超分子化学也研究了分子的自组装行为。
自组装是指分子之间通过非共价相互作用来有序地组装成超分子结构的过程。
通过调控分子的结构和非共价相互作用，研究人员可以实现分子的自组装行为，构建出各种精确有序的超分子结构，如脂质体、胶束、薄膜等。
这些自组装的超分子结构在材料科学中有着广泛的应用，例如用于药物传递、构建纳米材料和纳米器件、制备分子机器等。
同时，通过理解和控制分子的自组装行为，研究人员可以揭示自然界中的自组装现象，并为制备功能性材料提供新的思路和方法。
超分子化学的发展不仅丰富了化学学科的内涵，还为其他学科的发展提供了新的思路和方法。
在材料科学中，人们借鉴超分子化学的原理和方法，设计和合成了一系列新材料，这些材料具有特殊的功能和性能，如自愈合、可逆溶胀、环境敏感等。
在医药化学中，人们通过超分子化学技术提高了药物的溶解性和稳定性，改善了药物的递送效果。
在生物学中，超分子化学为了解生物分子和生物体系的结构和功能提供了新的思路和方法。
总的来说，超分子化学是一门涉及分子之间相互作用和自组装行为的学科，研究内容涵盖了从分子识别到自组装的方方面面。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
综上所述，在大多数情况下，使用外消旋混合物药物、 农药、香料香精等，会使无效成分在人体或环境中积 累，造成危害和污染。从经济上来说，使用消旋混合 物中的无效成分也是一种浪费。针对外消旋化学品潜 在的危险性，美国食品与药物管理局在1992年5月颁布 新的法案，严格限制外消旋化学品的使用。现在，药 物中有10％以单一旋光体出售，而且这个比例将会不 断提高。这就对手性化合物的制备提出了迫切的要求分子化学是超出单个分子 以外的化学，它是有关超分子体系结构与功能的学科。超 分子体系是由两个或两个以上的分子通过分子间作用力连 接起来的实体”。超分子有别于分子和配合物，它是由主 体和客体在满足几何匹配和能量匹配的条件下，通过分子 间非共价键的作用，缔合形成的具有某种特定功能和性质 的超级分子。分子间非共价键作用力又称弱相互作用力， 是超分子作用力的基础，它包括静电力、氢键力、范德华 力等，这些非共价键力的性质和特征如表1所示。 分子识别和自组装是超分子形成的两个重要方面。分子间 弱相互作用力在一定条件下的加合和协同作用形成的有一 定方向性和选择性的强作用力，成为分子识别和自组装的 主要作用力。
4．手性化合物的制备
单一手性物质的获得方法有三种：1)手性源合成法：是以 手性物质为原料合成其它手性化合物。2)不对称合成法： 是在催化剂或酶的作用下合成得到以某一对映体为主的化 学的或生物的不对称合成法，近20年来取得了长足进步， 并且已开始进入工业化生产。3)外消旋体拆分法：是在手 性助剂的作用下，将外消旋体拆分为纯对映体，这种方法 已被广泛使用。外消旋体拆分方法有：1)化学拆分法：与 纯手性物质形成非对映体盐或共价衍生物，然后利用非对 映体的性质差异进行分离(如分级结晶)，再将衍生物还原 为纯对映体。2)酶或微生物法：利用酶或微生物对对映体 具有专一识别能力的性质，消耗掉一种对映体而得到另一 种对映体。3)色谱拆分法：色谱拆分法可分为气相色谱法 和液相色谱法。
图1
预组织原则是指受体与底物分子在识别之前将受体中 容纳底物的环境组织的愈好，其溶剂化能力愈低，则 它们的识别效果愈佳，形成的配合物愈稳定。图2表示 了这个过程。
图2 为了达到高度专一的识别效果，受体的设计也必须遵循互补 性和预组织原则。分子识别中，虽然刚性有序的受体可以达 到高度识别，但交换过程，调节，协同和改变构象要求一定 的柔性，以使受体对变化进行调整和响应。
表2所列的是人们已证实的一些手性药物对映体不同的 药理活性。这些不同手性药物对映体药理活性差异的 主要原因是：生命机体本身就是由具有高度不对称性 的生物大分子组成。这种不对称性赋予生物大分子受 体（酶、血浆蛋白及组织蛋白），通过一定的信息去 识别不同的对映体。与之契合者，才能发生相互作用， 从而产生生理活性。这种对映有择性的生物作用现象 是自然界的一种普遍现象，在农药香料等方面也同样 存在。
2．超分子体系中的分子识别
形成超分子时，要求分子间达到能量和空间结构的匹配， 称之为识别。分子识别可定义为这样的一个过程，对于 一个给定的受体，底物选择性的与之键合。因而，选择 和键合是识别的两个方面。具体的说，分子识别过程需 遵循两个原则，即互补性和预组织原则。 互补性是指识别分子间的空间结构和空间电学特性的互 补性。空间结构的互补即“锁与钥匙”的相配，这种相 配需要识别分子间达到一种刚性和柔性的统一。如图1所 示，Pedersen的冠醚-6在对K+的识别过程中，构象发生 了变化，形成了和K+相配的空腔及键合位置。而电学特 性互补要求键合点和电荷分布满足非共价键的形成，包 括氢键的形成，静电相互作用，π 堆积相互作用，疏水 相互作用等。
5.分子识别及自组装的应用—
手性识别和消旋体的手性分离
Crystal packing diagram of complex of Sphyenlalanine and S-mandelic acid viewed along
the b axis, dashed line shows H-bonding
表1 分子间作用力的分类
类型
力的范围
重叠 短程 (库仑力及电子交换) 静电 较短程 诱导 长程 色散 长程 共振 长程 磁作用 长程 氢键 较短程
吸引(-) 有加和性*(A) 排斥(+) 无加和性(NA) -／+ NA
-/+ -／+ -／+ -
A NA 近似A ／
／ A
3．生物活性与手性识别
手性或不对称性物质是含有不对称碳原于的化合物，这类 化合物在化学及生命科学中普遍存在。自然界中，绝大多 数分子(如糖，氨基酸)和由它们组成的生物大分子(如蛋白 质、DNA等)在空间结构上都具有不对称性，使得生物体 能够高度地选择识别某一特定的手性分子，从而产生生物 作用。随着人们对手性物质的深入研究，发现有些物质的 D-异构体和L-异构体在生物体中的活性差异很大，而有的 所起的作用完全不同，甚至截然相反。 20世纪60年代， 欧洲和日本的孕妇因服用外消旋的镇静药“反应停” 而 引起千万个婴儿畸形，制造这一悲剧的正是“反应停”中 的L-型旋光体。这一悲剧提醒人们，对一种新药投入市场 之前，必须对其不同的旋光异构体进行药理试验。
而要发生手性识别，按照Dalgleish的理论，手性拆分剂 与消旋体混合物中的一个对映体最少同时有三个相互作 用，这些作用中至少一个是由立体化学决定的。这种手 性识别机理认为，消旋体混合物中只有一个对映体与手 性拆分剂具有合适的手征性，能与拆分剂同时具有三个 相互作用点。同时，另一个对映异构体则和拆分剂只发 生二点作用，前者所形成的复合物较后者稳定，在许多 物理性质上（如溶解性，熔点等）存在差异，因而，利 用这些差别可将两复合物分开，从而，达到拆分的目的。 分子间的三点作用类型包括氢键，偶极相互作用，位阻 排斥，疏水吸引等作用，这些作用都可以成为手性识别 的重要因素。在这个理论的指导下，已成功地合成了许 多拆分剂用于消旋体的手性拆分。