超分子化學及分子識別和分子自組裝

1、化學新進展————,超分子化學及分子識別和分子自組裝1.超分子化學概述 經典理論認為：分子是保持物質性質的最小單位，這種以共價鍵為基礎的原子重組是分子化學的一大特征，這些工作可以形象地描述為：原子+原子--分子（共價鍵）。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，也影響物質的性質。 于是，超分子化學這一門新興的學科就隨著冠醚、環(huán)糊精、杯芳烴等大環(huán)配體的發(fā)展以及分子識別和分子自組裝

2、的研究的進展而迅速發(fā)展起來的。,,按照Lehn的超分子化學定義“超分子化學是超出單個分子以外的化學，它是有關超分子體系結構與功能的學科。超分子體系是由兩個或兩個以上的分子通過分子間作用力連接起來的實體”。超分子有別于分子和配合物，它是由主體和客體在滿足幾何匹配和能量匹配的條件下，通過分子間非共價鍵的作用，締合形成的具有某種特定功能和性質的超級分子。分子間非共價鍵作用力又稱弱相互作用力，是超分子作用力的基礎，它包括靜電力、氫鍵力、范德華力

3、等，這些非共價鍵力的性質和特征如表1所示。分子識別和自組裝是超分子形成的兩個重要方面。分子間弱相互作用力在一定條件下的加合和協(xié)同作用形成的有一定方向性和選擇性的強作用力，成為分子識別和自組裝的主要作用力。,表1 分子間作用力的分類,類型 力的范圍 吸引(-) 有加和性*(A) 排斥(+) 無加和性(NA)重疊 短程 -／+

4、 NA(庫侖力及電子交換)靜電 較短程 -/+ A誘導 長程 - NA色散 長程 - 近似A共振 長程 -／+ ／ 磁作用 長程 -／+ ／ 氫鍵 較短程

5、 - A,2．超分子體系中的分子識別,形成超分子時，要求分子間達到能量和空間結構的匹配，稱之為識別。分子識別可定義為這樣的一個過程，對于一個給定的受體，底物選擇性的與之鍵合。因而，選擇和鍵合是識別的兩個方面。具體的說，分子識別過程需遵循兩個原則，即互補性和預組織原則。 互補性是指識別分子間的空間結構和空間電學特性的互補性。空間結構的互補即“鎖與鑰匙”的相配，這種相配需要識別分子間達到一種剛性和柔性的統(tǒng)一

6、。如圖1所示，Pedersen的冠醚-6在對K+的識別過程中，構象發(fā)生了變化，形成了和K+相配的空腔及鍵合位置。而電學特性互補要求鍵合點和電荷分布滿足非共價鍵的形成，包括氫鍵的形成，靜電相互作用，π堆積相互作用，疏水相互作用等。,,,圖1,預組織原則是指受體與底物分子在識別之前將受體中容納底物的環(huán)境組織的愈好，其溶劑化能力愈低，則它們的識別效果愈佳，形成的配合物愈穩(wěn)定。圖2表示了這個過程。,,,圖2,為了達到高度專一的識別效果，受體的設

7、計也必須遵循互補性和預組織原則。分子識別中，雖然剛性有序的受體可以達到高度識別，但交換過程，調節(jié)，協(xié)同和改變構象要求一定的柔性，以使受體對變化進行調整和響應。,,而要發(fā)生手性識別，按照Dalgleish的理論，手性拆分劑與消旋體混合物中的一個對映體最少同時有三個相互作用，這些作用中至少一個是由立體化學決定的。這種手性識別機理認為，消旋體混合物中只有一個對映體與手性拆分劑具有合適的手征性，能與拆分劑同時具有三個相互作用點。同時，另一個對映

8、異構體則和拆分劑只發(fā)生二點作用，前者所形成的復合物較后者穩(wěn)定，在許多物理性質上（如溶解性，熔點等）存在差異，因而，利用這些差別可將兩復合物分開，從而，達到拆分的目的。分子間的三點作用類型包括氫鍵，偶極相互作用，位阻排斥，疏水吸引等作用，這些作用都可以成為手性識別的重要因素。在這個理論的指導下，已成功地合成了許多拆分劑用于消旋體的手性拆分。,3．生物活性與手性識別,手性或不對稱性物質是含有不對稱碳原于的化合物，這類化合物在化學及生命科學

9、中普遍存在。自然界中，絕大多數(shù)分子(如糖，氨基酸)和由它們組成的生物大分子(如蛋白質、DNA等)在空間結構上都具有不對稱性，使得生物體能夠高度地選擇識別某一特定的手性分子，從而產生生物作用。隨著人們對手性物質的深入研究，發(fā)現(xiàn)有些物質的D-異構體和L-異構體在生物體中的活性差異很大，而有的所起的作用完全不同，甚至截然相反。 20世紀60年代，歐洲和日本的孕婦因服用外消旋的鎮(zhèn)靜藥“反應?！?而引起千萬個嬰兒畸形，制造這一悲劇的正是“反應?！?/p>

10、中的L-型旋光體。這一悲劇提醒人們，對一種新藥投入市場之前，必須對其不同的旋光異構體進行藥理試驗。,,,表2所列的是人們已證實的一些手性藥物對映體不同的藥理活性。這些不同手性藥物對映體藥理活性差異的主要原因是：生命機體本身就是由具有高度不對稱性的生物大分子組成。這種不對稱性賦予生物大分子受體（酶、血漿蛋白及組織蛋白），通過一定的信息去識別不同的對映體。與之契合者，才能發(fā)生相互作用，從而產生生理活性。這種對映有擇性的生物作用現(xiàn)象是自然界的

11、一種普遍現(xiàn)象，在農藥香料等方面也同樣存在。,,綜上所述，在大多數(shù)情況下，使用外消旋混合物藥物、農藥、香料香精等，會使無效成分在人體或環(huán)境中積累，造成危害和污染。從經濟上來說，使用消旋混合物中的無效成分也是一種浪費。針對外消旋化學品潛在的危險性，美國食品與藥物管理局在1992年5月頒布新的法案，嚴格限制外消旋化學品的使用?，F(xiàn)在，藥物中有10％以單一旋光體出售，而且這個比例將會不斷提高。這就對手性化合物的制備提出了迫切的要求。,4．手性化合

12、物的制備,單一手性物質的獲得方法有三種：1)手性源合成法：是以手性物質為原料合成其它手性化合物。2)不對稱合成法：是在催化劑或酶的作用下合成得到以某一對映體為主的化學的或生物的不對稱合成法，近20年來取得了長足進步，并且已開始進入工業(yè)化生產。3)外消旋體拆分法：是在手性助劑的作用下，將外消旋體拆分為純對映體，這種方法已被廣泛使用。外消旋體拆分方法有：1)化學拆分法：與純手性物質形成非對映體鹽或共價衍生物，然后利用非對映體的性質差異進行分

13、離(如分級結晶)，再將衍生物還原為純對映體。2)酶或微生物法：利用酶或微生物對對映體具有專一識別能力的性質，消耗掉一種對映體而得到另一種對映體。3)色譜拆分法：色譜拆分法可分為氣相色譜法和液相色譜法。,5.分子識別及自組裝的應用—,手性識別和消旋體的手性分離,,Crystal packing diagram of complex of S-phyenlalanine and S-mandelic acid viewed along