超分子化學(xué)及分子識(shí)別和分子自組裝

1、化學(xué)新進(jìn)展————,超分子化學(xué)及分子識(shí)別和分子自組裝1.超分子化學(xué)概述 經(jīng)典理論認(rèn)為：分子是保持物質(zhì)性質(zhì)的最小單位，這種以共價(jià)鍵為基礎(chǔ)的原子重組是分子化學(xué)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(jià)鍵）。然而分子一經(jīng)形成，就處于分子間力的相互作用之中，這種力場(chǎng)不僅制約著分子的空間結(jié)構(gòu)，也影響物質(zhì)的性質(zhì)。 于是，超分子化學(xué)這一門新興的學(xué)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(shí)別和分子自組裝

2、的研究的進(jìn)展而迅速發(fā)展起來的。,,按照Lehn的超分子化學(xué)定義“超分子化學(xué)是超出單個(gè)分子以外的化學(xué)，它是有關(guān)超分子體系結(jié)構(gòu)與功能的學(xué)科。超分子體系是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的分子通過分子間作用力連接起來的實(shí)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(jià)鍵的作用，締合形成的具有某種特定功能和性質(zhì)的超級(jí)分子。分子間非共價(jià)鍵作用力又稱弱相互作用力，是超分子作用力的基礎(chǔ)，它包括靜電力、氫鍵力、范德華力

3、等，這些非共價(jià)鍵力的性質(zhì)和特征如表1所示。分子識(shí)別和自組裝是超分子形成的兩個(gè)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(qiáng)作用力，成為分子識(shí)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(dǎo) 長(zhǎng)程 - NA色散 長(zhǎng)程 - 近似A共振 長(zhǎng)程 -／+ ／ 磁作用 長(zhǎng)程 -／+ ／ 氫鍵 較短程

5、 - A,2．超分子體系中的分子識(shí)別,形成超分子時(shí)，要求分子間達(dá)到能量和空間結(jié)構(gòu)的匹配，稱之為識(shí)別。分子識(shí)別可定義為這樣的一個(gè)過程，對(duì)于一個(gè)給定的受體，底物選擇性的與之鍵合。因而，選擇和鍵合是識(shí)別的兩個(gè)方面。具體的說，分子識(shí)別過程需遵循兩個(gè)原則，即互補(bǔ)性和預(yù)組織原則。 互補(bǔ)性是指識(shí)別分子間的空間結(jié)構(gòu)和空間電學(xué)特性的互補(bǔ)性。空間結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)即“鎖與鑰匙”的相配，這種相配需要識(shí)別分子間達(dá)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(duì)K+的識(shí)別過程中，構(gòu)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(xué)特性互補(bǔ)要求鍵合點(diǎn)和電荷分布滿足非共價(jià)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(yù)組織原則是指受體與底物分子在識(shí)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(shí)別效果愈佳，形成的配合物愈穩(wěn)定。圖2表示了這個(gè)過程。,,,圖2,為了達(dá)到高度專一的識(shí)別效果，受體的設(shè)

7、計(jì)也必須遵循互補(bǔ)性和預(yù)組織原則。分子識(shí)別中，雖然剛性有序的受體可以達(dá)到高度識(shí)別，但交換過程，調(diào)節(jié)，協(xié)同和改變構(gòu)象要求一定的柔性，以使受體對(duì)變化進(jìn)行調(diào)整和響應(yīng)。,,而要發(fā)生手性識(shí)別，按照Dalgleish的理論，手性拆分劑與消旋體混合物中的一個(gè)對(duì)映體最少同時(shí)有三個(gè)相互作用，這些作用中至少一個(gè)是由立體化學(xué)決定的。這種手性識(shí)別機(jī)理認(rèn)為，消旋體混合物中只有一個(gè)對(duì)映體與手性拆分劑具有合適的手征性，能與拆分劑同時(shí)具有三個(gè)相互作用點(diǎn)。同時(shí)，另一個(gè)對(duì)映

8、異構(gòu)體則和拆分劑只發(fā)生二點(diǎn)作用，前者所形成的復(fù)合物較后者穩(wěn)定，在許多物理性質(zhì)上（如溶解性，熔點(diǎn)等）存在差異，因而，利用這些差別可將兩復(fù)合物分開，從而，達(dá)到拆分的目的。分子間的三點(diǎn)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(shí)別的重要因素。在這個(gè)理論的指導(dǎo)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(shí)別,手性或不對(duì)稱性物質(zhì)是含有不對(duì)稱碳原于的化合物，這類化合物在化學(xué)及生命科學(xué)

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(zhì)、DNA等)在空間結(jié)構(gòu)上都具有不對(duì)稱性，使得生物體能夠高度地選擇識(shí)別某一特定的手性分子，從而產(chǎn)生生物作用。隨著人們對(duì)手性物質(zhì)的深入研究，發(fā)現(xiàn)有些物質(zhì)的D-異構(gòu)體和L-異構(gòu)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(jì)60年代，歐洲和日本的孕婦因服用外消旋的鎮(zhèn)靜藥“反應(yīng)?！?而引起千萬個(gè)嬰兒畸形，制造這一悲劇的正是“反應(yīng)停”

10、中的L-型旋光體。這一悲劇提醒人們，對(duì)一種新藥投入市場(chǎng)之前，必須對(duì)其不同的旋光異構(gòu)體進(jìn)行藥理試驗(yàn)。,,,表2所列的是人們已證實(shí)的一些手性藥物對(duì)映體不同的藥理活性。這些不同手性藥物對(duì)映體藥理活性差異的主要原因是：生命機(jī)體本身就是由具有高度不對(duì)稱性的生物大分子組成。這種不對(duì)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(shí)別不同的對(duì)映體。與之契合者，才能發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生生理活性。這種對(duì)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(nóng)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(nóng)藥、香料香精等，會(huì)使無效成分在人體或環(huán)境中積累，造成危害和污染。從經(jīng)濟(jì)上來說，使用消旋混合物中的無效成分也是一種浪費(fèi)。針對(duì)外消旋化學(xué)品潛在的危險(xiǎn)性，美國食品與藥物管理局在1992年5月頒布新的法案，嚴(yán)格限制外消旋化學(xué)品的使用?，F(xiàn)在，藥物中有10％以單一旋光體出售，而且這個(gè)比例將會(huì)不斷提高。這就對(duì)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(zhì)的獲得方法有三種：1)手性源合成法：是以手性物質(zhì)為原料合成其它手性化合物。2)不對(duì)稱合成法：是在催化劑或酶的作用下合成得到以某一對(duì)映體為主的化學(xué)的或生物的不對(duì)稱合成法，近20年來取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，并且已開始進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)。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(duì)映體，這種方法已被廣泛使用。外消旋體拆分方法有：1)化學(xué)拆分法：與純手性物質(zhì)形成非對(duì)映體鹽或共價(jià)衍生物，然后利用非對(duì)映體的性質(zhì)差異進(jìn)行分

13、離(如分級(jí)結(jié)晶)，再將衍生物還原為純對(duì)映體。2)酶或微生物法：利用酶或微生物對(duì)對(duì)映體具有專一識(shí)別能力的性質(zhì)，消耗掉一種對(duì)映體而得到另一種對(duì)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(shí)別及自組裝的應(yīng)用—,手性識(shí)別和消旋體的手性分離,,Crystal packing diagram of complex of S-phyenlalanine and S-mandelic acid viewed along