超分子化学---化学研究的新视角.pdf

本文立足于化学研究的前沿领域 超分子化学 考察了超分子化学与传统化 学的不同 并从哲学视角对超分子化学带给化学家研究方式的变化和思维观念的变 革进行了尝试性地探讨 超分子化学 化学研究的新视角 闫 莉 在化学中 随着分子结构和行为复杂性程度的提 高 信息语言扩展到分子构造中 使分子构造表现出 具有生物学特性的自组织功能 这一过程的展开向传 统化学研究方式提出了前所未有的挑战 促使化学研 究正在实现从结构研究向功能研究的转变 而这一前 瞻性的转变首先发生在超分子化学领域 超分子 分子之间的选择性结合 1987年 当莱恩 Lehn J M 克拉姆 Cram D J 和彼得森 Perterson C J 三位化学家以其 对发展和应用具有特殊结构的高分子的巨大贡献而获 得诺贝尔化学奖时 这一刻也同时预示着一门将会给 化学领域带来革命性变化的新学科的诞生 果然 莱 恩在获奖演讲中 首次提出了 超分子化学 super2 molecular chemistry 的概念 同时克拉姆创立和提出 了主 客体化学 host gust chemistry 理论 彼得 森则发展和合成出大批具有分子识别能力的冠醚 至 此 以 超分子化学 为名称的新的化学学科蓬蓬勃 勃地发展起来 并以其新奇的特性吸引了全世界化学 家的关注和热衷 与原子间化学键作用形成分子不同 超分子体 系是由多个分子通过分子间非共价键作用力缔合形成 复杂有序且具有某种特定功能和性质的实体或聚集 体 从这一定义中可以看出 超分子在结合方式上完 全脱离了常规化学所设想的模式 结合不是发生在原 子层次 而是在分子层次上 结合层次的不同决定了 超分子在性质上具有不同于分子层次的特性 我们知 道 化学构造是分层次进行的 粒子相互作用形成原 子 原子形成分子 分子再形成超分子和超分子集 合 在每一构造层次上 新的特征表现为一种化学和 物理性质的层次性递进 说明化学发展的主线是走向 复杂性和复杂物的出现 超分子就是这样一种表征化 学走向复杂性的层次 超分子是分子之间的结合 借助的结合力是非共 价键力 同共价键力相比 非共价键力属于弱相互作 用 是指范德华力 静电引力 氢键力 相互作 用力与疏水相互作用等 这些作用力对于化学家来说 并不陌生 但是在化学家的观念中 一直将这些相互 作用看作是一种难以将分子结合成稳定分子集合的弱 相互作用力 因而未对其进行进一步研究 直到20 世纪80年代 随着对冠醚化学研究的深入 化学家 发现分子之间的多种作用力具有协同作用特性 通过 协同作用 分子之间能克服弱相互作用的不足 形成 有一定方向性和选择性的强作用力 成为超分子形 成 分子识别和分子组织的主要作用力 其强度不次 于化学键 协同作用不是随意在任意两个分子之间都 能完成 而是需要有一个特定空间环境作为前提 通 过一定形式的相互匹配 这些匹配可以是配体与受体 的匹配 分子与电子互补 尺寸与形态的兼容或刚性 与柔性的调节 例如 冠醚是通过多个氧原子与碱金 属阳离子之间的电子效应 互补与尺寸匹配而结合在 一起 也就是说 分子之间的匹配具有高度的专一性 化 学 6 世界科学200314 和选择性 早在1894年 菲舍尔 E Fisher 就曾设想过 称之为 识别 的匹配方式 超分子化学对识别的定 义是指受体对作用物的选择性结合并产生某些特定功 能的过程 它是一个自组织过程 在生物超分子体系 中 如DNA通过RNA转录蛋白质合成就是最高水平 的组装体与超分子机器 事实上 从简单的蛋白质分 子组装成神奇的多酶组装体的过程像生物体和人类社 会等复杂系统一样是自动 高度有序 无缺陷地进行 的 正是在这个意义上 有人甚至称超分子化学是一 种分子社会学 一方面它是由许多分子个体相互组成 的整体 另一方面 整体具有有机组织 生物 社 会 经济 才具有的自我演化特征 超分子这种社会 学特征引起了人们的极大兴趣和关注 随之而来引出 一系列疑问 组成超分子的分子之间的组装为什么是 自动的 自组装的原动力是什么 自组装信息存储于 何处 环境对自组织有何影响 等等 对这些问题的 尝试性解答形成对超分子微观与宏观两种研究方式 在微观层次上 化学家发挥着重要作用 其研究目标 主要集中于超分子形成中的机理及应用 例如 确定 分子间作用力和分子间作用力的协同 研究分子识别 与位点识别的识别机理与识别过程以及研究不同结构 层次的组装体 组装过程及组装方法 尤其是生物活 性体系及低维体系的组装 自然界的自组装 从简 单分子自动地组装起复杂的生物超分子体系 研究超 分子体系中结构与功能的关系等等 在宏观层次上 超分子化学为哲学家提供了一个新的研究视野 哲学 家将会关注它与传统化学研究的不同以及促使化学家 思维观念的变革 同时 哲学家也将试图利用一些横 断科学方法对超分子体系的自组装 分子相互匹配 识别 分子之间的组装和自组装给予哲学上的宏观解 释 试图发现隐藏在现象背后事物所固有的本质解 释 走向复杂性的化学研究 自从化学被波义耳确立为科学以来 化学家一直 将研究物质组成看作是化学研究的头等大事 随着原 子 分子的被认识 化学研究进一步从宏观层次伸向 微观层次 研究原子如何结合成分子 分子有什么样 的化学性质 分子之间如何进行化学反应生成新的分 子等等 可以说 传统化学研究模式主要关注物质的 组成 结构以及在此基础上的物质反应 这构成了两 个世纪以来化学研究的主线 但是这种传统的研究模 式使自然界物质形成模式的多样性简单化 也使化学 家的思维观念单一化 使化学进化研究难以有大的突 破 众所周知 在整个宇宙进化中 从最初的物理进 化到化学进化再到生物进化是一个连续进化链 而化 学进化是其中的中间环节 起着从无生命的物质结构 进化到有生命的生物功能进化的过渡作用 但是多年 来 化学家一直未能探索出如何从化学进化较高层次 的高分子过渡到具有生物活性和功能特征的生物大分 子 如DNA RNA等 其中的一个重要原因就在于 在化学家的思维定式中 一直将化学看作是不具备复 杂性质的简单系统 正是由于这样的思维定式 即使 化学中有复杂性 也难以引起化学家的注意 事实 上 自20世纪60年代以来 首先发韧于数学和物理 学中的革命促使人们对传统的复杂性的认定加以反 思 一种描述大自然的新观点由此而生 随着物理领 域 不可逆热力学理论 动力系统以及经典力学平行 发展 最后共同指明了一条必由之路 简单与复杂 无序和有序之间的距离远比人们通常想象的狭得多 复杂性不再仅仅属于生物学领域 它正以一种似乎是 自然界的普遍法则向人们走来 在化学界 是超分子将复杂性引入化学领域 超 分子所表现出的鲜明的自组织特征迫使化学家不得不 将复杂性引入对化学的研究和思考中 因为按照耗散 结构创始人普利高津的定义 自组织是自然界的一种 基本现象 与物质的复杂性密切相关 这样 正如莱 恩所指出的 从初始的粒子到核 原子 分子 超分 子和超分子集合的进程表示复杂性的梯级进步 粒子 相互作用形成原子 原子形成分子 分子再形成超分 子和超分子综合 在每一层次上 新的特征明显地在 较低层次不存在 这说明化学发展的主线是走向复杂 性和复杂物的出现 从目前的认识水平来看 超分 子是化学层级构造中最高层次的复杂物 这就决定了 化学家对它的研究不能再沿袭以往对那些简单物研究 所采用的模式和方法 而必须采用适合于研究复杂物 的模式和方法 超分子将最终导致化学家的眼界朝向复杂性 从 对单个分子的研究转向对分子之间相互结合的研究 或者说关注对分子的社会学研究 在这样的研究中 化学家必须将分子看作具有一定社会结构的个体 将 分子置于一个大的环境背景下 研究特定环境下分子 的个体和群体行为 同时 超分子化学还将化学家的 研究视角引向对分子之间选择性以及识别能力的研 究 而对这一方面的研究将从根本上改变着化学家的 思维观念 托马斯 曼 Thomas Mann 说 虽然 超分子 仍是组构而不是组织 但是超分子在生命 秩序和纯粹化学之间形成了过渡 它显示出研究不 应仅仅局限于化学层面 超分子化学通过控制超分子 化 学 世界科学200314 7 结构 使功能和组织 生命和非生命 生命体和非生 命体之间有了通航的桥梁 信息化学时代的到来 化学家的传统总是试图设计一个单纯的体系 甚 至是一个孤立体系 再进而深入探讨其中的分子及其 反应 但当面临超分子这样的复杂体系时 再继续将 其孤立起来显然是不能达到研究目的的 事实上 超 分子所具有的识别和自组织特征已经打破了化学研究 所遵循的封闭体系 过渡到开放体系 按照普里高津 的理解 无论是自然界中最具复杂性和有组织性的生 物性 还是普通物理化学所表现出的复杂性和有组织 性 只要它们是复杂系统或具有自组织的特征 系统 都必须是一种远离平衡态的非平衡的开放系统 因为 根据耗散结构理论的解释 系统在从无序向有序的转 化中 要消耗能量和物质 如果没有连续的能量流和 物质流加以补充的话 系统的熵将增大 将走向无序 而不是有序 这样 超分子要实现自组织 就必须同 体系的环境有时空联系 而所谓开放系统实际上是指 能进行信息流动的系统 莱恩将这类超分子化学研究 论题 即分子信息产生 处理 传输 转换与探测的 化学定义为信息化学 semiochemistry 按照这种解 释 识别实质上是分子或超分子进行信息传导的过 程 这一过程可以看作是一条信息链或叫信息级链 这样 超分子化学将化学从机械时代的范式转向电子 和通信时代的范式 同时也正在铺设一条将化学理解 为信息科学的道路 超分子化学为化学带来了基本的物质 能量 信 息的三重组合 由此 化学系统可以通过模拟方式贮 存信息 或者在一个分子或超分子的结构特征中 大 小 形状 特性和相互作用场所 贮存信息 还可以通过 数字模式和各种化学实体的状态或联结性贮存信息 揭示生命奥秘的金钥匙 在整个宇宙进化史上 化学进化是一个不可或缺 的进化链中的一 环 而且它还承 担着从无生命进 化向有生命进化 的过渡 在有机 人工合成诞生之 前 人们一直认 为生命体有着与 无生命体无法通 航的特殊的活力 因素 这种特殊的活力因素与宗教神秘主义联系在一 起 曾一度阻碍了化学家涉足有机化学领域 但是当 1828年维勒人工合成尿素之后 宣告了生命活力论 的破产 自此 化学家以前所未有的热情涌入有机化 学研究 使有机化学在短短几年中成为化学领域的成 熟学科 有机化学的产生促使化学家从化学的分子层 次上试图对地球上生命诞生的奥秘给予解释 经过研 究 化学家发现生命体内没有特征的作用力 没有特 殊的原子及人工无法合成的分子 尽管如此 化学家 却一直无法解释无生命的化学分子如何过渡到具有生 命特征的生物功能分子 因为 化学家虽然在实验室 里合成出大量有机分子和生命体中的高分子 但是不 能使所有合成的分子带上生命体内的分子才具有的生 物活性 如自组织 自催化 能转载 加工信息的功 能特性 在超分子出现之前 化学家曾构建了各种方 式试图对这一现象给予合理的解释 但是都不尽如人 意 例如 奥巴林的团聚体假说 贝尔纳的类蛋白的 微球体理论 埃仑司弗特的生命之池理论以及日本的 汇上不二夫的海之颗粒理论和美国劳利斯等提出的金 属泥土理论 这些假说和理论试图从不同的角度解释 化学进化的 瓶颈 问题 但是收效甚微 这些理论 之所以不能有效地解释化学进化如何过渡到生物进 化 其原因就在于在化学家的思维观念中 一直将化 学进化看作是一种结构进化 而生物进化过程则表现 出功能进化的特征 超分子化学的出现为化学进化过渡到生物进化提 供了一条可行的途径 正如前文所指 超分子所具有 的自组织 复杂性已经显示出它具备了生物体所要求 的基本功能特征 自组织 识别 匹配等 这样 化 学就在超分子层次同生物学建立了一种互通信息的桥 梁 二者之间的密切联系具有了可以操作的现实基 础 一方面 化学家能借用普通的化学分子构造出向 生物体的目的性过渡的超分子