超分子化学讲稿

第一章 从分子化学到超分子化学 （2学时）第一节 超分子化学的发展历程超分子化学（Supramolecular Chemistry）根源于配位化学，有人称之为广义配位化学（generalized coordination chemistry），是三十多年来迅猛发展起来的一门交叉学科，它与材料科学、信息科学、生命科学等学科紧密相关，是当代化学领域的前沿课题之一。这个领域起源于碱金属阳离子被天然和人工合成的大环和多环配体，即冠醚和穴醚的选择性结合。1967年C. J. Pederson报道了冠醚配位性能的发现，揭开了超分子化学发展的序幕；随后，J.-M. Lehn报道了穴醚的合成和配位性能，这种由双环或三环构成的立体结构比平面冠醚具有更好的对金属离子配位能力；1973年，D. J. Cram报道了一系列具有光学活性的冠醚，可以识别伯胺盐形成的配合物；分子识别的出现为这一新的化学领域注入了强大的生命力，之后它进一步延伸到分子间相互识别和作用，并广泛扩展到其它领域，从此诞生了超分子化学。超分子化学的概念和术语是在1978年引入的，作为对前人工作的总结和发展。1987年，Nobel化学奖授予了C. J. Pederson、D. J. Cram和J.-M. Lehn，标志着超分子化学的发展进入了一个新的时代，超分子化学的重要意义也因此被人们更多的理解。化学超分子化学分子化学自组装自组织 A B 合成受体 多分子有序体共价键分子和超分子器件相互作用 识别超分子C 转换底物 D 分子间价键 异位功能组分从分子化学到超分子化学：分子、超分子、分子和超分子器件第二节 超分子化学的定义和分类方法分子化学是基于原子间的共价键，而超分子化学则基于分子间的非共价键相互作用，即两个或两个以上的物质依靠分子间键缔合。图1.1中简介了从分子化学到超分子化学的基本特征。1987年，当年的诺贝尔化学奖获得者之一，法国的J. M. Lehn教授在获奖演说中曾为超分子化学作出了如下解释：超分子化学是研究两种以上的化学物种，通过分子间相互作用缔结而成的、具有特定结构和功能的超分子体系的科学。简而言之，超分子化学是研究多个分子通过非共价键作用而形成的功能体系的科学。超分子化学研究包括分子识别（molecular recognition）、分子自主装（self assembly）、分子自组织（self organization）和超分子器件(supermolecular device)等。分子识别是超分子化学的一个核心研究内容之一。所谓分子识别即是指主体（受体）对客体（底物）选择结合并产生某种特定功能的过程。有人把这一过程形容为锁和钥匙的关系。在生物体系中存在着广泛的分子识别。酶和底物之间、基因密码的转录和翻译、细胞膜的选择性吸收等等都涉及到分子识别。分子识别中的主体主要有冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、卟啉等大环主体化合物。对以非共价键弱相互作用力键合起来的复杂有序且具有特定功能的分子集合体，即超分子化学的研究，可以说是共价键分子化学的一次升华，一次质的超越，被称为是“超出分子范围的化学”。分子识别不是依赖于传统的共价键力，而是靠非共价键力，即分子间的作用力，如范德华力（Van der Waals）（包括离子-偶极，偶极-偶极和偶极-诱导偶极相互作用）、疏水作用和氢键等。通过多个超分子的亚单元自组织或自主装能够得到稳定的、具有特异空间结构和功能的大分子聚集体，可以潜在地作为分子器件或超分子器件。第三节 超分子化学发展现状欧洲、日本领先，中国等随后跟踪。美国未有此提法。第二章 分子识别和分子自组装（4学时）第一节 识别、信息、互补原则和分子受体的设计（2学时）识别和信息以前用于生物相关体系中，直到20世纪70年代初，冠醚选择性地结合金属离子，开始进入化学领域。2.1.1 分子识别的定义分子识别是通过一个给顶的受体分子结合和选择底物过程中的能量和信息来定义的，此过程中也可能包括一特殊的功能。 识别就是结合对中几何尺寸和相互作用间的互补性，即受体相对于一给定底物的最佳信息量。这相当于一双互补原理扩展到能量特征和几何特征，后者由“锁和钥匙”体现。受体与底物的识别受以下几个因素影响：（1） 底物和受体间的立体互补，即在适当位置上有凹或凸区域（2） 作用力互补，即在底物和受体适当位置上有互补结合点（如正/负静电力，电荷/偶极，氢键给/受体，等）（3） 在底物和受体间有较大的接触区域（4） 多个相互作用位点（5） 大区域强结合（6） 介质效应2.1.2 分子受体的设计分子受体定义：通过共价键结合的有机结构，这种结构有能力通过分子间各种相互作用力选择性地结合离子和分子底物，从而形成两个或更多物种有序体，即超分子。分子受体设计就是在有机分子中表达分子识别原理。受体化学，即人工受体分子化学，代表的是一种广义的配位化学，不仅过渡金属，而且：阳离子、阴历子或中性有机物种，无机物或生物种类。分子受体的设计的原则：（1） 底物（）与受体（）的互补性，三维结构，键合点的适当分布（2） 底物（）与受体（）大面积接触，如大多环结构（3） 溶剂（4） 刚性与柔性之间的平衡，刚性即锁和钥匙；柔性受体通过“诱导装配”过程，高度选择性，低的稳定性。柔性受体通过交换、调节、协调性和变构效应实现2.1.3识别和多重识别1、球形识别金属阳历子穴状配合物球形底物识别是最简单的识别：球形底物既可以是携带正电荷的金属阳离子(碱金属、碱土金属和镧系金属阳离子)，也可以是携带负电荷的卤阴离子。三个主要环状穴状配合物：（1）天然大环，如缬氨霉素；（2）合成大环聚醚，冠醚；（合成大多环配体）。多氮杂、多硫杂配体，过渡金属离子的识别：用氮、硫替代氧而产生的大环配体或穴醚不仅对过渡金属表现出极强的亲和性，对其它的高毒性重金属离子，如镉、铅、汞离子，也具有极高的选择性。2、大三环穴醚配合物的四面体识别四面体底物的选择性结合需要构建一个带有四面体识别位点的受体分子。3、中性分子的结合和识别中性分子的结合和识别要利用静电相互作用、给体-受体相互作用，特别是氢键相互作用。4、阴离子底物的识别静电作用和结构效应 多环聚胺第二节 分子自组装和自组织(2学时)2.2.1分子自组装和自组织自组装和自组织的研究90年代初主要集中在生物和物理领域，而超分子化学的出现为化学在此领域的探索及应用其设计和控制的能力提供了途径和方法。超分子化学为了实现识别、催化、传输过程和装配分子器件，都要借助于分子自组织和自组装。从冠醚、穴醚和球状配体等的设计起就包含了分子自组织和自组装。分子自组织可以认为是一组相互交叉的、有序的自组装。有以下特点：（1） 包括在空间上或时间上都表现出自发的有序性体系；（2） 包括空间结构和平衡结构和非平衡的结构两者的瞬间动力学的有序性，结构的有序性，结合的非线性化学过程的有序性及能量流动和时间方向上的有序性；（3） 仅仅限于非共价键的超分子层次；（4） 多组分在分子组分间由分子识别或在动力学过程中产生特殊相互作用，表现出超分子的自组织和长程有序性，从而形成多分子有序体。简而言之，就是越有序，就是组织性越好。如分子层、膜、胶束、胶体、液晶、分子晶体等。分子自组织和自组装都是多步骤过程，此过程包含着信息和一种或多种类型智能化的组分。分子自组织和自组装也与纯粹的摸板效应想区别，为了逐步组装高度复杂的分子或超分子器件，使用暂时或永久性的、无机或有机的辅助性的物质。自组装可能包含模板效应，而模板效应本身严格来讲却不包含自组装过程（可认为他是几个自组装步骤中的一个步骤）。通过分子信息和设计的超分子结构和有序性的产生是一个不断进步的过程，摸板效应自组装自组织。分子自组织和自组装要求分子组分含有两个或多个作用位点，这样就可能建立起多重连接。变构效应生物体；自组织正协同效应分子自组织和自组装可能随识别而发生。注意：寻找分子自组织和自组装的抑制剂。2.2.2无机结构的分子自组装和自组织无机结构分子自组织和自组装包括由有机配体和金属离子自发形成的结构确定的金属-超分子结构。金属离子一方面像结合剂一样把陪体结合在一起；另一方面，又作为中心把配体定位在特定的方位上。金属离子提供：（1）一套配位几何构型；（2）从弱到强的某个范围的结合强度，及从不稳定到惰性的形成和解离动力学：（3）多种光化学、电化学和反应的性能：（4）允许超分子结构可逆的组装-反组装。1、 双链螺旋和三链螺旋金属复合物的自组装：螺旋复合物配体-联吡啶 金属-铜 双链二螺旋到五螺旋2、 多组分的自组装至少包括两个配体或金属离子环形、三脚架、圆柱形3、 金属离子的超分子阵列：书架结构、梯子结构和栅栏结构2.2.3有机结构的分子自组装和自组织1、 通过氢键自组装Janus分子当两个亚单元结合成为一单个基团，将拥有两个识别面，可称作Janus分子，即是一个双面的氢键识别单元。同位点 异位点Watson-Crick模型2、2.2.4分子手性和自组装第三章 主客体化学教学目的和要求：了解主客体化学的发展历程，掌握主客体化学的定义与分类，掌握冠醚、环糊精、杯芳烃的结构特征、制备方法和作用机理，了解主客体化学的发展趋势教学重点和难点：掌握主客体化学的定义与分类，掌握冠醚、环糊精、杯芳烃的结构特征、制备方法和作用机理 一、主客体化学的发展历程自从20世纪60年代末Pedersens合成并发现冠醚以来.人们对分子识别现象的兴趣与日俱增。 Pedersen.lehn和Cram二人提出的主一客体化学(host- guest chemistry).包合物化学(inclusion chemistry)和超分子化学(supramoleculechemistry)等越来越为人们所熟悉和重视。超分子化学是两个或多个化学物种借分子间的弱相互作用力形成的实体或聚集体的化学.现己成为化学中发展迅速、极富挑战性的新领域之一。超分子的结合都是建立在分子识别基础之上的.所谓分子识别就是主体(或受体)对客体(或底物)选择性结合并产生某种特定功能的过程.是组装及组装功能的基础.是酶和受体选择性的根基。二、主客体化学的分类方法和发展现状互补性(complementarity)及预组织(preorga_nization)是决定分子识别过程的两个关键原则.前者决定识别过程的键合能力。底物与受体的互补性包括空间结构及空间电学特性的互补性。空间结构互补性即锁钥关系”和诱导契合( induced fit) 。电学特性互补包括氢键形成、静电作用、Stacking作用、阳离子作用、疏水相互作用等.这要求主体及客体的键合点和电荷分布能很好匹配。1分子识别 在主一客体体系中.主体有选择性地识别客体并以某种方式与客体配位形成化合物。多数这种化合物属于超分子体系.因为它们与没有相互作用的主体和客体的混合物相比有不同的特性。影响主体识别各种客体的因素主要有:主体空穴的大小、空穴的形状、配位数、配体种类等。 主体空穴的大小与可能的客体之间的关系是选择性分子识别的首要标准。主体与客体之间的关系逻辑上可分为三类。其一:空穴尺寸与客体大小相当;此时.客体能嵌入主体空穴二者近乎完全吻合.能获得相当好的识别效果。其二:主体空穴小于客体;其吻合程度不如主一客体大小相当的情况.但客体仍可有效地在主体分子平面之外与之相配位.如果空穴稍大一些.主体可同时在分子平面的上下方键合两个客体。其三:主体空穴比客体大;主体分子可键合一个以上的体积较小的客体，也可只键合一个体积较大的客体。主体空穴的形状在选择性识别客体分子中也起着重要作用。以上关于空穴尺寸的讨论.我们都假设主体空穴是严格平面的。如果没有这些限制.将有更多的化合物可成为相当好的分子识别试剂。在严格的平面模型中.客体也要求在相对水平位置与主体分子配位.这种配位环境对很多客体并不合适。如果主体空穴具有柔性.它将提供更灵敏的识别客体的能力。影响选择性识别的另一个因素是主体中所包含的配位点的数日和客体的配位数。同样地.它也可以分为三类:主体配位点的数目与客体配位数相同.此时.主客体可以很好地匹配;主体有较多的配位点时.一个主体可以同时键合多个客体;而客体有较多的配位数时.客体可能再结合溶剂分子或反荷离子来填充配位空间。最后一个因素是配体的种类.其中包括配体的酸碱性。对强酸性的客体而言.具有强碱性的主体比具有弱碱性的主体具有更强的选择性.反之亦然。另外还有配体的立体结构.所带基团等对主体选择性识别都有影响。2冠醚配合物旱在20世纪30年代.1.uttringhaus和Ziegler就利用1. 10二溴癸烷与间苯二酚在W illiamson醚中反应合成环聚醚。但是未见环状聚醚与金属离子相互作用的详细报导.直到1967年pedersen合成出冠醚.这方面的研究才发展起来。冠醚一般是具有(CHzCHzX)重复结构单元的大环化合物.其中X代表杂原子。从环上所含杂原子来看.冠醚化学己从最初的全氧冠醚发展到硫杂、硒杂、氮杂、磷杂、砷杂、硅杂、锗杂和锡杂冠醚。冠醚化合物是一类新型配体它与自然界中所发现的大环抗菌素在结构上有相似之处.它们既具有疏水的外部骨架.又具有亲水的可以和金属离子成键的内腔.与通常的配体相比.冠醚具有较多的给体原子。冠醚环中的杂原子可以部分甚至全部地参加配位。冠醚化合物都具有确定的大环结构.不象一般非环配体那样.只是在形成金属配合物时才形成环。由于这种大环效应.冠醚和金属离子可以形成较稳定的配合物。根据环的空腔大小不同以及环上取代基的不同.可选择性地络合不同大小的金属子。近年来.许多化学工作者对稀土硝酸盐与冠醚形成配合物的研究产生了浓厚的兴趣。关于稀上硝酸盐与冠醚的配合物己有许多报道。其合成方法一般均是以无水硝酸盐在严格脱水后的有机溶剂(如乙睛、乙酸乙醋)中与冠醚反应。1. 7. 10. 16一四氧-4. 13氮杂环十八烷与稀土离子形成1:1配合物。当冠醚中一NH上的活泼氢被甲基取代后.与稀土离子可以生成1:1和4 : 3(稀上离子:冠醚)的配合物。王利亚等研究了一NH上的活泼氢被苄基取代后形成1. 7. 10. 16一四氧-4. 13二氮杂N,N一二苄基环十八烷与稀上离子作用.发现Pr3+,Nd3+;Sm3+和Eu3+形成离子缔合物.其中稀上离子未与冠醚配体上的氧原子和氮原子形成配位键.另外他还报道了该冠醚与1 a3+及C e3+形成稳定的1:1型配合物。与传统方法不同.工瑞瑶等发现当水合稀上硝酸盐与冠醚以适当的比例在适当的溶剂中反应时.可得到多种不同组成与结构的无水配合物。这说明稀土冠醚配合物的组成与结构不仅决定于稀上离子的大小和水合性能.同时与冠醚的性质及合成条件有关。毛江高等研究了冠醚的空腔及其与稀上硝酸盐配合物结构的关系。得出4个近似规则:（1)如Di稀上离子直径)/Dc(冠醚空腔直径)1. 4.所形成的配合物结构中三个阴离子占据冠醚同一侧;(2)若0. 8 Di/Dc0. 9.配合物中金属离子被包围在冠醚空腔中.二个阴离子占据冠醚的两侧;(3)如Di/Dc 0.9,配合物可能与第二种情况相同.在某些情况下也可能采取其它的结构类型。 金属冠醚是近年来研究的热点。以金属冠醚为主体分子.比对应的有机分子识别试剂具有更多的优点，它能够更有效地捕获客体分子或离子。金属冠醚可以夹心构型键合或缔合阳离子或阴离子.从而达到分子识别目的。金属冠醚是一类在结构及功能上类似于有机冠醚的多核簇合物。最早的金属冠醚是以水杨羟肟酸为配体合成的。配体中羟肟盐部分与一个金属离子形成五元鳌合环.亚胺基酚盐部分与另一个金属离子形成六元鳌合环.两鳌合环以M一N-On为重复单元形成环状结构.肟氧原子朝向穴中心。金属冠醚不仅可作为阴离子或阳离子识别试剂、选择性地捕获离子型配合物.也可同时识别阴、阳离子。对金属冠醚进行修饰改造.如取代基的变化、环上金属离子的变化、配体变化使朝向空穴中心的不是O而是N或既有O又有N等以改变金属冠醚的性能.使之在分子识别和分离、液晶材料前驱物、化学修饰电极和磁性材料方而有广阔的应用前景。 近年来.人们对于手性冠醚的合成与应用己经有了较为深入的研究。与一般冠醚相类似.手性冠醚能与离子生成稳定的配合物，在配位时.主体为冠醚.客体可以是离子,也可以是中性分子。通过手性冠醚与不同离子之间配位能力的差异.可以达到离子选择性萃取及分离的日的。手性冠醚的研究.特别是在不对称催化反应及手性识别等方面的研究是一个非常有意义且具有应用前景的课题.进一步改良其结构.合成特殊功能化手性冠醚将有长足发展。3环糊精和环糊精包合物环糊精(cvclodextrin, CD)也称作环聚葡萄糖.是由若干D吡喃葡萄糖单元环状排列而成的一组低聚糖的总称。它具有圆筒状疏水性内腔和亲水性外沿.与柔性的开链类似物相比具有特别的物理和化学性质。V illiers于1891年通过用酶降解淀粉发现了环糊精.并分离出来.1904年Scharidinerge表征它们为环状低聚糖. 1938年Freudenberg等把它们描述成吡喃葡萄糖单元通过1. 4糖苷键连接构成的大环化合物。迄今为止.己有不少专著与若干长篇综述、多于1400个以上的专利和数以千计的文章描述环糊精及其包合物的结构、性质和应用。近年来.人们又发现环糊精对超分子化学十分重要。它们及相应的衍生物构成一大类水溶性不同的手性主体(host)分子.这些主体分子可用来与客体(guest)分子结合成超分子体系.从而作为研究弱相互作用的模型化合物。作为环状主体分子CD对客体识别主要有两种方式:一种是内识别”( Endorecognition).作用力主要是范德华力、疏水作用力、色散力等.此时.CD与客体形成笼型包络物。另一种是外识别”Exorecognition).作用力主要是氢键力.CD与客体形成管道型”表面作用产物。作为一种简单的有机大分子环糊精具有与范围极其广泛的各类客体.比如有机分子、无机离子,配合物甚至惰性气体.通过分子间相互作用形成主一客体体系。环糊精及其衍生物是主-客体化学的重要研究对象.作为主体的环糊精与作为客体的过渡金属配合物作用形成包合物.也称为第二配位层化合物(secondsphere coordination compound)。环糊精包合物的制备、结构、性质和应用研究是环糊精化学的一个重要内容.除此之外.有关环糊精的修饰.聚合和多重识别研究也方兴未艾。3. 1环糊精与有机客体的包合作用与客体分子形成包合物是环糊精最重要的性质之一，所谓包合”就是主体与客体通过分子间相互作用.完成彼此间的识别过程.最终使得客体分子部分或全部嵌入主体内部的现象。第一个认识包合现象的是M ylius, 1986年在研究了氢醒与若干挥发性物质之间的相互作用后.他断言挥发性物质分子嵌入到氢醒晶格间隙中.这一推测被多年后的X 射线衍射证实。首次将这一类型化合物称为包合物(inclusion compounds).加合物”(adducts)和笼状物”( clathrates)等。 1932年.Pringsheim首次提出了这一类环状低聚糖(CD)作为主体分子具有很强的识别客体分子的能力。后来Freudenberg对此作了进一步的研究.他的合作者Crane选择有机分子为客体先后合成了54个-C D的主一客体包合物.并研究了环糊精与这些客体在水溶液中的相互作用.指出无论主、客体起始摩尔比如何变化.形成的包合物在液相和固相均有确定的组成。3. 2环糊精与过渡金属络合物的包合作用1975年CoStes选择冠醚作为受体分子.过渡金属与配合物作为给体分子,首次从分子识别角度阐述了第二配位层的概念从那以后类似的报道日渐增多。最早发现环糊精作为主体能对过渡金属产生识别作用形成第二配位层化合物的是BreS-low， 1975年他报道二茂铁及其衍生物与-CD可形成1:1型包合物.二茂铁分子插入CD分子内腔。碱性溶液中环糊精可直接与二价过渡金属离子作用.例如环糊精分子内部两个葡萄糖单元的四个二级羟基与铜离子或者锰离子通过羟桥而形成双核配合物。1981年Ogino报道了环糊精、二氯二乙胺合钴与长链脂肪胺在二甲亚砜中的自组装.长链胺在穿过CD内腔后再分别与一个Co2+配位.由于CD开口端有大体积配合物的存在.保护了长链不致于脱离空腔。1987年Kamit。:I ;K am iter发现-CD. 12-冠-4与K+可以形成2:2:1型包合物.其晶体结构中二个-C D各自包含一个冠醚.K+被两个冠醚上下夹住.CD与CD之间通过一级羟基彼此形成氢键使得整个分子趋于稳定。3. 3环糊精为主体的超分子体系的物理化学性能(1)分子识别。环糊精可以不同程度地加合疏水性不同、链长短不同、几何厚薄、宽窄不同的客体分子, 并可区分某些旋光异构体.从而在多组分体系中有选择地和某些分子形成加合物.这便是分子识别作用。 ( 2)输运作用。亲水性环糊精可以通过与客体分子形成超分子结构(通常是包合物).把亲油（憎水)性客体物质通过水相从一个非水溶剂输运到另一个非水溶剂。反之.憎水性环糊精衍生物可以把离子或亲水性客体分子穿过非极性溶剂传递。 ( 3)催化作用。环糊精选择性结合客体分子后在一定条件下洞口羟基可起亲核试剂的作用.使客体分子的某些键活化或介入反应.从而起到催化作用。日前研究最多的一类反应是酯类皂化反应.特别是酚酯的皂化 此外环糊精可以稳定客体分子。环糊精己被用于稳定碘及其化合物。a-C D(空腔尺寸4. 7一5. 2)与I2, KI, KIO3以及KI3的包合物己见报道,-CD(空腔尺寸6. 0一6. 5)与K I.I2., K I3的包合物也己被研究与应用。4杯芳烃杯芳烃是一类对位烷基苯酚与甲醛缩合的寡聚大环化合物。最有代表性的是20世纪40年代Zinke等用对叔丁基苯酚和甲醛在氢氧化钠存在下加热得到的由对叔丁基苯酚结构单元和亚甲基交替连接的四聚体(Chart 1)。该化合物的分子模型表明它的形状象一个杯子或花瓶.故称之为杯芳烃。 在杯芳烃p -tert-butylcalix(n)一arene的杯状结构底部紧密而有规律地排列着n个酚羟基.而杯状结构的上部具有疏水性的空穴。前者鳌合和输送阳离子，后者则能与中性分子形成配合物。由于杯芳烃的这种独特的结构.离子和中性分子均可作为其形成配合物的客体。同时由于杯芳烃具有： 1)易于合成， 2)上缘和卜缘均易于选择性修饰;(3)具有由苯环单元组成的疏水空穴;( 4)既能配合识别离子型客体.又能包合中性分子，而冠醚一般只与阳离子络合.环糊精一般只络合中性分子，(5)具有熔点高.热稳定和化学稳定性好.不溶于许多溶剂.空腔大小可调节。(6)具有多种构象异构体.并且它们具有不同的物化特性等一系列特殊性质。所以杯芳烃被誊为继冠醚和环糊精之后的第三代主体分子。目前.以杯芳烃为平台”( platform or buildingblock)合成了大量的具有预定结构(preorganizedstructure)的主体分子.如桥联杯n芳烃。这不仅推动了化学本身的发展.而且有利于材料科学和生物学等相关领域的发展。理想的人工类似物与生物受体一样.其识别过程在于与底物之间的精巧互补。在其上沿或下沿引入各种基团的修饰杯芳烃能与不同大小、不同性质的客体分子相匹配。识别作用取决少杯环大小、构象及环上取代基的性质。且由于杯环的柔韧性.杯芳烃具有特别良好的诱导适应能力。尤其是功能化杯芳烃作为金属离子的配体可为过渡金属提供特殊的配位环境.从而可开拓一些新的仿酶模型化合物。 杯芳烃作为新型的环状受体其识别能力具有许多独到之处.从而具有多种特殊功能。近十年来有40多项专利报道杯芳烃在铀和铯的提取，镧系元素和金属离子的选择性萃取、中性有机分子的分离、水污染控制、相转移试剂,酶模型催化反应等领域中的应用。当前.杯芳烃类受体分子识别的进一步研究目标是如何开发其手性识别能力。由于杯芳烃易于大量制备.且其光学异构体己被合成.故其手性催化与手性分离潜力是指日可待的。5其他类型的分子识别试剂近年来.通过所谓配体设计达到给定体系的金属离子分离研究引人注目。大环多胺( macrocycle polyamine)集给体原子选择性、环穴选择及结构选择性于一身.用于金属离子的分离具独特的优越性：（1）大环多胺能与周期系中大多数金属离子生成稳定配合物.应用范围广;(2)大环多胺对水氢离子的配位能力具有较强的酸碱依赖性.配位的金属离子可以在酸性介质下被氢离子置换出来.在碱性介质中又可回复为自由配体.具有离子交换树脂可洗提、再生的特性;(3)大环多胺配合物几乎都是中心离子与配体的1:1配合物.其热力学和动力学模型简单，便于研究;( 4)大环多胺配合物的稳定性及配位选择性具明显的溶剂效应.可以在环上引入适当的亲水或亲脂性基团.既利于提高选择性.又便于金属离子的萃取分离和液体膜分离;(5)将大环多胺连接在适当载体如树脂、硅胶上.既可方便地用于金属离子的柱上分离.又可再生而重复使用。大环多胺与金属离子配合具有特异的催化活性。大环多胺化合物的催化功效主要依靠于初始阶段对底物分子的选择性识别。它们既可与带正电荷的离子又可以与带负电荷的有机阴离子发生配合.以主一客体配合形式形成超分子。同时具有能与客体分子匹配的空腔.不同数目的连接段等.这样不仅具有动力学特性.而且具有合适的键合位置及功能基团.因而是一类十分重要的主体分子，大环多胺是一个应用十分广泛的鳌合剂.它能依靠其氨基的质子化态形成很多配合物.在这些质子化组分中.带正电荷的大环多胺可以通过氢键和静电作用识别阴离子。侧链带羟基的大环多胺在金属离子的捕获和选择性方面表现出很大作用,在大环多胺上引入某些基团或将其负载在载体上可用于大多数金属离子的分离。大环多胺还能对生命过程中的重要物质如核苷酸,DNA, RNA进行识别分析.对于寻找治疗威胁人类生命的一些疾病的药物.阐明生命活动的基本过程等都具有重要的理论和实践意义。6结束语主一客体化学为我们展示一个丰富多彩的世界.它的出现对传统的化学提出了新的挑战。它在催化、分子或离子的分离、环境科学以及生命科学等方而的应用研究对人类的发展具有极其深远的意义。第四章 轮烷和索烃 一、轮烷和索烃的发展历程尽管早在六十年代就有人有目的的探索这类分子化合物的合成，由于合成效率极低并且步骤很长，轮烷长期以来仅被当作一类稀奇的有机分子而不被化学家所重视。八十年代以来法国Sauvage小组利用配位化学方法，英国Staldart(现在美国加州大学)小组利用供体一受体作用原理合成这类分子化合物取得很大成功。进入九十年代以来，超分子化学的发展及非共价键相互作用的广泛应用极大地促进了这类化合物的合成，已组装出多种结构类型的和一个线性分子上同时穿人多个环分子组分的更为复杂或高级的轮烷体系，使得该领域的研究能进一步朝着功能化的方向发展。二、轮烷和索烃的定义和分类方法轮烷(rotaxane)是由一个环分子(macmcycle)和一个从其内腔穿过并且两端带有大的基团的线性分子(thread)组成的分子化合物。其线性和环分子通过所谓的“力学键”(mechanical bonding)相连，而不是通过强的共价键或配位键连接，但分子的性质却由两个单元分子共同决定。理论上任何一个线性分子都可以穿人或穿过一个内径足够大的环分子，假如随后在线性分子的两端引人足够大的基团能阻止线性分子的离去，就可以得到稳定的轮烷分子。而如果线性分子能从环分子内腔离去，二者形成的超分子被称为拟轮烷(pseudorotaxane)。最简单的轮烷结构由一个线性分子和一个环分子构成，可用z1轮烷表示，由一个线性分子和n一I个环分子构成的轮烷用r司轮烷表示(见图1)。首先介绍轮烷的组装原理，然后介绍这类分子在分子器件方面研究的最新进展。1轮烷的组装原理和应用概括虽然合成轮烷的方法多种多样，但几乎都是利用线性分子和环分子组分之间的非共价键作用。已被广泛应用的非共价键包括配体络合作用供体一受体相互作用、疏水作用和氢键等。利用这些弱相互作用把线性和环分子组分固定在一起，然后通过形成新的共价键以得到稳定的轮烷。而根据形成的共价键部位和组装次序的不同可分为三种方式:(l)线性分子先受非共价键作用趋使穿人环分子内腔，之后在其两端引入大的基团;形成环分子的片断首先夹住带有大的端基的线性分子，然后与另一片断分子形成环分子组分;(3)在较高温度下使内径相当的环分子组分穿过线性分子的端基，得到在较低温度下稳定的轮烷。从所谓合成超分子化学(synthetic supramolecularchemistry)或非共价键作用促进有序多分子体系组装的角度来看，进年来在轮烷和索烃 (由两个或多个互相锁连的环分子组成的另一类分子化合物)的组装方法研究方面取得的进展几乎是同步的。但从超分子体系的应用来看，轮烷似乎显示出更大的实际应用前景。构成轮烷的线性组分和环组分都可以选择性地重新破坏以得到其中的一个组分，因此也可用来合成一些常规方法不能制备的分子。互相锁链的组分在特定条件下可以起到保护对方的作用，也可以用来改变其中一组分的特定理化性质。而有关分子器件分子智能材料特别是在分子开关方面显示的前景更是这一领域研究的动力。三、轮烷和索烃发展现状任何环分子的合成都是和线性聚合反应竞争的，但通过分子间非共价键作用，可以使得成环反应的反应位点在空间上处于有利位置，从而达到提高成环效率的目的。例如，环番作为缺电子受体在分子识别和超分子化学研究中得到广泛的应用，直接从联二毗陡与2反应或分步合成产率都很低(分别为6%和12%)fl。在模板化合物的存在下，4的一步合成产率可提高到62%2。该方法实质上是利用富电子模板3和缺电子的中间体之间的供体一受体作用首先形成一个拟轮烷结构，进而3离去而得到4，从而达到提高产率的目的(图2)。组装超分子化合物的一个重要方法是利用酞胺的分子间氢键，尽管多种轮烷或索烃可以由这种方法制备，构成这类分子的环组分如环番8由于溶解性极差而不能用简单方法合成。化合物5和6在氯仿中反应虽然可以20%的产率形成索烃，但化合物8却因溶解性原因不能与寡聚副产物分离。Leigh等首先组装轮烷7，再通过选择性水解而方便地制备出纯的化合物8(图3)自从lehn在1988年作了关于超分子化学的演讲之后，轮烷作为这一领域的崭新成员迅速崛起。通过自组织（self-organization）、自组装（self-assembly），以及自复制（self-replication）构筑超分子在自然界相当普遍41-43。自组装方法已广泛运用于有机和无机化学，并促进了超分子化学的发展。近十多年来，通过该方法已经构筑了许多复杂却高度有序的功能分子和超分子实体。轮烷（rotaxane）、类轮烷（pseudorotaxane）和索烃（catenane）便是其中重要的类型。它们的结构中都包含了穿入到环状的主体（bead）的线状片段（string）或交叉连接的环。轮烷呈哑铃形，其两端有塞子（stopper），以防止线状部分从环中脱出，类轮烷没有stopper，在轮烷和类轮烷中环被穿到线上，它可以此为轴发生旋转或平动。同样在索烃中一个环能够在另一个环中滑动或转动。轮烷、类轮烷或索烃的环状部分大都为冠醚、环酚或环糊精等合成或天然主体,Stopper大多为位阻较大的有机分子，也有以过渡金属配合物44-45、光电活性卟啉46、蒽47、6048为stopper。轮烷或索烃中存在离子-偶极、给体（donor）-受体（acceptor）相互作用、氢键、疏水作用、包结、配体络合作用等分子间相互作用49。由线形分子和环分子组成的轮烷主要有三种合成方法（见图1.3）41，第一种为夹套式（clipping）即环状分子的片段与线性分子形成环状配合物，然后进行闭合反应；第二种为穿线式(threading)，即首先使线性分子与环状分子结合形成拟轮烷，再在线性分子的两端引入封基组装成轮烷分子；第三种为滑入式(slipping)，即在较高温度下，使环状分子与带有封基的线性分子形成拟轮烷，再冷却而成。合成时也可用金属或有机化合物做模板。当轮烷或索烃中引进特殊的功能片断或识别位点，在外部光或电信号的刺激或体系化学物质浓度改变的情况下，其内部可能发生相对位置的改变或机械运动，造成两个不同的“态”，通过光谱或电化学方法可被检测。当外界信号去除，又可自组装为轮烷或索烃。因此这些轮烷或索烃可能具有分子机器或分子开关（光、电化学、氧化还原、pH）的功能51-56，从而开辟了在分子水平上处理信息的新方法。虽然早在六十年代已经合成了简单的轮烷和索烃，但有关轮烷和索烃超分子体系的分子开关性质方面的研究在九十年代才有报导。 图1.3 轮烷合成方法关于以环糊精为主体形成轮烷在轮烷、拟轮烷合成中的占有重要位置。环糊精作为筒状结构的主体分子，自从被发现可以和聚乙二醇（PEG）形成轮烷后，立即成为一个研究热点57。大量研究表明，环糊精不仅可以和亲水性PEG、聚丙烯（PPG）、聚甲基乙烯基醚（PMVE）生成轮烷，还可以和亲酯性的低聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、聚酯等生成轮烷。并且，这一类轮烷超分子表现出特殊的性质和应用潜力。利用环糊精多轮烷作为中间体，Harada A.等58制备出环糊精纳米管道型的环糊精聚合物如图1.5，该聚合物对不同的高分子表现出特殊的选择性。制备方法如下：首先环糊精和两端氨基取代的PEG反应生成多轮烷，即环糊精穿在PEG链上，然后用2,4-二硝基氟苯和PEG链端的氨基反应，从而阻止环糊精从PEG链上脱掉而得到环糊精多轮烷。接着将穿在PEG链上的相邻的环糊精之间交联起来，再脱掉2,4-二硝基氟苯这个阻隔基团，移去环糊精包合的PEG链，就得到相应的纳米管道型环糊精聚合物。他们55-57还研究了双萘基聚乙二醇与g-环糊精形成纳米管的关系。如图1.4，能形成4：1型的双线型纳米管。 图1.4 双萘基聚乙二醇与g-环糊精形成纳米管G. Gonzalez-Gaitano 课题组61研究了1,22-双三甲基溴化铵基二十二烷基与b-环糊精形成的轮烷，发现形成了2：1型的轮烷。Agnes Sandier课题组63用聚乙二醇作为线，金刚烷为端基，与b -环糊精形成轮烷。Ueno A.等人64-66利用环糊精衍生物和聚乙二醇衍生物之间的相互作用形成轮烷后，研究其能量转移现象，最后得到类似于光合作用中采光的“人工天线”。人们还利用环糊精轮烷和多轮烷组装成了树枝体67、类脂68、分子梭69-70。图1.5 用环糊精轮烷形成纳米管第五章 分子印迹技术一、分子印迹技术的发展历程1949年.D iekev首先提出了“分子印迹”这一概念.但在很长一段时间内没有引起人们的重视。直到1972年山Wulff研究小组首次报道了人工合成的有机分子印迹聚合物之后.这项技术才逐渐为人们所认识。二、分子印迹技术的定义分子印迹技术(又称为分子烙印)将高分子科学、材料科学、生物化学、化学工程等学科有机的结合在一起.是一种为获得在空间结构和结合位l从上与某一分子(模板分向完全匹配的聚合物的新的实验制备技术。它通过以下过程来实现:首先以具有适当功能基的功能单体与模板分子结合形成单体一模板分子复合物;选择适当的交联剂将功能单体互相交联起来形成共聚合物.使功能单体上的功能基在空间排列和空间定向上固定下来;通过一定的方法把模板分子脱去。这样就在高分子共聚物中留下一个与模板分子在空间结构上完全匹配,并含有与模板分子专一结合的功能基的二维空穴.这个二维空穴可以选择性地重新与模板分子结合即对模板分子具有专一性识别功能。1分子印迹技术的基本原理及印迹聚合物的制备方法1. 1分子印迹技术的基本原理根据模板分子同聚合物单体官能团之间作用形式不同.分子印迹技术主要分为共价键法和非共价键法两类。共价键法又称为预组织法或预组装法.由W ulff等创立.在此法中.模板分子同聚合物单体以可逆的共价键相互联接.在交联剂存在下.聚合后通过化学手段打开共价键除去模板分子.从而得到分子印迹聚合物。共价键印迹法经历了共价键的形成和断裂.所需的能量较高.操作条件比较苛刻.适用的范围比较狭窄。日前人们使用的共价键结合作用主要包括形成硼酸醋、席夫碱、缩醛酮、酯和鳌合物等.其中最具代表性的是形成硼酸醋。非共价键印迹法又称自组织法或自组装法.主要由Norrlo等创立.印迹分子与功能中一体之间预先自组织排列.以非共价键如离子键、氢键、疏水作用等形成多重作用点。一般通过酸性聚合物单体的羧酸官能团或磺酸官能团与模板分子的氨基、酞基等形成静电力和氢键。由于这种方式普遍、简单的特点而成为分子印迹技术中较重要的一种形式。此外.也有报道将共价作用与非共价作用结合起来的分子印迹方法。1. 2分子印迹聚合物的制备制备分子印迹聚合物的方法和一般聚合方法一致。在设计分子印迹聚合体系时关键要考虑选择与印迹分六模板分向尽可能有特异结合的单体.然后选择适当的交联剂和溶剂。常用的聚合单体是羧酸类(如丙烯酸.甲基丙烯酸.乙烯基苯甲酸)、磺酸类以及杂环弱碱(如乙烯基吡啶.乙烯基咪唑).其中最常用的体系为聚丙烯酸和聚丙烯酞胺体系。对金属配合作用则应用氨基二乙酸衍生物.其它可能的体系为聚硅氧烷类。对于交联剂的选择.日前最常用的交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸醋,主要是因为其价格便宜.容易纯化.而且制备的分子印迹聚合物性能稳定。除此之外.N. N亚甲基二丙烯酸胺,N. N一1. 4-亚苯基二丙烯酞胺,3.5一二丙烯酞胺基苯甲酸、二乙烯苯、季戊四醇三丙烯酸醋、三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸醋等也是常用的交联剂。就溶剂的选择而言.在非共价型分子印迹聚合物的制备过程中.反应溶剂对分子间作用力和聚合物形态的影响很大.同时溶剂还起着致孔剂的作用.所用溶剂对印迹分子不但应具有较高的溶解度.最好还能够促进印迹分I与功能单体间的相互作用.至少不干扰这种作用.所以必须根据印迹分子与功能中一体间可能的作用力类型选择适宜的溶剂。一般情况下.极性强的溶剂会降低印迹分子与功能中体间的结合.特别是干扰氢键的形成.生成的印迹聚合物识别性能较差.故应尽可能采用介电常数低的溶剂.如苯、甲苯、一甲苯、氯仿、一氯甲烷等。受溶剂影响.在分析中.印迹聚合物可能发生溶胀.致使结合位点的二维结构发生改变.对分析物的识别作用减弱。为避免溶胀发生.吸附中所用的溶剂最好与聚合反应溶剂一致。三、分子印迹技术发展现状 由于分子印迹技术具有构效预定性、特异识别性和广泛实用性.基于该技术制备的分子印迹聚合物具有亲和性、选择性高、稳定性好和应用范围广等特点。因此.分子印迹技术在传感器、分离纯化以及催化等诸多领域具有重要的应用前景。 1用于化学仿生传感器化学或生物传感器是由分子识别元件和信号转换器(如电极、光极、场效应晶体管、压电晶体、热敏电阻等)所组成。近几十年来.生物传感器以其突出的灵敏度和特异性引起了广泛的关注.使传感器技术的研究不断升温。与生物识别兀件相比.分子印迹聚合物具有专一性强、稳定性好、不需使用动物、可大规模生产等优点。日前用印迹聚合物膜传感器测定的对象有氨基酸衍生物、吗啡、除草剂、有机溶剂、神经毒剂水解产物等。将分子印迹聚合物作为传感器的敏感部件.然后通过电、热、光、质等各种手段转换成可测信号.可定量分析各种小分子有机化合物。 Fu等研究了基于分子印迹膜的石英晶体微人平传感器.用于检测苯酚、对苯一酚等. Das等制得的六氯苯传感器对水中六氯苯的检测灵敏度可达10- 12 mol/1, Tong等用锌叶琳作荧光功能单体.能制得对组胺有高选择性的光化学传感器.此外还有对萜烯, 4-氯苯氧乙酸、2. 4-二氯苯氧乙酸、黄酮醇、肾上腺素、谷氨酸、除草剂2. 4-二氯苯氧乙酸等物质的基于分子印迹膜的传感器的研究报道。2用作色谱固定相 分子印迹聚合物最广泛的研究领域之一是分离混合物.作为色谱固定相.广泛应用于拆分外消旋体。W ulff首先把分子印迹聚合物作为高效液相色谱的固定相.拆分模板，D-廿露毗喃糖苯)二的外消旋体。此外在非手性分子的识别分离方而也有了新的进展。Shea等使用争乙基腺嘿吟为模板.制得的印迹聚合物用于高效液相色谱固定相.对模板分子选择性极高.类似于经过多步制得的低分子量的受体的选择性。还报道了罕丸酮、胆固醇、唾液酸、磺酞胺、辛可尼等分子印迹聚合物分离模板分子与其类似物。3用作固相萃取剂分子印迹聚合物具有特效的选择性和亲和性.用作固相萃取剂.可克服生物或环境样品体系复杂、预处理手续繁杂等不利因素.为样品的采集、富集和分析提供了极大的方便.可用于医药、食品和环境分析样品的制备.对于痕量分析有重要作用。印迹聚合物既可以在有机溶剂中使用.优化条件下又可在水溶液中使用.Sellergren首次报道将分子印迹用于固相萃取.他以戊眯(AIDS抑制药)为模板制备戊眯分子印迹聚合物.进行固相萃取.取得了很好的效果。M eng等用分子印迹聚合物固相萃取人体血-清中的神经毒剂水解产物.检测限可达0. 1g/ml。4用于药物手性分离随着药物研究的不断深入.人们逐渐认识到药物的有效成分往往具有不同的手性性质.尽管分子式相同但其药效不同甚至相反。因此有必要采取适当方法对其对映体或异构体进行拆分。Kempe等人以(s)一蔡普生为模板分子制备分子印迹聚合物.对其消旋混合物拆分.得到较好的效果.分离度为0. 83。另外.这种聚合物还可将(s)一蔡普生与其结构类似物布洛芬和酮洛芬进行分离。南开大学何锡文等利用分子印迹法对药物扑热息痛.头袍氨苄、氟哌酸等分子印迹聚合物的合成和结合选择性进行了报道.苹襄朝等利