第三章有機分子的弱相互作用與物理性質

1、第三章 有機分子的弱相互作用與物理性質現代化學是基于對化學鍵的理解的基礎之上逐漸完善和發(fā)展起來的。自從1916年Lewis提出共價鍵的理論以來，人們對共價鍵的認識已經相當深刻。此外，現代量子化學從頭算起理論對共價鍵結合的分子的電子結構的計算結論與實驗數據相當吻合。然而隨著化學與生物學等學科的發(fā)展，人們漸漸發(fā)現，僅僅考慮化學鍵的作用很難解釋生物大分子體系所擁有的特殊性質。實際上，分子（或基團）間的弱相互作用（weak interaction）是一類自然界普遍存在的且對物質的物化性質有重要影響的作用方式。分子（或基團）間的弱相互作用在維持生物大分子的二、三、四級等高級結構中起著重要的作用。這些弱相

2、互作用的加和與協(xié)同、分子間相互作用的方向性和選擇性決定了分子識別、分子組裝、組裝體的特定結構和功能。生物分子通過共價鍵連接結構部件形成直鏈聚合物，而大量的弱相互作用是將其獨特的三維結構維持在一個動態(tài)的水平不可缺少的力量。生命科學的進展也表明弱相互作用在構筑生命體系(如細胞膜、DNA雙螺旋)及酶識別、藥物/受體識別等方面起到了重要作用。一旦這些弱作用方式被破壞或者改變則容易引起蛋白質結構和功能的變化，所以了解這些弱相互作用具有重要的意義。隨著科學技術的發(fā)展，目前這些弱相互作用的研究已經引起人們的極大關注。一般認為，分子間作用力比化學鍵力（離子鍵、共價鍵、金屬鍵）弱得多，其作用能在幾到幾十kJmo

3、l-1范圍內，比化學鍵能（通常在200-600kJmol-1范圍內）小一、二個數量級。作用范圍遠大于化學鍵，稱為長程力。不需要電子云重疊，一般無飽和性和方向性。分子間作用力本質上是靜電作用，一是靜電吸引作用，如永久偶極矩之間的作用、偶極矩與誘導偶極矩間的作用、非極性分子的瞬間偶極矩間的作用；另一是靜電排斥作用，它在分子間的距離很小時才能表現出來。分子間的實際作用力是吸引作用和排斥作用之差。而通常所說的分子間相互作用及其特點，主要指分子間的引力作用，常稱作范德華（Van de Waals）作用力。范德華力的主要形式有：取向力：存在于極性分子的偶極-偶極間的相互作用力；誘導力：包括偶極-誘導偶極間

4、的相互作用力；色散力：非極性分子因為電子與原子核的相對運動，互相感應產生隨時間變化的瞬間偶極矩間的相互作用力，這種引力普遍存在于所有分子中。除上述物理作用力外，在分子間作用力和化學鍵作用之間還存在一些較弱的化學鍵作用，這種作用有飽和性和方向性，但作用力比化學鍵力小得多，鍵長較長，現在歸屬為分子間的弱鍵相互作用。這類作用主要包括氫鍵、分子間的配位鍵作用（如相互作用、陽離子-吸附、給體受體相互作用等）等。 氫鍵作用氫鍵是一類重要的弱相互作用。它是指分子中與一個電負性很大的元素相結合的H原子，還能與另一分子中電負性很大的原子間產生一定的結合力而形成的鍵，用式子表示即為：XHY，其中X，Y代表F，O，

5、N等電負性大且半徑小的原子。由電負性原子與氫原子形成共價鍵時，s鍵的電子云分布會明顯偏向電負性大的原子核，使得氫核周圍的電子云分布減少，氫核帶有明顯的正電荷分布。這種氫核與另一個電子云密度高且電負性強的原子接近時，相互間會產生較強的靜電吸引，這種作用稱為氫鍵作用。因此，一般都認為氫鍵的本質實際上是一種靜電作用力。氫鍵的鍵能比化學鍵的鍵能小且具有較強的方向性和飽和性。氫鍵的靜電作用的本質可成功地解釋氫鍵的一些性質，例如：（1）氫鍵鍵能一般為20-30 kJ/mol，這與理論計算的偶極-偶極或偶極-離子的靜電作用能基本相當。（2）不同類型氫鍵的鍵能隨X，Y原子電負性的增大或半徑的減小而增大。（3）

6、氫鍵的幾何構型一般為直線型或稍有彎曲，以使X，Y間靜電斥力最小。表3.1 一些氫鍵的鍵能和鍵長氫鍵化合物鍵能kJmol-1鍵長（x-y）/pmFHFOHONHFNHN氣體（HF）2固體（HF）n，n5水冰CH3OH，CH3CH2OH（HCOOH）2NH4FNH328.0255270285276270267268338氫鍵作用的范圍非常廣泛，它直接影響著許多物質重要的物理性質如熔點、沸點、溶解度等。氫鍵作用存在于一些無機分子之間、無機分子和有機分子之間、有機分子之間以及許多有機分子的內部，特別是存在于生物有機大分子如蛋白質、核酸等分子體系中。氫鍵的作用雖比共價鍵、離子鍵等化學鍵作用力要弱得多，但

7、卻是許多物理化學和生物現象發(fā)生的主要原因。在生命科學領域，許多生物結構的存在和生物反應的發(fā)生，氫鍵起著關鍵作用。蛋白質肽鏈上的羰基氧和酰胺氫之間形成的氫鍵，是維持蛋白質二級結構的主要作用力，大多數蛋白質之所以采取-螺旋、-折疊等折疊方式，便是為了能使主鏈肽基的羰基氧和酰氨氫之間形成最大數目的分子內氫鍵。在維持蛋白質三級結構的作用力中，氫鍵也起著舉足輕重的作用，與此同時保持大部分能成氫鍵的側鏈處于蛋白質分子的表面可與水相互作用。此外，在另一類重要的生物大分子核酸中，也是由于氫鍵的作用，使四種堿基形成特異的配對關系。雖然氫鍵的作用弱于化學鍵，但明顯強于范德華力，使得這種結合既有一定的穩(wěn)定性又有一定

8、的彈性，從而為核酸包含生物體的遺傳信息，并參與遺傳信息在細胞內的表達，促成并控制代謝過程提供了可能。因此，氫鍵是維持生物系統(tǒng)結構的重要作用力之一。此外，人們在研究強氫鍵的同時，也開始關注另一類更弱的相互作用，特別是CHO鍵的作用。弱相互作用CHO被認為廣泛存在于一些重要的生物體系如核酸、蛋白質中，從而成為生物體系研究的熱點。與OHO、NHO等強氫鍵相比，CHO弱相互作用能相對低得多，大約為幾個kJ /mol。 另外，形成CHO弱氫鍵的兩個原子間的距離也要比強氫鍵大。與傳統(tǒng)氫鍵相比， CHO弱相互作用的表現行為有所不同。例如，形成強氫鍵的基團的鍵長變長，伸縮振動的頻率向低波數移動，發(fā)生紅移現象，

9、而形成弱氫鍵時，它們的CH鍵長會變短，伸縮振動的頻率會向高波數移動，發(fā)生藍移現象。因此，這類氫鍵又被稱為藍移氫鍵、反氫鍵。氫鍵可分為分子間氫鍵和分子內氫鍵兩大類。分子間氫鍵廣泛存在于有機化合物中，它常常被用來解釋一些實驗現象，如氫氟酸的弱酸性，醇類物質的高沸點等。如果分子中同時含有氫鍵供體和氫鍵受體，而且二者位置合適，則可以形成分子內氫鍵。分子內氫鍵后一般具有環(huán)狀結構，由于鍵角等原因，通常情況下以六元環(huán)最為穩(wěn)定，五元環(huán)次之。如果氫鍵供體或受體間既能形成分子內氫鍵又能形成分子間氫鍵，那么在相同條件下，分子內氫鍵的形成是優(yōu)先的，尤其是能形成六元環(huán)的情況。二者雖然本質相同，但前者是一個分子的締合體而

10、后者是兩個或多個分子的締合，因此一般來說，分子內氫鍵在非極性溶劑的很稀溶液中也能存在，而分子間氫鍵幾乎很難形成，因為此時兩個或兩個以上分子的互相接近變得較為困難。因此，濃度的改變對分子間氫鍵的形成有很大的影響，對分子內氫鍵則影響不大。3.1.2 范德華作用分子間存在著一種強度只有化學鍵鍵能約1 /10 1 /100的弱作用力，它最早由荷蘭物理學家范德華提出，故稱范德華力。這種力對物質的物理性質如沸點、溶解度、表面張力等有重要影響。當分子接近到一定距離時，分子間會產生范德華吸引力，其吸引能與距離的六次方成反比，隨距離的增大很快衰減。例如脂肪分子的烴鏈之間就存在著這類作用力，它是維持細胞膜的一種重

11、要作用。對任何分子來說，分子內都存在永久的或瞬間的正、負電荷中心，這是產生范德華力的本質原因。在外界電場作用下，分子都有發(fā)生電荷中心發(fā)生變化的可能。這個電場可以是宏觀的外界電場，也可以是微觀的另外一個分子的電場對另外一個分子的作用。范德華力一般可以細分為三種情況： 色散力 (dispersion force)：由于瞬時偶極而產生的分子間相互作用力。I1和I2為分子1和2的電離能。誘導力 (induction force)：誘導偶極與固有偶極之間產生的分子間相互作用力。決定誘導力強弱的因素包括極性分子的偶極矩以及非極性分子的極化率。極性分子的偶極矩愈大，誘導力愈強；非極性分子的極化率愈大，誘導力

12、愈強。1為分子1的偶極矩，2為分子2的極化率。取向力 (orientation force) ：極性分子之間固有偶極的取向所產生的吸引力。兩個極性分子相互靠近時，由于同極相斥、異極相吸，分子發(fā)生轉動，并按異極相鄰狀態(tài)取向，分子進一步相互靠近。式中1和2分別是兩個相互作用分子的偶極矩，r是分子質心間的距離，k為Boltzmann常數，T為絕對溫度，負值代表能量降低。 表3.2 分子間的吸引作用(×10-22 J)非極性分子和非極性分子之間的作用力只有色散力。而極性分子和非極性分子之間則有色散力和誘導力。極性分子之間則三種作用力都普遍存在。3.2 分子間的弱相互作用對物理性質的影響有機化

13、合物的結構對其物理性質有決定性的影響。在介紹有機化合物的物理性質時，我們經常涉及熔點、沸點、溶解度等物理參數。實際上，這些物理參數的變化規(guī)律與分子間的各種弱相互作用是密不可分的。在有機化學中，純粹的有機化合物一般都有固定的熔點和沸點。熔點是固體將其物態(tài)由固態(tài)轉變（熔化）為液態(tài)的溫度，在這一溫度下，分子將擁有足夠的能量擺脫晶格束縛。在一定壓力下，固-液兩相之間的變化是非常敏銳的，初熔至全熔的溫度一般不超過0.51（熔點范圍或稱熔距、熔程）。而沸點是在一定壓力下，某物質的飽和蒸汽壓與大氣壓力相等時對應的溫度。飽和蒸汽壓是指在一定溫度下，與液體或固體處于相平衡的蒸汽所具有的壓力。 有機分子間的弱相互

14、作用使得微觀分子聚集在一起，從而將系統(tǒng)能量降到最低，其表現為物質以液體或固體狀態(tài)存在。一般而言，在一定大氣壓下，物質的熔點與有機分子的對稱性以及分子間的弱相互作用力密切相關。分子的對稱性越好，在固體狀態(tài)下其堆積密度越高，產生的晶格能也越高，有利于熔點的升高；此外，分子間的作用力增大，也有利于熔點的升高。另一方面，在一定大氣壓下，有機化合物的沸點在很大程度上取決于分子間的弱相互作用的大小。在特定溫度下，有機分子自身擁有一定的動能，它總是試圖讓自身擺脫其他分子的束縛，成為氣相中的自由分子。分子間的弱相互作用力越大，分子由液相進入氣相所需要的能量將越高，即沸點越高。表3.3中給出了一些簡單的正烷烴的

15、物理參數。表3.3 直鏈烷烴的物理參數化合物熔點（）沸點（）密度（g/cm3）甲烷0.424（-160）乙烷-1830.546（-88）丙烷0.582（-42）丁烷-138（0）戊烷（20）己烷-95（20）庚烷（20）辛烷（20）壬烷（20）癸烷（20）十一烷（20）十二烷（20）從上面的數據中可以發(fā)現，正烷烴的熔點和沸點隨著這一同系物的碳原子數目的增加而增加。密度數據基本上也是隨著碳原子數目增加而增加。我們怎么解釋這種現象呢？首先，烷烴分子的極性非常弱，分子間的作用主要以色散力為主，隨著分子的分子量增大，分子間的瞬間作用力也隨之增強，從統(tǒng)計結果上看就是分子間的作用力更強，相應的其宏觀表現的

16、熔沸點數據就更高。另一方面，相對于分子自身的尺度來說，在環(huán)境溫度下分子和分子之間為取得能量最低狀態(tài)時分子間的距離要大的多，那么在單位空間內分子量大的化合物在宏觀上就應該更“重”些，其宏觀表現就應該是密度要更大一些。要說明的是，在上面的例子中我們選擇的是結構最簡單的化合物，如果結構上有更多復雜變化和作用力需要考慮的時候，那么影響熔沸點的因素也會復雜的多。直鏈烷烴的熔點也隨著碳原子數的增加而升高，但變化的規(guī)律性還是和沸點的有些不同。已經發(fā)現，含偶數碳原子的直鏈烷烴的熔點升高幅度大于含奇數碳原子的升高幅度。在同分異構體之間，熔點高低的情況和沸點也有不同，對稱性較好的異構體熔點高。觀察一下戊烷的三個異

17、構體的沸點和熔點（表3.4），對兩者的差異十分明顯。表3.4 戊烷異構體的沸點和熔點正戊烷異戊烷新戊烷沸點（）3628熔點（）-130-160-17烷烴的熔點與沸點情況的差異，在于熔點不僅和分子間的作用力有關，還與分子中晶體的排列密度有關。分子越對稱，其在晶格中排列越緊密，熔點越高。戊烷的三個異構體中，新戊烷高度對稱，因此熔點最高。X-射線衍射研究證明，偶數碳原子的烷烴分子具有較好的對稱性，導致其熔點高于相鄰奇數碳原子烷烴的熔點。表3.5 烯烴的沸點和熔點化合物熔點（）沸點（）密度（g/cm3）乙烯丙烯1-丁烯順-2-丁烯反-2-丁烯2-甲基丙烯烯烴分子含有一個雙鍵，分子量相當的直鏈烯烴的沸點

18、通常會低于相對應的直鏈烷烴。直鏈烯烴通常比支鏈烯烴的沸點高。此外，雙鍵的存在使得烯烴存在一個順反異構的問題，通常順式異構體的沸點比反式的高，但其熔點則比反式的低。這是因為順式異構體的偶極矩比反式的大，液態(tài)下，偶極矩大的分子之間引力較大，故順式異構體的沸點較高；而反式異構體比順式異構體在晶格中排列更緊密，因而呈現出較高的熔點。這些結構對熔沸點的影響規(guī)律也適用于其它類型的有機化合物。在有機化學中，一些含氧原子的化合物，如醇和醚類化合物，醛和酮類化合物，因其結構上的差別顯示出明顯不同的物理性質。表3.6列出了一些常見的含氧有機化合物的物理參數。表3.6 醇醚醛酮的沸點和熔點化合物熔點（）沸點（）密度

19、（g/cm3）乙醇丙醇丁醇乙二醇甲醚-140-24-乙醚-116四氫呋喃-10866乙醛-12321-丙烯醛-8753-丙酮-9556-環(huán)己酮-47155-可以發(fā)現，在分子量接近的情況下，醚類化合物的熔沸點較烷烴要高。然而，比較幾種配對的同分異構體的物理參數后可以發(fā)現，醇的沸點明顯高于相應的醚。這是由于氫鍵的存在強烈地影響了化合物分子間的相互作用力。對醇分子而言，要想將分子由液態(tài)變成一個個孤立的氣態(tài)分子，除了要克服分子之間相對于烷烴要強的多的范德華力，而且還要克服分子之間氫鍵的引力，因而需要更高的溫度。另外，比較分子量接近的烷烴和醛酮的參數，也可以明顯發(fā)現醛酮的沸點明顯要高，這是因醛酮分子間存

20、在相當強的偶極-偶極相互作用所致。此外，醛、酮、以及醚分子雖然自身無法形成氫鍵，但與含有強極性氫的分子之間可以形成一定強度的氫鍵，這有助于這類化合物之間的相互溶解。但是，隨著碳鏈長度的增加相互溶解性能也隨之發(fā)生明顯的變化。如表3.7所示，常溫下C1-C9的直鏈飽和一元羧酸為液體，高級脂肪酸常溫下為蠟狀無味固體，脂肪族二元酸和芳香酸均為固體。羧酸的熔點也隨碳原子數的增加呈鋸齒狀上升，偶數碳原子羧酸的熔點比它前后相鄰兩個奇數碳原子同系物的熔點高，這可能也是對稱性因素導致的。羧酸的沸點要高于近似分子量的醇，這是因為多數羧酸能通過分子間氫鍵締合成二聚體或多聚體，如甲酸、乙酸即使在氣態(tài)時都保持雙分子聚合

21、狀態(tài)。表3.7 羧酸和酯的沸點和熔點化合物熔點（）沸點（）密度（g/cm3）甲酸-乙酸118-丙酸-22141-丁酸-苯甲酸122249苯乙酸78265乙二酸（草酸）189100（升華）-丁二酸185235（失水）-己二酸151330（分解）甲酸甲酯32乙酸甲酯乙酸乙酯乙酸丙酯-95丙酸乙酯苯甲酸乙酯乙二酸二乙酯丁二酸二甲酯196鄰苯二甲酸二乙酯對苯二甲酸二乙酯44302一元脂肪酸隨著碳原子數目增加水溶性降低。低級羧酸可以與水混溶，高級一元酸不溶于水，但能溶于有機溶劑。多元酸的水溶性大于相同碳原子數目的一元酸。酯的沸點比相應的酸和醇要低，比較接近于含相同碳原子數醛酮的沸點。酯在水中的溶解度較小

22、，但可以溶于一般的有機溶劑。此外，還有一個有趣的事實，就是揮發(fā)性的酯常常含有芬芳的氣息，許多花果的香氣就是由酯引起的。有些酯可以作為實用香料。例如：乙酸異戊酯、戊酸異戊酯和丁酸丁酯分別具有與香蕉、蘋果和菠蘿相似的香氣。表3.8中列出了一些有機胺類化合物的物理參數。脂肪胺中，甲胺、乙胺、二甲胺和三甲胺在室溫下為氣體，其它的低級胺為液體。N-H鍵是極化的，但極化程度要比O-H鍵小，氫鍵NHN也比OHO弱。因此，伯胺的沸點高于分子量接近的烷烴而明顯低于相應的醇。立體位阻在一定程度上會妨礙氫鍵的生成，伯胺分子間形成的氫鍵比仲胺強，叔胺分子間不能生成氫鍵，所以在碳原子相同的胺中，伯胺沸點最高，仲胺次之，

23、叔胺最低。胺分子中氮原子上的孤對電子能接受水或者醇分子中羥基的氫，生成分子間氫鍵，因此，含6-7個碳原子的低級胺能溶于水，胺在水里的溶解度略大于相應的醇，高級胺與烷烴類似，不溶于水。表3.8胺類化合物的沸點和熔點化合物熔點（）沸點（）密度（g/cm3）甲胺-93-7乙胺-8117丙胺-8349丁胺-50二甲胺-967二乙胺-4256三甲胺-117三乙胺-11590三丁胺213芐胺185苯胺-6184N-甲基苯胺-57196N，N-二甲基苯胺2194二苯胺54302乙酰胺82221芳香胺是高沸點液體或者低熔點固體，有特殊氣味，在水中的溶解度比相應的酚稍低。芳香胺的毒性很大，液體芳胺能透過皮膚而被

24、吸收，雖然它們的蒸汽壓不大，長期呼吸后會發(fā)生中毒。酰胺可以發(fā)生和羧酸類似的締合，且強度更大，酰胺的沸點高于相應的酸，除甲酰胺外，其它非取代酰胺在室溫下為固體，N上的氫被烴基取代，使締合程度減小，沸點降低。在討論氫鍵對分子沸點影響的時候，還要注意是形成的分子內氫鍵還是分子間氫鍵，最典型的例子就是鄰-硝基苯酚和對-硝基苯酚（表3.9）。表3.9 不同取代位置的硝基苯酚的沸點沸點(0.009Mpa)溶解度（g/100g水）鄰-硝基苯酚100間-硝基苯酚194對-硝基苯酚分解鄰-硝基苯酚通過分子內氫鍵，形成六元環(huán)狀結構，阻礙其與水形成氫鍵，水溶性降低，揮發(fā)性增大；而對硝基苯酚則是分子之間通過氫鍵締合，

25、揮發(fā)性小，不能隨水蒸出。因此借助于這種性質可以水蒸氣蒸餾分離這兩種化合物。氫鍵對分子的構象也會造成影響，目的就是為了活的盡量低的系統(tǒng)內能。在有機化學中，化合物之間的相互溶解能力也與其分子結構具有密切的聯系。這方面已總結出一個經驗規(guī)律，即所謂的相似相溶規(guī)律。這個規(guī)律的核心內容就是極性相似的化合物之間擁有良好的相互溶解能力，而極性差別很大的化合物之間則相互溶解能力較差。這條規(guī)律體現出了各種分子間的弱相互作用大小。此外，在化合物溶解過程中，氫鍵的存在與否對溶解性能有很大的影響。表 給出了一些實驗室常用化合物的相對極性大小和溶解性能參數。表3.10 實驗室常用化合物極性和溶解性能常見溶劑極性粘度(20

26、)沸點()溶解性能異戊烷-30戊烷36與乙醇、乙醚等多數有機溶劑混溶石油醚30-60不溶于水，與丙酮、乙醚、乙酸乙酯、苯、氯仿及甲醇以上高級醇混溶與低級烷烴相似己烷69甲醇部分溶解，比乙醇高的醇、醚丙酮、氯仿混溶環(huán)己烷81與乙醇、高級醇、醚、丙酮、烴、氯代烴、高級脂肪酸、胺類混溶異辛烷99三氟乙酸-72與水,乙醇,乙醚,丙酮,苯,四氯化碳,己烷混溶,溶解多種脂肪族,芳香族化合物三甲基戊烷99環(huán)戊烷49庚烷98與己烷類似四氯化碳77與醇、醚、石油醚、石油腦、冰醋酸、二硫化碳、氯代烴混溶丙醚68甲苯111不溶于水,與甲醇、乙醇、氯仿、丙酮、乙醚、冰醋酸、苯等有機溶劑混溶對二甲苯138不溶于水，與醇

27、、醚和其他有機溶劑混溶氯苯132能與醇、醚、脂肪烴、芳香烴、和有機氯化物等多種有機溶劑混溶鄰二氯苯180乙醚35微溶于水,易溶于鹽酸.與醇、醚、石油醚、苯、氯仿等多數有機溶劑混溶苯80難溶于水，與甘油、乙二醇、乙醇、氯仿、乙醚、四氯化碳、二硫化碳、丙酮、甲苯、二甲苯、冰醋酸、脂肪烴等大多有機物混溶異丁醇108二氯甲烷40與醇、醚、氯仿、苯、二硫化碳等溶劑混溶丁醇117與醇、醚、苯混溶乙酸丁酯-126優(yōu)良有機溶劑，廣泛應用于醫(yī)藥行業(yè)，還可以用做萃取劑丙醇98四氫呋喃66優(yōu)良溶劑，與水混溶，很好的溶解乙醇、乙醚、脂肪烴、芳香烴、氯化烴乙醇79與水、乙醚、氯仿、酯、烴類衍生物等有機溶劑混溶氯仿61與

28、乙醇、乙醚、石油醚、鹵代烴、四氯化碳、二硫化碳等混溶二氧六環(huán)102能與水及多數有機溶劑混溶吡啶115與水、醇、醚、石油醚、苯、油類混溶。能溶解多種有機物和無機物丙酮57與水、醇、醚、烴混溶硝基甲烷101與醇、醚、四氯化碳、DMF等混溶乙酸118與水、乙醇、丙酮混溶乙腈82與水、甲醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酮、醚、氯仿、四氯化碳、氯乙烯及各種不飽和烴混溶，但是不與飽和烴混溶苯胺184稍溶于水，易溶于乙醚、醇、酯、苯、酮等。DMF（二甲基甲酰胺)153與水、乙醇、丙酮混溶甲醇65與水、乙醚、醇、酯、鹵代烴、苯、酮混溶乙二醇197與水、乙醇、丙酮、乙酸、甘油、吡啶混溶，與氯仿、乙醚、苯、二硫化碳等難

29、溶，對烴類、鹵代烴不溶，溶解食鹽、氯化鋅等無機物二甲亞砜189與水、甲醇、乙醇、乙二醇、甘油、乙醛、丙酮乙酸乙酯吡啶、芳烴混溶水10033 分子間的弱相互作用與分子自組裝長久以來，有機化學的研究主要圍繞分子層次展開，系統(tǒng)地研究了不同的化學反應，發(fā)展出各種各樣的合成方法和策略，創(chuàng)造出豐富多彩的以碳原子為核心的共價鍵化學。迄今化學家們己經合成出了4000多萬個有機化合物，在現代文明的發(fā)展史中寫下了光輝的一頁。所有這一切輝煌成就的取得，始終圍繞著一個中心，即共價鍵的生成和斷裂。大自然同樣是一位巧奪天工的合成大師，一個個結構極其復雜的天然產物分子讓人嘆為觀止。當人們?yōu)榇笞匀蝗绱藦姶蟮鸟{馭共價鍵的能力所

30、折服的時候，也開始關注分子間的非共價相互作用。依賴分子間的弱相互作用，大自然僅僅利用幾種為數不多基本組成單元如核酸、蛋白質、糖就創(chuàng)造了如此豐富多彩的物質世界。 疏水親脂作用疏水親脂相互作用廣泛存在和表現于各種生命過程中，它是宇宙中導致生命現象的最基本的分子間作用力之一。實際上，生命體中細胞膜的形成，蛋白質在水溶液中二級及三級構象的形成及其穩(wěn)定性，生命現象中極為重要的功能高分子酶催化功能的發(fā)揮等，都與疏水親脂相互作用存在著密切的關系。因此，它與靜電作用、氫鍵、范德華力等分子間的相互作用一樣，也被認為是分子間一種重要的相互作用方式。表面活性劑的表面活性源于其分子的兩親結構，親水基團使分子有進入水的

31、趨向，而憎水基團則竭力阻止其在水中溶解而從水的內部向外遷移，有逃逸水相的傾向，而這兩傾向平衡的結果使表面活性劑在水表的富集，親水基伸向水中，憎水基伸向空氣，其結果是水表面好像被一層非極性的碳氫鏈所覆蓋，從而導致水的表面張力下降。表面活性劑在界面富集吸附一般的單分子層，當表面吸附達到飽和時，表面活性劑分子不能在表面繼續(xù)富集，而憎水基的疏水作用仍竭力促使憎水基分子逃離水環(huán)境，于是表面活性劑分子則在溶液內部自聚，即疏水基在一起形成內核，親水基朝外與水接觸，形成最簡單的膠團。表面活性劑分子在溶劑中締合形成膠束的最低濃度即為臨界膠束濃度。當溶液達到臨界膠束濃度時，溶液的表面張力降至最低值，此時再提高表面

32、活性劑濃度，溶液表面張力不再降低而是大量形成膠團。有機分子溶解于水后，水分子要保持原有的結構而排斥有機分子的傾向稱為疏水作用，而有機分子之間的范德華吸引力稱為親脂作用。一般情況下，疏水作用和親脂作用同時并存，很難將二者分開來定量分析，通常認為兩者中疏水作用具有相對的重要性，然而在一定條件下它們也可以獨立存在。疏水親脂相互作用驅動的簇集和自卷曲是非極性或弱極性有機分子普遍存在的一種物理現象，也是形成聚集體，膠束，囊泡，生物膜，甚至細胞等更高級結構或體系的基礎。簇集(aggregation)的定義是：在水溶液或水和有機溶劑的混合體系中，非極性或者極性很小的中性長鏈有機分子受疏水親脂相互作用力的驅動

33、，相互靠近并形成分子集合體的現象。由上述現象形成的集合體稱為簡單分子簇集體，簡稱簇集體(Ag)。如果參與簇集的有兩種或兩種以上分子，稱為共簇集(co-aggregation)，形成的分子集合體稱為共簇集體。 與膠束相比，組成簇集體或共簇集體的平均分子數目要小得多，一般為幾個到十幾個。有機分子形成簇集體或共簇集體所需要的最低濃度稱為臨界簇集濃度(CAgC)或臨界共簇集濃度(CoAgC)，它們是反映分子內在性質的主要參數之一，代表有機分子簇集或共簇集傾向性的大小，其數值越小，則有關分子的簇集有機分子自卷曲和超分子自組裝的一些研究或共簇集的傾向性越大。與簇集相類似的是分子的自卷曲，在水或水-有機溶劑

34、混合體系中，中性長鏈有機分子由于受到疏水親脂相互作用，發(fā)生“自我簇集”，即碳氫鏈像發(fā)夾一樣自卷起來，這一現象稱為分子自卷曲。自卷曲可以使水分子對碳氫鏈的排斥作用減小，在能量上比較有利。通常含有10一12個碳原子以上的碳氫直鏈的有機分子才會發(fā)生自卷曲。分子發(fā)生自卷曲后，分子中原來相距較遠的部分被拉近，這一現象已被成功運用于大環(huán)的合成。如，-分葵二醇肉桂酸二醋在乙睛中光照后生成大環(huán)產物的產率僅為6-7%，但在含有30%水的DMSO體系中，生成大環(huán)產物的產率可以提高到90%。 疏水親脂相互作用是一種對溶劑性質依賴很強的分子間作用力，因此，溶劑組成的改變必定會引起有機分子簇集傾向性的變化。溶劑的促簇能

35、力反映了溶劑體系促使有機分子簇集的能力，其值越大，則有機分子在溶劑中的疏水親脂相互作用就越強，分子的簇集傾向勝就越大。由于中性有機分子在水中的溶解度往往非常有限，因此經常使用有機溶劑和水的混合體系來進行簇集和自卷的研究，顯然，在特定的混合體系中，水所占比例越大，則溶劑的促簇能力就越強。此外，分子的形狀也是影響簇集的根本因素之一，一般來說，帶有較長碳氫鏈和較小親水基的分子具有較大的簇集傾向性，“多臂”分子中每一條鏈的共簇集傾向性要比相應的“單臂”分子大。對于不同的幾何構型，其簇集傾向性順序為直鏈分子>支鏈分子>環(huán)狀分子，分子的形狀越接近“球形”則簇集能力越弱。此外溫度和鹽效應也會影響

36、分子的簇集能力。在我們日常生活中，洗衣粉分子的強極性的親水基傾向于和同樣極性的水結合在一起，而憎水基則傾向于和衣料中的臟東西結合，隨著自然擴散和人手或者洗衣機的機械攪拌作用力，贓物就被從衣服中帶出來進入水中洗去。這也是利用了化學鍵力和弱相互作用共同作用的結果。3.3.2 分子識別與自組裝近幾十年來，尤其是在Lehn，Cram和Pederson由于對冠醚類化合物的工作而獲得了諾貝爾化學獎之后，分子間的弱相互作用越來越引起化學家們的重視。而在此之前，分子間弱相互作用力的研究對象就已經拓展到了分子識別和主客體作用，誕生了超分子化學。今天，超分子化學被定義為“研究分子組裝和分子間作用力的化學”。它的研

37、究內容是超越分子水平之上的。它更側重于研究兩個或更多的化學分子組成的復雜大分子，以及組成這些大分子所依賴的分子間作用力。超分子化學是一門高度交叉的科學，它涵蓋了比分子本身更復雜得多的化學物種的化學、物理和生物學特征，并通過分子間(非共價)鍵合作用聚集、組織在一起。超分子化學主要包括以下兩個方面：分子識別 (molecular recognition)和自組裝 (self-assembly)。分子識別的早期研究起源于冠醚對金屬離子的絡合研究，早期也稱為主體一客體(host-guest)化學。分子識別是一種人工受體和小分子之間的選擇性相互結合，而不是單純的分子間相互作用。指導這一研究的基本思路是由

38、Fischer提出的“Lock一Key”原理，指出選擇性來自主體一客體分子間的幾何互補性。分子識別原理己經在很多方面被廣泛應用，最成功的例子莫過于模板合成法，利用模板法合成一些大環(huán)化合物如冠醚，與不用模板相比，產率可提高十幾倍，而對于輪烷，索烴等相互鎖鏈的化合物，產率的提高更是顯著的驚人一高達上千倍。分子識別在藥物設計中的作用是顯而易見的，因為藥物與藥物受體間作用首先是識別與被識別的過程。此外，化學傳感器的設計，基于膜傳輸的分離，也依賴于分子識別原理。自組裝是指分子與分子在一定條件下，依賴非共價鍵分子間作用力自發(fā)連接成結構穩(wěn)定的分子聚集體的過程。自組裝是超分子化學中極為重要的一個研究內容，這不

39、僅是因為為數眾多的生物超分子結構來源于自組裝，更是因為分子器件、超分子材料的構筑都是以自組裝為基礎的，利用具有不同功能的單體來組裝結構復雜的多功能材料己經成為材料研制的一個新方向。它將在光電材料、人體組織材料、高性能高效率分離材料及納米材料中發(fā)揮作用。新型的超分子組裝體如輪烷(rotaxanes)、索烴(catenanes)、分子結(knots)、螺旋體(duplexes)、分子拉鏈(moleeularzippers)、分子折疊體(foldamers)、超分子微球體(suprajn leeuzareapsules)、玫瑰型聚集體(Supramole ularrosettes)、氫鍵納米管(na

40、notubes)等不斷的被報道發(fā)現。這些結構新奇的超分子組裝體不但展示出化學家卓越的想象力，也進一步開闊了化學學科的研究范圍。同時，有關超分子組裝原理研究的不斷深入和完善也為進一步利用超分子體系作為平臺研究學科本身的一些重要現象提供了新的可能。分子自組裝一個天然例子就是蠶絲的自組裝。蠶絲的絲蛋白單元長度大約是1m，但是單根蠶絲可通過單元的自組裝生成超過1公里長的絲質材料，這大約是蠶絲蛋白單元的兩百萬倍。如此驚人的自組裝工程是目前人類技術無法實現的。又如每個核苷酸單元約是0.34 nm，人體內的第22條染色體通過自組裝能延伸至大約1.2 cm，是單體的3500萬倍。分子自組裝的原理是利用分子與分

41、子或分子中某一片段與另一片段之間的分子識別，相互通過非共價作用形成具有特定排列順序的分子聚合體。分子自發(fā)地通過無數非共價鍵的弱相互作用力的協(xié)同作用是發(fā)生自組裝的關鍵。非共價鍵的弱相互作用力維持自組裝體系的結構穩(wěn)定性和完整性。并不是所有分子都能夠發(fā)生自組裝過程，超分子形成不必輸入高能量，不必破壞原來分子結構及價健，主客體間無強化學鍵，這就要求主客體之間應有高度的匹配性和適應性，不僅要求分子在空間幾何構型和電荷，甚至親疏水性的互相適應，還要求在對稱性和能量上匹配。這種高度的選擇性導致了超分子形成的高度識別能力。如果客體分子有所缺陷，就無法與主體形成超分子體系。由此可見，從簡單分子的識別組裝到復雜的

42、生命超分子體系，盡管超分子體系千差萬別，功能各異，但形成基礎是相同的，這就是分子間作用力的協(xié)同和空間的互補。這些作用力的實質是永久多極矩、瞬間多極矩、誘導多極矩三者之間的相互作用。這些弱相互作用還包括疏水親脂作用力、氫鍵、作用的協(xié)同性、方向性和選擇性決定著分子與位點的識別。經過精心設計的人工超分子體系也可具備分子識別、能量轉換、選擇催化及物質傳輸等功能，其中分子識別功能是其他超分子功能的基礎。迄今研究較多的人工合成主體分子主要包括冠醚、環(huán)糊精、杯芳烴、環(huán)蕃、卟啉等大環(huán)化合物。冠醚最早是Pedersen在杜邦公司工作時發(fā)現的。由于其實際結構形似皇冠，因此才形象的稱呼為冠醚。冠醚主要用威廉遜合成法

43、合成。在此反應中，反應生成的化合物其腔體體積大小可以成為一個選擇性的配位中心，從而起到選擇性的和金屬離子發(fā)生配位作用。例如上述反應產物體積就和鉀離子比較匹配，而鈉離子則不合適。相應的，在上述反應進行時，選擇KOH加入，其中的鉀離子可以起到模板的作用，有利于產物的生成。上圖顯示的是鉀離子和18-冠-6和高錳酸鉀生成的配合物，它能夠溶解于苯，并呈顯紫紅色。因此，可以把不溶于非極性的高錳酸鉀帶入到非極性溶液中。如何設計對單一金屬離子具有高選擇性，即識別某一離子的冠醚，一直是人們所面臨的具有挑戰(zhàn)性的課題。由此人們致力于對各種堿(土)金屬、重金屬離子及稀土金屬離子具有高選擇性的功能化合物的設計及其合成，

44、這對于金屬離子的選擇萃取、分離、輸送以及檢測具有重要的應用價值，而以冠狀化合物發(fā)展起來的晶體工程、離子通道、分子/離子器件等展示了其廣闊的應用前景。無論是由最初的對稱性冠醚到低對稱性冠醚、穴醚、臂式冠醚、雙冠醚還是組裝和自組裝，分子識別都是大環(huán)化學的核心概念，而對于高選擇性的冠醚設計尺寸匹配概念仍起主導性作用。環(huán)糊精（cyclodextrins，簡稱為CDs）是一類由D-吡喃葡萄糖單元通過-1，4糖苷鍵首尾連接而成的大環(huán)化合物，常見的-、-和-環(huán)糊精分別有6、7和8個葡萄糖單元（表3.11）。由于每一個吡喃葡萄糖單元都是4C1椅式構象，整個分子呈截頂圓錐狀腔體結構。所有的仲羥基即葡萄糖單元的2

45、位和3位羥基均處于截錐狀結構的次面(較闊端)，而所有的伯羥基即葡萄糖單元的6位羥基構成了截錐狀結構的主面(較窄端)。內腔表面由C3和C5上的氫原子和糖苷鍵上的氧原子構成，故內腔呈疏水環(huán)境，外側因羥基的聚集而呈親水性。 -環(huán)糊精的結構這一獨特的兩親結構可使環(huán)糊精作為“主體”包結不同的疏水性“客體”化合物，因而受到了科學工作者的廣泛關注。從本質上看，主客體化學的基本意義源于酶和底物間的相互作用，這種作用常被理解為鎖和鑰匙之間的相互匹配關系，即主體和客體分子間的結構互補和分子識別關系。顯然，作為主體的CDs與客體分子形成包合物的一個基本要求是尺寸的匹配，即對體積的選擇性。 表3.11 -、-與-CD

46、的結構參數-CD-CD-CDNumber of glucose residues678molecular weight97211351297cavity diameter(nm)0.470.53diameter of oute1.46±±1.75±cavity height(nm) ±±±cavity volume(nm3)杯芳烴是由苯酚單元通過亞甲基在酚羥基鄰位連接而構成的一類環(huán)狀低聚物，20世紀40年代，奧地利化學家Zinke研究了對叔丁基苯酚與甲醛水溶液在氫氧化鈉存在下的反應，在此過程中分離得到一種高熔點的晶狀化合物，經鑒定為環(huán)

47、狀的四聚體結構。由于其環(huán)四聚體的分子模型在形狀上與稱做calix crater的希臘式酒杯相似，因此將這類化合物命名為“杯芳烴”。作為第三代主體超分子化合物，杯芳烴具有獨特的空穴結構，與冠醚和環(huán)糊精相比具有如下特點：它是一類合成的低聚物，它的空穴結構大小的調節(jié)具有較大的自由度；通過控制不同反應條件及引入適當的取代基，可固定所有需要的構象；杯芳烴的衍生化反應，不僅在杯芳烴下緣的酚羥基、上緣的苯環(huán)對位，而且連接苯環(huán)單元的亞甲基都能進行各種選擇性功能化，這不僅能改善杯芳烴自身水溶性差的不足，而且還可以改善其分子絡合能力和模擬酶活力；杯芳烴的熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性好，可溶性雖較差，但通過衍生化后，某些衍

48、生物具有很好的溶解性；杯芳烴能與離子和中性分子形成主-客體包結物，這是集冠醚和環(huán)糊精兩者之長；杯芳烴的合成較為簡單，可望獲得較為廉價的產品，事實上現在已有多種杯芳烴商品化。杯芳烴實質上是一種特殊的環(huán)番(Metacyclophane)，從上面可以看到這類大環(huán)化合物具有結構靈活多變(尤其是構象變化)、易于修飾的特點。在環(huán)的上緣和下緣引入適當的功能基團所得到的主體，能借助于氫鍵、靜電作用、范德華力、疏水作用、陽離子作用、堆積作用及誘導契合等非共價鍵協(xié)同作用來識別客體分子，從而實現配位、催化和能量轉換等特殊功能。在杯芳烴上下緣引入各種基團的功能化杯芳烴，可以構成以杯環(huán)為骨架的帶有親脂性、親水性和離子載

49、體的受體，能與不同大小、不同性質的客體分子相匹配，如與有機分子、陽離子以及陰離子形成主-客體或超分子配合物。識別配位作用取決于杯環(huán)大小、構象及環(huán)上取代基的性質。杯環(huán)的柔韌性使其具有特別良好的誘導契合能力?；诒紵N的上述特點，近20年來，杯芳烴化學得到迅速發(fā)展，到現在許多杯芳烴都可以識別多種多樣的有機小分子，形成固態(tài)配合物。對叔丁基杯芳烴能識別包結氯仿、苯、甲苯、二甲苯和茴香醚;對叔丁基杯芳烴可以與異丙醇和丙酮形成包結配合物;對叔丁基杯芳烴可以與氯仿、甲醇和甲苯配位;對叔丁基杯芳烴能包結甲醇;對叔丁基杯芳烴與氯仿形成包結配合物。然而這些固態(tài)配合物的穩(wěn)定性有較大差別，對叔丁基杯芳烴和對叔丁基杯芳

50、烴可以緊密地結合客體分子，其晶體分子中的溶劑分子在高溫和真空條件下仍可穩(wěn)定結合，而對叔丁基杯芳烴的氯仿配合物則在常溫下很快分解。杯芳烴主體還可以識別較大的有機分子，如與多種醌、二茂鐵、甾體、氯化鐵血紅素、核黃素、維生素B12等均能形成穩(wěn)定的配合物。我們合成的富勒烯C60里面常?；祀s有其它的雜質，利用杯芳烴可以用來提純C60。富勒烯具有電子球殼，杯芳烴具有電子內表面的空腔結構，它們可以通過彼此的-作用形成主客體包合物。 X衍射數據表明:范得華力是連接C60與杯芳烴的主要作用力。杯芳烴具有疏水空腔，同時可以在其上緣或下緣導入有序排列的功能基。因此，杯芳烴衍生物可以模擬生物酶的催化功能。在杯芳烴的上緣導入吡啶和咪唑基，與鋅或銅的雙核配合物作為核酸酶模型化合物，左邊的化合物使RNA模擬底物2-羥丙基對硝基苯基磷酸二酯的磷酯鍵裂解和環(huán)化反應加速2.3×103倍，右邊的化合物加速1.0×104倍，這是迄今催化活性最高的人工核酸酶。綜上所述，上述主體化合物利用分子間的弱相互作用，與其它客體分子能夠形成穩(wěn)定的不同于普通分子的超分子體系。由弱相互作用引發(fā)的分子自組裝行為的不斷理解有助于人們更深刻地了解生