超分子化學(xué)及分子識(shí)別和分子自組裝

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，是超分子作用力的根底，它包括靜電力、氫鍵力、范德華力等，這些非共價(jià)鍵力的性質(zhì)和特征(tèzhēng)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。第一頁，共13頁。表1分子(fēnzǐ)間作用力的分類類型力的范圍吸引(-)有加和性*(A)排斥(páichì)(+)無加和性(NA)重疊短程-／+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-A第二頁，共13頁。2．超分子體系(tǐxì)中的分子識(shí)別形成超分子時(shí)，要求分子間到達(dá)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)原那么，即互補(bǔ)性和預(yù)組織原那么?；パa(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?？臻g結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)即“鎖與鑰匙〞的相配，這種相配需要識(shí)別分子間到達(dá)一種剛性和柔性的統(tǒng)一。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(biànhuà)，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。第三頁，共13頁。圖1預(yù)組織原那么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，那么它們的識(shí)別效果愈佳，形成的配合物愈穩(wěn)定。圖2表示(biǎoshì)了這個(gè)過程。第四頁，共13頁。圖2為了到達(dá)高度專一的識(shí)別效果，受體的設(shè)計(jì)也必須遵循互補(bǔ)性和預(yù)組織原那么。分子識(shí)別中，雖然剛性有序的受體可以到達(dá)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(biànhuà)進(jìn)行調(diào)整和響應(yīng)。第五頁，共13頁。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適宜的手征性，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)映異構(gòu)體那么和拆分劑只發(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，利用這些差異可將兩復(fù)合物分開，從而，到達(dá)拆分的目的。分子間的三點(diǎn)(sāndiǎn)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。第六頁，共13頁。3．生物(shēngwù)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)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(xuǎnzé)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“反響停〞而引起千萬個(gè)嬰兒畸形，制造這一悲劇的正是“反響停〞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)。第七頁，共13頁。第八頁，共13頁。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(gāodù)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)象是自然界的一種普遍現(xiàn)象，在農(nóng)藥香料等方面也同樣存在。第九頁，共13頁。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(guó)食品與藥物管理局在1992年5月公布新的法案(fǎàn)，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。第十頁，共13頁。4．手性化合物的制備(zhìbèi)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(zuòyòng)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(zuòyòng)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)行別離(如分級(jí)結(jié)晶)，再將衍生物復(fù)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。第十一頁，共13頁。5.分子識(shí)別及自組裝(zǔzhuānɡ)的應(yīng)用—手性識(shí)別(shíbié)和消旋體的手性別離Crystalpackingdiagramof