超分子化学基础课件

超分子化学与分子识别三位超分子化学研究方面的科学家

获得1987年的Nobel化学奖美国的C.J.Pederson、D.J.Cram教授法国的J.M.Lehn教授。超分子化学的定义和范畴

►Lehn在获奖演说中对超分子化学的定义：“SupramolecularChemistryisthechemistryoftheintermolecularbond,coveringthestructuresandfunctionsoftheentitiesformedbyassociasionoftwoormorechemicalspecies”。

超分子化学是研究两种以上的化学物种通过分子间力相互作用缔结成为具有特定结构和功能的超分子体系的科学。►简言之：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。

超分子化学是分析化学、有机化学、无机化学、物理化学和高分子化学等各个化学分支的重新结合得以实现的载体（vehicle）.

超分子化学已成为当前公认的化学理论与应用技术的前沿课题。化学是在原子和分子水平上研究物质及其相互转化的科学。

以共价键为基础的原子重组是分子化学的一大特征，这些工作可以形象地描述为：

在客观世界中人们面对的是分子所构成的聚集态，而且物质的性能也是通过这样的分子集合来表现的。从某种意义上讲，分子结构只是间接影响物质的性能，而聚集态才是直接影响其性能的因素。

分子能够聚集在一起形成有用的材料，是由于分子间存在相互作用。人们在长期科学研究中也发现，分子间相互作用力对物质性能影响很大，如它们对物质熔点、沸点、溶解性和表面吸附等的影响。但就那一时期科学和技术的发展水平而言，还仅仅停留在证实其存在，以及它们对物质性质影响这一程度上。

进入20世纪70年代，由于大环化学、胶体化学、单分子膜和液晶等方面的研究，人们重新对分子间相互作用产生了兴趣。当然关心的不再是分子间相互作用的存在以及它们对材料性能的影响，而是利用存在于不同分子中的“信息”，即分子间相互作用，实现分子间的识别和自组装，形成具有一定功能的超分子。这些工作可表示为：

超分子(supermolecule)这一术语是1937年Wolf提出来的，它是用来描述由配合物种所形成的高度组织的实体。一个超分子由分子受体和底物组成，底物一般是小分子化合物，与目的物相键合是超分子化学研究的最终目标。

从普遍的意义上讲，任何分子的集合都存在相互作用，所以人们常常将物质聚集态这一结构层次称为“超分子”，但这与超分子化学中的超分子存在区别。

在20世纪中，人们把大千世界内各种物质的运动都还原为原子、分子的运动和性质这一层面上。但是，在人们企图将现代科技再推进一步时，遇到了极大的障碍，这是因为人们的认识上存在盲区，或者说人类知识的大厦存在一个裂缝。在裂缝的一边是以原子和分子为主体的微观世界，而另一边是人类活动的宏观世界。两个世界不是一般人们所想象的那样直接而简单的联系，而是存在一个过渡区，这个领域就是超分子科学。

超分子化学是分子间键合的化学，它包括两个或两个以上化学物种缔合所形成的实体的结构和功能。基于分子互补原理，受体和底物的键合在超分子中形了分子识别、催化、反应、转换和传递等功能。多分子组织、受体、载体和催化相结合，可导致分子和超分子器件。

从上面的关系式可以看出，如果仅有相互作用并不能形成结构确定的超分子，一方面是其作用力弱，其次是无选择性。由弱相互作用加和形成强相互作用，由各向同性通过定向组合(选择性)形成各向异性，这是分子化学和超分子化学的分界线。

参考书目1.纳米超分子化学：从合成受体到功能组装体刘育[等]编著,化学工业出版社,北京，20042.超分子层状结构：组装与功能沈家骢等著，科学出版社，北京，20043.超分子化学研究中的物理方法童林荟,申宝剑著，科学出版社

，北京，20044.生物超分子体系李惟等编著，化学工业出版社现代生物技术与医药科技出版中心

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(法)Jean-MarieLehn著，北京大学化学科学译丛，北京大学出版社，北京，20026.超分子化学：合成受体的分子识别与组装刘育,尤长城,张衡益编著，南开大学出版社

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1999

分子识别可定义为这样一个过程，对于一个给定的受体或者一个特殊功能，底物选择性地与之键合。仅有键合并不是识别，因为识别和目的键合连在一起。

底物(σ)和受体(ρ)键合形成超分子，它具有热力学和动力学的稳定性和选择性，这里涉及到能量和信息。所以分子识别在本质上是一个在超分子水平上信息存贮和读出的问题。信息可能存贮在配合物的结构中或在其键合位置(包括性质、数目和排列)，在包围键合底物的配合体中，以超分子的形成和缔合的速率来读出信息。对于给定的底物，分子识别相当于受体的最佳信息内容。这是一个延伸了的lock(锁)和key(钥匙)原理，即能量特征和几何特征的互补。由单一平衡步骤提供的识别可以通过多步识别和与一个不可逆过程耦合来实现。为了获得高度的识别，要求ρ和σ具有更大的接触面积。当ρ能包含其客体，以建立许多非共价键相互作用，并对其分子尺寸、形状和结构等因素都十分敏感时，就产生了高度识别。如果受体分子所含分子内空穴对底物适宜，就产生了配合，称为空穴配体(cryptate)。

球形识别：

最简单的识别过程就是球型底物的识别，这些底物可以是带正电荷的金属阳离子(碱、碱土、稀土金属离子)，也可以是带负电荷的卤素阴离子。

球型识别就是从具有相同电荷但半径大小不同的球的集合中选择一给定的球型离子。大双环空穴配体1～3(如图所示)能与空穴尺寸相匹配的离子形成稳定的空穴配合物，配体1,2,3分别与Li+

，Na+

，K+

形成配合物，如4a所示。其他配体对碱金属离也显示高度的选择性，其识别特征等于或高于天然大环配体，其结构由晶体结构测定所证实，见4b，并表征了其稳定常数。球形大四环5对Cs+

等大尺寸的球形阳离子表现出强的键合性和选择性，见6。

四面体识别：

选择性键合一个四面体底物要求构建一个具有四面体识别位置的受体分子，如大四环5，它在四面体和八面体的角上分别含有四个N和六个O的键合位置。由于在结构和能量上的高度互补，5与四面体NH4+离子形成具有稳定性和选择性的配位体9。NH4+

的尺寸和形状与5的空穴相匹配，通过四个N形成+N-H…N的氢键而成为四面体排列。由于键合能力强，NH4+配合物的pKa比游离的NH4+的pKa

高6个数量级，这意味着强的键合影响底物的性质。在酶活化位和生物底物-受体的键合中也存在相似的效应。大双环3同样可以键合NH4+

，形成配合物11。但从反映在受体-底物键合互补上看，11和9的动力学特征不同:在9中NH4+

被固定在空穴中，而在11中NH4+

可以在内部旋转。胺离子的识别

由于胺离子及其衍生物在化学和生物中所担负的重要角色，发展能识别这样底物的受体分子具有特殊意义。许多大环聚醚能与R-NH3+在结构和手性选择相键合。其中四羧酸12b显示出更强的键合能力，这是由于12b含有要求的基本［18]-O6环，增加了静电相互作用。所以形成任何大环聚醚的金属离子或铵的复合物后，其稳定性最高。通过改变侧基X，可利用X和中心键合R-NH3+底物中R基团的特殊相互作用(静电、氢键、电荷转移、憎水效应)来调节配合物12的特征，导致侧面的识别效应。它也代表一种改变生物体受体-底物的相互作用的方法。如通过发生在烟酰胺和色氨酸之间的缔合，可以将其连在12的氨基酸残基、核酸或核苷、糖类上。通过NH…O的相互作用，可将金属-氨配合物[M(NH3)3]M+

结合到大环聚醚，由二级球型缔合导致“超复合类型”的超分子物种。可以将R-NH3+

底物键合到氧杂-氮杂或聚氮杂大环上，如13。具有负电荷的大环(如12b或14)强的配合作用可诱导中心键合金属-胺和在12侧基团X上的不同过程(能量和电子转移、化学反应等)。阴离子底物的识别

虽然阴离子在化学和生物中起着重要作用，但阴离子配位化学与金属离子和阳离子分子配合物相比，没有得到充分的重视。阴离子配位化学有希望产生一些在化学和生物上具有新颖结构和性质的化合物。已设计的阴离子受体分子和针对阴离子功能基团的键合亚单元，使阴离子配位化学得到长足的发展。

正电荷或中性少电子基团可以作为阴离子的相互作用键合位。铵和胍单元形成+N-H…X－键，而中性极化氢键(如一NHCO－或一COOH)，少电子中心(硼、锡等)以及在配合物中的金属离子中心也能与阴离子发生相互作用。作为阴离子受体分子的聚铵大环和大多环已研究得相当深入。由于静电和结构上的有效性，它们与许多阴离子(无机阳离子、羧酸盐、磷酸盐等)结合，并且有稳定性和选择性。用诸如5的质子化形式(见8)和双-三氨乙基胺(15)等化合物作为受体，大双环和球型大四环聚铵能与球型卤素阴离子形成强而稳定的配合物。六质子化型态的双-三氨乙基胺(15-6H+)能与不同单原子和多原子离子配合。球型卤素离子与椭圆形受体空穴不相匹配，使结构扭曲，F－通过+NH…F－键键合，以四面体排列，C1－和Br－具有八面体配位排列。线性三原子阴离子N3－与15-6H+空穴互补，通过三个氢键键合在空穴中，形成空穴配合物16。15-6H+是一种分子受体，能识别线性三原子底物，这种键合比单电荷离子的强。

不同阴离子与其他类型大环配体的配位也见报道，特别是环苯型化合物。大多环的质子化形式描述了这两类确定键合几何形态的受体，见17,18。

共受体和多体识别

一旦对特殊基团的键合单元确定，就可考虑在相同大多环结构中与多个底物相结合。这就形成了具有几个独立的键合亚单元的多体共受体，它们可以发生协同效应，几个底物或多键合官能团能自发形成配合物。适当的改性可产生共催化剂和共载体，在键合底物上实施反应和转变。由于它们能实现多体识别和键合位的相互影响，这样的共受体为更高的分子行为提供了条件，这些行为包括协同作用、改变构象、调整，如果它们释放和接受信号，还能实现通信或信号传递。

含有两个或两个以上键合金属离子的亚单元，可形成双核和多核空穴配体，其中金属离子的排列是由大多环结构决定，这样的配合物呈现功能多样性，如阳离子间相互作用，电化学和光化学过程，以及桥联底物的固定。这些过程在生物无机模型化，多中心-多电子反应和催化上都具有重要意义。轴向大双环配体给出双核空穴配体，如Cu2(Ⅰ)的配合物，见19。19是由经过一步多体缩合反应而得到的六胺结构，其晶体结构如20。

簇型空穴配体(clustercryptate)由金属离子和桥联化合物在多体受体的分子空穴中组装而成，在Cu3(Ⅱ)的配合物22中(晶体结构如23，一个双-µ3-羟三铜(Ⅱ)官能团被键合在三体大环的空穴中。生物铁磺簇位置的模型化合物可用来嵌入适当的大环空穴。

位于结构的两端具有两个键合亚单元，这样的受体分子将与在两端具有适当官能团的受体相配合，这种距离互补类似于底物的分子长度被受体识别，称为线性识别。这样的双阴离子和阳离子底物的键合线性识别模型见24,25。

NH3+

圆柱大三环和大四环结构中的大环亚单元，组成的双体共受体，它能与端双氨基阳离子+H3N一(CH2)n-NH3+

形成分子空穴配合物26。在这个超分子中，底物位于分子空穴中心，并由两个NH3+

在大环键合位上锚定，晶体结构如27。改变桥长，就可修饰键合选择性，以适应不同互补长度的底物。双阴离子底物，如烷基双羧酸盐－O2C－(CH2)n－CO2－与双体大环28相结合。这些受体含有两个三氨基团作为键合亚位，与端羧基官能团发生相互作用形成29。重要的生物物种，如像聚胺、氨基酸、肽双胺和二元羧酸盐，也可以被选择性地键合。不同类型的键合亚单元结合就产生了杂共受体，利用静电、范德华力和溶剂化效应，通过阳离子和阴离子中性位置的相互作用，可自发地与底物键合。天然环糊精是第一个能键合有机分子的受体分子，它对有机分子的键合特性使分子配合物的物理和化学性质产生了许多有价值的结果。在近几年中含有不同有机基团和极性官能团的合成大环受体得到发展，它们能与带电或不带电的有机底物配合，虽然许多结果仅仅是描述键合而不是识别，但它们提供了大量的数据，使分析分子配合的基本特征和结构的性质成为可能，这些可用于受体设计。

静电和憎水效应的协同作用可发生在双亲性受体中，它们具有电极化位点和有机基团，它能屏蔽溶剂的影响，增加静电力。这种含有由非极性化合物所维持的极性键合亚单元的大多环结构叫洞穴配体，通过键合底物产生洞穴配合物(spleands)。大环30有四个羧基和两个联苯基，它能与1级胺离子形成稳定的配合物，还能与二级、三级和四级胺底物发生强烈的键合。更独特的是它能与乙酰胆碱配合，给出有关相互作用类型的信息，这些相互作用在生物乙酰胆碱受体中担负重要角色，例如憎水层与负电荷的结合。

CH3一NH3+

阳离子与大多环的［18］-N3O3键合，形成选择性的洞穴配合物31。其中大多环是由环三藜芦烯形状分子所维持，紧密的分子内空穴对包含大尺寸的底物特别有效。金属受体是杂多体共受体，它能通过特殊底物单元与金属离子和有机分子键合。分子化学主要研究单个分子，而超分子化学分为两个领域：①超分子是由各组分(ρ，σ)的分子间基于分子识别的确定算法缔合导致的确定的分子物种，②分子组织是多分子体系，由不确定数量的组分自发缔合入一个相中形成的，根据其特性(层、膜、囊、液晶)，这些相有确定的微观有序和宏观特征。在合成分子自组装的设计中取得了许多进展，它们依赖于对分子组分的特征(结构、分子间键合位)，导致多分子自组织体的超分子性质及其相互关系的认识。超分子化学或多或少地依赖严密组织的分子受体，从而影响分子识别、催化、传递。所谓自组装就是在一定条件下，受体和底物通过自组织自发地产生-个结构确定、具有一定功能的超分子的过程。与分子层、薄膜和生物膜的自发形成相比，自组装最大的特征是程序化。自组织要求键合，而自组装还意味着信息。对于这一过程的发生必不可少的信息和过程所遵守的算法必须贮存在化合物和操作过程中，并通过选择性的分子相互作用表现出来。自组装是超分子化学的一个基本特征，因为它依赖于分子间相互作用，而在预组织中是通过共价键来实现的。自组装类似于在超分子水平上的复制过程。

组织化的超分子结构的构造特征和功能特征是由存贮在组分中的信息和它们具有的活性基团决定的。产生分子有序一个最简单和最普遍的方法是基于从互补分子组分的识别导向的自发组织，每个组分都具有不同的识别位置。两种这样的单元在溶液、液晶相、固态共结晶中相互作用，就可产生组织化高分子链。在固态共结晶中，基于识别的晶体分子工程允许设计有机固体的结构。相同类型的所有残基都能固定在链的同侧，在超分子排列中提供分子组分的自发分类和取向。分子器件可定义为结构有序，功能集成，具有超分子结构的化学系统，它们是基于以适当模式排列的组分集合。器件所表现的功能性源于各组分基本动作的集成。根据操作条件(光、电、离子)，这些组分可以具有光活性、电活性和离子活性。分子识别过程在分子器件中担任重要的角色，如①由组分构建器件，②协同作用形成超分子排列，③对给定物种实施选择性操作，④对外界物理、化学刺激以响应(光、电、离子、分子)，从而调节器件的操作，实现开关，⑤信号产生和转换(质子／质子、光／电、电／电、电子／离子、离子／离子)。依赖识别的器件可定义为具有信息的分子器件，这些分子和超分子实体可将分子识别转换成信息和信号。它要求将能对外界刺激作出响应的受体组分引入器件中。与孤立的组分相比较，拥有光活性组分的超分子实体显示了新的性质，称为超分子光化学。通过由组织化受体决定的键合位排列的调整，在这些光化学分子器件中可发生不同的过程，如光诱导能量传递，由电子或光子转换的电荷分裂，光转变和光极化的扰动，在基态和激发态氧化还原势的改性，键合性质的光调节，选择性光化学反应等。这些过程依赖于识别，并且只有在互补组分正确地选择性键合时才能发生，见图1-5。从原理上讲，分子器件要求各组分在空间、能量和时间上相互组织化和相互适应，以产生光、电、质子或离子的光信号。在任何发光材料中，吸收光可转换成另一波长的发射光。采用对给定目的实现优化的不同组分，可分步实施全过程。由一个发射器和吸收器的组合所形成的光接受器(天线)就构成了光转换分子器件，它能优化分解吸收和发射。为了实现这一功能，需要组分间进行能量传递。这样的器件按三步模式操作：吸收-能量传递-发射(A-ET-E)，见图1-6。在铕(Ⅲ)和铽(Ⅲ)大双环配体的空穴配合物中，这种配体能与不同杂双芳基基团(2,2-双吡啶、菲咯啉、联噻唑、联咪唑、联异喹啉、联嘧啶和它们的N,N′-双氧化物)协同作用，基团作为光接受天线组分。由于发射物种和它们空穴配合物的特性，这些配合物呈现独特的性质，如保护嵌入的离子不受溶剂分子的影响，非常高的热力学稳定性和动力学惰性，适应能量转换的多体吸收基团，特征的长波长(对Eu(Ⅲ))和长的发射寿命。有机基团吸收UV光后，它们发出耀眼的荧光，然后能量传递到嵌入的镧系离子,发出特征可视辐射，相应的A-ET-E过程如55，56.在键合底物后，光敏性受体分子的光物理性质发生巨大变化，通过对吸收和发射的测定可进行检测。它们代表底物选择性光信号产生的分子器件。

57这样的空穴配体具有强的键合能力和蒽基团的强发光能力。在与碱金属阳离子配合和质子化后，荧光发射发生巨大变化。特别有趣的是，当三磷酸腺苷与由具有吖啶基团的一个[24]N6O2大环形成受体分子键合，吖啶荧光发射会增强。通过将三磷酸基团键合到质子化大环，以及具有颜料残基的腺嘌呤单元的堆积，可发生双识别，见58，鸟嘌呤三磷酸的发射将略为降低。所以，这个受体是一种敏感的和选择性的ATP探针，当键合ATP后产生荧光信号。在光敏性空穴配体中诱导电子传递含有光敏剂(Ps)以及适当的给体(D)和受体(A)基团的器件的辐射可诱导电子传递，产生电荷分离状态D+-Ps-A－，这一过程在光合成和光催化中倍受关注。

在含光敏性卟啉基团和Ag+作为受体中心键合位的大多环共受体中可实现光诱导电荷分离。辐射导致从卟啉传递一个电子到Ag(Ⅰ)，产生一个长寿命的卟啉阳离子。电荷分离的有效性比没有联有模型的化合物的高。在超分子物种中的光诱导反应含有光敏性基团的受体分子会经历一个结构和构造上的变化，从而影响其键合性质，产生底物释放，它代表一种在光/离子转换器中产生光子或离子信号的方法。受体-底物键合会影响其光化学活性。识别过程可改变反应进程，影响反应速率和产物的性质。比如，用大环聚胺受体键合钴(Ⅲ)六氰就会影响它们光化合作用中量子的产率。可以设想，通过选择性键合可改变许多光反应的历程。这一方法，以产物的形成速率和特性，通过化学转化来表达识别，类似于产生一个特殊分子的信号。在超分子物种中的非线性光学效应高极化的分子会表现出光学非线性，可引起从分子水平到超分子水平的新的效应。它与超分子排列的协同作用，通过取向或它们电子性质扰动，影响分子的性质。特别有趣的是推-拉型聚烃，它一端具有供体基团，另一端具有受体基团的聚烃链，见图1-7。人们合成许多推-拉类胡萝卜素衍生物以研究其非线性光学性质，这些高度极化共轭聚烃代表极化的分子导线，其粉末样品显现SHG。对这些更长的分子，在溶剂超极化测定中呈现更高的值。这些化合物与LB膜的协同作用产生的取向排列对非线性光学的研究具有重要意义。如果一个高度极化的基团引入受体分子，底物键合可引起许多扰动，识别过程就转换成一个非线性信号。这种依赖识别的非线性光学探针可从聚烃衍生而来。分子电子器件操作电子的分子器件是转换分子识别为电子信号的基础。例如，在结构依赖模式中的键合会影响氧化还原性质，金属六氰化合物和聚胺大环的缔合就是这样的例子，这里氧化还原势的移动依赖键合常数。由配合产生的这种扰动，将导致识别具有电化学特征，由受体-底物键合导致的电化学效应称为超分子电化学。更有趣的是可以设计在分子水平上操作的电子器件。它包括几个步骤：首先必须设计具有要求特征的分子，合成并表征其性质；其次是嵌入超分子构造中并产生协同作用，如膜或其他组织结构，考察产生的实体是否拥有要求的性质；最后将基本单元和其他组分联接起来，通过传达分子信号或一个外部物理信号来表达它。当然，设计分子电子线路的过程中有许多副产物，此外，关于分于处理还引起子许多新问题。尝试清楚地定义到达目标的路径还为时过早。的确沿着给定路径进行过程中，由于进程的影响，目标本身也可能发生变化。设计出如分子整流器、晶体管、开关、光电二极管等分子器件是有可能的。这些要求特征在诸如金属配合物或D-Ps-A系统已出现，它将在独立分子水平上导致光诱导电荷分离。作为分子导线的类胡萝卜素紫精在实施分子水平电子功能的各种器件和组分中，环形的就是分子导线，它就像一个连接导体，允许电子在一个分子电子系统中的不同单元之间流动。设计分子导线的第一种方法就是基于长而共轭的聚烯烃的类胡萝卜素紫精(CV2＋)，两端含有吡啶鎓基团。它结合了类胡萝卜素的特征和甲基紫精的氧化还原性质。这样的化合物如59a已合成出来，并以透过膜方式嵌入双十六烷基磷酸盐囊(DHPP)中。极化分子导线在两端分别具有电子受体和电子供体的共轭聚烯烃链代表极化分子导线，它显单向电子传输，作为整流器组分。例如供体-受体类胡萝卜素分子在粉状、溶液或LB膜中拥有非常强的非线性光学性质。取向嵌入囊和电子传输实验显示出这些或类似极化分子具有单向导电性。改性和开关功能的分子导线在共轭链或端基上，可对CV2＋进行改性。类胡萝卜素链可被颜料系统、寡吡咯、寡硫代芬或氧化还原链所取代。制备具有二茂铁、2,2＇-双吡啶、吡啶等端基的类胡萝卜素链(60,61)及金属配合物衍生物(62)，由于胡萝卜素链的长程共轭性质，这种金属胡萝卜素型的分子导线具有金属复合物的电化学和光化学活性，从而可实施电诱导和光诱导长程电子传输。氧化还原活性的二茂铁单元引入供体-受体型共轭体系(如63a和63b)，作为供体中心，成为氧化还原开关。这类化合物在共轭链端部和内部嵌入电敏性和光敏性开关，对于外界刺激，可作为具有开关功能的导线。分子离子器件许多配体和载体分子的选择离子键合和传输提供了大量数据，它们是处理离子物种的分子器件设计的基础。涉及的分子识别与由离子处理的信息和信号处理直接有关，在生物学中这样的例子十分普遍。含光或氧化还原敏感基团的识别代表光、电开关功能的组分，类似于外界物刺激，可产生光离子脉冲，出现基于离子键合和传输的分子器件。以离子键为基础，研究延伸到移动载体的离子传输，并通过同向或反向过程和物理或化学梯度的耦合来加以调整。除了由移动载体的传输，还可由选择性离子通道实现离子传输。虽然生物传输主要是通过通道型物种来进行，但由于涉及大分子结构，对这样透过膜通道的设计研究还比较少。管形液晶相

大环的堆积代表分子管道，离子从其中流过，这样的离子通道可用固态模型来说明。在碟状液晶中，分子层自发地向轴向堆积产生柱状液晶相。如果这样的相可以由环状单元得到，它们沿轴向堆积就产生空柱，也叫分子管，如64。目前所用的大环单元对离子键合还不合适，对这种离子通道还需要精心设计。离子响应单层具有脂肪侧链的大环在水/气表面沉积，形成Langmuir单分子层，产生离子响应分子膜。大环65和66能形成这样的单分子膜，比较通过测量和分子模型计算的表面积，说明大环是在水平面中，而脂肪链伸直向上。这样单分子层在亚相中与离子发生选择性相互作用，这与杯状衍生物形成的单分子层类似。可以设想，单分子层在表面影响分子的识别和离子键合，而成为电活性和光活性膜，见图1-9。

分子通道的成束方法通道可用一束透过膜链来约束，这些束可以由肽丙甲菌素形成的分子通过自发缔合来形成，也可在载体单元上接枝，其中载体是有序核组成的多功能大环，见67a。它可称为基于链束的透过膜通道的成束方法。这种实体呈现三个主要特征：①两个长链束横跨两个分子层，②一个中心环作支撑以维护两个链束，作为底物选择组分，③以透过膜方式，用端部极性基团将分子锚定在各表面。选择更大的核作为二次束状分子，如β-环糊精(β-CD)，其空穴半径为6Å。采用少氧乙烯单元(端部接有一个羧基)的选择性衍生物，将导致68所描述的物种。已经制备了在刚性β-CD核两端分别有七个长链的大分子。它的尺寸，内部空间和链都十分有趣，它代表一类分子囊。

超分子反应和催化反应和催化是超分子系统功能性的主要特征。具有合适的反应性官能团和键合位的分子受体可以与底物(具有给定的稳定性、选择性和动力学特征)配合、反应(具有给定的速率、选择性和可逆)，释放产物，并为新的循环重新产生试剂。超分子反应和催化涉及两个步骤，结合所选择的底物，在超分子形成过程中，将键合的底物变为产物。两个步骤涉及了产物底物的分子识别，要求反应性受体中有正确的分子信息。与分子催化相比，键合步骤涉及选择底物，它作为反应的先导，如图1-10。

反应性阳离子受体分子的催化在酶的模型研究中常常涉及酯分裂过程。用具有硫醇基团的侧链所固定的大环聚醚去分裂活性酯，其速率明显加快，在光学活性底物之间存在手性差别。大环12C的tetra-L-半胱氨酸键合氨基酸和肽的对硝基苯酯，并与键合物种反应，释放对硝基酚，见69。反应显示，①底物选择性键合，②对双肽酯底物速率加快，③配合的金属阳离子抑制反应，④对映体的双肽酯间的高度手性识别，⑤除确定的逆催化外，反应速率慢。

吡啶鎓底物与一个具有1,4-双氢化吡啶侧链的大环12C键合，在超分子70形成过程中导致从双氢化吡啶向吡啶鎓的氢转移速率加快。

阴离子配位化学和阴离子受体分子的发展使在具有化学和生物意义的阴离子底物上实施分子催化成为可能，如核苷二磷酸酯(ATP)。

ATP水解是由许多质子化大环聚胺催化的结果。[24]-N6O233可强烈地键合ATP，在很宽的pH值范围内加速其水解，形成ADP和无机磷酸酯，它是一级动力学反应，催化具有可逆性。其过程是首先ATP与质子化33形成配合物，然后是一个内配合反应。它涉及酸、静电、亲核催化剂，结构71代表ATP／33复合物一个可能的键合模式，显示了端部磷酸基团是如何分裂的。ATP使大环磷酸化先形成一个过渡态，然后是水解。对ATP类似物研究表明，机理是在受体-底物的预缔合过程中分离的。这一过程中，催化剂33呈现典型的ATP酶活性，其行为像一个质子ATP酶。

传递过程和载体设计

尽管早就认识到了传递过程的物理-化学特征和生物重要性，但膜传递过程和载体分子的有机化学最近才得到发展。选择性键合有机和无机底物的受体分子设计和合成，可提供一系列的化合物，它能变成载体分子，通过渗透到键合物种的膜来诱导选择性传递。同识别和催化一样，传递是超分子物种基本功能特征之一。传递系统化学由三方面构成：设计传递因子，设计传递过程，研究它们在化学和生物中的应用。选择性膜渗透可通过载体分子或透过膜通道来实现，见图1-12。载体为媒介的传递载体为介质的传递由底物通过一个膜的传递组成，并被载体分子所促进。四步循环过程(缔合、解缔合、向前和向后扩散)是一个物理催化过程，它影响底物的传输，就像化学催化剂影响原料转化为产物一样。载体是移动催化剂，活化物种是载体-底物超分子。载体设计是膜传递的有机化学的主要特征，因为载体决定了底物的性质，物理化学特征(速率、选择性)，过程类型(促进传递，与梯度的耦合，其他物种流动，活性传输)。载体必须具有高度选择性，呈现适应的交换速率和亲脂／亲水平衡，具有适宜的流动耦合官能团。传输过程也依赖于膜的性质、三相中的浓度和其他物种的存在。

Lehn等人用亲脂表面活性剂为载体，实现氨基酸、乙酰胆碱通过一个液体膜的传输。其目标是研究传输过程的物理有机化学，探索在浓度梯度和pH梯度中对质子、阳离子、阴离子流动发生耦合的不同传递状态的影响。金属阳离子，特别是碱金属阳离子的选择性传输是一个重要的研究领域。这些天然和合成的阳离子受体具有阳离子载体的功能。对键合位特性的改性，可选择性传输其他阳离子，如毒性金属离子。大环聚醚能携带有机初级铵离子，它具有生理学活性。拮抗离子的特性和物种的浓度影响选择性和传输速率。作为阴离子受体，被亲脂铵离子或金属离子复合，可影响阴离子传输。在阴离子配位化学发展中，提供了许多阴离子载体，它们将有助于传输化学这一领域的发展，对羧酸盐和磷酸盐选择性的传输具有重要意义。

手性大环空穴配合物携带一个碱金属离子和一个扁桃酸阴离子，它对阳-阴离子的共传输影响很大。同时用阳离子和阴离子载体可引起具有双倍选择的协同传输，可促进盐的两种组分的流动。氨基酸的选择性传输与一个含内磷酸基团的大环或与集中的双羧酸受体一起发生。含有亲脂性空穴水溶性受体，携带中性分子通过两个有机相间的水层。对于阴离子、盐和中性分子，已建立了许多促进传输的过程。特别有趣的是从共受体派生的传输因子，它可实施耦合传输(共传输)。耦合传递过程传递化学一个主要目的就是设计载体和过程，它涉及到以相同方向或相反方向流动，以及两个或两个以上物种的耦合流动。这种平行或垂直的矢量过程可建立泵系统，其中物种在由电子(氧化还原梯度)、质子(pH梯度)或其他物种(浓度梯度)的物理-化学梯度所产生的势场中迁移。对不同物种可用两种或两种以上独立的载体或在单一物种中引入适当的亚单元，都称为共载体

在氧化还原梯度中的电子耦合传递

在双载体过程中，电子-离子是同向的，电子和阳离子的平行传输由一个电子载体和一个选择性阳离子载体同时作为介质。在氧化还原梯度中由一个镍配合物的电子传输就是一个电子泵，由一个大环聚醚驱动K＋离子的选择性传输，图1-13。这一过程具有以下特征：激活K＋传输和耦合电子流动，两个共载体产生协同效应，一个氧化还原泵，一个阳离子载体的选择过程，通过阳离子／载体对的调整。这个系统可作为其他偶合过程的多体载体的设计的一个样本。

在pH梯度的质子耦合传递具有负电荷基团的载体影响阳离子反向通过膜，如果阳离子是质子，就可在pH梯度中建立一个质子泵。具有天然和合成羧酸离子载体的碱金属阳离子就是这样的例子。与单价离子相比，特别有趣的是像Ca2+的传递。亲脂载体74含有一个阳离子受体位和两个离子羧酸基团，在单离子化时，它可以以双羧酸形式选择性传输Ca2+和K+，pH值可控制这一过程。在传输特征上显著性变化涉及由(Ca2+，K+)与(Ca2+，H+)的正向耦合和与(K+，H+)反向耦合相互竞争，而导致pH调整Ca2+／K+选择性，它提供了一个质子泵。这一体系证实载体设计传输过程如何被速率、选择性调整以及与能量耦合。

通过透过膜通道的传递透过膜通道代表一种特殊的多单元因子，以流动或“蛙跳”机理让离子或分子通过。它们在生物传递过程中担负重要角色。对于阳离子天然和合成肽通道(短杆菌肽A、丙甲菌素)已进行了研究。像26(去掉底物)那样的圆柱体大三环代表一个阳离子通道的基本单元，这些通道是基于相互联接大环的堆积；它们键合碱金属阳离子，在底环和顶环间已观察到阳离子的跳跃过程。通过理论研究，对于在阳离子通道中离子传输和能量分布会有更深入的了解。为了发展人工离子通道和理解离子在通道中的运动，对几种类型都进行了研究。由于它们在分子离子传递中所担负的角色不同，这些研究是值得的，并会更加受到重视。作为第三代超分子主体化合物，杯芳烃具有独特的空穴结构，与冠醚和环糊精相比具有如下特点:(1)它是一类合成的低聚物，它的空穴结构大小的调节具有较大的自由度，目前已合成了4～20个苯酚单元所构成的不同空腔尺寸的杯芳烃；(2)通过控制不同的反应条件及引入适当的取代基，可固定所需要的构象；(3)杯芳烃的衍生化反应，不仅在杯芳烃下缘的酚羟基、上缘的苯环对位，而且连接苯环单元的亚甲基都能进行各种选择性功能化，这不仅能改善杯芳烃自身水溶性差的不足，而且还可以改善其分子络合能力和模拟酶活力；(4)杯芳烃的热稳定性及化学稳定性好，可溶性虽较差，但通过衍生化后，某些衍生物具有很好的溶解性:(5)杯芳烃能与离子和中性分子形成主-客体包结物，这是集冠醚和环糊精两者之长；(6)杯芳烃的合成较为简单，可望获得较为价廉的产品，事实上现在已有多种杯芳烃商品化。基于杯芳烃上述的一些特点，近20年来，杯芳烃化学得到迅速发展，到现在已有多本专著和多篇综述性文章报道杯芳烃在液膜传输、络合萃取、分子探针、分子器件、传感器、液晶、非线性光学等领域的应用潜力。本章将从杯芳烃的制备、分子(离子)识别、超分子催化以及分子组装几个方面介绍杯芳烃的超分子化学。一步合成法

Zinke开创了杯芳烃的一步合成法，他率先采用对叔丁基苯酚与甲醛在碱性条件下直接缩合的方法制备了对叔丁基杯[4]芳烃(1)。Gutsche对Zinke的方法进行了改进，在碱性条件下通过一步反应分别选择性地制备了对叔丁基杯[4]芳烃(1)、对叔丁基杯[6]芳烃(2)和对叔丁基杯[8]芳烃(3)，经重结晶方法提纯后分别得到收率50％、85％和63％的产物。尽管一步法制备对叔丁基杯[n]芳烃(n＝4，6，8)的反应条件已经相对很清楚，对于其反应机理还存在许多问题，例如为什么反应条件的微小变化即可以得到不同的特定产物。现在一般认为杯[8]芳烃是动力学控制产物，它是通过一对羟甲基化的线型四聚体以半杯[8]芳烃形式缩聚而成。杯[6]芳烃的形成与模板效应关系较大，无论采用钾、铷还是铯的氢氧化物，杯[6］芳烃都是产物的主要成分，特别是用氢氧化铷，可制得高收率的化合物2，这可能是由于杯[6］芳烃的孔穴与铷离子的直径相匹配的原因。采用较高的碱浓度有助于杯[6]芳烃的生成。杯[4]芳烃是热力学控制产物，它可以通过杯[8]或杯[6]芳烃作为起始物，在一定条件下经过芳环亚甲基键的断裂和重组而形成，其中杯[8]芳烃转化的速度大大超过杯[6]芳烃。Gutsche认为杯[8]芳烃转化为杯[4]芳烃的反应机理如图2-3所示。

Casnati等报道了由对苄氧基苯酚在碱催化下与甲醛缩合制备杯芳烃的“一锅煮”方法，在他们的反应中，碱的类型对于杯芳烃产物类型的影响再一次体现出来。如表2-2所示，在此反应中仅有六、七和八聚体生成，而无常见的四聚体产物。尽管杯[8]芳烃6为主要产物，随缩合中所用碱的不同给出了明显不同的三种产物比率，其中氢氧化钠给出了最高的产物选择性。在酸催化下也可以通过一步反应制备杯芳烃，例如间苯二酚与乙醛在乙醇水溶液中80oC反应16小时可以得到收率70％的化合物12。采用丙醛、异丁醛、苯甲醛与间苯二酚反应均可得到相应的杯芳烃化合物，1,2,3,5-四甲基苯与甲醛在醋酸的催化下也可制备杯[4]芳烃13，但是在酸催化苯酚与醛的反应仅得到线型产物。

多步合成法

在一步合成法中所制备的杯芳烃苯酚单元上拥有相同的取代基团，拥有不同取代基的苯酚经过多步反应可环化成杯芳烃。这种多步合法最早由Hayes和Hunter所阐述，他们由对甲基苯酚为起始物，经过溴化、反复的羟甲基化和脱溴化得到线型四聚体，最后在高度稀释的条件下成环反应制备了对甲基杯[4]芳烃18，反应达10步之多(图2-4)。

Kämmerer和Happel等对此方法进行了优化，他们经过16步反应制备了对位上有不同取代基的杯[7]芳烃19。尽管多步合成法可以合成特定单元数目和对位有不同取代基的杯芳烃，但是这种方法本身存在不可弥补的缺点，如反应路线太长，环化反应需要在极低浓度下进行，总反应收率非常低等等，因此目前这种方法在杯芳烃的合成中并不太常用。杯芳烃的构象前面已经提到杯芳烃在与金属离子配位前后可能拥有不同的构象，因此有可能通过杯芳烃与金属离子的配位作用诱导杯芳烃的构象固定化。Gomez-Kaifer等研究了二醌杯[4]芳烃82在溶液中的构象，结果表明其主要构象为反芳烃构象，在钠离子存在下，其构象发生缓慢翻转，变为对称的“锥式”构象，这一过程如图2-8所示。钠离子的存在仅改变了主要构象，并不改变翻转过程的动力学。杯芳烃的构象固定化作用还可以通过分子间的氢键作用来实现。例如Reinhoudt等设计了1位3位上缘拥有2个脲基的杯[4]芳烃衍生物83和84，它们在氘代氯仿中采取“受挤压的锥式”(PinchedCone)构象，这种构象在氘代四氯乙烯中至少在120oC还保持稳定。其中前者以单体形式存在，通过分子内的氢键稳固化构象；而后者则以分子间氢键作用形成二聚体来保持“受挤压的锥式”构象(图2-9)。这一结果表明，由于分子内或分子间氢键作用的存在，固定化了杯芳烃的骨架。

Rebek等也制备了几种上缘四脲代的杯[4]芳烃衍生物，他们的研究表明，这些单体以“半锥式”构象存在，但当两个脲代杯芳烃边缘的取代基间以氢键相互作用形成二聚体后，杯芳烃的构象转化为“锥式”构象(见图2-10)。这是通过氢键自组装控制杯芳烃构象的一个典型例子。

与杯[4]芳烃相比，杯［6］和杯[8]芳烃有较大环体系，它们的构象间转换的自由度相对较大，因而对构象的固定化研究更为复杂。目前已有一些固定杯[6]芳烃构象的报道。例如，Casnati等首先将对叔丁基杯[6]芳烃的下缘酚羟基选择性地对称甲基化，得到对叔丁基杯[6]芳烃1,3,5-三甲醚，然后再将酯和酰胺基团引入到未被取代的2、4、6三个酚羟基上，得到化合物85。杯芳烃实质上是一种特殊的环番(Metacyclophane)，从上面可以看到这类大环化合物具有结构灵活多变(尤其是构象变化)、易于修饰的特点。在环的上缘和下缘引入适当的功能基团所得到的主体，能借助于氢键、静电作用、范德华力、疏水作用、阳离子-π作用、π-π堆积作用及诱导楔合等非共价键协同作用来识别客体分子，从而实现配位、催化和能量转换等特殊功能。在杯芳烃上下缘引入各种基团的功能化杯芳烃，可以构成以杯环为骨架的带有亲脂性、亲水性和离子载体的受体，能与不同大小、不同性质的客体分子相匹配，如与有机分子、阳离子以及阴离子形成主-客体或超分子配合物。识别配位作用取决于杯环大小、构象及环