分子识别的原理及应用

位点而不产生强的非键合排斥。
最著名的例子莫过于 DNA 分子的结构。它是基于碱基通过氢键配位。每一个碱基都有一
个互补的配对者，通过氢键把它们结合在一起。腺嘌呤通过二条氢键联接胸腺嘧啶，胞嘧啶
通过三条氢键联接鸟嘌呤。这种识别是基于碱基对间的几何匹配（碱基及双螺旋的形状），
同时也要满足相互作用力的匹配（能量匹配）即形成最大数目的氢键。
CH3
CH3
H3C
CH3
H3C
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
O
O
O
Li
O
O
O
H3C O
CH3 O
H3C
Li
CH3
O
O
O
O
H3C
H3C
H3C
H3C
H3C
CH3
H3C
CH3
CH3
CH3
5
6
4
CH3
CH3
H3C
CH3
H3C
CH3
CH3
CH3
O
O
O
H3C O
CH3 O
O
H3C
H3C
Na
CH3
CH3
O
O
O
H3C
时的焓损失。
（2）相互作用的类型及它们的加合性。在分子识别过程中，常常几种作用力及多个作用
位点同时起作用，一个有限面积内，多个非共价键的协同作用可使分子间相互作用的强度接
近或达到共价键的水平。而且，这种非共价结合具有更多的动力学性质，因为它不存在高的
能量势垒。
关于预组织最好的例子莫过于[18]冠－6 的制备。
R' δ+ δ-
CO
O δC δ+
R
R'
R
R' δ+ δ-
C R
O
R'
OC
δ- δ+ R
Ⅰ
Ⅱ
图 9 酮之间的偶极－偶极相互作用［7］
2.2.4 氢键
氢键号称“超分子中的万能作用”，尤其在许多蛋白质的整体构型、许多酶的基质识别
及 DNA 的双螺旋结构中，起到非常重要的作用。这是因为，氢键在长度、强度和几何构型上
分子识别的原理及应用
梁宇帆 彭志为 王一鹏 郑海斌
（北京大学化学与分子工程学院 06 级 北京 100871）
摘 要 分子识别是一个很早就被人们所认识的现象，它最早被发现在酶催化过程中。然 而分子识别却在众多的化学领域里面都有极其重要的意义，尤其是在超分子结构化学领域 中。本文先介绍了分子识别的有关历史，然后着重分析了分子识别的原理，并且列举了分子 识别在众多领域里面的应用，最后提出了对分子识别的展望。
O
NH HN
O 胸腺嘧啶 T
H NH
N N
N
N
H
腺嘌呤 A
3
HN
H
O
N
N
HN
HN
O
HN
H
N
N H
胞嘧啶 C
鸟嘌呤 G
图 3 DNA 碱基间的氢键
2.1.2 预组织
分子识别的另一重要决定因素是预组织原则。它主要决定识别过程中的键能力。预组织
是指受体与底物分子在识别之前将受体中容纳底物的环境组织得愈好，其溶剂化能力愈低，
应该说超分子化学的两大领域――分子识别和自组装以及晶体工程――都是以分子识 别为基础的，前者是在识别的基础上的自发组装形成超分子，而后者则是人为通过策略和手 段以识别为基础制造性质独特的材料。因此分子识别在超分子化学中占有举足轻重的地位。 同时，由于识别过程通常会引起体系的电学、光学性能及构象的变化，也可能引起化学性质 的变化。这些变化意味着化学信息的存储，传递及处理。因此，分子识别在信息处理及传递， 分子及超分子器件制备过程中也起着重要作用。 2 分子识别的原理
之相近的单齿配体要稳定。例如，在下列反应式中，1，2－乙二胺取代氨的平衡常数（lgK ＝8.76）表明 1，2－乙二胺的螯合物比氨的稳定 108倍［7］。
9
[Ni(NH3)6]2+ + 3NH2CH2CH2NH2
导致水分子有从空腔里面释放出来以形成更多数目的氢键达到能量降低的目的。
从熵的角度看，由于溶液中疏水分子的存在，使得在大量水分子结构中产生两个或更多
的“孔”，而疏水分子结合后使溶剂结构的破坏减小，因而熵增加。也可以认为是在空腔中
8
的水分子的混乱度要小于在溶剂中的水分子，于是空腔中的水分子有释放出来的趋势。
分子识别的过程实际上是分子在特定的条件下通过分子间作用力的协同作用达到相互 结合的过程。这其实也揭示了分子识别原理中的三个重要的组成部分，“特定的条件”即是 指分子要依靠预组织达到互补的状态，“分子间相互作用力”即是指存在于分子之间非共价 相互作用，而“协同作用”则是强调了分子需要依靠大环效应或者螯合效应使得各种相互作 用之间产生一致的效果。 2.1 互补性与预组织
物质会自然形成一个聚集体，从而被排挤出强的溶剂间的相互作用之外。一般来讲可以从焓
与熵两个方面来解释疏水效应形成的原因。
从焓来看，因为主体空腔是疏水的，空腔内的水分子与主体分子的内壁作用不强，因此
能量较高；当释放到大量溶剂中时，通过与其他水分子的相互作用，可以使能量降低。换句
话说，在空腔内的水分子之间所能形成的氢键数目远远小于溶剂环境中形成的水分子数目，
是变化多样的，在稳定结构、主客体电性互补中起到重要的作用，而当有很多氢键协同作用
时效果可以变得很显著。
2.2.5 π－π堆叠
这是一种常常发生在芳香环之间的弱的相互作用，通常存在于相对复电子和缺电子的两
个分子之间。常见的堆叠方式有两种：面对面和面对边。面对边相互作用可以看作是一个芳 环上轻微缺电子的氢原子和另一个芳环上复电子的π电子云之间形成的弱氢键［7］。
Na CH3
O
O
O
H3C
H3C
H3C
CH3
H3C
CH3
CH3
CH3
5
7
图 4 受体预组织的例子［3］
至于受体与底物的结合情况，又由以下因素决定：
（1）相互作用表面积的大小。注意，接触面积的大小并不反映受体与底物的结合能力，
关键是它们的相互作用面积。其中，还要考虑受体与溶剂的可触及面积，这关系到去溶剂化
例如，环糊精体系是典型的可用第一代经典的锁与钥匙关系比喻的体系。它有一个很典
1
型的疏水空腔，能和偶氮染料形成络合物。如下图所示，当偶氮化合物上的取代基不同时， 它们的反应平衡常数差别并不大，但反应速率却相差三个数量级［3］。究其原因，这是由于 过程的阈效应（threading in process）即空间位阻效应而造成的。
N N
N N N
N
图 6 三（二氮杂二环辛烷）阳离子
图 7 三（二氮杂二环辛烷）阳离子与Fe（CN）3－6形成配合物的结构
2.2.2 离子－偶极相互作用 一个离子和一个极性分子的键合就是离子－偶极相互作用的一个例子。大环醚（如冠醚）
与碱金属离子的络合物结构很明显就以这样的超分子类似物存在。这种作用力大小达到 50 －200kJ/mol。
O
O
O
Na
O
O
O
图 8 冠醚与钠离子的结合
2.2.3 偶极－偶极相互作用 两个偶极分子的排列可以形成明显的吸引作用，形成邻近的分子上一对单个偶极的排列
7
（类型Ⅰ）或者两个偶极分子相对的排列（类型Ⅱ）。有机碳剂化合物在固态时存在着明显 的这样的相互作用，计算表明后一种类型的能量约为 20kJ/mol，相当于中等强度的氢键［7］。
O
O
O
K
O
O
O 2
O
O
N
H HH
H
N
+K
O
O
O
O
O
O
N
K
N
O
O
O
O
3
4
图 2 构象重组过程［3］
至于电学特性互补，则包括了满足氢键的形成，静电相互作用，π堆积相互作用，疏水
相互作用等［6］。这就要求受体及底物的键合位点及电荷分布能很好的匹配。Donald Cram总
结了互补性的基本原理：对于络合，主体必须具有络合点，它可以接触吸引客体分子的结合
Fra Baidu bibliotek
R
-O3S
NN
O-
+ α-环糊精
K
R
1 mol-1sec-1
H
1.7×105
Me
150
-O3S
NN
Et
2.0
R
O-
图 1 环糊精对不同偶氮染料的识别动力学［3］
1958 年，Koshland提出了诱导配合（induced fit）［4］的概念。他指出，在底物与受 体相互结合时，受体将采取一个能同底物达到最佳结合的构象。这个过程也被称为识别过程 的构象重组织［5］。
如下图，化合物 1 是Pedersen的冠醚－6，化合物 3 是Lehn的穴状配体[2.2.2],他们在 络合前既不具有一定的空腔，也没有合适的键合位置。而与K＋络合时，构象发生变化，即进 行了重组织，其络合物 2 及 4 中都形成与K互补的空腔及键合位置并去掉了溶剂。
2
O
O
H
HO OH
H
O
O
1
+K
H
H
O
H
H
O
H
H
OH
HO H
H
O H
H
H
O
H
HO H O
O
HH
H O
OH H
HO
O
H
H
H O
H
H H
H H
O
H H
O H
H
H
H
O H
OH
O
H O
H OH H
H H
O H O
H
H H
O
H
H
O H O
H
HO H
O
HO
H
H H
O
H
H
OH
O
H
H
H
图 11 疏水效应示意图
2.3 螯合和大环作用
2.3.1 螯合作用
5
OH
HO
O
O
+
Cl
Cl
O
O
O Cl H
O
O
Cl
KOH
O H
O
NEt3
K O
O
O
Cl
O
O
-2KCl -2H2O
O O
聚合物
O
OH
O
O
O
O
图 5 [18]冠－6 合成过程中环状以及非环状产物的产生［7］
加入KOH后，大环冠醚是主产物，但并不因为它们是热力学最稳定的。若换成三乙胺， 则生成的多聚产物占主导。这是因为，K＋离子将反应物组织在其周围产生反应中间体，该中 间体可以预组织产生环状产物。其中，K＋离子被认为是反应的模版，这类大环化合物的形成 就称为“模板效应”。 2.2 非共价的分子间相互作用
事实上，早在 1894 年，E.Fisher［2］就已经在他的著名论文里建议以“锁和钥匙”的比 喻来描述酶与底物的专一性结合，称之为识别。所以，分子识别这一概念最初是被有机化学 家和生物学家用来在分子水平上研究生物体系中的化学问题而提出，用来描述有效的并且有 选择的生物功能。现在的分子识别已经发展为表示主体（受体）对客体（底物）选择性结合 并产生某种特定功能的过程。
互补性（complementarity）及预组织（preorganization）是决定分子识别的两个关键 原则。前者决定识别过程的选择性，后者决定识别过程的键合能力。 2.1.1 互补性
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。空间互补性最早由 Fisher 的“锁－钥匙”关系所描述。
则它们的识别效果愈佳，形成的络合物愈稳定。下图中，化合物 5 是经过预组织的受体，O
原子形成八面体，它的空腔中的 6 个甲基的空间位阻使O原子不能同溶剂结合，氧的未共享
电子对的介电微环境在真空及烃之间。受体 5 能同锂离子、钠离子很好互补，形成稳定化合
物 6、7。晶体结构数据表明，受体 5 在络合前后没有明显变化［3］。
分子识别过程中涉及到分子间非共价的相互作用，当由许多这样的相互作用一起作用的
时候会产生加和的稳定效果。但是，在很多情况下，整个体系的协同相互作用大于部分的加
和作用，也即是产生了额外的稳定作用。这样的额外稳定性是基于其螯合作用。
配位化学中的螯合作用是我们很熟悉的，在配位化学中二齿配体的金属络合物明显比与
非共价的分子间相互作用有很多种，最重要的作用力介绍如下。 2.2.1 离子－离子相互作用
事实上，离子键在强度上可以和共价键相提并论（100－350kJ/mol）。典型的就是氯化 钠晶体。当然，这需要相当的想象力去把NaCl当作超分子。一个更具有超分子性质的实例是
6
带有三个正电荷的三（二氮杂二环辛烷）主体于阴离子如Fe（CN）63－的相互作用［7］。
关键词 分子识别；互补性；预组织；分子间相互作用；螯合效应；大环效应；应用
1 分子识别的历史 自从 1828 年Friedrich Wöhler［1］合成出尿素分子 190 年以来，分子化学已经发展到了
前所未有的高度，尤其是在有机合成方面，人们利用精美的策略以及巧夺天工的效率和选择 性，合成了大量结构复杂、功能多样的分子。而在 1987 年，Nobel化学奖授予了C.J.Pedersen、 D.J.Cram和J.-M.Lehn，则标志着化学发展进入了一个新的时代。对通过非共价键弱相互作 用力键合起来的复杂有序且有特定功能的分子集合体，即超分子化学的研究，可说是共价键 分子化学的一次升华、一次质的超越，被称为“超越分子概念的化学”。人们从分子化学的 圈子里面跳了出来，开始寻找运用分子作为最小合成单位的新的合成策略与方法，进一步开 发和研制具有全新功能和性质的新型材料。而作为超分子化学中重要领域的分子识别领域， 自然也受到了更多化学家的关注。
H
面对面
边对面
图 10 苯环间的π－π堆叠
2.2.6 范德华作用力
这是一种我们很熟悉的作用力，能量大小小于 5kJ/mol，是由于邻近的核子靠近极化的
电子云而产生的弱静电相互作用。常常被分为色散力和交互－排斥力，没有方向性，力的大
小随着分子间距离的增大很快的衰减。
2.2.7 疏水效应
疏水效应指的是由于水分子之间强烈的相互作用，使得诸如非极性有机分子这类疏水的