超分子化学-第一章 分子识别

荚状
大环效应有利于主客 体络合物的稳定性
单环冠
穴状冠
4个螯合原子， 稳定差104倍！
• 偶极-偶极相互作用（5-50 kJ/mol ） 两个偶极分子的排列可以导致明显的相互吸
引作用，形成邻近的分子上一对单个偶极的排 列（I）或者两个偶极分子相对的排列（II）
羰基的偶极-偶极相互作用
• 氢键（4-120 kJ/mol ）
氢键可以看作一种特殊的偶极-偶极相互作用，与 电负性原子（或拉电子基团）相连的氢原子被邻近 的分子或官能团的偶极吸引着。
相对较强、方向性好，被称作“超分子中的万能作用”
羧酸二聚体
红外伸缩振动频率的位移ν(OH)
从3400移到2500 cm-1，同时 峰变宽、吸收增强
Ｏ···H---Ｏ ✓ 氢键的精确长度很大程度上依赖于环境，距离越短，
动力学上的选择性
• 动力学上的选择性，是指客体转化的快慢，而 不是络合的牢固性
• 许多生物化学酶都具有动力学选择性，研究表 明，当主体与客体分子状态完全互补时，主体 通常不以刚性方式预组织，因为会阻碍快速催 化
1.4 超分子相互作用的本质
非共价键相互作用的加合与协同 • 离子-离子相互作用（键能100-350 kJ/mo
强度越强 ✓ 氢键在长度、强度和几何构型上是变化多样的 ✓ 氢键在超分子化学中是非常独特的，尤其对蛋白质
的整体构型、DNA的双螺旋结构起到非常重要的作 用 ✓ 每个分子中的一个强氢键足以决定固态结构，并影 响其液态和气态存在；弱氢键对稳定结构起一定作 用，许多氢键协同效果更显著
高分子没有气态
• 阳离子-π相互作用（5-80 kJ/mol ）
※ 超分子形成的原因
• 能量降低 • 熵增加 • 锁和钥匙原理
“锁与钥匙”的几何构型匹配
对分子识别的几点说明
• 单纯的结合不是识别（选择性的结合） • 主-客体结合形成复合物（complex），是由它
的热力学和动力学上的稳定性和选择性，即形 成过程中所涉及的能量和信息量来表征的 • 识别的介质影响complex的稳定性和选择性 • 信息贮存在主体结构中，在它的结合位点处 • 信息以超分子的形成和分解被读取出
“化学信息科学”或“分子信息学”
1.2 主-客体的互补性和预组织性
主体的结合点的性质决定分子识别：
电子特性（电荷、极性、极化度、范德华力和斥 力）、尺寸、形状、个数、在受体结构中的排布和 配合能力
• 主客体立体互补，凸凹分明 • 作用力互补，如正/负静电力，偶极/偶极，氢键给
/受体等 • 有较大的接触 • 多个相互作用位点 • 大区域强结合
过渡金属离子如Fe2+、Pt2+等，可以于烯烃 和芳香化合物形成络合物
二茂铁的结构图
一价负离子[PtCl3(C2H4)]-
• π-π堆积（0-50 kJ/mol ）
芳香环之间的弱静电相互作用，通常存在于相对富 电子和缺电子的两个分子之间 通常有两种类型：面对面和边对面 面对面的π堆积使石墨有光滑感，可用作润滑剂 边对面可看作缺电子氢和富电子芳环的弱氢键
客体的大小，形状，电荷密度，硬度，亲、疏水性 等，以及是否具有一些特殊的性能，如易产生氢键、 易发射荧光、易氧化等。
主体的预组织性
• 如果主体结合客体时没有经历明显的构象变化，那 么它就是预组织的，它代表了客体络合自由能增加 的一个主要因素
• 主-客体结合粗略分为两个阶段，第一阶段是活化 过程，主体为了使其结合点与客体匹配，要进行构 象的重新排列，能量上是不利的
• 因此，预组织ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ应在能量上有利于主-客体的结合
• 刚性预组织的主体在通过络合过渡态时有一定困难， 从而表现较慢的客体络合动力学
• 构象易变的主体分子容易迅速调整结构，络合和解
络合都很快
络合差异1010
1.3 热力学和动力学选择性
铁血红蛋白对氧气的吸收——很好的选择性
热力学上，选择性可简单定义为一个客体的结 合常数与另一个的比例
选择性 =
K客体1 K客体2
主体 + 客体
（主体·客体）
[主体·客体] 结合常数 K = [主体]×[客体]
萘 芘
蒽
有偏移，直接交叠排斥！
• 范德华作用力（小于5 kJ/mol ，可变） ✓ 邻近的核子靠近极化的电子云而产生的弱静电相互作
用。 ✓ 没有方向，因此设计特定的主体对特殊客体的选择性
络合时应用有限 ✓ 范德华力可发生在大多数可极化分子之间 ✓ 在超分子化学中，它对包合物的形成也非常重要 ✓ 可分为色散力和交换-排斥力
环糊精在水溶溶中包结客体
1.5 分子主体的设计
• 得到对特殊客体选择性结合的主体 • 考虑主-客体的互补性（空间、电子等匹配
性），主体预组织性，螯合和大环效应，以 及超分子的弱相互作用 • 同时所要设计的主体对该特殊客体选择性的 体现方式也是十分重要的
• 主体设计的步骤
明确客体的性质，得到主体应该对应满足的一些参数
一个典型的范德华力
对叔丁基杯芳烃与甲 苯的晶体结构
• 疏水效应(疏水-疏水相互作用)
通常是与大颗粒或弱溶剂化的粒子对极性分子（尤 其是水分子）的排斥力相联系的。可以在这些粒子 与另一种分子之间产生类似吸引力的效应。
有机客体在水溶液中的疏水结合
疏水效应可分为两种能量作用机理： ✓ 焓疏水效应
主体空腔疏水，存在水分子时能量高，客体将其置 换出来，起到稳定作用 ✓ 熵疏水效应 主客体存在使水分子结构存在两个孔，结合后减小 了对溶剂结构的破坏
l）
离子键在强度上可以和共价键相提并论
有机阳离子与Fe(CN)63-作用
• 离子-偶极相互作用（50-200 kJ/mol）
一个离子和一个极性分子的键合
包括配位键，产生螯合作用（形成螯合环）以及大环效 应有利于超分子稳定性的提高 五元环最稳定 六元环对于非常 小的阳离子如 B3+,Be2+稳定
• 大环效应不仅与通过多个结合点的客体螯合作 用有关，还与这些结合点的空间排列有关
第一章 分子识别
本章主要内容
➢ 分子识别的定义 ➢ 主-客体的互补性和预组织性 ➢ 热力学和动力学选择性 ➢ 超分子相互作用的本质 ➢ 分子主体的设计
1.1 分子识别
※ 分子识别是主体（受体）对客体（底物） 选择性结合并产生某种特定功能的过程
✓ 超分子化合物中的组分：主体和客体，或受体和底物 主体（host）+客体（guest） 复合物（complex）