第10章自组装和模板
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Materials Chemistry II
第10章自组装和模板
10.1 自组装和模板的相关概念
10.1.1 范围和目标
Materials Chemistry II
传统有机化学或配位化学法合成化合物是一个冗长、重复的
过程。每增加一个步骤，都会有越来越多的产物损失掉。而从传 统化学延伸扩展到制备大尺寸分子、分子系统和纳米机器更困难。 超分子聚集体的制备为新的超小型化的计算机器件、电子器件和 光学器件的构筑做铺垫。这一预程序化(preprogramming)系统由易
重新组合。立方体的碎片同单体及聚合物单元共存，可
以生成微量的立方体(10.3)。 值得一提的是，这种类型
的立方自组装是非常普遍的。
10.3.3分子方和分子箱
Materials Chemistry II
具有特殊稳定性的闭合的三维固体形状的概念的 研究已进入到对能够相互识别的两个或更多碎片的自 组装目标的构筑，目的是为了得到在溶液中稳定的含 有空腔的分子和组装体的结合。随着纳米组分的产生， 自组装方法为巨大空穴的工程化生产提供了潜能，该 空穴能够进行更复杂的化学和键合作用，或保护大得
(10.5)由8个组分组成，为了得到少于8个组分组成的
闭合式配位大环，需要寻找更柔韧的间隔基(spacers)。三
角主体(10.6)（六组分）可以由较长链的4，4’-联吡啶的
同系物产生，而简单的环番(芳香环桥连)受体(10.7)则通过
非常柔韧的α，α’-二(4-吡啶基)对二甲苯产生，都是以四
组分自组装得到。注意，使用的是被保护的汇聚型金属碎
物，然而，回流一个多月后，产物分布逐渐地简单化，直 到最后1H NMR图谱显示出单一的联吡啶配体峰值，说明 白组装形成了立方体结构。
Materials Chemistry II
图10.7 立方体（10.3）的制备
Materials Chemistry II
这样一个违背熵平衡的有序的对称性分子的生成， 是化学“自然选择”过程的产物。20个组分(8个角，12 条边)同时组装，特别是在缺乏动力学模板的条件下，在 统计学上是极不可能的。然而，因为Ru(Ⅱ)是半稳定态 离子，键可以持续(缓慢地)断裂，待反应混合物平衡时
制备的小分子组分自动组合形成更大更复杂的聚集体。在这一体
系中，分子构筑单元最基本的特性，如分子尺寸、对称性以及它 们结合点的电子性质，包含了选择性产生所需超结构的所有必要 的信息。超分子络合物自身组装(supramo1ecular complex assembles itself)。
Materials Chemistry II
利用大的配体)，分散的复合物才会增加[图10.5(b)]。因此，通
俗来讲，分散的物种是通过任意(互补的)发散／汇聚对的组合 形成的。最后，在双组分体系中，如果两个组分都是发
散的，则必定产生聚合物。
Materials Chemistry II
图10.5胶囊和 聚合自组装结 构设计
10.3.2 超分子立方
然后，这两条链就通过2个二硫化物连接(-S-S-)不可逆地
形成前胰岛素。随着两条链的牢固结合，多余的多肽就
被移去形成最终产物(见图10.4)。
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图10.4 胰岛素通过共价键修饰的自组装生物合成
10.3 自组装配位化合物
10.3.1 设计原理
Materials Chemistry II
任意种类的有方向性的相互作用(共价键、配位或氢 键、离子一偶极、偶极一偶极相互作用等)自组装的超 分子组装体大致可以被划分为两类：可以形成聚合物； 形成分散的聚集体。在含有过渡金属络合物的分子聚 集体内，通过构筑单元的性质可以控制和预测要生成 的聚集体的类型。这由键的位点的性质是发散的还是 汇聚的决定。主体被认为是由汇聚的键合位点组成的
的自组装的例子。
Materials Chemistry II
分子自组装和超分子自组装的区别：
分子自组装：涉及的是在特殊合成过程中共价键的形成，组装
体受反应中间体的立体化学和构造特性的控制。 超分子自组装：在分子间形成的相对易变的、非共价键相互作 用(如配位作用，氢键和偶极相互作用)控制下的，有限数量的构 造子的定向识别的、自发可逆的结合。这体现了其具有自修复
Materials Chemistry II
图10.5中方法b的一个例ຫໍສະໝຸດ Baidu，选择发散的桥连配体
4，4’-二吡啶（10.2）作为“边"，中等稳定度的Ru(Ⅱ)
的络合物[Ru([9]ane-S3)Cl2 (DMSO)]2+ (10.1)为“角”。
因为(10.1)中的Cl和DMSO配体易移去生成三个汇聚的
键位点。[9]ane-S3作为八面体金属中心剩余3个面(fac)
位点的构筑基团。(10.1)和3个等物质的量的（10.2）反 应使得不稳定的Cl和DMSO配体被3个4，4’-二吡啶取 代，生成[Ru([9]ane-S3)(4，4’-联吡啶基)3]2+（10.4）， 这是由于联吡啶基的好的给体强度和π电子接受能力能 稳定Ru(Ⅱ)。
超分子络合物自身组装为在通用的平版印刷技术和
分子世界可得的组分与结构规模之间的差距架起桥梁具
有非常重要的潜在作用。通过平版印刷术制成的组分基
本控制在几十个纳米是可能的。另一方面，迄今为止合
成的最大的具有很好特征的超分子已达到l0nm的数量级，
并且有更多更好的性质。电子工程和化学合成之间，在
10～l000nm尺寸范围内，完全定义的功能化的网络状超
或缺陷(错误)改正的潜能，就像在生物体系中一样。而术语“自
组织”既包含了自组装实体各构造子之间的相互作用，又包括 这些作用的综合结果。
10.2 生物化学自组装 10.2.1病毒
Materials Chemistry II
烟草花叶病毒由一个大约300nm ×18nm的螺旋状病毒组成(图 10.1a)，中心线状RNA由2 1 3 0个相同的蛋白质亚单元包围，每个 亚单元由1 5 8个氨基酸组成。该病毒最显著的特点是，如果它被分 解成各个组成部分，这些组成又通过物理方法混合在一起，那么该 病毒颗粒能够很精确地被自组装，并恢复其所有的功能。这种自组 装的作用机制已经建立，由两层蛋白质外壳亚单元聚集形成的圆盘
分子可能成为一种新型的电子设计的基础。
Materials Chemistry II
1～l0000nm大小的功能化分子器件调节着生命化学的各 个方面，人造分子器件有可能像生物界中的器件一样存在。 大多数类似的生物化学体系，为了能够有效地利用大数量的 遗传信息，都是通过自组装合成的。为了在电流电子和化学 技术之间架起桥梁，有两种不同的办法比较重要： “engineering down(工程微小化)”和“synthesizing up (合成
Materials Chemistry II
利用线性间隔基(spacer)的组合来制备超分子立方体，该立方 体能够提供立方边缘(edge)，金字塔角(corner)，并能构筑最高点 (vertices)。按这种方法拆析可看出，立方体必须由8个角和12条边 组成(图10.6)。
图10.6 超分子 立方体的组份
胰岛素是两个多肽链(A和B)通过一对二硫化物桥相
连而组成，这些-S-S-桥的还原就使得胰岛素分子断裂。
胰岛素的合成是由前胰岛素原和大量的多肽经过两次后
转换加工处理(post-translational processing)而得到。前胰
岛素原够通过非共价作用自组装成一定的构造式，这种
构造式能使初生胰岛素的碎片A和B按照正确的方式排列；
错误能够自动纠正过来。因为该过程是可逆的，“错误的” 产物不像正确组装的产物那么稳定。
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DNA的“zipping-up”双螺旋的形成与烟草花叶病毒
的自组装一样也是严格自组装。是由核酸碱基对(如鸟嘌
呤和胞嘧啶等)通过氢键自发组装而成的。对相对较小的 模型体系腺嘌呤和尿嘧啶的研究表明，两条链盘旋形成双 螺旋结构是分两步进行的。首先是晶核的形成，紧接着是 分级繁衍最终形成双螺旋(图10.2)。晶核的形成使两条链
片和发散型配体(乙二胺是保护基)。
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图10.9 浓度控制的反应平衡 {浓度大于50mmol/L时，产 物主要是（10.8）；而浓度 小于2mmol/L时，产物 （10.7）占优势}
会涉及到后组装过程，即共价修饰后得到的复合物前体通过非共
价作用进行组装。这可以看作一种模板效应，实际起模板作用的 结构片段在自组装初期是必需的，当反应结束不再需要模板时可
以移去。
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+
共价修饰
自组装
+ 图10.3共价修饰和自组装组合
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相互靠近，最终形成完整的双螺旋。
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图10.2 腺嘌呤和尿嘧啶核酸双螺旋自组装过程
10.2.2共价键修饰的自组装
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“共价修饰的自组装”(Self-Assembly with Covalent Modification)通常是指体系中共价键连接的生成是不可逆的。它 的最终产物不要求具有热力学最小的结构。图10.3展示了这类自 组装概念的示意图。两个自组装组分只有在其中之一的前体发生 共价键化学反应时，它们之间才能发生互锁(interlocking)。这可 能会导致其大小、形状或定位、或者阻碍效应的移去，这样这两 个亚结构单元才能够自由地自组装。共价键修饰的自组装也可能
这种汇聚式模板化病毒组装法(相同的亚单元组装成
一个完整的实体)与独自编码每个剩余物的方法相比具有
很大的优势，该方法需要较少的遗传信息来编排组装体的
形成。烟草花叶病毒的生成整个自组装过程主要由氢键、
静电作用、疏水作用以及其他弱相互作用的协同作用所驱
动。最终得到的热力学产物具有较高的生成平衡常数。所
谓的弱相互作用是指在自组装过程中，如果发生组装错误，
状模块组成。蛋白质圆盘被转换为2个由RNA引人圆盘中心洞穴形
成的螺旋转盘，这个过程重复进行直至最终形成病毒颗粒(图10.1b)。
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图10.1（a）烟草花叶病毒的结构示意图；（b）烟草花叶病毒
逐步自组装（1~3）
Materials Chemistry II
多的(也许是更功能化的)客体物种。
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像4，4’-联吡啶这样的刚性间隔基不允许三角形的生成，复合物
组装体在金属中心的键角至少接近90° 因此，可制备出分子方 (10.5)，它可作为溶液主体，识别像萘一样的芳香分子客体。
Materials Chemistry II
Materials Chemistry II
最关键的是，如何使得4个分子(10.4)进一步与4个等
物质的量的分子(10.1)反应，产生一个闭合的、立方形的
分子?一个可能的反应过程如下，在没有模板(如大体积的
立方阴离子)时，形成大量的其他低聚物和聚合物，如图
解10.7所示，反应进行中，最先得到一个很复杂的混合产
扩大化)”。由于电流(current)工艺的限制，工程微小化策略已
经没有发展空间了，因而化学工艺所面临的挑战就是发展 “合成扩大化”观念，通过使用超分子技术达到所要求的尺 寸和功能。
10.1.2自组装和模板
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模板化(templating)”， “自组装(self-assembly)”和“自 组织(self-organisation)”。总的来说，这些术语覆盖了下面 所有过程：使预程序化成分或构造子按照特定的方式，自发 地聚在一起，形成组装体，该组装体在纬度和时间上呈现一 维、二维或三维结构。自组装可以包含或不包含一个实际的 模板，如金属离子，因而，模板效应本身并不是严格意义上
组分；客体拥有发散的位点。
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根据Fujita的观点，产生的主-客体复合物应该是分散的非 聚合的物种，因为汇聚的主体包裹着发散的客体。进一步推理 该逻辑，如果汇聚的组分不能够包裹客体，则它将形成较大的 分散聚集体，直到能够包裹客体[图10.5(a)]，这是由于分散组 分在一定浓度范围内是热力学有利的。然而，如果使用发散型 配体，则为了使得它汇聚在一起，只有金属中心被保护起来(如
第10章自组装和模板
10.1 自组装和模板的相关概念
10.1.1 范围和目标
Materials Chemistry II
传统有机化学或配位化学法合成化合物是一个冗长、重复的
过程。每增加一个步骤，都会有越来越多的产物损失掉。而从传 统化学延伸扩展到制备大尺寸分子、分子系统和纳米机器更困难。 超分子聚集体的制备为新的超小型化的计算机器件、电子器件和 光学器件的构筑做铺垫。这一预程序化(preprogramming)系统由易
重新组合。立方体的碎片同单体及聚合物单元共存，可
以生成微量的立方体(10.3)。 值得一提的是，这种类型
的立方自组装是非常普遍的。
10.3.3分子方和分子箱
Materials Chemistry II
具有特殊稳定性的闭合的三维固体形状的概念的 研究已进入到对能够相互识别的两个或更多碎片的自 组装目标的构筑，目的是为了得到在溶液中稳定的含 有空腔的分子和组装体的结合。随着纳米组分的产生， 自组装方法为巨大空穴的工程化生产提供了潜能，该 空穴能够进行更复杂的化学和键合作用，或保护大得
(10.5)由8个组分组成，为了得到少于8个组分组成的
闭合式配位大环，需要寻找更柔韧的间隔基(spacers)。三
角主体(10.6)（六组分）可以由较长链的4，4’-联吡啶的
同系物产生，而简单的环番(芳香环桥连)受体(10.7)则通过
非常柔韧的α，α’-二(4-吡啶基)对二甲苯产生，都是以四
组分自组装得到。注意，使用的是被保护的汇聚型金属碎
物，然而，回流一个多月后，产物分布逐渐地简单化，直 到最后1H NMR图谱显示出单一的联吡啶配体峰值，说明 白组装形成了立方体结构。
Materials Chemistry II
图10.7 立方体（10.3）的制备
Materials Chemistry II
这样一个违背熵平衡的有序的对称性分子的生成， 是化学“自然选择”过程的产物。20个组分(8个角，12 条边)同时组装，特别是在缺乏动力学模板的条件下，在 统计学上是极不可能的。然而，因为Ru(Ⅱ)是半稳定态 离子，键可以持续(缓慢地)断裂，待反应混合物平衡时
制备的小分子组分自动组合形成更大更复杂的聚集体。在这一体
系中，分子构筑单元最基本的特性，如分子尺寸、对称性以及它 们结合点的电子性质，包含了选择性产生所需超结构的所有必要 的信息。超分子络合物自身组装(supramo1ecular complex assembles itself)。
Materials Chemistry II
利用大的配体)，分散的复合物才会增加[图10.5(b)]。因此，通
俗来讲，分散的物种是通过任意(互补的)发散／汇聚对的组合 形成的。最后，在双组分体系中，如果两个组分都是发
散的，则必定产生聚合物。
Materials Chemistry II
图10.5胶囊和 聚合自组装结 构设计
10.3.2 超分子立方
然后，这两条链就通过2个二硫化物连接(-S-S-)不可逆地
形成前胰岛素。随着两条链的牢固结合，多余的多肽就
被移去形成最终产物(见图10.4)。
Materials Chemistry II
图10.4 胰岛素通过共价键修饰的自组装生物合成
10.3 自组装配位化合物
10.3.1 设计原理
Materials Chemistry II
任意种类的有方向性的相互作用(共价键、配位或氢 键、离子一偶极、偶极一偶极相互作用等)自组装的超 分子组装体大致可以被划分为两类：可以形成聚合物； 形成分散的聚集体。在含有过渡金属络合物的分子聚 集体内，通过构筑单元的性质可以控制和预测要生成 的聚集体的类型。这由键的位点的性质是发散的还是 汇聚的决定。主体被认为是由汇聚的键合位点组成的
的自组装的例子。
Materials Chemistry II
分子自组装和超分子自组装的区别：
分子自组装：涉及的是在特殊合成过程中共价键的形成，组装
体受反应中间体的立体化学和构造特性的控制。 超分子自组装：在分子间形成的相对易变的、非共价键相互作 用(如配位作用，氢键和偶极相互作用)控制下的，有限数量的构 造子的定向识别的、自发可逆的结合。这体现了其具有自修复
Materials Chemistry II
图10.5中方法b的一个例ຫໍສະໝຸດ Baidu，选择发散的桥连配体
4，4’-二吡啶（10.2）作为“边"，中等稳定度的Ru(Ⅱ)
的络合物[Ru([9]ane-S3)Cl2 (DMSO)]2+ (10.1)为“角”。
因为(10.1)中的Cl和DMSO配体易移去生成三个汇聚的
键位点。[9]ane-S3作为八面体金属中心剩余3个面(fac)
位点的构筑基团。(10.1)和3个等物质的量的（10.2）反 应使得不稳定的Cl和DMSO配体被3个4，4’-二吡啶取 代，生成[Ru([9]ane-S3)(4，4’-联吡啶基)3]2+（10.4）， 这是由于联吡啶基的好的给体强度和π电子接受能力能 稳定Ru(Ⅱ)。
超分子络合物自身组装为在通用的平版印刷技术和
分子世界可得的组分与结构规模之间的差距架起桥梁具
有非常重要的潜在作用。通过平版印刷术制成的组分基
本控制在几十个纳米是可能的。另一方面，迄今为止合
成的最大的具有很好特征的超分子已达到l0nm的数量级，
并且有更多更好的性质。电子工程和化学合成之间，在
10～l000nm尺寸范围内，完全定义的功能化的网络状超
或缺陷(错误)改正的潜能，就像在生物体系中一样。而术语“自
组织”既包含了自组装实体各构造子之间的相互作用，又包括 这些作用的综合结果。
10.2 生物化学自组装 10.2.1病毒
Materials Chemistry II
烟草花叶病毒由一个大约300nm ×18nm的螺旋状病毒组成(图 10.1a)，中心线状RNA由2 1 3 0个相同的蛋白质亚单元包围，每个 亚单元由1 5 8个氨基酸组成。该病毒最显著的特点是，如果它被分 解成各个组成部分，这些组成又通过物理方法混合在一起，那么该 病毒颗粒能够很精确地被自组装，并恢复其所有的功能。这种自组 装的作用机制已经建立，由两层蛋白质外壳亚单元聚集形成的圆盘
分子可能成为一种新型的电子设计的基础。
Materials Chemistry II
1～l0000nm大小的功能化分子器件调节着生命化学的各 个方面，人造分子器件有可能像生物界中的器件一样存在。 大多数类似的生物化学体系，为了能够有效地利用大数量的 遗传信息，都是通过自组装合成的。为了在电流电子和化学 技术之间架起桥梁，有两种不同的办法比较重要： “engineering down(工程微小化)”和“synthesizing up (合成
Materials Chemistry II
利用线性间隔基(spacer)的组合来制备超分子立方体，该立方 体能够提供立方边缘(edge)，金字塔角(corner)，并能构筑最高点 (vertices)。按这种方法拆析可看出，立方体必须由8个角和12条边 组成(图10.6)。
图10.6 超分子 立方体的组份
胰岛素是两个多肽链(A和B)通过一对二硫化物桥相
连而组成，这些-S-S-桥的还原就使得胰岛素分子断裂。
胰岛素的合成是由前胰岛素原和大量的多肽经过两次后
转换加工处理(post-translational processing)而得到。前胰
岛素原够通过非共价作用自组装成一定的构造式，这种
构造式能使初生胰岛素的碎片A和B按照正确的方式排列；
错误能够自动纠正过来。因为该过程是可逆的，“错误的” 产物不像正确组装的产物那么稳定。
Materials Chemistry II
DNA的“zipping-up”双螺旋的形成与烟草花叶病毒
的自组装一样也是严格自组装。是由核酸碱基对(如鸟嘌
呤和胞嘧啶等)通过氢键自发组装而成的。对相对较小的 模型体系腺嘌呤和尿嘧啶的研究表明，两条链盘旋形成双 螺旋结构是分两步进行的。首先是晶核的形成，紧接着是 分级繁衍最终形成双螺旋(图10.2)。晶核的形成使两条链
片和发散型配体(乙二胺是保护基)。
Materials Chemistry II
图10.9 浓度控制的反应平衡 {浓度大于50mmol/L时，产 物主要是（10.8）；而浓度 小于2mmol/L时，产物 （10.7）占优势}
会涉及到后组装过程，即共价修饰后得到的复合物前体通过非共
价作用进行组装。这可以看作一种模板效应，实际起模板作用的 结构片段在自组装初期是必需的，当反应结束不再需要模板时可
以移去。
Materials Chemistry II
+
共价修饰
自组装
+ 图10.3共价修饰和自组装组合
Materials Chemistry II
相互靠近，最终形成完整的双螺旋。
Materials Chemistry II
图10.2 腺嘌呤和尿嘧啶核酸双螺旋自组装过程
10.2.2共价键修饰的自组装
Materials Chemistry II
“共价修饰的自组装”(Self-Assembly with Covalent Modification)通常是指体系中共价键连接的生成是不可逆的。它 的最终产物不要求具有热力学最小的结构。图10.3展示了这类自 组装概念的示意图。两个自组装组分只有在其中之一的前体发生 共价键化学反应时，它们之间才能发生互锁(interlocking)。这可 能会导致其大小、形状或定位、或者阻碍效应的移去，这样这两 个亚结构单元才能够自由地自组装。共价键修饰的自组装也可能
这种汇聚式模板化病毒组装法(相同的亚单元组装成
一个完整的实体)与独自编码每个剩余物的方法相比具有
很大的优势，该方法需要较少的遗传信息来编排组装体的
形成。烟草花叶病毒的生成整个自组装过程主要由氢键、
静电作用、疏水作用以及其他弱相互作用的协同作用所驱
动。最终得到的热力学产物具有较高的生成平衡常数。所
谓的弱相互作用是指在自组装过程中，如果发生组装错误，
状模块组成。蛋白质圆盘被转换为2个由RNA引人圆盘中心洞穴形
成的螺旋转盘，这个过程重复进行直至最终形成病毒颗粒(图10.1b)。
Materials Chemistry II
图10.1（a）烟草花叶病毒的结构示意图；（b）烟草花叶病毒
逐步自组装（1~3）
Materials Chemistry II
多的(也许是更功能化的)客体物种。
Materials Chemistry II
像4，4’-联吡啶这样的刚性间隔基不允许三角形的生成，复合物
组装体在金属中心的键角至少接近90° 因此，可制备出分子方 (10.5)，它可作为溶液主体，识别像萘一样的芳香分子客体。
Materials Chemistry II
Materials Chemistry II
最关键的是，如何使得4个分子(10.4)进一步与4个等
物质的量的分子(10.1)反应，产生一个闭合的、立方形的
分子?一个可能的反应过程如下，在没有模板(如大体积的
立方阴离子)时，形成大量的其他低聚物和聚合物，如图
解10.7所示，反应进行中，最先得到一个很复杂的混合产
扩大化)”。由于电流(current)工艺的限制，工程微小化策略已
经没有发展空间了，因而化学工艺所面临的挑战就是发展 “合成扩大化”观念，通过使用超分子技术达到所要求的尺 寸和功能。
10.1.2自组装和模板
Materials Chemistry II
模板化(templating)”， “自组装(self-assembly)”和“自 组织(self-organisation)”。总的来说，这些术语覆盖了下面 所有过程：使预程序化成分或构造子按照特定的方式，自发 地聚在一起，形成组装体，该组装体在纬度和时间上呈现一 维、二维或三维结构。自组装可以包含或不包含一个实际的 模板，如金属离子，因而，模板效应本身并不是严格意义上
组分；客体拥有发散的位点。
Materials Chemistry II
根据Fujita的观点，产生的主-客体复合物应该是分散的非 聚合的物种，因为汇聚的主体包裹着发散的客体。进一步推理 该逻辑，如果汇聚的组分不能够包裹客体，则它将形成较大的 分散聚集体，直到能够包裹客体[图10.5(a)]，这是由于分散组 分在一定浓度范围内是热力学有利的。然而，如果使用发散型 配体，则为了使得它汇聚在一起，只有金属中心被保护起来(如