超分子化學(xué)-第一章-分子識(shí)別

1、第一章第一章 分子識(shí)別分子識(shí)別分子識(shí)別的定義分子識(shí)別的定義主主- -客體的互補(bǔ)性和預(yù)組織性客體的互補(bǔ)性和預(yù)組織性熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)選擇性熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)選擇性超分子相互作用的本質(zhì)超分子相互作用的本質(zhì)分子主體的設(shè)計(jì)分子主體的設(shè)計(jì)本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 分子識(shí)別是主體（受體）對(duì)客體（底物）分子識(shí)別是主體（受體）對(duì)客體（底物）選擇性結(jié)合并產(chǎn)生某種特定功能的過程選擇性結(jié)合并產(chǎn)生某種特定功能的過程1.1 1.1 分子識(shí)別分子識(shí)別 超分子化合物中的組分：主體和客體，或受體和底物超分子化合物中的組分：主體和客體，或受體和底物 主體（主體（host）+客體（客體（guest） 復(fù)合物（復(fù)合物（complex） 超

2、分子形成的原因超分子形成的原因 能量降低能量降低 熵增加熵增加 鎖和鑰匙原理鎖和鑰匙原理“鎖與鑰匙鎖與鑰匙”的幾何構(gòu)型匹配的幾何構(gòu)型匹配對(duì)分子識(shí)別的幾點(diǎn)說明對(duì)分子識(shí)別的幾點(diǎn)說明 單純的結(jié)合不是識(shí)別（單純的結(jié)合不是識(shí)別（選擇性選擇性的結(jié)合）的結(jié)合） 主主-客體結(jié)合形成復(fù)合物（客體結(jié)合形成復(fù)合物（complex），是由它），是由它的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上的穩(wěn)定性和選擇性，即形的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上的穩(wěn)定性和選擇性，即形成過程中所涉及的能量和信息量來表征的成過程中所涉及的能量和信息量來表征的 識(shí)別的介質(zhì)影響識(shí)別的介質(zhì)影響complex的穩(wěn)定性和選擇性的穩(wěn)定性和選擇性 信息貯存在主體結(jié)構(gòu)中，在它的結(jié)合位點(diǎn)處信息

3、貯存在主體結(jié)構(gòu)中，在它的結(jié)合位點(diǎn)處 信息以超分子的形成和分解被讀取出信息以超分子的形成和分解被讀取出 “化學(xué)信息科學(xué)化學(xué)信息科學(xué)”或或“分子信息學(xué)分子信息學(xué)”1.2 1.2 主主- -客體的互補(bǔ)性和預(yù)組織性客體的互補(bǔ)性和預(yù)組織性 主體的結(jié)合點(diǎn)的性質(zhì)決定分子識(shí)別：主體的結(jié)合點(diǎn)的性質(zhì)決定分子識(shí)別： 電子特性（電荷、極性、極化度、范德華力和斥電子特性（電荷、極性、極化度、范德華力和斥力）、尺寸、形狀、個(gè)數(shù)、在受體結(jié)構(gòu)中的排布和力）、尺寸、形狀、個(gè)數(shù)、在受體結(jié)構(gòu)中的排布和配合能力配合能力 主客體立體互補(bǔ)，凸凹分明主客體立體互補(bǔ)，凸凹分明 作用力互補(bǔ)，如正作用力互補(bǔ)，如正/ /負(fù)靜電力，偶極負(fù)靜電力，偶

4、極/ /偶極，氫鍵給偶極，氫鍵給/ /受體等受體等 有較大的接觸有較大的接觸 多個(gè)相互作用位點(diǎn)多個(gè)相互作用位點(diǎn) 大區(qū)域強(qiáng)結(jié)合大區(qū)域強(qiáng)結(jié)合主體的預(yù)組織性主體的預(yù)組織性 如果主體結(jié)合客體時(shí)沒有經(jīng)歷明顯的構(gòu)象變化，那如果主體結(jié)合客體時(shí)沒有經(jīng)歷明顯的構(gòu)象變化，那么它就是預(yù)組織的，它代表了客體絡(luò)合自由能增加么它就是預(yù)組織的，它代表了客體絡(luò)合自由能增加的一個(gè)主要因素的一個(gè)主要因素 主主- -客體結(jié)合粗略分為兩個(gè)階段，第一階段是活化客體結(jié)合粗略分為兩個(gè)階段，第一階段是活化過程，主體為了使其結(jié)合點(diǎn)與客體匹配，要進(jìn)行構(gòu)過程，主體為了使其結(jié)合點(diǎn)與客體匹配，要進(jìn)行構(gòu)象的重新排列，能量上是不利的象的重新排列，能量上是

5、不利的 因此，因此，預(yù)組織效應(yīng)在能量上有利于主預(yù)組織效應(yīng)在能量上有利于主- -客體的結(jié)合客體的結(jié)合 剛性預(yù)組織的主體在通過絡(luò)合過渡態(tài)時(shí)有一定困難，剛性預(yù)組織的主體在通過絡(luò)合過渡態(tài)時(shí)有一定困難，從而表現(xiàn)較慢的客體絡(luò)合動(dòng)力學(xué)從而表現(xiàn)較慢的客體絡(luò)合動(dòng)力學(xué) 構(gòu)象易變的主體分子容易迅速調(diào)整結(jié)構(gòu)，絡(luò)合和解構(gòu)象易變的主體分子容易迅速調(diào)整結(jié)構(gòu)，絡(luò)合和解絡(luò)合都很快絡(luò)合都很快絡(luò)合差異絡(luò)合差異10101.3 1.3 熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)選擇性熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)選擇性熱力學(xué)熱力學(xué)上，選擇性可簡(jiǎn)單定義為一個(gè)客體的結(jié)上，選擇性可簡(jiǎn)單定義為一個(gè)客體的結(jié)合常數(shù)與另一個(gè)的比例合常數(shù)與另一個(gè)的比例選擇性選擇性 =K客體客體1K客體客體2鐵

6、血紅蛋白對(duì)氧氣的吸收鐵血紅蛋白對(duì)氧氣的吸收很好的選擇性很好的選擇性 主體主體 + + 客體客體 （主體（主體客體）客體）結(jié)合常數(shù)結(jié)合常數(shù) K =主體主體客體客體主體主體客體客體動(dòng)力學(xué)上的選擇性動(dòng)力學(xué)上的選擇性 動(dòng)力學(xué)上的選擇性，是指客體轉(zhuǎn)化的快慢，而動(dòng)力學(xué)上的選擇性，是指客體轉(zhuǎn)化的快慢，而不是絡(luò)合的牢固性不是絡(luò)合的牢固性 許多生物化學(xué)酶都具有動(dòng)力學(xué)選擇性，研究表許多生物化學(xué)酶都具有動(dòng)力學(xué)選擇性，研究表明，當(dāng)主體與客體分子狀態(tài)完全互補(bǔ)時(shí)，主體明，當(dāng)主體與客體分子狀態(tài)完全互補(bǔ)時(shí)，主體通常不以剛性方式預(yù)組織，因?yàn)闀?huì)阻礙快速催通常不以剛性方式預(yù)組織，因?yàn)闀?huì)阻礙快速催化化1.4 1.4 超分子相互作用的

7、本質(zhì)超分子相互作用的本質(zhì)非共價(jià)鍵相互作用的加合與協(xié)同非共價(jià)鍵相互作用的加合與協(xié)同 離子離子- -離子相互作用離子相互作用（鍵能（鍵能100-350 kJ/mol100-350 kJ/mol） 離子鍵在強(qiáng)度上可以和共價(jià)鍵相提并論離子鍵在強(qiáng)度上可以和共價(jià)鍵相提并論有機(jī)陽離子與有機(jī)陽離子與Fe(CN)Fe(CN)6 63-3-作用作用 離子離子- -偶極相互作用偶極相互作用（50-200 kJ/mol50-200 kJ/mol） 一個(gè)離子和一個(gè)極性分子的鍵合一個(gè)離子和一個(gè)極性分子的鍵合包括配位鍵，產(chǎn)生螯合作用（形成螯合環(huán)）以及大環(huán)效包括配位鍵，產(chǎn)生螯合作用（形成螯合環(huán)）以及大環(huán)效應(yīng)有利于超分子穩(wěn)定性

8、的提高應(yīng)有利于超分子穩(wěn)定性的提高五元環(huán)最穩(wěn)定五元環(huán)最穩(wěn)定六元環(huán)對(duì)于非常六元環(huán)對(duì)于非常小的陽離子如小的陽離子如B B3+3+,Be,Be2+2+穩(wěn)定穩(wěn)定大環(huán)效應(yīng)有利于主客大環(huán)效應(yīng)有利于主客體絡(luò)合物的穩(wěn)定性體絡(luò)合物的穩(wěn)定性 大環(huán)效應(yīng)不僅與通過多個(gè)結(jié)合點(diǎn)的客體螯合作大環(huán)效應(yīng)不僅與通過多個(gè)結(jié)合點(diǎn)的客體螯合作用有關(guān)，還與這些結(jié)合點(diǎn)的空間排列有關(guān)用有關(guān)，還與這些結(jié)合點(diǎn)的空間排列有關(guān)莢狀莢狀穴狀冠穴狀冠4個(gè)螯合原子，個(gè)螯合原子，穩(wěn)定差穩(wěn)定差104倍！倍！單環(huán)冠單環(huán)冠 偶極偶極- -偶極相互作用偶極相互作用（5-50 kJ/mol 5-50 kJ/mol ） 兩個(gè)偶極分子的排列可以導(dǎo)致明顯的相互兩個(gè)偶極分子的

9、排列可以導(dǎo)致明顯的相互吸引作用，形成鄰近的分子上一對(duì)單個(gè)偶極的吸引作用，形成鄰近的分子上一對(duì)單個(gè)偶極的排列（排列（I I）或者兩個(gè)偶極分子相對(duì)的排列（）或者兩個(gè)偶極分子相對(duì)的排列（IIII）羰基的偶極羰基的偶極- -偶極相互作用偶極相互作用 氫鍵氫鍵（4-120 4-120 kJ/molkJ/mol ） 氫鍵可以看作一種特殊的偶極氫鍵可以看作一種特殊的偶極- -偶極相互作用，偶極相互作用，與電負(fù)性原子（或拉電子基團(tuán)）相連的氫原子被鄰與電負(fù)性原子（或拉電子基團(tuán)）相連的氫原子被鄰近的分子或官能團(tuán)的偶極吸引著。近的分子或官能團(tuán)的偶極吸引著。 相對(duì)較強(qiáng)、方向性好，被稱作相對(duì)較強(qiáng)、方向性好，被稱作“超分

10、子中的萬能作超分子中的萬能作用用”紅外伸縮振動(dòng)頻率的位移紅外伸縮振動(dòng)頻率的位移(OH) (OH) 從從34003400移到移到2500 cm2500 cm-1-1，同時(shí)峰，同時(shí)峰變寬、吸收增強(qiáng)變寬、吸收增強(qiáng)羧酸二聚體羧酸二聚體 H-H- 氫鍵的精確長度很大程度上依賴于環(huán)境，距離越短，氫鍵的精確長度很大程度上依賴于環(huán)境，距離越短，強(qiáng)度越強(qiáng)強(qiáng)度越強(qiáng) 氫鍵在長度、強(qiáng)度和幾何構(gòu)型上是變化多樣的氫鍵在長度、強(qiáng)度和幾何構(gòu)型上是變化多樣的 氫鍵在超分子化學(xué)中是非常獨(dú)特的，尤其對(duì)蛋白質(zhì)氫鍵在超分子化學(xué)中是非常獨(dú)特的，尤其對(duì)蛋白質(zhì)的整體構(gòu)型、的整體構(gòu)型、DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)起到非常重要的的雙螺旋結(jié)構(gòu)起到非常重要的

11、作用作用 每個(gè)分子中的一個(gè)強(qiáng)氫鍵足以決定固態(tài)結(jié)構(gòu)，并影每個(gè)分子中的一個(gè)強(qiáng)氫鍵足以決定固態(tài)結(jié)構(gòu)，并影響其液態(tài)和氣態(tài)存在；弱氫鍵對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)起一定作響其液態(tài)和氣態(tài)存在；弱氫鍵對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)起一定作用，許多氫鍵協(xié)同效果更顯著用，許多氫鍵協(xié)同效果更顯著高分子沒有氣態(tài)高分子沒有氣態(tài) 陽離子陽離子-相互作用相互作用（5-80 kJ/mol ） 過渡金屬離子如過渡金屬離子如Fe2+、Pt2+等，可以于烯烴等，可以于烯烴和芳香化合物形成絡(luò)合物和芳香化合物形成絡(luò)合物二茂鐵的結(jié)構(gòu)圖二茂鐵的結(jié)構(gòu)圖一價(jià)負(fù)離子一價(jià)負(fù)離子PtCl3(C2H4)- -堆積堆積（0-50 kJ/mol ） 芳香環(huán)之間的弱靜電相互作用，通常存在于相

12、對(duì)富芳香環(huán)之間的弱靜電相互作用，通常存在于相對(duì)富電子和缺電子的兩個(gè)分子之間電子和缺電子的兩個(gè)分子之間通常有兩種類型：面對(duì)面和邊對(duì)面通常有兩種類型：面對(duì)面和邊對(duì)面 面對(duì)面的面對(duì)面的堆積使石墨有光滑感，可用作潤滑劑堆積使石墨有光滑感，可用作潤滑劑 邊對(duì)面可看作缺電子氫和富電子芳環(huán)的弱氫鍵邊對(duì)面可看作缺電子氫和富電子芳環(huán)的弱氫鍵有偏移，直接交疊排斥！有偏移，直接交疊排斥！萘萘芘芘蒽蒽 范德華作用力范德華作用力（小于（小于5 kJ/mol ，可變），可變） 鄰近的核子靠近極化的電子云而產(chǎn)生的弱靜電相互作鄰近的核子靠近極化的電子云而產(chǎn)生的弱靜電相互作用。用。 沒有方向，因此設(shè)計(jì)特定的主體對(duì)特殊客體的選擇

13、性沒有方向，因此設(shè)計(jì)特定的主體對(duì)特殊客體的選擇性絡(luò)合時(shí)應(yīng)用有限絡(luò)合時(shí)應(yīng)用有限 范德華力可發(fā)生在大多數(shù)可極化分子之間范德華力可發(fā)生在大多數(shù)可極化分子之間 在超分子化學(xué)中，它對(duì)包合物的形成也非常重要在超分子化學(xué)中，它對(duì)包合物的形成也非常重要 可分為色散力和交換可分為色散力和交換-排斥力排斥力一個(gè)典型的范德華力一個(gè)典型的范德華力對(duì)叔丁基杯芳烴與甲對(duì)叔丁基杯芳烴與甲苯的晶體結(jié)構(gòu)苯的晶體結(jié)構(gòu) 疏水效應(yīng)疏水效應(yīng)(疏水疏水-疏水相互作用疏水相互作用) 通常是與大顆?；蛉跞軇┗牧Ｗ訉?duì)極性分子（尤通常是與大顆?；蛉跞軇┗牧Ｗ訉?duì)極性分子（尤其是水分子）的排斥力相聯(lián)系的?？梢栽谶@些粒子其是水分子）的排斥力相聯(lián)系

14、的。可以在這些粒子與另一種分子之間產(chǎn)生類似吸引力的效應(yīng)。與另一種分子之間產(chǎn)生類似吸引力的效應(yīng)。有機(jī)客體在水溶液中的疏水結(jié)合有機(jī)客體在水溶液中的疏水結(jié)合疏水效應(yīng)可分為兩種能量作用機(jī)理：疏水效應(yīng)可分為兩種能量作用機(jī)理： 焓疏水效應(yīng)焓疏水效應(yīng) 主體空腔疏水，存在水分子時(shí)能量高，客體將其置主體空腔疏水，存在水分子時(shí)能量高，客體將其置換出來，起到穩(wěn)定作用換出來，起到穩(wěn)定作用 熵疏水效應(yīng)熵疏水效應(yīng) 主客體存在使水分子結(jié)構(gòu)存在兩個(gè)孔，結(jié)合后減小主客體存在使水分子結(jié)構(gòu)存在兩個(gè)孔，結(jié)合后減小了對(duì)溶劑結(jié)構(gòu)的破壞了對(duì)溶劑結(jié)構(gòu)的破壞環(huán)糊精在水溶溶中包結(jié)客體環(huán)糊精在水溶溶中包結(jié)客體1.5 1.5 分子主體的設(shè)計(jì)分子主體

15、的設(shè)計(jì) 得到對(duì)特殊客體選擇性結(jié)合的主體得到對(duì)特殊客體選擇性結(jié)合的主體 考慮主考慮主-客體的互補(bǔ)性（空間、電子等匹配客體的互補(bǔ)性（空間、電子等匹配性），主體預(yù)組織性，螯合和大環(huán)效應(yīng)，性），主體預(yù)組織性，螯合和大環(huán)效應(yīng)，以及超分子的弱相互作用以及超分子的弱相互作用 同時(shí)所要設(shè)計(jì)的主體對(duì)該特殊客體選擇性同時(shí)所要設(shè)計(jì)的主體對(duì)該特殊客體選擇性的體現(xiàn)方式也是十分重要的的體現(xiàn)方式也是十分重要的 主體設(shè)計(jì)的步驟主體設(shè)計(jì)的步驟明確客體的性質(zhì)，得到主體應(yīng)該對(duì)應(yīng)滿足的一些參數(shù)明確客體的性質(zhì)，得到主體應(yīng)該對(duì)應(yīng)滿足的一些參數(shù) 客體的大小，形狀，電荷密度，硬度，親、疏水性客體的大小，形狀，電荷密度，硬度，親、疏水性等，以及是否具有一些特殊的性能，如易產(chǎn)生氫鍵、等，以及是否具有一些特殊的性能，如易產(chǎn)生氫鍵、易發(fā)射熒光、易氧化等。易發(fā)射熒光、易氧化等。獲得參數(shù)后開始配體組織的設(shè)計(jì)獲得參數(shù)后開始配體組織的設(shè)計(jì) 主體絡(luò)合點(diǎn)的類