超分子化学——SupermocularChemistry

【写在前面】说起超分子化学，可能很多人会比较陌生，不过要提起分子自组装，估计大家就了然了。可以这样说，超分子化学中最重要、最核心的课题就是关于分子自组装的研究。

自然界存在着许多和弱的非共价键相互作用密切相关的现象，如通过DNA双螺旋结构所进行的遗传信息的储存和传递以及细胞膜通过选择性透过作用来摄取营养和排泄废物。受到这些自然现象的启发，科学家尝试着利用非共价键相互作用从天然和人工设计的结构单元来制备许多包括非共价键聚合物在内的非常复杂的自组装体系，这样超分子化学就诞生了。

1987年，Lehn，Cram，和Pederson 由于他们在超分子化学方面的贡献而获得了诺贝尔奖。当前超分子化学已经发展成为一门由化学、物理、生命科学、材料科学、及电子工程等多学科相互交叉而形成的新兴学科，它是化学领域新兴的战略研究方向之一，是21世纪新概念和高技术的一个重要源头。在传统化学（分子化学）中，我们研究原子如何通过共价键组成分子。而在超分子化学中，我们着重于研究各种分子构筑单元怎么通过弱相互作用而组装成具有一定分子形状和尺寸的有序分子聚集体及这些聚集体结构与功能之间的关系。这些分子聚集体不但在拓扑学上具有重要的意义而且具有非常重要的实际应用。它们的形成是基于分子之间的相互作用及其协同效应，而自组装是创造具有新颖结构和功能的分子聚集体的重要手段。Science杂志于2005年出版专刊，提出了21世纪亟待解决的25个重大科学问题，化学自组装也是其中之一。

（ 1 ）新的主客体识别体系的分子设计：对于材料学来说，超分子聚合物的吸引力主要在于它们分子级别的可逆性，也就是在合成时的自我修复能力，这是传统共价键连接的聚合物所不具有的。可是为了让自组装的非共价键连接的超分子聚合物拥有足够多的性能以至于它们可以和共价键连接传统聚合物竞争，这些超分子聚合物各组分之间必须具备很强的络合能力。这样，为了运用主客体化学有效地从小分子结构单元构筑超分子聚合物，我们必须首先对小分子主客体络合物进行研究，探索主客体络合机理，设计优化的主客体对以提高它们之间的络合能力，然后将这些优化的主客体对引入到小分子结构单元的制备中去，最终以这些小分子结构单元来制备超分子聚合物。这是一种先小分子超分子聚集体再大分子超分子聚集体的研究思路。它的意义在于对小分子聚集体的研究将为大分子聚集体的设计和制备提供坚实的实验和理论基础。所以说为从小分子结构单元有效地来构筑大的超分子体系，我们需要提高它们之间的络合常数。另外为了提高基于主客体化学的分子传感器的灵敏度和选择性，我们也需要提高主客体之间的络合常数。为了提高主客体之间的络合常数，我们采用的主要策略是穴状三桥大环主体结构的形成。这些穴状三桥大环主体的分子设计是基于多点络合和几何结构维持两大原则的。为了进一步提高络合常数，最近我们开始了四桥圆柱状大环主体的设计与制备，并且开始利用离子对络合的方法。

（ 2 ）可用于信息储存材料的分子机器的构筑：现代信息技术的发展要求用来采集、处理、显示和存储信息的器件和机器逐步微型化。传统的通过从上到下的方法使组分小型化的途径导致固体物理学家和电子工程师必须操作越来越小的物质，这就造成了操作的局限性，而通过合成受体的分子组装构筑纳米超分子结构的分子机器，提供了一种从下而上的构筑方法，受到了人们的强烈关注。以轮烷（rotaxane）和索烃（catenane）为代表的机械互锁结构为基础来制备分子机器的研究近年来越来越受到人们的重视。

（ 3 ）超分子聚合物的制备与表征：高分子合成化学是高分子科学的重要基础，它的发展对于高分子科学与工程的发展起着十分重要的推动作用。探索新的聚合反应机理，发现新的聚合方法以制备满足不同场合需要的高分子材料是21世纪高分子科学发展的重要方向之一，对建设自主创新型国家具有重要的意义。传统的高分子的重复单元主要是通过共价键连接在一起的。将超分子化学和高分子合成化学紧密结合，借助分子间弱的非共价键相互作用（如氢键、亲水-憎水作用、p-p堆积作用、静电相互作用）使单体在溶液中自组装来“合成”超分子聚合物是高分子合成化学领域的最新进展之一，也是当前高分子领域内的研究热点。超分子聚合物是国家基金委十一五规划择优支持领域。

（ 4 ）绿色化学-血液电解质的超分子分析和检测：钾离子，钠离子，钙离子，锌离子等血液电解质只有在血液中维持在一定的浓度，人体新陈代谢才能正常地进行，因此对于它们的分析和检测是非常重要的。传统的燃烧法不但耗时而且需要对操作人员进行专门的培训。这样设计和发展出一套快速的，容易操作的，可靠的分析和检测方法就显得尤为重要。利用不同尺寸的冠醚对这些电解质的选择性络合而对这些血液电解质而进行的超分子分析和检测就是这么一种方法。在加热后这些检测器可以回收再利用，因此此方法是一种绿色分析和检测。

（ 5）金属纳米配位结构材料的合成：由于它们有趣的磁、光物理、及静电性质，具备高度对称性和精确结构的超分子纳米结构是可用于未来纳米技术的一种非常有潜力的新材料，而冠醚是主客体化学中最常用的主体之一。我们将这两者有机的结合在一起，制备了有望用于主客体化学和分子反应器的金属纳米配位结构材料。

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