超分子化学-第一章-分子识别.ppt

1、第一章第一章 分子识别分子识别分子识别的定义分子识别的定义主主- -客体的互补性和预组织性客体的互补性和预组织性热力学和动力学选择性热力学和动力学选择性超分子相互作用的本质超分子相互作用的本质分子主体的设计分子主体的设计本章主要内容本章主要内容 分子识别是主体（受体）对客体（底物）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选择性结合并产生某种特定功能的过程1.1 1.1 分子识别分子识别 超分子化合物中的组分：主体和客体，或受体和底物超分子化合物中的组分：主体和客体，或受体和底物 主体（主体（host）+客体（客体（guest） 复合物（复合物（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 锁和钥匙原理锁和钥匙原理“锁与钥匙锁与钥匙”的几何构型匹配的几何构型匹配对分子识别的几点说明对分子识别的几点说明 单纯的结合不是识别（单纯的结合不是识别（选择性选择性的结合）的结合） 主主-客体结合形成复合物（客体结合形成复合物（complex），是由它），是由它的热力学和动力学上的稳定性和选择性，即形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 识别的介质影响识别的介质影响complex的稳定性和选择性的稳定性和选择性 信息贮存在主体结构中，在它的结合位点处信息

3、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信息以超分子的形成和分解被读取出 “化学信息科学化学信息科学”或或“分子信息学分子信息学”1.2 1.2 主主- -客体的互补性和预组织性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：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力）、尺寸、形状、个数、在受体结构中的排布和配合能力配合能力 主客体立体互补，凸凹分明主客体立体互补，凸凹分明 作用力互补，如正作用力互补，如正/ /负静电力，偶极负静电力，偶

4、极/ /偶极，氢键给偶极，氢键给/ /受体等受体等 有较大的接触有较大的接触 多个相互作用位点多个相互作用位点 大区域强结合大区域强结合主体的预组织性主体的预组织性 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的一个主要因素 主主- -客体结合粗略分为两个阶段，第一阶段是活化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，能量上是不利的象的重新排列，能量上是

5、不利的 因此，因此，预组织效应在能量上有利于主预组织效应在能量上有利于主- -客体的结合客体的结合 刚性预组织的主体在通过络合过渡态时有一定困难，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都很快络合差异络合差异10101.3 1.3 热力学和动力学选择性热力学和动力学选择性热力学热力学上，选择性可简单定义为一个客体的结上，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合常数与另一个的比例选择性选择性 =K客体客体1K客体客体2铁

6、血红蛋白对氧气的吸收铁血红蛋白对氧气的吸收很好的选择性很好的选择性 主体主体 + + 客体客体 （主体（主体客体）客体）结合常数结合常数 K =主体主体客体客体主体主体客体客体动力学上的选择性动力学上的选择性 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，因为会阻碍快速催通常不以刚性方式预组织，因为会阻碍快速催化化1.4 1.4 超分子相互作用的

7、本质超分子相互作用的本质非共价键相互作用的加合与协同非共价键相互作用的加合与协同 离子离子- -离子相互作用离子相互作用（键能（键能100-350 kJ/mol100-350 kJ/mol） 离子键在强度上可以和共价键相提并论离子键在强度上可以和共价键相提并论有机阳离子与有机阳离子与Fe(CN)Fe(CN)6 63-3-作用作用 离子离子- -偶极相互作用偶极相互作用（50-200 kJ/mol50-200 kJ/mol） 一个离子和一个极性分子的键合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

8、的提高应有利于超分子稳定性的提高五元环最稳定五元环最稳定六元环对于非常六元环对于非常小的阳离子如小的阳离子如B B3+3+,Be,Be2+2+稳定稳定大环效应有利于主客大环效应有利于主客体络合物的稳定性体络合物的稳定性 大环效应不仅与通过多个结合点的客体螯合作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用有关，还与这些结合点的空间排列有关荚状荚状穴状冠穴状冠4个螯合原子，个螯合原子，稳定差稳定差104倍！倍！单环冠单环冠 偶极偶极- -偶极相互作用偶极相互作用（5-50 kJ/mol 5-50 kJ/mol ） 两个偶极分子的排列可以导致明显的相互两个偶极分子的

9、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吸引作用，形成邻近的分子上一对单个偶极的排列（排列（I I）或者两个偶极分子相对的排列（）或者两个偶极分子相对的排列（IIII）羰基的偶极羰基的偶极- -偶极相互作用偶极相互作用 氢键氢键（4-120 4-120 kJ/molkJ/mol ） 氢键可以看作一种特殊的偶极氢键可以看作一种特殊的偶极- -偶极相互作用，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。近的分子或官能团的偶极吸引着。 相对较强、方向性好，被称作相对较强、方向性好，被称作“超分

10、子中的万能作超分子中的万能作用用”红外伸缩振动频率的位移红外伸缩振动频率的位移(OH) (OH) 从从34003400移到移到2500 cm2500 cm-1-1，同时峰，同时峰变宽、吸收增强变宽、吸收增强羧酸二聚体羧酸二聚体 H-H- 氢键的精确长度很大程度上依赖于环境，距离越短，氢键的精确长度很大程度上依赖于环境，距离越短，强度越强强度越强 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、的整体构型、DNA的双螺旋结构起到非常重要的的双螺旋结构起到非常重要的

11、作用作用 每个分子中的一个强氢键足以决定固态结构，并影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用，许多氢键协同效果更显著高分子没有气态高分子没有气态 阳离子阳离子-相互作用相互作用（5-80 kJ/mol ） 过渡金属离子如过渡金属离子如Fe2+、Pt2+等，可以于烯烃等，可以于烯烃和芳香化合物形成络合物和芳香化合物形成络合物二茂铁的结构图二茂铁的结构图一价负离子一价负离子PtCl3(C2H4)- -堆积堆积（0-50 kJ/mol ） 芳香环之间的弱静电相互作用，通常存在于相

12、对富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：面对面和边对面通常有两种类型：面对面和边对面 面对面的面对面的堆积使石墨有光滑感，可用作润滑剂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边对面可看作缺电子氢和富电子芳环的弱氢键有偏移，直接交叠排斥！有偏移，直接交叠排斥！萘萘芘芘蒽蒽 范德华作用力范德华作用力（小于（小于5 kJ/mol ，可变），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邻近的核子靠近极化的电子云而产生的弱静电相互作用。用。 没有方向，因此设计特定的主体对特殊客体的选择

13、性没有方向，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可分为色散力和交换-排斥力排斥力一个典型的范德华力一个典型的范德华力对叔丁基杯芳烃与甲对叔丁基杯芳烃与甲苯的晶体结构苯的晶体结构 疏水效应疏水效应(疏水疏水-疏水相互作用疏水相互作用) 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。可以在这些粒子其是水分子）的排斥力相联系

14、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。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：疏水效应可分为两种能量作用机理： 焓疏水效应焓疏水效应 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，起到稳定作用换出来，起到稳定作用 熵疏水效应熵疏水效应 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了对溶剂结构的破坏环糊精在水溶溶中包结客体环糊精在水溶溶中包结客体1.5 1.5 分子主体的设计分子主体

15、的设计 得到对特殊客体选择性结合的主体得到对特殊客体选择性结合的主体 考虑主考虑主-客体的互补性（空间、电子等匹配客体的互补性（空间、电子等匹配性），主体预组织性，螯合和大环效应，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的体现方式也是十分重要的 主体设计的步骤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明确客体的性质，得到主体应该对应满足的一些参数 客体的大小，形状，电荷密度，硬度，亲、疏水性客体的大小，形状，电荷密度，硬度，亲、疏水性等，以

16、及是否具有一些特殊的性能，如易产生氢键、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。易发射荧光、易氧化等。获得参数后开始配体组织的设计获得参数后开始配体组织的设计 主体络合点的类型和数量必须与客体最大限度的互主体络合点的类型和数量必须与客体最大限度的互补，位置要合理，有利于主客体发生相互作用，有补，位置要合理，有利于主客体发生相互作用，有利的作用力越多越好，提高构建主体的预组织性。利的作用力越多越好，提高构建主体的预组织性。主体有机框架结构的进一步完善主体有机框架结构的进一步完善 改善结合位点可接近度，在侧链或其它部位引入一改善结合位点可接近度，在侧链或其它部位引入一些功能基团，增强主客体的作用并使其容易显现。些功能基团，增强主客体的作用并使其容易显现。