题目浅谈对超分子化学的认识
科目超分子化学
教师姓名吴安心
学生姓名李翠华
学号2011210411
专业化学师范
随着科学不断发展，各个学科的新领域也不断增多，学科之间的分支也越来越明显。就化学而言，最初我们根据交叉学科产生了物理化学、生物化学，后来，仅针对化学这门学科，就分为了有机化学、无机化学、高分子化学、分析化学等多个分支，相应学科分支的学科带头人必然对其从事的领域了如指掌，但是其它方面呢？正如王梅祥在报告中指出：很多有机的机理或者数据是可以根据无机化学知识或仪器检测出来的，在无机化学家看来显而易见的事情，到了有机化学家却成为了天大的难题；吴安心老师在课堂上以敦煌莫高窟的壁画为例，强调了由面到点容易，但是由点到面却很难。化学作为一个大的领域，是作为整体而存在的，其各个分支之间有紧密的联系，将某个分支从其他分支中剥离开单独研究是很片面的，正如只关注于敦煌莫高窟的某个点，就会忽视掉整幅壁画的整体美，但是若只关注整体，就会忽略细节，很多重要的信息会被遗漏。可见，在学术科研的过程中，如何在点与面之间寻求平衡变得很关键。现代化学与18、19世纪的经典化学相比较，其显著特点是从宏观进入微观，从静态研究进入动态研究，从个别、细致研究发展到相互渗透、相互联系的研究，从分子内的原子排列发展到分子间的相互作用。从某种意义上讲，超分子化学淡化了有机化学、无机化学、生物化学和材料化学之间的界限，着重强调了具有特定结构和功能的超分子体系，将四大基础化学（有机化学、无机化学、分析化学和物理化学）有机地融合为一个整体，从而为分子器件、材料科学和生命科学的发展开辟了一条崭新的道路，且为21世纪化学发展提供了一个重要方向。此外，超分子也是化学与哲学的有机结合体。
一、超分子化学定义
Lehn在获奖演说提到：超分子化学是研究两种以上的化学物种通过分子间
力的相互作用缔结成为具有特定结构和功能的超分子体系的科学，简言之，超分子化学是研究多个分子通过非共价键作用而形成的功能体系的学科，其研究包括分子识别、分子自组装、分子自组织和超分子机器。所谓非共价键作用，区别于共价键作用，原子和原子相互堆积形成分子，其作用力是强的键的作用力，而分子和分子堆积，其作用力均为弱的非键作用力，大致有12种，包括氢键、偶极-偶极、阳离子-偶极、阴离子-偶极、共轭等相互作用；所谓功能体系，是指其研究对象是具有识别、组装等功能的分子。值得一提的是，在欧洲北部，学术界对这样的一种学科并不称作超分子化学，而叫做主客体化学，因为超分子研究最初，主要是将分子识别作为核心研究内容，主要是研究主体（受体）对客体（底物）选择结合并产生某种特定功能的过程，主客体由此得名。
分子识别可以定义为某给定受体对作用物选择性结合并产生某种特定功能的过程分子识别是在超分子水平上进行信息处理的基础。分子识别有内外之分,分别可由凹形或凸形受体来完成。由大环穴状配体进行的内识别表面上与配位化学相似,但超分子识别的范围要广的多,它包括对所有阳离子、阴离子及中性有机、无机或生物分子的识别。目前最受关注的受体分子主要有冠醚、环糊精、杯芳烃、索烃、轮烃等。
自组装为分子在不受人类外力之介入下，自行聚集、组织成规则结构的现象。超分子机器方面，现在研究停留在机器组件上，并未拼接成为超分子机器。目前主要有刹车、插座等模型的超分子机器组件。
二、超分子的发展历史
“超分子”一词早在20世纪30年代已经出现，但在科学界受到重视却是50年之后了。1967年C.J.Pederson等第一次发现冠醚并发表了关于冠醚合成和选
择性络合碱金属的报告，揭示了分子和分子聚集体的形态对化学反应的选择性起着重要作用；这可以说是第一个发现的在人工合成中的自组装作用。其后，洛杉矶加州大学的D. J.Cram教授基于在大环配体与金属或有机分子的络合化学方面的研究，提出了以配体(受体)为客体，以络合物(底物)为主体的主客体化学；法国Louis Pasteur大学的J.M. Lehn教授模拟蛋白质螺旋结构的自组装体的研究内容，在一定程度上超越了大环与主客体化学而进入了所谓“分子工程”领域，即在分子水平上，制造有一定结构的分子聚集体而起到一定特殊性质的工程。1987年，J. M.Lehn、D. J.Cram和C. J.Perterson三位化学家以其对发展和应用具有特殊结构的高分子的巨大贡献而获得诺贝尔化学奖。在获奖演讲中首次提出了“超分子化学”的概念。此后，超分子化学更加引起了全球的关注和重视，以“超分子化学”为名称的新的化学学科蓬蓬勃勃地发展起来，有人这样说到：如果说二十世纪是共价键的世纪，那么二十一世纪必将是研究分子间非共价键相互作用的超分子化学世纪。
超分子化学与配位化学有着千丝万缕的联系，或者说起源于配位化学。Cram 从大环配位化学角度把现代配合物定义为主客体配合物,也就是与中心原子相应的部分叫做客体,与配体相应的叫做主体。Lehn强调分子之间的相互作用---超分子作用,叫做配位超分子化学,又被称作广义配位化学,与中心原子相应的部分被叫做底物,与配体相应的则称作受体。不论是配合物分子内的配体间弱相互作用,还是分子间的配体间弱相互作用都是由配位化合物形成超分子体系的重要基础。因此,徐光宪院士指出,21世纪的配位化学是研究广义配体与广义中心原子结合的---配位分子片断及由分子片组成的单核、多核配合物、簇合物、功能复合配合物及其组装器件、超分子、LockandKey复合物,一维、二维、三维配位空腔及其
组装器件等的合成和反应,制备、剪裁和组装,分离和分析,结构和构象,粒度和形貌,物理和化学性能,各种功能性质,生理和生物活性及其输运和调控的作用机制,以及上述各方面的规律,相互关系和应用的化学。
此外，超分子的出现也有其必然性。传统化学研究模式主要关注物质的组成、结构以及在此基础上的物质反应，这构成了两个世纪以来化学研究的主线，然而在上个世纪，当科学家们想要实现微观（分子）到宏观的关联时，却久久没有进展，原因是真正影响物质宏观性质的并不是分子，而是分子的聚集态，这打破了分子是保持物质化学性质最小单位的观念。可见，从微观到宏观必然经过亚微观--分子堆积而成的超分子这个过渡态，正如托马斯·曼所说：“虽然(超分子)仍是组构而不是组织,但是超分子在生命秩序和纯粹化学之间形成了过渡。”
三、超分子的发展现状和前景
由于超分子的特异性识别及自组装、自修复等性能，目前它在很多方面都有应用。在靶向给药方面，第三军医大学的李鹏熙等人在研究中，利用双氨基聚乙二醇、叶酸修饰的焦脱镁叶绿酸a设计合成了靶向性光敏剂目标化合物以期治疗癌症。此外西南大学的黎青霞设计合成的新型双甲硝唑超分子受体化合物，发现该化合物易于细菌真菌的DNA相互作用形成超分子络合物，从而导致细菌复制受阻而显示抗菌能力；在光化学上，研究发现4,4-二甲基联吡啶能很好地配合到卟啉与冠醚形成的空穴中去，可以形成良好的光开关模型；在超分子催化及模拟酶方面，慈云祥等将氨基酸、蛋白质、核算、对某些金属卟啉的模拟酶活性影响加以应用，并结合免疫分析技术，建立模拟酶示踪物的酶免疫分析方法。此外，超分子化学在稀土金属、分子器件、分析化学等多方面具有应用。
超分子化学是化学和多门学科的交叉领域，它涵盖了传统化学、物理学、材
料科学、信息科学、环境科学，同时它的兴起与发展促进了许多相关学科的发展也为他们提供了新的机遇，对超分子体系的深入研究,实际上已超出了化学范畴,形成了超分子科学。超分子功能材料及智能器件、分子器件与机器、DNA芯片、导向及程控药物释放与催化抗体、高选择催化剂等等，将逐一成为现实。可以确信，超分子科学已成为21世纪新思想、新概念和高新技术的重要源头，且作为超分子化学起源的主客体化学将与有机合成化学、配位化学和生物化学互相促进,为生命科学、材料科学、能源科学、环境科学等共同发展作出巨大贡献。
四、超分子与哲学的联系
超分子化学看似遥不可及，但是其很多模型都来源于生活实物，比如分子机器中的电风扇、刹车等，明星分子索烃像舞池中的一对舞伴，轮烷好像中国的算盘，这不仅给很多超分子化学家提供了灵感，也让超分子更加容易理解。然而，超分子化学和形而上学的哲学有什么联系呢？超分子是由很多分子个体相互组成的整体，此外整体具有有机组织（(生物、社会、经济)才具有的自我演化特征，可见超分子化学是一种分子社会学。微观层次上，化学家研究超分子形成的机理及应用，而在宏观层次上，哲学家也将试图利用一些横断科学方法对超分子体系的自组装、分子相互匹配、识别、分子之间的组装和自组装给予哲学上的宏观解释，试图发现隐藏在现象背后事物所固有的本质解释。
李晓春在其文章中阐述了超分子化学中存在辩证法思想。他认为自然科学的发展以及探究其发展变化的方向性，离不开哲学原理做指导；自然科学的发展也为哲学提供了客观事实依据、证实了其原理的正确性，而主客体化学中的辩证联系和发展规律也证实了这点。由于接受体和底物之间以分子间各种作用力完成配位作用，形成了两个或更多物种的有序体，即超分子，进而实现超分子的识别、
变换、易位。可见，物质世界的普遍联系是运动发展的终极原因，由于普遍联系形成了相互作用。吴安心老师也曾将有的化学分子的行为类比为人类的离婚、再结婚的行为，将自分类现象形象地联系到“物以类聚，人以群分”，主客体化学类似于鸟巢装蛋等等，可见自然科学如超分子化学与宏观世界是有普遍联系的。因此我们要学会运用普遍联系和永恒发展的思想观点，处理科学研究中的问题，从而获得更多的发明和创造。