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1、分子识别的原理及应用梁宇帆彭志为 王一鹏郑海斌（北京人学化学与分子工程学院06级 北京 100871）摘 要 分子识别是一个很早就被人们所认识的现象，它最早被农现在酶催化过程中然 而分子识别却在仗多的化学领域里面都有极其重要的意义，尤其是在超分子结构化学领域 中.本文先介绍了分子识别的有关历史，然后着重分析了分子识别的原理，并且列举了分子 识别在众多领域里面的应用，最后提出了对分子识别的展望.关键词 分子识别：互补性；预组织；分子间相互作用：螯合效应：人环效应：应用1分子识别的历史自从1828年Friedrich Wdhler合成出尿素分子190年以来，分子化学已经发展到了 前所未有的高度,尤
2、其是在仃机合成方面,人们利用精美的策略以及巧审天工的效率和选择 性,介成了人駅结构复杂、功能多样的分子。而在1987年,Nobel化学奖授予了C. J. Pedersen. D. J. Cram和J. Lehn.则标，忐着化学发展进入了一个新的时代。对通过II共价键弱相互作 用力键介起來的复杂仃序且仃待泄功能的分了集介体，即超分子化学的研究，町说是共价键 分子化学的一次升华、一次质的超越，被称为“超越分子概念的化学”。人们从分子化学的 圈子里面跳了出來，开始寻找运用分子作为报小合成单位的新的合成策略与方法，进一步开 发和研制几仃全新功能和性质的新型材料。而作为超分了 化学中重耍领域的分了识别领
3、域， 自然也受到了更多化学家的关注。事实上,早在1894年,E. Fisher ：,就己经在他的著名论文里建议以“锁和钥匙”的比 喻来描述酵与底物的专一性结合,称之为识别。所以,分子识别这幔念最初是被有机化学 家和生物学家用来在分子水平上研究生物体系中的化学问题而提出，用来描述冇效的并FL冇 选释的生物功能。现在的分子讲别C经发展为农示主体（受体）对客体（底物）选择性结合 并产生某种特定功能的过程。应该说超分子化学的两人领域一一分子识别和自组装以及晶体工程一一都是以分子识 别为基础的,前者是在识别的基础上的自发组裝形成超分子，者则是人为通过策略和手 段以识别为浪础制造性质独特的材料。因此分子识
4、别在超分子化学小占有举足轻巫的地位。 同时，rtn：识别过程通常会引起体系的电学、光学性能及构象的变化，也町能引起化学性质 的变化。这些变化童味看化学信息的存储，传递及处理。内此，分子识别在信息处理及传递, 分子及超分子器件制备过程中也起着重耍作用。2分子识别的原理分子识别的过程实际上是分子在待泄的条件卜通过分子间作用力的协同作用达到相互 结介的过程。这K实也揭示了分了识别原理中的三个呃耍的组成部分，“特定的条件”即是 指分子耍依靠预组织达到互补的状态，“分子间柑互作用力”即是指存在分子Z间非共价 相互作用，而“协同作用”则是强调了分子盂要依靠人环效应或者螯合效应使得各种相互作 用之间产生一致
5、的效果。2.1互补性与预组织互补性（complementarity）及预组织（preorganization）足决定分了识别的两个关键 原则。前者决定识别过程的选择性，后者决定识别过程的键介能力.2.1.1互补性底物与受休的互补性包括空问结构及空间电学特性的互补性。空间互补性最早宙Fisher 的“锁一钥匙”关系所描述。例如，环糊帮体系是典型的町用第一代经典的锁与钥匙关系比喻的体系。它有一个很典型的疏水空腔能和偶氮染料形成络合物。如卜图所示，当偶氮化合物上的取代基不同时， 它们的反M平衡常数签别并不人，但反应速率却和差三个数駅级。究其原因，这是由 过程的阈效应(threading in pro
6、cess)即空间位阴效內而造成的。RK1 mol4 sec-1H1.7X105Me150Et2.0图1环糊箱对不同偶氮染料的讲别动力学1958年，Koshland提出了诱导配合(induced fit)的概念。他指出,在底物与受 体相互结合时，受体将采取一个能同底物达到最佳结合的构象。这个过榨也被称为识别过程 的构彖重组织。如卜图，化介物1是Pedersen的冠瞇一6,化介物3是Lehn的穴状配体2. 2. 2,他们在 络合前既不H旳一定的空腔，也没白合适的键合位置。而与K络合时，构象发生变化，即进 彳j了巫组织，其络介物2及4中都形成与K互补的空腔及键介位置并去掉了溶剂。3/图2构彖車组过程
7、'：至J：电学特性互补，则包括了满足氢键的形成，挣电相互作用，n堆积相互作用，疏水 相互作用等。这就要求受体及底物的键合位点及电荷分布能很好的匹配.Donald Cram总 給了互补性的基本原理：对J络介，上体必须真仃络合点，它可以接触吸引客体分了的給介 位点而不产生强的非键介排斥。最著名的例子莫过于DXA分子的结构。它是某/碱某通过氢键配位。每一个碱旱都有一 个直补的配对者通过爼键把它们结合在一起°腺哩吟通过二条直键联接胸腺喘喘胞喀I宦 通过三条氢键联接卽票臥 这种识别是基r碱基对间的几何匹配（碱基及双螺旋的形状），同时也耍满足相q作用力的匹配（能吊匹配）即形成最人数忖的弑
8、键。胸腺睫喘THNHN腺嗓吟A3HNHO胞喘唉C鸟喋吟G图3 D'A碱基间的氢键2. 1.2预组织分子识别的另一咆耍决定因素是预组织原则。它主耍决定识别过程中的键能力。预组织 是指受体与底物分子在识别Z询将受体屮容纳底物的环境组织紂愈好，其溶剂化能力愈低, 则它们的识别效果愈佳，形成的络介物愈稳定。卜图中，化合物5是经过预组织的受体，0 原f形成八面体，它的空脸中的6个屮皋的空间位阳便0原子不能同溶剂结合，氧的未共享 电了对的介电微环境在典空及坯Z间。受体5能同锂离子、钠离子很好互补，形成稳定化介 物6、7。晶体结构数据表明，受体5在络介前厉没有明显变化。56#CH3:;57图4受体预
9、组织的例子至于受体与底物的结合情况，又由以卜因素决定：(1) 相互作用衷面积的人小。注恿，接触面积的人小并不反映受体与底物的结介能力, 关键是它们的相互作用面积。瓦中，还要考渥受体与溶剂的可触及面积，这关系到去溶剂化 时的焙损失。(2) 相互作用的类型及它们的加介性。住分子识别过程屮，常常几种作用力及多个作用 位点同时起作用，一个冇限面积内，多个非共价健的协同作用可使分子何相互作用的强度接 近或达到共价键的水平。而且，这种非共价结合兵有更多的动力学性质，I大1为它不心在高的 能鼠势垒。关于预组织最好的例子莫过f18冠一6的制备。OHHO聚介物图5 18冠一6合成过程中坏状以及非环状产物的产生1
10、71加入KOHEi,人环冠艇是主产物，但并不因为它们是热力学垠稳定的。若换成三乙胺， 则住成的多聚产物占主导。这是因为，計离子将反应物细织在其周围产生反应中间体，该屮 间体町以预组织产生环状产物。其中，k+离子被认为是反应的模版，这类人环化合物的形成 就称为“模板效应”。2. 2非共价的分子间相互作用非共价的分子间相互作用令很多种，最直耍的作用力介绍如卜：2.2.1离子一蔑子相互作用那实上，离子键在强度上可以和共价键相提并论(100-350kJ/mol)<»典熨的就是氯化 铀晶体。当然，这筒耍相当的想彖力去把NaCl当作超分子。一个更其有超分子性质的实例是帯有三个正电荷的三（二
11、氮朵二坏辛烷）主体J：阴离子如Fe （CX） 丁的相互作用。图6三（二氮杂二环辛烷阳离了图7三（二氮杂二环辛烷）阳离子与F亡（CN）=形成配合物的结构2. 2.2藹子一偶极相互作用一个离子和一个极性分子的键合就是离子一偶极相互作用的一个例子。人环魁（如冠僦） 与碱金属离子的络合物结构很明显就以这样的超分子类似物存在。这种作用力人小达到50 200kJ/molo2. 2.3偶极一偶极相互作用两个偶极分子的排列可以形成明显的吸引作用，形成邻近的分子上一对单个偶极的排列9（类型I）或者两个偶极分子相对的排列（类型II）。有机碳剂化合物在固态时存在着明显 的这样的相互作用,计算表明后一种类型的能量约为
12、20kT/mol,相当于中等强度的氢键。6-6+R-R6-6#III图9酗之间的偶极一偶极相互作用2. 2.4氢键氢键兮称“超分子屮的力能作用”，尤其在许多蛋白质的整体构型、许多酶的基质识别 及DXA的双螺旋结构中，起到非常啦要的作用。这是因为，氢键在长度、强度和几何构熨上 是变化幺样的，在稳定结构、主体体电性互补屮起到农耍的作用，而当右很影氢键协同作用 时效果可以变得很显著。2. 2.5 n n 堆叠这是一种常常发生在芳香环Z间的弱的相互作用，通常存在相対复电子和缺电子的两 个分了Z间。常见的堆叠方式仃两种：面对面和而对边。面对边相互作用可以看作是一个芳 环上轻微缺电子的氢原子和另一个芳环上
13、复电子的沢电子云之间形成的弱氢键0面对面边对面图10苯环何的Ji- n堆叠2.2.6范德华作用力这是一种我们很熟悉的作用力，能最人小小J' 5kJ/mol,是由J：邻近的核子靠近极化的 电子云而产生的弱静电相互作用。常常被分为色散力和交互一排斥力，没仃方向性，力的人 小随着分子间距离的増人很快的衰减。2. 2. 7疏水效应疏水效应指的是宙水分子Z间强烈的相互作用，使衍诸如非极性仃机分子这类疏水的 物质会自然形成一个聚集体，从而被排挤出强的溶剂何的相互作用之外。一般來讲可以从焙 与爛两个方面來解释疏水效应形成的原【大I。从焙來看，因为主体空腔是疏水的，空腔内的水分子与主体分子的内壁作用不
14、强，因此 能鼠较高：为释放到丿、试溶剂中时，通过与此他水分子的相互作用，可以使能最降低。换何 话说，在空腔内的水分子Z间所能形成的氧键数冃远远小溶剂环境中形成的水分子数H， I致水分子仃从空腔里面释放出來以形成史*数11的余键达到能爪降低的11的。从爛的角度看，由溶液中疏水分子的存在，使得在犬起水分子结构中产生两个或更多 的“孔”,而疏水分子结合后便溶剂结构的破坏减小，因而爛增加。也可以认为是在空腔中#的水分子的混乱度耍小在溶剂中的水分子，是空腔中的水分子有释放出來的趙势。HO一HHH图11疏水效应示点图/°H112 3螯合和大环作用2. 3.1鳌合作用分子识别过程中涉及到分子间非共
15、价的相互作用，当由许多这样的相互作用一起作用的 时候会产生加和的稳定效果。但是，在很多怙:况卜，整个体系的协同和互作用人J部分的加 和作用，也即是产生了额外的稳定作用。这样的额外稳定性是基J：其螯合作用。配位化学中的螯合作用是我们很熟悉的在配位化学屮齿配体的金属络介物明显比与Z相近的单齿配体耍稳定。例如，在卜列反应式中，1, 2乙二胺取代氨的平衡常数(lgK =8. 76)表明1, 2 乙二胺的螯介物比氨的稳定1(/倍。#Ni(NH3)62+ + 3NH2CH2CH2NH2A Ni(NH2CH2CH2NH2)32+ +6NH3#NHaN'nH2 Ho#图12螯合效应螯合作用可以从热力学
16、和动力学两个方面來解释。热力学上，金屈与盤合配体反应导致了自由粒子的增加，爛増加，对总反应门由能变化 的贡献行利IJih'Z的进行。若再优化配体一金属相互作用的构象和静电作用方式，还可以产 生有利J：反应的焙变。动力学上，金属与配体L的反应速率和螯介配体L-L的第一个原子螯介的速率相当。 然而，L-L的第二个配体原子结介的速率就快多了。这是由于在已经螯合了一个金属的二 齿配体态时，个配位原子的有效浓度比第:个单齿配体L的浓度要高的多。于是产生了 动力学的优势螯合稳定作用取决螯合环的人小。一般说來，五尤环内环屮张力最小，是般稳定的； 四元环的张力很人，而随着螯介环的増人，直接指向金属的两
17、个给体原了的统计可能性变得 更加不可能，会导致不利的但是,环张力还取决金属离子的人小。对半径很小的金 属离子如B”、B等，六尤环耍更常见。这是因为小的阳离子形成的阳离子给体的键长接近 丁坏己烷那样的六元环分子的键长。2. 3.2大环效应很多超分子主客体络合物比预想的只有螯合作用耍稳定的多，在这些体系中主体分子通 常是仃多个结介点遵介客体的人环配体。也就是说，此类化介物还可以得到额外的丿、环效应 使/更稳定。这种效应主要与配体结介点的空间排布有关。为了仃利J蟹介，空体必须使主 体纲绕在其周国从ifu客体不消耗结合能“大环效应讪早呆由Cdhbines和Margerum在1970 年硏究Cu ( I
18、I )络合物8和9时提出的。由J附加的大环效应，大环8比非环状类似物稳定 约诃倍tn 0HNMHNHH対他们的热力学测定衣明，人环效臧主耍得益r焙和爛两方面的因索。焙的稳定因索衣 现为人环主体比I链化介物更不易溶剂化，主耍是因为环状主体表现出较小的溶剂可触及的 表面积。因此，环状主体只需耍断裂较少的溶剂一配体健。就爛而言，人环构象的柔韧性较 差，因此络合后自由度不会人幅减少。3分子识别的应用分子识别作为超分子结构化学的一个豆耍的领域，主耍的应用也在超分子的方面，然而 分子讲别在其他方面也有广泛的应用。卜面仅就分子识别在生物化学、光化学、材料化学以 及信息化学领域的应用做一个简单的介绍。3.1碱
19、金属细胞膜传输很多设计合成超分子化学的尺感和起源都來口 J生物体内发现的化学现彖。毫无疑问， 门然界能进化出如此高度专一的、几仃选择性和协同性的生命化学体系，时而不可思议的复 杂，时向乂是绝妙的简单，分子识别在其中起到了女么人的，扶至是决定性的作用。M实上, 生物体系就是一个很好的超分子体系。金属阳离子的运输、O,的传输、抗原的生成、海催化 的冇机化学反应等绝人部分生物过程貝实就足分子识别过程。卜両仅简单介绍碱金属的细胞 膜传输过程，领略一下牛物体系屮的分子识别。我们知道，细胞膜内外碱金属离子的不均衡分布是罪常巫耍和必耍的，盂耍能彊來维持 不平衡的离子浓度梯度。如果不轿确控制离子浓度梯度，将带
20、來严啦后果。那么，一种碱金 属是如何从细胞内部到细胞外部的呢？它们需耍离了载体（Kmopliow）。缄氨密索就是山好的例了。从化学角度看，纟颉氨霉索 是一种环状缩氨酸，酯甚和酰胺镂基的N-H-O=C类空的氢键对缄氨孫素的构彖起着IF常 鱼要的作用，它们帮助肽链包绕着金属阳离子，决定着艮预组织度。绻氨霍索对K'有选择 性，因为它能够折叠产生个刚性的不可极化的近似八而体的竣荃氧原了序列，作为给体恰 好与K+大小相配。浙和锂离子半径A人，钠离子半径乂人小，故纟頷氨每索町以特定的络合K±,并使亲脂 的异丙基指向外侧，形成个宙烷坯构成的外壳。剩卜的酰胺呈像拉链-样利用分子内氢键 将壳关
21、闭。这样，络介物就能顺利通过脂溶性的细胞膜，同时确保K通过细胞膜时，是封 闭在亲脂的壳内的。13趙分子化学个車耍应用领域在发展选抒性化学仅感器，用來分析介质、环境以及格 体或部分有机体的化学成分。分子传感器的概念如卜图所示。底物-定耍被吸引到传感器的受体部分。这是1个简单15的分子识别，在其他潜在客体分子心在卜，络合必须是对II标分子H旳选择性的。同时，受 体也必须与信号传输单冗（对客体络介和应）相关联。把信号传输单元和受体单尤连接在- 起的间隔基一定要保证它们之间的相互联通。结合过程是结介复介物内在性质发生改变（与 自由客体或受体相比）的触发因索，导致信号产生。#信号单元间隔甚接收器底物图1
22、6分子传感器示意图A.P.de Silva制备的“冠能一恵”体系是组介荧光传感体系中极漂亮的简单例了。它由- 个某權的 彩I【成.氮朵18冠一6部分扮演受体的角色，对钾离子有选择性。游离的 恿展示出很强的荧光，相对应J;n-n*跃迁。然而，在套索罐内，荧光被完全猝火。这是 因为一CH?间隔基足够短,使氮的孤对电子于蔥发生有效的电子转移.但是,在K*离子存 在下，孤对頓5作为大环络合金属的部分，参与金屈中心的络合作用因而,络合钾离子 后，恵的荧光是“打开”的,可通过量测荧光强度来检测。这种传感器也叫做PET （光致电 子转移）传感器切。#图17氮取代的氮朵单环冠対阳离子的传导171#发展有效的、
23、宽范閘的传感方法，将在环境控制、质吊检验以及诸如药物诊断中描述有 机物特性等方面发挥重耍应用。3.3横拟酶催化“锁与钥匙”的模里最初來源J：酶催化反应，酶的确是一类特殊的催化剂，以高效、高 选择性、反应条件温和着称，-ri以來都吸引着众多化学家的口光。化学工作者对酚催化反 应机理的研究虽然还处初级阶段，但工作已贞有成效，特别是像环糊精这样的受体，已经 可以进行酶型催化。这其屮，般有效的反应z就是芳基和磷酸酯的水解。例如，环糊稻催 化对硝呈苯酚酯的水解速率因子増加了 750000TJ。英作用机理如卜图。1*1 18 B 环糊轴对酣水解的机理3. 4信息处理分子识别引导的口发过程可以看作是衣述分子
24、借息处理过程。而卜图是皋J：此概念的址显著的一个光化学记忆体系。它代表了一个既可光转换也町电转换的系统。打开状态BIS-OH 是电化学惰性的，光转换到关闭状态能使分了易氧化，生成双醍态BIS-Oqo醞形态是光化学 悄性的，只仃再次被还原后才能恢复到打开状态。也就是说，信息用UV光进行光化学写之后, 通过一个电过程被“保护” 了。这样，信息可以多次读取，通过电还原)后,用可见光町以 将信息擦除。此循环过程代表了一个EDRAW (Erase Direct Read After Write)过程。19#TS>600nm光化学惰性电化学傭性 -lVjiJlV图19 EDRA算过程3.5超分子材料
25、一一纳米化学超分子在材料化学中的切入，使得材料的结构及待性更加卞富多彩。由识别引导的缔合、自组装和自组织的发展开辟了材料化学新的研究领域：分子信息决 左材料特性的超分子材料八同时运用分子识别牯征并通过温和的反应.能对介成结构确泄 的无机超分子材料和复介材料进行控制,因而开辟了“软”无机材料化学的途径。这些材料 的纳米结构可能使其具有某种新颖的特性。本质上，结晶等同人的无边界分子物种的口组装。为获得真右対定结构及物理特性的 固体材料，对结晶的控制也具冇垂耍意义。超分子效应在这一控制中起着关键作用。材料的 定向増长可由模版诱导产生，这一过程包含有分子识别的作用。分子讲别引导的过程开启了通向超分子固
26、态化学和胡体工程的人门。用识别单元修饰， 可形成延伸的外受体，使其在微观层次上貝仃选择性衣面键介作用，从而实现宏观水平上的 识别控制粘合，显示了超分子效应在粘合科学中的应用潜力。4未来展望化学与其他很多的领域一样，当朝养越來越复杂的结构和行为发展的时候，1(信息术语 的组成和结构在不断延伸。从1894年起的100年里，分子识别己经从机械时代Emil Fischer 的“锁与钥匙”图像朝着电子和通讯时代的信息方式发展。同时由丁分子识别原理的阐 明，使化学在冇组织的物质研究方面也取得了卄凡的成就，并推动着化学研究向养更高层次, 即貝令活性、貝右思想的牛命界和仿生领域进军。我们佇理由相信，在不久的将
27、來分子讲别 将进-步的推动超分子化学带领着化学走向物质一能届一信息三部曲的第三小元，并IL 在貝有思想的生命界进一步有所作为。参考文献1Z F. Wohler, Poggendorfs Ann. Physik 1828.12. 2532 JE.Fischer» Ber. Deutsch. Cliem Ges 1894, 27. 29853徐筱杰，超分子建筑一从分子到材料.北京：科学技术文献出版社，200041 Kosliland E E, Proc. Natl. Acad. Sci. 1958, 44、985 JCram D J. Angew. Cliem. Int. Ed. Engl. 1986. 25» 103910576 Blazaiu V, De Cola L Supramolecular Chenustiy. The Netherlands： Kluwer Academic Publishers, 19927 J.W.Steed, J.L.Atwood,超分子化学.北京：化学工业出版社,20068 J.-M. Lehn,超分子化学一概念和展里.北京:北京大学出版社,20029 F.E.Yates, Epilogue in 9.8a、p.617#