模板與自組裝課件

第七章模板和自組裝管美麗第七章模板和自組裝管美麗17.1術(shù)語7.2生物化學(xué)自組裝7.3合成體系中的自組裝-熱力學(xué)和動力學(xué)影響7.4自組裝配位化合物7.5閉合絡(luò)合物的氫鍵自組裝7.6索烴和輪烷7.7螺旋狀絡(luò)合物7.8分子紐結(jié)7.9催化和自復(fù)制體系7.1術(shù)語27.1術(shù)語一、自組裝過程中應(yīng)區(qū)分分子自組裝和超分子自組裝。超分子自組裝是指，在分子間形成的相對易變的、非共價鍵相互作用（如配位作用，氫鍵和偶極相互作用）控制下的有限數(shù)量的構(gòu)造子的定向識別的、自發(fā)可逆的結(jié)合。其關(guān)鍵在于超分子自組裝的可逆性。分子自組裝是在特殊合成過程中共價鍵的形成，組裝體受中間體的立體化學(xué)和構(gòu)造特性的控制。

7.1術(shù)語一、自組裝過程中應(yīng)區(qū)分分子自組裝和超分子自組裝。3二、模板效應(yīng)1.動態(tài)模板效應(yīng)18[冠]可以選擇性地識別K+，K+離子將反應(yīng)物組織在其周圍產(chǎn)生反應(yīng)中間體，該中間體可以預(yù)組織產(chǎn)生在環(huán)狀產(chǎn)物。通過和鉀離子絡(luò)合，官能團-OH和Cl被拉近，很容易環(huán)合。K+離子被認(rèn)為是反應(yīng)的模板，大環(huán)化合物的形成稱為“模板效應(yīng)”，或者更嚴(yán)格地稱為“動態(tài)學(xué)模板效應(yīng)”。事實上，這是一種催化方式，其中金屬陽離子用來穩(wěn)定環(huán)狀中間體，因此能顯著提高環(huán)化產(chǎn)物的合成速率。因而模板效應(yīng)是一種動態(tài)效應(yīng)，大環(huán)化合物是動態(tài)學(xué)產(chǎn)物。2.熱力學(xué)模板效應(yīng)是指金屬離子從產(chǎn)物的平衡混合物中挑選與之互補的配體的能力，使得反應(yīng)平衡向產(chǎn)物方向移動而穩(wěn)定。二、模板效應(yīng)4四氮雜大環(huán)的熱力學(xué)模板合成在[18]冠-6合成中產(chǎn)生環(huán)狀和非環(huán)狀產(chǎn)物的可能路徑四氮雜大環(huán)的熱力學(xué)模板合成在[18]冠-6合成中產(chǎn)生環(huán)狀和非5

自組裝可以包含或不包含一個實際的模板，如金屬離子，因而，模板效應(yīng)本身并不是嚴(yán)格意義上的自組裝的例子。在一定程度上，可以將模板效應(yīng)劃分為“在單個操作中，包含幾步自發(fā)反應(yīng)的自組裝過程的單位階躍”。自組裝可以包含或不包含一個實際的模板，如金屬離67.2生物化學(xué)自組裝

煙草花葉病毒最顯著的的特點是，如果他被分解成各個組成部分，這些組分又通過物理方法混合在一起，那么該病毒顆粒能夠很精確地被自組裝，并恢復(fù)其所有的功能。整個自組裝過程主要由氫鍵、靜電作用、疏水作用以及其他弱相互作用的協(xié)同作用所驅(qū)動。

煙草花葉病毒的自組裝屬于嚴(yán)格自組裝。7.2生物化學(xué)自組裝煙草花葉病毒最顯著的的特點7

嚴(yán)格自組裝是與具有共價鍵修飾的自組裝相對而言的。在嚴(yán)格自組裝過程中，當(dāng)各組分在給定的反應(yīng)條件下按照一定得比例混合在一起時，最終產(chǎn)物是完全自發(fā)產(chǎn)生的。產(chǎn)物的形成必須是可逆的，代表體系的最小熱力學(xué)性質(zhì)。

DNA雙螺旋的形成是嚴(yán)格自組裝的典范，是由核酸堿基對通過氫鍵自發(fā)組裝而成的。共價修飾的自組裝通常是指體系中共價鍵連接的生成是不可逆的。它的最終產(chǎn)物不要求具有熱力學(xué)最小的結(jié)構(gòu)。

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共價鍵修飾的自組裝也可能會涉及到后組裝過程，即共價修飾后得到的復(fù)合物前體通過非共價作用進行組裝。共價修飾和自組裝的組合自組裝共價修飾共價鍵修飾的自組裝也可能會涉及到后組裝過程，即97.3合成體系中的自組裝-動力學(xué)和熱力學(xué)的影響

共價修飾逐步自組裝過程受動力學(xué)和熱力學(xué)合成模板效應(yīng)的共同影響。金屬離子模板化合物通常被認(rèn)為是共價修飾自組裝的例子。金屬離子作為動力學(xué)模板在合成體系中已被廣泛應(yīng)用。大環(huán)合成中的熱力學(xué)模板效應(yīng)，就是離子模板存在熱力學(xué)穩(wěn)定作用，或者是從平衡體系中通過沉淀等方法移去其中一個特殊產(chǎn)物，驅(qū)使平衡達到熱力學(xué)最小值。

非共價修飾的自組裝過程也會受到動力學(xué)和熱力學(xué)的影響。（氫鍵）7.3合成體系中的自組裝-動力學(xué)和熱力學(xué)的影響107.4自組裝配位化合物

任意種類的有方向性的相互作用（共價鍵、配位或氫鍵、離子-偶極、偶極-偶極相互作用等）自組裝的超分子組裝體大致可以被劃分為兩類：可以形成聚合物；形成分散的聚集體。在含過渡金屬絡(luò)合物的分子聚集體內(nèi)，通過構(gòu)筑單元的性質(zhì)可以控制和預(yù)測要生成的聚集體的類型。分散的物種是通過任意發(fā)散/匯聚對的組合形成的。在雙組份體系中，如果兩個組分都是發(fā)散的，則必須產(chǎn)生聚合物。（P335）7.4自組裝配位化合物任意種類的有方向性的11膠囊和聚合自組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計裸露的金屬（發(fā)散型）

匯聚金屬被保護（匯聚型）裸露的金屬（發(fā)散型）發(fā)散發(fā)散膠囊膠囊聚合物膠囊和聚合自組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計裸露的金屬匯聚金屬被保護裸12

英國Shefield大學(xué)的JimThomas及其合作者在1998年著手利用線性間隔基的組合來制備超分子立方體，該立方體能夠提供立方邊緣，金字塔角。選擇發(fā)散的橋聯(lián)配體4,4/-二吡啶作為“邊”，中等穩(wěn)定度的Ru(2)的絡(luò)合物[Ru([9]ane-S3)Cl2(DMSO)]2+為“角”，構(gòu)筑立方體結(jié)構(gòu)。（P336）超分子立方體12+8立方體產(chǎn)物英國Shefield大學(xué)的JimTho13分子方

像4,4/-聯(lián)吡啶這樣的剛性間隔基不允許三角形的生成，它們的復(fù)合物組裝體因為在金屬中心的鍵角必須至少90度（八面體或平面正方形配位幾何構(gòu)型）而受到限制。由此，F(xiàn)ujita等人制備出分子方，它可以作為一種溶液主體，識別像萘一樣的芬香分子客體。

與所有的敞開式產(chǎn)物不同，閉合式立方分子很明顯更穩(wěn)定，它的形成本質(zhì)上是不可逆的，因為立方體的斷裂需要扭轉(zhuǎn)整個閉合結(jié)構(gòu)，而不是單個鍵。分子方像4,4/-聯(lián)吡啶這樣的剛性間隔基不允許14金屬陣列的自組裝

金屬中心通過線性“剛性幫”多齒狀橋連配體自組裝產(chǎn)生了許多架子、梯子和格子狀結(jié)構(gòu)，同時，熱力學(xué)驅(qū)動力導(dǎo)致了離散的低聚物實體的形成，而不是聚合物。在這些結(jié)構(gòu)中組裝體外圍大的取代基的存在，抑制了類聚合物的簇集，有助于熱力學(xué)控制的離散結(jié)構(gòu)的自組裝。

金屬陣列的自組裝金屬中心通過線性“剛性幫15若由不同的配體組裝則會得到不同的結(jié)構(gòu)。（P345）“辦公樓”的X衍射晶體結(jié)構(gòu)2（三齒配體）36個四面體Cu+若由不同的配體組裝則會得到不同的結(jié)構(gòu)。（P345）“辦公樓167.5閉合絡(luò)合物的氫鍵自組裝

用于自組裝產(chǎn)生閉合的，在溶液中能絡(luò)合客體物種的膠囊狀體系的方法不僅僅是配體相互作用。多重氫鍵相互作用，由于其相對較弱但有定向的性質(zhì)，是形成閉合球狀分子和膠囊的嚴(yán)格自組裝的一種理想方法。7.5閉合絡(luò)合物的氫鍵自組裝用于自組裝產(chǎn)生閉合17網(wǎng)球

有2個內(nèi)部卷曲的通過基于1,2,4,5-四甲基苯基的間隔基連接的二苯基甘脲單元組成自發(fā)地自組裝產(chǎn)生網(wǎng)球狀二聚體

這種網(wǎng)球狀二聚體主要特征是其彎曲率，這是甘脲構(gòu)筑單元所特有的，也是自補性的。分子擁有一個確定的配比，即4個氫鍵給體和4個受體。能同時絡(luò)合堿金屬陽離子和中性客體分子。固態(tài)和溶液網(wǎng)球有2個內(nèi)部卷曲的通過基于1,2,4,5-四18

這些有空穴的物質(zhì)的客體包封是熵驅(qū)動的，它是通過大的客體分子取代膠囊內(nèi)的溶劑實現(xiàn)的。壘球狀二聚體是以甘脲為主題設(shè)計的更大的自組裝膠囊。能形成空穴，包封大的客體分子。壘球這些有空穴的物質(zhì)的客體包封是熵驅(qū)動的，它是通19

網(wǎng)球和壘球可以被設(shè)計成作為“反應(yīng)器”的膠囊。

壘球的空穴足夠大，能同時包封對苯醌和1,3-環(huán)己二烯，經(jīng)過一天的時間，能觀察到包封加成產(chǎn)物的形成。但是對以催化方面的應(yīng)用，加合物的形成往往受到自我抑制的困擾（加合產(chǎn)物作為客體有效的阻塞了空穴，阻止主體進一步催化反應(yīng)）。壘球作為主體催化Diels-Alder反應(yīng)網(wǎng)球和壘球可以被設(shè)計成作為“反應(yīng)器”的膠囊。20巨型自組裝膠囊

Carcerand是一類閉合的分子容器或分子膠囊，沒有一定尺寸的入口允許客體分子進入，除非主體內(nèi)的共價鍵斷裂，否則carcerand內(nèi)的客體將被永久地被捕獲或“監(jiān)禁”在內(nèi)部空穴內(nèi)。Hemicarcerand是一類閉合的分子容器，但客體在一定的可測的活化能壘下能夠進出此容器。

以[4]resorcarene為構(gòu)筑基元，構(gòu)建共價相連的carcerand和hemicarcerand巨型自組裝膠囊Carcerand是一類閉合的分子21

由2個resorcarene半球通過8個2-丙醇分子組成的圓圈連接而成的。其中C60也是整體結(jié)構(gòu)的組成部分，把膠囊從其余部分分離出來。其作用可能是與resorcarene-2苯基乙基“足”的芳香環(huán)通過∏~∏堆積而發(fā)生作用。由2個resorcarene半球通過8個2-丙22

Atwood和MacGillivray在1997年，基于古希臘數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家的基本幾何學(xué)，得到了一種通用的方法，通過自組裝構(gòu)筑大體積的hemicarcerand主體。如果三維空間等價于三維的鑲嵌成花紋狀的規(guī)則形狀，則它們只通過“扁平的”基元圍繞就可以得到三維結(jié)構(gòu)。如果只用一個這樣的基元，則得到的超分子必須等價于5個柏拉圖主義固體之一。在連接性方面，“扁平的”基元必須等價于三角、正方形或五角形。四面體、立方體、八面體、十二面體、二十面體Atwood和MacGillivray在1923

如果使用2個規(guī)則的不同的“扁平的”基元進行組合，則會產(chǎn)生13個阿基米德固體。如果使用2個規(guī)則的不同的“扁平的”基元進行組合24由6個[4]resorcarene和8個水分子組成的snub立方體的空間填充結(jié)構(gòu)圖Atwood等人已經(jīng)遵循這些原則制備了一個巨型分子膠囊。由6個[4]resorcarene和8個水分子組成的snub25

圓盤狀的分子三聚氰胺和三聚氰酸的互補對，在固態(tài)能形成氫鍵鍵合的環(huán)和鏈。蓮座狀分子圓盤狀的分子三聚氰胺和三聚氰酸的互補對，在固態(tài)26在三聚氰胺-三聚氰酸固體結(jié)構(gòu)中的環(huán)和鏈圖形在三聚氰胺-三聚氰酸固體結(jié)構(gòu)中的環(huán)和鏈圖形277.6索烴和輪烷

索烴是由2個或多個互鎖在一起的環(huán)組成，它們之間沒有任何化學(xué)作用。通常情況下，如果不破壞化學(xué)鍵，環(huán)就不能夠分離開。索烴是根據(jù)互鎖環(huán)的數(shù)目來命名的，例如[2]索烴有2個互鎖環(huán)組成。

[2]索烴[2]索烴[3]索烴7.6索烴和輪烷索烴是由2個或多個互鎖在一起的28

輪烷是由一個相當(dāng)直的長分子穿線過大環(huán)組成，像棉線穿過針眼一樣。再者，真正的輪烷，如果不斷裂，化學(xué)鍵是不能分解成一個分立的環(huán)和鏈的。因而，分子的線性部分經(jīng)常被龐大的基團終止（因體積太大不能穿越環(huán)狀片段）[2]輪烷[3]輪烷輪烷是由一個相當(dāng)直的長分子穿線過大環(huán)組成，像棉29索烴和輪烷的主-客體化學(xué)合成[2]類輪烷

沒有物理阻礙的輪烷（線狀部分能穿過環(huán)狀片段）被稱為“類輪烷”。類輪烷往往是輪烷和索烴的必要前體。典型的合成步驟是有類輪烷的模板化自組裝經(jīng)由金屬離子為媒介，通過靜電或氫鍵作用，最后發(fā)生環(huán)閉合，或因一端或兩端連接著大的集團而使其終止。索烴和輪烷的主-客體化學(xué)合成[2]類輪烷沒30索烴的合成1.統(tǒng)計法

此法依賴于小概率，線性前體通過大環(huán)組分被穿線時，所發(fā)生的大環(huán)的環(huán)合，這種結(jié)果自發(fā)得到的連接產(chǎn)物的產(chǎn)率很低。

長鏈二酯穿過氘代三十四環(huán)烷，環(huán)面環(huán)合生成[2]索烴，應(yīng)用的是一種統(tǒng)計法，雖然連鎖反應(yīng)的總產(chǎn)率還不到1%，但確實有力地證明了索烴的存在。索烴的合成1.統(tǒng)計法長鏈二酯穿過氘代三十四環(huán)烷，環(huán)面環(huán)合生312.∏~∏堆積相互作用形成的索烴

直接合成索烴和輪烷的很明顯的的策略是，在環(huán)合或?qū)㈥犃泄矁r地固定在一起的阻塞反應(yīng)發(fā)生之前，促使反應(yīng)物穿線的發(fā)生。如果反應(yīng)物主要在溶液中以主-客體自組裝絡(luò)合物形式存在，則當(dāng)反應(yīng)發(fā)生時，它們以預(yù)期的模式存在的可能性更大。通常，預(yù)反應(yīng)的主-客體絡(luò)合物是類輪烷，組成自組裝模板，來共價合成適當(dāng)?shù)乃鳠N和輪烷。在合成體系中，客體是缺電子的，而主體是富電子的，由于芳香環(huán)之間的∏~∏堆積及電荷轉(zhuǎn)移相互作用，致使缺電子客體在固態(tài)和溶液中都能插入單環(huán)冠醚環(huán)中，有效地生成了類輪烷。2.∏~∏堆積相互作用形成的索烴32

參照電荷輔助的∏~∏堆積相互作用在類輪烷合成中的應(yīng)用，依照設(shè)定的模板方法制備了[2]索烴。制備過程包含有缺電子陽離子，其前體在關(guān)環(huán)之前，首先穿線過富電子冠醚，通過鉗夾合并法產(chǎn)生[2]索烴。參照電荷輔助的∏~∏堆積相互作用在類輪烷合成中33

下表給出了各種作為∏給體的不同大小的冠醚環(huán)制備的[2]索烴的產(chǎn)率。很顯然，34元環(huán)是最理想的。小冠醚，由于其匹配性差，索烴產(chǎn)率急劇下降；對于較大的冠醚，由于構(gòu)象自由度的增大，索烴產(chǎn)率也很低。下表給出了各種作為∏給體的不同大小的冠醚環(huán)制備的34

用大的受體基團取代環(huán)番，該受體又能夠吧2個分立的冠醚環(huán)上的2個氫醌結(jié)合在一起，大環(huán)冠醚電子給體和大的環(huán)番陽離子的結(jié)合，能夠產(chǎn)生更大的索烴.[5]索烴分子，由于其形狀類似于國際奧運會的標(biāo)志，被稱為“奧林匹克烷”。首次合成的[5]索烴用大的受體基團取代環(huán)番，該受體又能夠吧2353.輔助連接體法

索烴合成中的主客體概念可擴展為“輔助連接體”的觀點，在最初的自組裝絡(luò)合物中，主-客體沒有區(qū)別，而把它們連接在一起的作用也沒有任何區(qū)別，它們可以是靜電作用、共價作用、配位作用、氫鍵等。輔助連接體僅僅是一個組織器件，按照正確的方向或位置把反應(yīng)物排列在一起，得到所需的套索式產(chǎn)物。輔助連接體輔助連接體法合成[2]索烴和[3]索烴3.輔助連接體法輔助連接體輔助連接體法合成[2]索烴和[3]36使用負(fù)的模板化空間障礙作為輔助連接體直接合成[2]索烴（P372）使用負(fù)的模板化空間障礙作為輔助連接體直接合成[2]索烴（P337

研究的簡單大環(huán)環(huán)合反應(yīng)中的眾多動力學(xué)模板合成法中，一種更明顯易得的輔助連接體的例子是與金屬陽離子配位。其中Sauvage法由研究結(jié)果確定：過渡金屬離子，如Cu(1)，通常采用四面體幾何配位構(gòu)型，在兩齒配體如1,10-鄰二雜菲衍生物的存在下，能以相互直交的方式把這些配體組織起來。1,10-鄰二雜菲衍生物與Cu(1)的2:1絡(luò)合物及其卡通圖研究的簡單大環(huán)環(huán)合反應(yīng)中的眾多動力學(xué)模板合成法38金屬模板化合成索烴絡(luò)合物金屬模板化合成索烴絡(luò)合物39

統(tǒng)計法也已經(jīng)應(yīng)用于輪烷的合成。輪烷的合成制備輪烷的方式有：鉗夾合并法；穿線封端法；滑動塞入法。鉗夾合并法穿線封端法滑動塞入法統(tǒng)計法也已經(jīng)應(yīng)用于輪烷的合成。輪烷的合成制407.7螺旋狀絡(luò)合物

螺旋狀絡(luò)合物是指以金屬離子為模板，組裝有機線軸成多螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋狀絡(luò)合物幾乎總是由分子“導(dǎo)線”組成，即廣義的多齒橋連配體，有能螯合不同金屬中心的多組給體原子。絕大數(shù)的螺旋狀絡(luò)合物是通過嚴(yán)格的自組裝制備的，所形成螺旋的信息都必須預(yù)程序化于系統(tǒng)中，就像DNA的合成一樣。這可以通過施于金屬或配體的約束來獲得。施于金屬的約束指基本性質(zhì)，如金屬的最佳配位數(shù)和配位構(gòu)型，以及其他方面的考慮，如優(yōu)化的金屬-配體之間的鍵距。Pt(2)是平面正方形金屬，排除螺旋性，傾向給出單核非螺旋狀絡(luò)合物。

7.7螺旋狀絡(luò)合物螺旋狀絡(luò)合物是指以金屬離子為41而四面體金屬如Cu(1)給出雙螺旋狀絡(luò)合物，因為配體螯合區(qū)之間的間隔基組分之間很少能靈活運動，允許兩個區(qū)處于直交位置。施于配體的約束是由配體的螺旋預(yù)組織度組成。(p380)而四面體金屬如Cu(1)給出雙螺旋狀絡(luò)合物，因為配體螯合區(qū)之42[n+m]代表兩個金屬中心的配位數(shù)。[4+4]螺旋狀絡(luò)合物雙螺旋狀絡(luò)合物的X衍射晶體結(jié)構(gòu)和強調(diào)連接性的圖解表達螺旋配體Cu(1)為金屬中心[n+m]代表兩個金屬中心的配位數(shù)。[4+4]螺旋狀絡(luò)合物雙43

絕大多數(shù)雙螺旋狀絡(luò)合物包括四配位金屬中心，部分是由于許多螺旋配體包含雙齒螯合區(qū)。但是與六配位金屬離子結(jié)合趨于給出三螺旋狀絡(luò)合物。但是如果使用三齒金屬螯合區(qū)，[6+6]雙螺旋狀絡(luò)合物的形成是可能的。一個六配位金屬離子可能結(jié)合到每個螺旋配體的一個螯合區(qū)。三齒配體在各種各樣的金屬離子如：Co2+、Fe2+、Ni2+和Cu2+存在下，形成一個雙螺旋2:2絡(luò)合物。[6+6]螺旋狀絡(luò)合物絕大多數(shù)雙螺旋狀絡(luò)合物包括四配位金屬中心，部分44三齒配體[6+6]雙螺旋狀絡(luò)合物的X衍射晶體結(jié)構(gòu)三齒配體[6+6]雙螺旋狀絡(luò)合物的X衍射晶體結(jié)構(gòu)45納米環(huán)三螺旋狀絡(luò)合物不是八面體中心和三（雙齒）配體反應(yīng)的唯一可能結(jié)果，在一個顯著的例子中，F(xiàn)e(2)與三齒（聯(lián)吡啶）配體結(jié)合，給出一個五核螺旋狀絡(luò)合物，構(gòu)筑成納米環(huán)。納米環(huán)三螺旋狀絡(luò)合物不是八面體中心和三（雙齒）46

配位作用也許是制備合成螺旋體最常用的方法。然而，DNA的例子說明，氫鍵也可以用在螺旋結(jié)構(gòu)的形成中。氫鍵螺旋體氫鍵螺旋體477.8分子紐結(jié)

與索烴不同的是，分子紐結(jié)是基于一條單鏈環(huán)，是大環(huán)的拓?fù)洚悩?gòu)體。

紐結(jié)可以通過質(zhì)譜和核磁分析來表征的。（a）經(jīng)由輔助連接體方法合成[2]索烴的示意圖（b）利用擴展的輔助連接體方法經(jīng)由雙金屬雙螺旋絡(luò)合物形成三葉形紐結(jié)7.8分子紐結(jié)與索烴不同的是，分子紐結(jié)是基于一48

最早的4個基本扭結(jié)。對于紐結(jié)狀連環(huán)物種的制備有下列規(guī)律：

如果金屬中心的數(shù)目是偶數(shù)，則分子環(huán)的交叉數(shù)為奇數(shù)，2個金屬中心給出三葉形扭結(jié)，3個金屬中心給出五葉形扭結(jié)。另一方面，奇數(shù)個金屬中心必將產(chǎn)生偶數(shù)個交叉。最早的4個基本扭結(jié)。497.9催化和自復(fù)制體系

自組裝研究的最終目標(biāo)之一是產(chǎn)生能夠模擬天然酶的催化能力的體系，以及設(shè)計新的、能夠?qū)崿F(xiàn)天然體系不能實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換的人造酶。如何實現(xiàn)自組裝催化？例子：對稱催化劑能同時結(jié)合兩個反應(yīng)物，經(jīng)由多重氫鍵形成三元絡(luò)合物。在三元絡(luò)合物中，兩個反應(yīng)物被緊緊拉一起，導(dǎo)致伯胺基團對溴代烷烴取代基的親核進攻速度加快6倍。催化劑本身與底物和產(chǎn)物分子不相關(guān)，類似于生物酶催化。如果催化劑本身是反應(yīng)物，那么體系變得可以自復(fù)制。7.9催化和自復(fù)制體系自組裝研究的最終目標(biāo)之一50謝謝謝謝51第七章模板和自組裝管美麗第七章模板和自組裝管美麗527.1術(shù)語7.2生物化學(xué)自組裝7.3合成體系中的自組裝-熱力學(xué)和動力學(xué)影響7.4自組裝配位化合物7.5閉合絡(luò)合物的氫鍵自組裝7.6索烴和輪烷7.7螺旋狀絡(luò)合物7.8分子紐結(jié)7.9催化和自復(fù)制體系7.1術(shù)語537.1術(shù)語一、自組裝過程中應(yīng)區(qū)分分子自組裝和超分子自組裝。超分子自組裝是指，在分子間形成的相對易變的、非共價鍵相互作用（如配位作用，氫鍵和偶極相互作用）控制下的有限數(shù)量的構(gòu)造子的定向識別的、自發(fā)可逆的結(jié)合。其關(guān)鍵在于超分子自組裝的可逆性。分子自組裝是在特殊合成過程中共價鍵的形成，組裝體受中間體的立體化學(xué)和構(gòu)造特性的控制。

7.1術(shù)語一、自組裝過程中應(yīng)區(qū)分分子自組裝和超分子自組裝。54二、模板效應(yīng)1.動態(tài)模板效應(yīng)18[冠]可以選擇性地識別K+，K+離子將反應(yīng)物組織在其周圍產(chǎn)生反應(yīng)中間體，該中間體可以預(yù)組織產(chǎn)生在環(huán)狀產(chǎn)物。通過和鉀離子絡(luò)合，官能團-OH和Cl被拉近，很容易環(huán)合。K+離子被認(rèn)為是反應(yīng)的模板，大環(huán)化合物的形成稱為“模板效應(yīng)”，或者更嚴(yán)格地稱為“動態(tài)學(xué)模板效應(yīng)”。事實上，這是一種催化方式，其中金屬陽離子用來穩(wěn)定環(huán)狀中間體，因此能顯著提高環(huán)化產(chǎn)物的合成速率。因而模板效應(yīng)是一種動態(tài)效應(yīng)，大環(huán)化合物是動態(tài)學(xué)產(chǎn)物。2.熱力學(xué)模板效應(yīng)是指金屬離子從產(chǎn)物的平衡混合物中挑選與之互補的配體的能力，使得反應(yīng)平衡向產(chǎn)物方向移動而穩(wěn)定。二、模板效應(yīng)55四氮雜大環(huán)的熱力學(xué)模板合成在[18]冠-6合成中產(chǎn)生環(huán)狀和非環(huán)狀產(chǎn)物的可能路徑四氮雜大環(huán)的熱力學(xué)模板合成在[18]冠-6合成中產(chǎn)生環(huán)狀和非56

自組裝可以包含或不包含一個實際的模板，如金屬離子，因而，模板效應(yīng)本身并不是嚴(yán)格意義上的自組裝的例子。在一定程度上，可以將模板效應(yīng)劃分為“在單個操作中，包含幾步自發(fā)反應(yīng)的自組裝過程的單位階躍”。自組裝可以包含或不包含一個實際的模板，如金屬離577.2生物化學(xué)自組裝

煙草花葉病毒最顯著的的特點是，如果他被分解成各個組成部分，這些組分又通過物理方法混合在一起，那么該病毒顆粒能夠很精確地被自組裝，并恢復(fù)其所有的功能。整個自組裝過程主要由氫鍵、靜電作用、疏水作用以及其他弱相互作用的協(xié)同作用所驅(qū)動。

煙草花葉病毒的自組裝屬于嚴(yán)格自組裝。7.2生物化學(xué)自組裝煙草花葉病毒最顯著的的特點58

嚴(yán)格自組裝是與具有共價鍵修飾的自組裝相對而言的。在嚴(yán)格自組裝過程中，當(dāng)各組分在給定的反應(yīng)條件下按照一定得比例混合在一起時，最終產(chǎn)物是完全自發(fā)產(chǎn)生的。產(chǎn)物的形成必須是可逆的，代表體系的最小熱力學(xué)性質(zhì)。

DNA雙螺旋的形成是嚴(yán)格自組裝的典范，是由核酸堿基對通過氫鍵自發(fā)組裝而成的。共價修飾的自組裝通常是指體系中共價鍵連接的生成是不可逆的。它的最終產(chǎn)物不要求具有熱力學(xué)最小的結(jié)構(gòu)。

59

共價鍵修飾的自組裝也可能會涉及到后組裝過程，即共價修飾后得到的復(fù)合物前體通過非共價作用進行組裝。共價修飾和自組裝的組合自組裝共價修飾共價鍵修飾的自組裝也可能會涉及到后組裝過程，即607.3合成體系中的自組裝-動力學(xué)和熱力學(xué)的影響

共價修飾逐步自組裝過程受動力學(xué)和熱力學(xué)合成模板效應(yīng)的共同影響。金屬離子模板化合物通常被認(rèn)為是共價修飾自組裝的例子。金屬離子作為動力學(xué)模板在合成體系中已被廣泛應(yīng)用。大環(huán)合成中的熱力學(xué)模板效應(yīng)，就是離子模板存在熱力學(xué)穩(wěn)定作用，或者是從平衡體系中通過沉淀等方法移去其中一個特殊產(chǎn)物，驅(qū)使平衡達到熱力學(xué)最小值。

非共價修飾的自組裝過程也會受到動力學(xué)和熱力學(xué)的影響。（氫鍵）7.3合成體系中的自組裝-動力學(xué)和熱力學(xué)的影響617.4自組裝配位化合物

任意種類的有方向性的相互作用（共價鍵、配位或氫鍵、離子-偶極、偶極-偶極相互作用等）自組裝的超分子組裝體大致可以被劃分為兩類：可以形成聚合物；形成分散的聚集體。在含過渡金屬絡(luò)合物的分子聚集體內(nèi)，通過構(gòu)筑單元的性質(zhì)可以控制和預(yù)測要生成的聚集體的類型。分散的物種是通過任意發(fā)散/匯聚對的組合形成的。在雙組份體系中，如果兩個組分都是發(fā)散的，則必須產(chǎn)生聚合物。（P335）7.4自組裝配位化合物任意種類的有方向性的62膠囊和聚合自組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計裸露的金屬（發(fā)散型）

匯聚金屬被保護（匯聚型）裸露的金屬（發(fā)散型）發(fā)散發(fā)散膠囊膠囊聚合物膠囊和聚合自組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計裸露的金屬匯聚金屬被保護裸63

英國Shefield大學(xué)的JimThomas及其合作者在1998年著手利用線性間隔基的組合來制備超分子立方體，該立方體能夠提供立方邊緣，金字塔角。選擇發(fā)散的橋聯(lián)配體4,4/-二吡啶作為“邊”，中等穩(wěn)定度的Ru(2)的絡(luò)合物[Ru([9]ane-S3)Cl2(DMSO)]2+為“角”，構(gòu)筑立方體結(jié)構(gòu)。（P336）超分子立方體12+8立方體產(chǎn)物英國Shefield大學(xué)的JimTho64分子方

像4,4/-聯(lián)吡啶這樣的剛性間隔基不允許三角形的生成，它們的復(fù)合物組裝體因為在金屬中心的鍵角必須至少90度（八面體或平面正方形配位幾何構(gòu)型）而受到限制。由此，F(xiàn)ujita等人制備出分子方，它可以作為一種溶液主體，識別像萘一樣的芬香分子客體。

與所有的敞開式產(chǎn)物不同，閉合式立方分子很明顯更穩(wěn)定，它的形成本質(zhì)上是不可逆的，因為立方體的斷裂需要扭轉(zhuǎn)整個閉合結(jié)構(gòu)，而不是單個鍵。分子方像4,4/-聯(lián)吡啶這樣的剛性間隔基不允許65金屬陣列的自組裝

金屬中心通過線性“剛性幫”多齒狀橋連配體自組裝產(chǎn)生了許多架子、梯子和格子狀結(jié)構(gòu)，同時，熱力學(xué)驅(qū)動力導(dǎo)致了離散的低聚物實體的形成，而不是聚合物。在這些結(jié)構(gòu)中組裝體外圍大的取代基的存在，抑制了類聚合物的簇集，有助于熱力學(xué)控制的離散結(jié)構(gòu)的自組裝。

金屬陣列的自組裝金屬中心通過線性“剛性幫66若由不同的配體組裝則會得到不同的結(jié)構(gòu)。（P345）“辦公樓”的X衍射晶體結(jié)構(gòu)2（三齒配體）36個四面體Cu+若由不同的配體組裝則會得到不同的結(jié)構(gòu)。（P345）“辦公樓677.5閉合絡(luò)合物的氫鍵自組裝

用于自組裝產(chǎn)生閉合的，在溶液中能絡(luò)合客體物種的膠囊狀體系的方法不僅僅是配體相互作用。多重氫鍵相互作用，由于其相對較弱但有定向的性質(zhì)，是形成閉合球狀分子和膠囊的嚴(yán)格自組裝的一種理想方法。7.5閉合絡(luò)合物的氫鍵自組裝用于自組裝產(chǎn)生閉合68網(wǎng)球

有2個內(nèi)部卷曲的通過基于1,2,4,5-四甲基苯基的間隔基連接的二苯基甘脲單元組成自發(fā)地自組裝產(chǎn)生網(wǎng)球狀二聚體

這種網(wǎng)球狀二聚體主要特征是其彎曲率，這是甘脲構(gòu)筑單元所特有的，也是自補性的。分子擁有一個確定的配比，即4個氫鍵給體和4個受體。能同時絡(luò)合堿金屬陽離子和中性客體分子。固態(tài)和溶液網(wǎng)球有2個內(nèi)部卷曲的通過基于1,2,4,5-四69

這些有空穴的物質(zhì)的客體包封是熵驅(qū)動的，它是通過大的客體分子取代膠囊內(nèi)的溶劑實現(xiàn)的。壘球狀二聚體是以甘脲為主題設(shè)計的更大的自組裝膠囊。能形成空穴，包封大的客體分子。壘球這些有空穴的物質(zhì)的客體包封是熵驅(qū)動的，它是通70

網(wǎng)球和壘球可以被設(shè)計成作為“反應(yīng)器”的膠囊。

壘球的空穴足夠大，能同時包封對苯醌和1,3-環(huán)己二烯，經(jīng)過一天的時間，能觀察到包封加成產(chǎn)物的形成。但是對以催化方面的應(yīng)用，加合物的形成往往受到自我抑制的困擾（加合產(chǎn)物作為客體有效的阻塞了空穴，阻止主體進一步催化反應(yīng)）。壘球作為主體催化Diels-Alder反應(yīng)網(wǎng)球和壘球可以被設(shè)計成作為“反應(yīng)器”的膠囊。71巨型自組裝膠囊

Carcerand是一類閉合的分子容器或分子膠囊，沒有一定尺寸的入口允許客體分子進入，除非主體內(nèi)的共價鍵斷裂，否則carcerand內(nèi)的客體將被永久地被捕獲或“監(jiān)禁”在內(nèi)部空穴內(nèi)。Hemicarcerand是一類閉合的分子容器，但客體在一定的可測的活化能壘下能夠進出此容器。

以[4]resorcarene為構(gòu)筑基元，構(gòu)建共價相連的carcerand和hemicarcerand巨型自組裝膠囊Carcerand是一類閉合的分子72

由2個resorcarene半球通過8個2-丙醇分子組成的圓圈連接而成的。其中C60也是整體結(jié)構(gòu)的組成部分，把膠囊從其余部分分離出來。其作用可能是與resorcarene-2苯基乙基“足”的芳香環(huán)通過∏~∏堆積而發(fā)生作用。由2個resorcarene半球通過8個2-丙73

Atwood和MacGillivray在1997年，基于古希臘數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家的基本幾何學(xué)，得到了一種通用的方法，通過自組裝構(gòu)筑大體積的hemicarcerand主體。如果三維空間等價于三維的鑲嵌成花紋狀的規(guī)則形狀，則它們只通過“扁平的”基元圍繞就可以得到三維結(jié)構(gòu)。如果只用一個這樣的基元，則得到的超分子必須等價于5個柏拉圖主義固體之一。在連接性方面，“扁平的”基元必須等價于三角、正方形或五角形。四面體、立方體、八面體、十二面體、二十面體Atwood和MacGillivray在1974

如果使用2個規(guī)則的不同的“扁平的”基元進行組合，則會產(chǎn)生13個阿基米德固體。如果使用2個規(guī)則的不同的“扁平的”基元進行組合75由6個[4]resorcarene和8個水分子組成的snub立方體的空間填充結(jié)構(gòu)圖Atwood等人已經(jīng)遵循這些原則制備了一個巨型分子膠囊。由6個[4]resorcarene和8個水分子組成的snub76

圓盤狀的分子三聚氰胺和三聚氰酸的互補對，在固態(tài)能形成氫鍵鍵合的環(huán)和鏈。蓮座狀分子圓盤狀的分子三聚氰胺和三聚氰酸的互補對，在固態(tài)77在三聚氰胺-三聚氰酸固體結(jié)構(gòu)中的環(huán)和鏈圖形在三聚氰胺-三聚氰酸固體結(jié)構(gòu)中的環(huán)和鏈圖形787.6索烴和輪烷

索烴是由2個或多個互鎖在一起的環(huán)組成，它們之間沒有任何化學(xué)作用。通常情況下，如果不破壞化學(xué)鍵，環(huán)就不能夠分離開。索烴是根據(jù)互鎖環(huán)的數(shù)目來命名的，例如[2]索烴有2個互鎖環(huán)組成。

[2]索烴[2]索烴[3]索烴7.6索烴和輪烷索烴是由2個或多個互鎖在一起的79

輪烷是由一個相當(dāng)直的長分子穿線過大環(huán)組成，像棉線穿過針眼一樣。再者，真正的輪烷，如果不斷裂，化學(xué)鍵是不能分解成一個分立的環(huán)和鏈的。因而，分子的線性部分經(jīng)常被龐大的基團終止（因體積太大不能穿越環(huán)狀片段）[2]輪烷[3]輪烷輪烷是由一個相當(dāng)直的長分子穿線過大環(huán)組成，像棉80索烴和輪烷的主-客體化學(xué)合成[2]類輪烷

沒有物理阻礙的輪烷（線狀部分能穿過環(huán)狀片段）被稱為“類輪烷”。類輪烷往往是輪烷和索烴的必要前體。典型的合成步驟是有類輪烷的模板化自組裝經(jīng)由金屬離子為媒介，通過靜電或氫鍵作用，最后發(fā)生環(huán)閉合，或因一端或兩端連接著大的集團而使其終止。索烴和輪烷的主-客體化學(xué)合成[2]類輪烷沒81索烴的合成1.統(tǒng)計法

此法依賴于小概率，線性前體通過大環(huán)組分被穿線時，所發(fā)生的大環(huán)的環(huán)合，這種結(jié)果自發(fā)得到的連接產(chǎn)物的產(chǎn)率很低。

長鏈二酯穿過氘代三十四環(huán)烷，環(huán)面環(huán)合生成[2]索烴，應(yīng)用的是一種統(tǒng)計法，雖然連鎖反應(yīng)的總產(chǎn)率還不到1%，但確實有力地證明了索烴的存在。索烴的合成1.統(tǒng)計法長鏈二酯穿過氘代三十四環(huán)烷，環(huán)面環(huán)合生822.∏~∏堆積相互作用形成的索烴

直接合成索烴和輪烷的很明顯的的策略是，在環(huán)合或?qū)㈥犃泄矁r地固定在一起的阻塞反應(yīng)發(fā)生之前，促使反應(yīng)物穿線的發(fā)生。如果反應(yīng)物主要在溶液中以主-客體自組裝絡(luò)合物形式存在，則當(dāng)反應(yīng)發(fā)生時，它們以預(yù)期的模式存在的可能性更大。通常，預(yù)反應(yīng)的主-客體絡(luò)合物是類輪烷，組成自組裝模板，來共價合成適當(dāng)?shù)乃鳠N和輪烷。在合成體系中，客體是缺電子的，而主體是富電子的，由于芳香環(huán)之間的∏~∏堆積及電荷轉(zhuǎn)移相互作用，致使缺電子客體在固態(tài)和溶液中都能插入單環(huán)冠醚環(huán)中，有效地生成了類輪烷。2.∏~∏堆積相互作用形成的索烴83

參照電荷輔助的∏~∏堆積相互作用在類輪烷合成中的應(yīng)用，依照設(shè)定的模板方法制備了[2]索烴。制備過程包含有缺電子陽離子，其前體在關(guān)環(huán)之前，首先穿線過富電子冠醚，通過鉗夾合并法產(chǎn)生[2]索烴。參照電荷輔助的∏~∏堆積相互作用在類輪烷合成中84

下表給出了各種作為∏給體的不同大小的冠醚環(huán)制備的[2]索烴的產(chǎn)率。很顯然，34元環(huán)是最理想的。小冠醚，由于其匹配性差，索烴產(chǎn)率急劇下降；對于較大的冠醚，由于構(gòu)象自由度的增大，索烴產(chǎn)率也很低。下表給出了各種作為∏給體的不同大小的冠醚環(huán)制備的85

用大的受體基團取代環(huán)番，該受體又能夠吧2個分立的冠醚環(huán)上的2個氫醌結(jié)合在一起，大環(huán)冠醚電子給體和大的環(huán)番陽離子的結(jié)合，能夠產(chǎn)生更大的索烴.[5]索烴分子，由于其形狀類似于國際奧運會的標(biāo)志，被稱為“奧林匹克烷”。首次合成的[5]索烴用大的受體基團取代環(huán)番，該受體又能夠吧2863.輔助連接體法

索烴合成中的主客體概念可擴展為“輔助連接體”的觀點，在最初的自組裝絡(luò)合物中，主-客體沒有區(qū)別，而把它們連接在一起的作用也沒有任何區(qū)別，它們可以是靜電作用、共價作用、配位作用、氫鍵等。輔助連接體僅僅是一個組織器件，按照正確的方向或位置把反應(yīng)物排列在一起，得到所需的套索式產(chǎn)物。輔助連接體輔助連接體法合成[2]索烴和[3]索烴3.輔助連接體法輔助連接體輔助連接體法合成[2]索烴和[3]87使用負(fù)的模板化空間障礙作為輔助連接體直接合成[2]索烴（P372）使用負(fù)的模板化空間障礙作為輔助連接體直接合成[2]索烴（P388

研究的簡單大環(huán)環(huán)合反應(yīng)中的眾多動力學(xué)模板合成法中，一種更明顯易得的輔助連接體的例子是與金屬陽離子配位。其中Sauvage法由研究結(jié)果確定：過渡金屬離子，如Cu(1)，通常采用四面體幾何配位構(gòu)型，在兩齒配體如1,10-鄰二雜菲衍生物的存在下，能以相互直交的方式把這些配體組織起來。1,10-鄰二雜菲衍生物與Cu(1)的2:1絡(luò)合物及其卡通圖研究的簡單大環(huán)環(huán)合反應(yīng)中的眾多動力學(xué)模板合成法89金屬模板化合成索烴絡(luò)合物金屬模板化合成索烴絡(luò)合物90

統(tǒng)計法也已經(jīng)應(yīng)用于輪烷的合成。輪烷的合成制備輪烷的方式有：鉗夾合并法；穿線封端法；滑動塞入法。鉗夾合并法穿線封端法滑動塞入法統(tǒng)