分子识别 编辑

分子识别（molecular recognition）是两个或以上的分子之间通过非共价键结合相互作用。

除了氢键，金属耦合，疏水性，范德华力等直接相互接触的作用以外，在溶液中，水常常可以起到很重要的介导作用。这个过程体现了很好的分子互补性。也是指分子选择性相互作用，例如抗体与抗原之间，酶与底物之间，激素与受体之间的专一结合。分子识别是通过两个分子各自的结合部位来实现的。要实现分子识别，一要求两个分子的结合部位是结构互补的，二要求两个结合部位有相应的基团，相互之间能够产生足够的作用力，使两个分子能够结合在一起。分子识别是一种普遍的生物学现象。糖链、蛋白质、核酸和脂质各自间以及他们相互之间都存在分子识别。

分子识别的历史

自从1828年Friedrich Wöhler 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，尤其是在有机合成方面，人们利用精美的策略以及巧夺天工的效率和选择性，合成了大量结构复杂、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.-M.Lehn，则标志着化学发展进入了一个新的时代。对通过非共价键弱相互作用力键合起来的复杂有序且有特定功能的分子集合体，即超分子化学的研究，可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来，开始寻找运用分子作为最小合成单位的新的合成策略与方法，进一步开发和研制具有全新功能和性质的新型材料。而作为超分子化学中重要领域的分子识别领域，自然也受到了更多化学家的关注。

事实上，早在1894年，E.Fisher]就已经在他的著名论文里建议以“锁和钥匙”的比喻来描述酶与底物的专一性结合，称之为识别。所以，分子识别这一概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，用来描述有效的并且有选择的生物功能。现在的分子识别已经发展为表示主体（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大领域――分子识别和自组装以及晶体工程――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装形成超分子，而后者则是人为通过策略和手段以识别为基础制造性质独特的材料。因此分子识别在超分子化学中占有举足轻重的地位。同时，由于识别过程通常会引起体系的电学、光学性能及构象的变化，也可能引起化学性质的变化。这些变化意味着化学信息的存储，传递及处理。因此，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要作用。

2 分子识别的原理

分子识别的过程实际上是分子在特定的条件下通过分子间作用力的协同作用达到相互结合的过程。这其实也揭示了分子识别原理中的三个重要的组成部分，“特定的条件”即是指分子要依靠预组织达到互补的状态，“分子间相互作用力”即是指存在于分子之间非共价相互作用，而“协同作用”则是强调了分子需要依靠大环效应或者螯合效应使得各种相互作用之间产生一致的效果。

2.1 互补性与预组织

互补性（complementarity）及预组织（preorganization）是决定分子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合能力。

2.1.1 互补性

底物与受体的互补性包括空间结构及空间电学特性的互补性。空间互补性最早由Fisher的“锁－钥匙”关系所描述。

例如，环糊精体系是典型的可用第一代经典的锁与钥匙关系比喻的体系。它有一个很典

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型的疏水空腔，能和偶氮染料形成络合物。如下图所示，当偶氮化合物上的取代基不同时，它们的反应平衡常数差别并不大，但反应速率却相差三个数量级]。究其原因，这是由于过程的阈效应（threading in process）即空间位阻效应而造成的。

环糊精对不同氮染料的识别动力学

2.1.2 预组织

分子识别的另一重要决定因素是预组织原则。它主要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之前将受体中容纳底物的环境组织得愈好，其溶剂化能力愈低，则它们的识别效果愈佳，形成的络合物愈稳定。下图中，化合物5是经过预组织的受体，O原子形成八面体，它的空腔中的6个甲基的空间位阻使O原子不能同溶剂结合，氧的未共享电子对的介电微环境在真空及烃之间。受体5能同锂离子、钠离子很好互补，形成稳定化合物6、7。晶体结构数据表明，受体5在络合前后没有明显变化。