超分子自组装的研究进展.doc

超分子自组装的研究进展 材料与化学化工学院 [摘　要] 阐述超分子化学自组装的理论、方法、形态,系统地总结并评述了超分子自组装体的最新进展和成果,并展望了超分子自组装研究的发展与应用前景. [关键词]超分子化学;自组装;超分子自组装体 一、前言 　 分子自组装是一种由简单到复杂、从无序到有序、由多组份收敛到单一组份的不断自我修正、自我完善的过程. 分子自组装指分子自发地（在氢键、静电、疏水亲脂作用、范德华力等弱力推动下）构筑具有特殊结构和形状的稳定集合体的过程。在化学科学方面，超分子化学提供了新的观念、方法和途径，并用来设计和制造自组装构建元件，探索分子自组装手段，这样具有特定结构和基团的分子就按一定的方式自发地组装成所需的超分子。本文针对分子自组装在超分子体系的新进展和新成果进行综述. 二、超分子分子自组装简介及其方法 1．超分子定义 超分子通常是指由两种或两种以上分子依靠分子间相互作用结合在一起，组成复杂的、有组织的聚集体，并保持一定的完整性使其具有明确的微观结构和宏观特性。20 世纪30 年代,德国Wolf 等创造了“超分子”一词,用来描述分子缔合而形成的有序体系. 1978 年,法国Lehn 等超越主客体化学的研究范畴,首次提出了“超分子化学”这一概念,他指出“: 基于共价键存在着分子化学领域,基于分子组装体和分子间键而存在着超分子化学”,这无疑是一次重大的思想飞跃. 此后经过近20 多年的快速发展,超分子化学已远远超越了原来有机化学主客体体系的范畴,形成了自己的独特概念和体系:如分子识别、分子自组装、超分子器件、超分子材料等. 在与生物、物理等其它学科的交叉融合中,超分子化学已经发展成了超分子科学,被认为是21 世纪新概念和高新技术的一个重要源头[1 ,2] . 2．自组装定义[3 ,4] 分子自组装指分子自发地（在氢键、静电、疏水亲脂作用、范德华力等弱力推动下）构筑具有特殊结构和形状的稳定集合体的过程。在化学科学方面，超分子化学提供了新的观念、方法和途径，并用来设计和制造自组装构建元件，探索分子自组装手段，这样具有特定结构和基团的分子就按一定的方式自发地组装成所需的超分子。各种复杂生物结构形成的基础是分子自组装。分析生物分子自组装体系，结果显示较弱的、可逆的非共价相互作用（如氢键）驱动自组装，同时这些非共价相互作用又保持自组装体系的结构稳定性和完整性。而人工自组装体系形成的关键是分子间的非共价连接的理解和控制以及自组装过程中热力学上的不利因素的克服。超分子化学的重要目标就是研究分子自组装过程及组装体， 通过分子自组装形成超分子功能体系。自然界中有2 种类型的自组装：一种叫热力学自组装， 像雨滴一样呈现出能量稳定性最大的形式；另一种叫编码自组装，是有机分子自组装成有一定功能的组织器官的过程， 由生命体所体现。分子自组装在分子识别的基础上形成具有特殊功能的超分子体系。 3．自组装方法［5］ 自组装方法主要是接枝、旋涂、化学吸附、分子沉积、慢蒸发溶剂等成膜，近几年导向自组装、分子识别、模板自组装等纷纷涌现。这些方法各有优缺 点，因而应用也有不同。1）导向自组装：一般在无机领域应用较多，近来 在有机无机纳米杂化材料、碳纳米管以及高分子材料中都有一定的应用。 模板自组装：模板自组装（TSA）将结构限制在平板表面，对自组装行为进行引导，促使空间相在较大范围内结构有序。自组装模板多种多样，有无机晶 体、高分子、生物DNA 甚至活体病毒等等。分子识别：分子识别可以理解为在氢键、配位键、堆积效应、静电作用、疏水作用和手性作用等驱动力作用下某给定受体对作用物（或给体）选择性结合并产生某种特定功能的过程。 形态学控制：自组形态学的控制，即按照发现的一些规律改变分子结构来影响组装过程， 有意识地得到所需的形态。3．组装体的形态［6－10］ （1）自组装无限网络结构：通过有机化合物和金属离子间自发组装成具有高度规整的无限网络结构。 （2）自组装纳米管道：作为离子通道性能优于天然的通道， 是通过分子间的多重氢键发生自组装形成的。 （3）自组装胶囊：由2 个或2 个以上的分子建筑单元通过可逆的非共价键相互作用而形成自组装胶囊，在很多方面如分子传感器、催化剂和药物传输等领域潜在着广阔的应用前景。 （4）LB 膜：纪念其创始人I．Langmuir 和D．B．Blodgett命名为LB 膜，是一种超薄有序膜。LB 膜技术根据两亲分子在溶液表面的定向排列， 进行二维分子组装或多层的排列组合，形成各种分子水平的器件，是在分子水平上制备有序的超分子薄膜的技术。 （5）索烃和轮烃：索烃是由2 个或2 个以上分立的亚单元（环）组成的内锁式结构，索烃分子中的环不是靠化学键连接的， 它们的内聚力被称为机械成键，也称为拓扑键，索烃的制备过程就是典型的分子组装过