超分子化学与生命体系

  转眼间，加入超分子化学研究组已经两年了，多少有了一些体会，在此仅想借本文简单谈一下自己两年多来对于超分子化学与生命体系的粗浅认识。

  一般认为，“超分子化学”（Supramolecular chemistry）这一概念最早由法国化学家J.-M. Lehn于 1978年提出，起始于D. J. Cram提出的“主客体化学”，以Charles J. Pedersen合成了第一代大环主体分子——冠醚(Crown Ethers)为标志，随后Donald J. Cram与Jean-Marie Lehn的小组分别独立合成了球瑗和穴醚。

第二代大环主体分子以环糊精(Cyclodextrins)为代表，其具有廉价、易得、空腔大、构象刚性等优点，很快就成为了研究热点。仅2004-2005年间，每天有关环糊精的论文达到4.4篇。相关研究包括：环糊精对有机分子有效地包合与识别、于手性分离中的应用、模拟酶催化的研究、分子组装中的应用等。

第三代大环主体分子则以杯芳烃(Calixarenes)为代表，其优点包括：大小可调的空腔和丰富可控的构象、多个反应点；易衍生化及功能化、具有多个识别位点和多种作用模式等。如今杯芳烃也已经广泛地应用于超分子化学、分子组装等各领域的主体化合物。

1980年以来，陆续又发展的一些重要人工合成大环主体分子，例如雷琐酚杯芳烃(resorcinarene)、环三藜芦烃(CTV)、杯吡咯(calixpyrrole )、葫芦脲(cucurbituril)、环番(cyclophane)、卟啉大环(porphyrin)等。

2000年以后，陆续又有新型的主体分子化合物的相关报道。

  可以说超分子化学是以所谓的“主客体化学”为蓝图，仅仅几十年的时间已经发展成了一个相当庞大的重要化学分支。参与超分子化学研究的包括许多杰出的有机化学家、高分子化学家、物理化学家等，甚至少数的生物学家也参与到超分子化学的研究中。例如在去年，美国科学家J. Craig Venter通过DNA片段自组装的方法，使用人工化学合成的DNA注入到细胞质中从而得到了当时倍受争议的“人工细胞”、“人造生命”。

  如今，超分子化学家试图通过自组装、条件相应超分子体系等模拟或者构建生命体系。偏重化学方面的研究包括：利用超分子大环体系等模拟酶的功能与结构；构建PH、光、电等响应性的超分子体系；设计并合成超越单分子尺度的“纳米机器”。而更偏重于生物学研究的则包括：DNA以及基因组的自组装构建；生物膜学的超分子研究；设计并构建人工生命体系等等。

  显然化学已经从过去的单分子研究时代过渡到了如今的超分子化学时代，化学家们的兴趣从以共价键为研究对象的单分子反应性质已经转向了以非共价弱相互作用为研究主体的分子间作用性质。但是究竟从超分子化学过渡到最为复杂的生命体系还需要多久，很难预测。毕竟生命体系是几十亿年来自然界进化的成果，想要研究清楚的确不易。而且每个人知识的局限性也体现了出来，化学和生物学各自都是一门庞大、自成体系的学科，想要“化生通吃”绝非易事。化学家们过多地注重于分子结构与原子排布的细节，而生物学家们则更多地在关注大分子的作用与功能，导致很多时候两者互相不知对方所云。化学家们很难懂得生物学家口中稀奇古怪的生物通路、酶和基因的代号；生物学家也根本不能理解化学家口中各种各样诡异的化学反应与化学键作用。因此若想真的早日实现用化学完全解释生命体系的规律，进行必要的合作以及培养交叉学科人才是刻不容缓的。

  如今科学的研究已经进入二十一世纪的新纪元，生命科学的相关研究绝对是大家公认的热点与难点，深入掌握生命科学的相关知识也必将成为每一个化学工作者应该具备的素质之一。

                                                               2011年7月31日  于Indiana University Bloomington