分子識別

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分子識別是全國科學技術名詞審定委員會審定、公布的科技術語。

歷史名詞是歷史上曾出現的事件及事物的名稱，例如「禪讓」，傳說古代實行舉薦賢能之人為首領繼承人的一種制度，據文獻記獻：有堯舉舜、舜舉禹、禹先舉皋陶、皋陶死禹又舉益等歷史故事。

目錄

名詞解釋

分子識別（molecular recognition）是兩個或以上的分子之間通過非共價鍵結合相互作用。

除了氫鍵，金屬耦合，疏水性，范德華力等直接相互接觸的作用以外，在溶液中，水常常可以起到很重要的介導作用。這個過程體現了很好的分子互補性。也是指分子選擇性相互作用，例如抗體與抗原之間，酶與底物之間，激素與受體之間的專一結合。分子識別是通過兩個分子各自的結合部位來實現的。要實現分子識別，一要求兩個分子的結合部位是結構互補的，二要求兩個結合部位有相應的基團，相互之間能夠產生足夠的作用力，使兩個分子能夠結合在一起。分子識別是一種普遍的生物學現象。糖鏈、蛋白質、核酸和脂質各自間以及他們相互之間都存在分子識別。

分子識別的歷史

自從1828年Friedrich Wöhler合成出尿素分子190年以來，分子化學已經發展到了前所未有的高度，尤其是在有機合成方面，人們利用精美的策略以及巧奪天工的效率和選擇性，合成了大量結構複雜、功能多樣的分子。而在1987年，Nobel化學獎授予了C.J.Pedersen、D.J.Cram和J.-M.Lehn，則標誌着化學發展進入了一個新的時代。對通過非共價鍵弱相互作用力鍵合起來的複雜有序且有特定功能的分子集合體，即超分子化學的研究，可說是共價鍵分子化學的一次升華、一次質的超越，被稱為「超越分子概念的化學」。人們從分子化學的圈子裡面跳了出來，開始尋找運用分子作為最小合成單位的新的合成策略與方法，進一步開發和研製具有全新功能和性質的新型材料。而作為超分子化學中重要領域的分子識別領域，自然也受到了更多化學家的關注。

事實上，早在1894年，E.Fisher就已經在他的著名論文裡建議以「鎖和鑰匙」的比喻來描述酶與底物的專一性結合，稱之為識別。所以，分子識別這一概念最初是被有機化學家和生物學家用來在分子水平上研究生物體系中的化學問題而提出，用來描述有效的並且有選擇的生物功能。現在的分子識別已經發展為表示主體（受體）對客體（底物）選擇性結合併產生某種特定功能的過程。

應該說超分子化學的兩大領域――分子識別和自組裝以及晶體工程――都是以分子識別為基礎的，前者是在識別的基礎上的自發組裝形成超分子，而後者則是人為通過策略和手段以識別為基礎製造性質獨特的材料。因此分子識別在超分子化學中占有舉足輕重的地位。同時，由於識別過程通常會引起體系的電學、光學性能及構象的變化，也可能引起化學性質的變化。這些變化意味着化學信息的存儲，傳遞及處理。因此，分子識別在信息處理及傳遞，分子及超分子器件製備過程中也起着重要作用。

2 分子識別的原理

分子識別的過程實際上是分子在特定的條件下通過分子間作用力的協同作用達到相互結合的過程。這其實也揭示了分子識別原理中的三個重要的組成部分，「特定的條件」即是指分子要依靠預組織達到互補的狀態，「分子間相互作用力」即是指存在於分子之間非共價相互作用，而「協同作用」則是強調了分子需要依靠大環效應或者螯合效應使得各種相互作用之間產生一致的效果。

2.1 互補性與預組織

互補性（complementarity）及預組織（preorganization）是決定分子識別的兩個關鍵原則。前者決定識別過程的選擇性，後者決定識別過程的鍵合能力。

2.1.1 互補性

底物與受體的互補性包括空間結構及空間電學特性的互補性。空間互補性最早由Fisher的「鎖－鑰匙」關系所描述。

例如，環糊精體系是典型的可用第一代經典的鎖與鑰匙關係比喻的體系。它有一個很典

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型的疏水空腔，能和偶氮染料形成絡合物。如下圖所示，當偶氮化合物上的取代基不同時，它們的反應平衡常數差別並不大，但反應速率卻相差三個數量級。究其原因，這是由於過程的閾效應（threading in process）即空間位阻效應而造成的。

2.1.2 預組織

分子識別的另一重要決定因素是預組織原則。它主要決定識別過程中的鍵能力。預組織是指受體與底物分子在識別之前將受體中容納底物的環境組織得愈好，其溶劑化能力愈低，則它們的識別效果愈佳，形成的絡合物愈穩定。下圖中，化合物5是經過預組織的受體，O原子形成八面體，它的空腔中的6個甲基的空間位阻使O原子不能同溶劑結合，氧的未共享電子對的介電微環境在真空及烴之間。受體5能同鋰離子、鈉離子很好互補，形成穩定化合物6、7。晶體結構數據表明，受體5在絡合前後沒有明顯變化。