超分子化学近年来发展十分迅速，因为其在功能材料、催化化学、生物医药、信息存储等诸多方面有着巨大的潜在应用而备受科学家们的瞩目。近年来，逐渐发现了一些传统分子理论难以解释的现象，如DNA的合成等形成的有序组合、绿色植物的光合作用、酶的催化作用、神经系统的信息传递等，均有特异的物质识别、输送及能量传递和转换功能。随着冠醚化学的发展，分子间作用力协同作用的重要性逐渐为人们所认识，超分子化学应运而生。与原子间由化学键作用而形成分子的分子化学不同，超分子化学是研究分子间相互作用缔结而形成复杂有序且具有特定功能的分子聚集体科学，这种分子聚集体简称超分子。超分子化学是化学的一个崭新的分支学科，又与物理学、信息学、材料科学和生命科学等紧密相关，对超分子体系的深入研究，实际上已超出了化学范畴，形成了超分子科学。 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。分子自组装在膜材料方面的应用：分子自组装膜，特别是自组装单分子膜，是研究最多的领域，并得到了广泛的应用。在生物科学方面，目前分子自组装在生物科学中主要应用在酶、蛋白质、DNA、缩氨酸、磷脂的生物分子自组装膜。这些生物分子自组装膜被广泛应用于生物传感器、分子器件、高效催化材料、医用生物材料领域等。随着技术的进一步发展和性能的进一步提高,分子自组装将得到更深入的研究和更广泛的运用。

1．概述

主客体化学是主体与客体之间通过非共价键的形式相互作用在一起而形成包结物的超分子化学，其中以具有疏水内腔的大环化合物葫芦脲为主体的主客体包结物是近年来主客体化学领域的研究热点之一。葫芦脲是由甘脲缩合而得，其两端口由幾基组成，这种具有很强刚性的空腔大环化合物因为其具有与阳离子或者带正电基团形成稳定包结物的能力，而被认为是构造超分子包结物的明星分子。

1.1葫芦脲

葫芦脲作为大环主体化合物相比于冠醚、杯芳烃、环糊精等有着许多天然的优势。葫芦脲家族种类丰富，现已知的有多种尺寸的大环可供不同尺寸的包结需要。其化学性质非常稳定，在强酸强碱条件下依然保持性质不变，而且耐热耐光照。[2]不仅如此，葫芦脲作为大环主体化合物，有着很强的包结能力，平均其种包结物的包结常数为比环糊精包结物的平均包结常数大一个数量级，并且分布也宽。其刚性的可以发生一定程度形变的大环空腔也可以更加紧密的与客体分子发生包结。

1.2葫芦脲与荧光染料的超分子自组装及应用研究进展

超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学[1]。不同于基于原子构建分子的传统分子化学，超分子化学是分子以上层次的化学，它主要研究两个或多个分子通过分子之间的非共价键的弱相互作用，如氢键、范德华力、偶极相互作用、离子偶极相互作用、亲水疏水相互作用及它们之间的协同作用而生成的分子聚集体的结构域功能。超分子化学利用其分子自组装、信息传递、分子识别、催化等功能，将配位化学、有机合成化学和生物化学有效的结合起来，这为分子器件、材料科学和生命科学的发展开辟了一条崭新的道路。

2.香豆素染料与葫芦脲的组装

轮烷作为超分子化学的一个重要研究方向是分子机器概念提出的主要原型。因其鲜明的特点，被看作是分子机器最有潜力的发展方向。轮烷可以被看作是一个单独的分子，虽然在这个分子内部会发生很多运动，但是我们可以把它看作是构型的转变。组成轮烷的个体之间往往因为空间位阻的力量使得各个组分无法分开，但却可以在某种剌激下发生相对运动。轮烷这些特点，使得它的性质更稳定，受溶剂、温度、光照射等等影响较小。这就使得轮烷可以在更多的环境中工作，也因此有更加广泛的应用和适应性。轮烷的合成至少包括两个过程，一个是客体单元的共价键合成，另一个是大环主体分子与客体分子通过非共价键形式的组装，要想把这两部分组装起来往往并不是简单的事情，因为在最后进行的一步中往往都是共价键反应，在这步共价键反应中，要保证环和其中一部分以包结形式存在，并且能在化学反应条件下处于相对稳定状态才能使最后一步反应成功。基于葫芦脲体系的轮烷发展要明显比其他体系的轮烷发展要缓慢的多，首先是因为人们对葫芦脲的认识较晚，很多性质研究的不够深入。其次，葫芦脲在有机相的难溶性一定程度上限制了葫芦脲的发展，因为除了个别葫芦脲在甲酸中可以溶解外，其它葫芦脲在几乎常见的有机溶剂中的溶解度都非常小，这也增加了以葫芦脲为主体的轮烷的合成难度。尽管如此，聪明的化学家们还是进行了一定的探索，取得了一定的成果。早在年就报道了基于的低聚的轮烷南开大学刘育教授利用过二硫酸氨和盐酸催化苯胺聚合而得到基于的聚轮烷。南京大学陈慧兰教授利用离子配合获得了基于钴离子配合的的轮烷，土耳其教授课题组报道了利用反应合成纯烷基链的基于的轮焼这些卓越的工作，给葫芦轮烷的合成带来了很多指导意义。但是这些工作还不够全面，比如大部分合成的聚轮烷，缺少功能性，结构不太容易改变，而可以动的轮烷，又是纯烷基链，这就大大限制了轮烷应用能力的拓展。为了能使轮烷真正的能像机器一样运动，又能像机器一样输出光和热，我们对变荧光输出轮烷的合成进行了探索。设计构象如图所示。设计一种轮烷，在外界输入刺激的情况下，葫芦脲环可以在杆上做定向运动，并且利用葫芦脲强大的亲核力，当朝脲靠近突光基团的时候会改变荧光基团的电荷分布或者电子跃迁的性质，致使突光强度或者波长发生改变这种结构要求的特点是控制端和信号输出端处在轮烷两端，在外界刺激下，能产生一种驱动葫芦脲移动的力，使葫芦脲在可控的条件下单向运动。

3.香豆素染料与葫芦脲组装体识别性能研究