超分子模糊识别的可能性与机制探索

超分子能否像人一样进行模糊识别？当今超分子识别要求主体分子具有与客体分子完全互补的拓扑特征或电子特征，这就使得主体的合成变得艰难而繁琐，也无法对大多数普通分子进行有效识别。本项目提出了模糊识别理论，其实质就是利用分子间的各种基元作用力的协同效应来实现高效识别。模糊识别可完全由各种非专一作用力驱动，客体在主体内是动态的。该机制适合对构象丰富多变、无电子特征的普通分子进行识别，并允许由结构粗糙、价廉易得的超支化聚合物胶囊来充当主体。该主体内部大量随机分布的官能团可以进行各种精细、方便的改性。这些随机分布的改性点与空间不对称的客体分子相互契合，可以放大主客体间的作用强度，从而实现高效识别。我们的初步研究表明即使是极性的静电作用和非极性的范德华力也可以协同作用。模糊识别将使得超分子识别变得方便、高效和广泛，而且能模拟酶的某些功能，有助于化工生产逐步向绿色的生物方式靠近。

本项目针对的核心问题是主客体间的非专一作用能否实现分子识别、分离与富集。高效分子识别一般由专一作用力推动，但主体的合成通常十分繁琐，且该策略并不适用于除了具有拓扑特征和电子特征之外的多数普通分子。聚合物胶囊与客体间的互补作用通常为非专一作用，因此客体亲合广泛，而选择性偏低。但扎德曾指出复杂系统都具有非线性性质。一般认为非线性表明具有别构效应或协同作用。我们认为多种不同的非专一作用力，其空间组合也有可能产生某种客体选择性，特别是对结构复杂而具有一定柔性（无拓扑特征）的主客体而言。由于超支化聚合物的官能团通常密集而丰富，且分布在整个分子结构中，作为胶囊的核可以提供了一个独特的电子改性平台。我们的研究表明通过胶囊核的化学设计，（1）即使对电荷/半径比小的有机离子, 也能成功实现广泛的电荷选择性分离；（2）对带同种电荷的各种有机离子化合物, 包括某些结构非常相似的化合物，能有效识别与分离；（3）能调节主客体间作用强度，从而实现热力学意义上的受控释放。利用这些特点，我们成功分离了很多种一般方法难分离的混合物。我们合成的载体性主体，还能作为高效固相提取剂，同时清除水中的多种痕量亲油和亲水污染物。例如，首次使水中数种致癌的多环芳香烃含量降低到十亿分之一的残留水平; 而对毒性较低的离子性芳香化合物的残留水平也能同时降低到十亿分之一摩尔/升左右的残留水平。固相提取剂还能高效回收阴离子性金属催化剂，并成功实现多肽的高效电荷选择性分离和回收。