什么是超分子

超分子（supramolecule）是指由两个或多个分子通过非共价键相互作用（如氢键、范德华力、π-π堆积、金属配位、疏水作用等）自发组装形成的、具有特定结构和功能的有序聚集体。

核心特征：

1. 非共价键驱动：与共价键形成的“分子”不同，超分子依赖弱相互作用力，过程可逆（如DNA双链的氢键）。
2. 自组装（self-assembly）：组分在热力学平衡下自发形成稳定结构（如细胞膜的双分子层）。
3. 结构动态性：因非共价键的弱性，超分子可响应外界刺激（pH、温度、光等）发生可逆重组（如药物控释载体）。
4. 功能协同：整体表现出单一分子不具备的集体性质（如主-客体分子的选择性识别）。

经典例子

• 环糊精包合物：环糊精（主体）通过疏水作用包埋药物分子（客体），提升药物水溶性。
• DNA双螺旋：碱基对间的氢键和π-π堆积形成稳定的超分子结构。
• 金属有机框架（MOFs）：金属离子与有机配体通过配位键构建的多孔晶体，用于气体存储或催化。简言之，超分子是“分子之外”的化学，研究分子如何像乐高积木一样通过弱相互作用搭出功能复杂的“超级结构”。超分子的“名片”可以浓缩成 4 个关键词：自组装、可逆、协同、可设计。它们决定了这类材料能做什么、不能做什么。下面把“特点”与“用途”一一对应，方便一眼看出因果关系。

四大特点及用途

1. 自组装： 低能耗、大面积、三维有序

特点：组分在热力学驱动下自发形成纳米-微米级有序结构，无需光照、高温或高压。用途：

• 纳米光刻胶替代：PS-b-PMMA 嵌段共聚物 5 nm 线条自组装，已用于 3 nm 节点 DRAM 试产。
• 大尺寸光子晶体：SiO₂ 或 PS 微球 100 L 反应釜一次得到 300 mm 晶圆级蛋白石模板，用于 LED 背光增亮膜。

2. 可逆： 刺激-响应、循环使用、自修复

特点：非共价键能“断-合”可逆，外场（pH、光、氧化还原、温度、竞争客体）即可开关。用途：

• 药物控释：环糊精-阿霉素包合物在肿瘤微酸环境解离，血半衰期延长 6 倍，已进入临床Ⅱ期。
• 自修复涂层：基于多重氢键的 UPy-丙烯酸酯涂料，划痕 23 ℃ 下 30 min 内恢复 95 % 光泽，用于汽车清漆。
• 可重复粘接胶：Fe³⁺-邻苯三酚配位胶，水下 5 次拆-粘强度保持 90 %，替代环氧树脂做临时夹具。

3. 协同： 分子识别、信号放大、集体功能

特点：多个弱作用叠加后产生“1+1≫2”的选择性和灵敏度。用途：

• 化学传感器：瓜环与甲基紫精的主-客体复合，荧光猝灭常数提高 400 倍，实现河水中 0.1 ppb 百草枯快检。
• 手性拆分：席夫碱-锌配合物通过氢键网络对映选择性沉淀，一次结晶拿到 99 % ee 的左旋薄荷醇，年产量千吨级。
• 仿生催化：羧酸-咪唑协同网络把 CO₂ 电还原过电位降低 240 mV，法拉第效率 94 %，跑 100 h 活性无衰减。

4. 可设计： 精准结构、模块替换、功能定制

特点：像拼乐高一样把氢键、配位、π-π、疏水模块按需组合，原子级精度却无需化学合成“从头来”。用途：

• 金属有机框架（MOF）：UiO-66-(NH₂)₂ 比表面积 1200 m² g⁻¹，常温常压储氢 2.3 wt%。
• 共价有机框架（COF）：TpPa-1 薄膜用于纳滤，NaCl 截留率 98 %，水通量 8 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，潜力在海水淡化预处理。
• 超分子电极：冠醚-四硫富瓦烯轮烷 1 nm 单分子结，开关比 10⁴，循环 10⁵ 次，做分子存储器原型。

与其他常见技术概念的区别联系

下面把 一些概念逐一拆开：解释它们与超分子的联系和区别。所有判断均以 IUPAC 对 supramolecular 的共识定义为准——“由可逆且具识别性的非共价相互作用驱动的、分子组分自发形成的离散或有序聚集体”。

1. 蛋白质四级结构

二级结构（α-螺旋/β-折叠）氢键方向固定、序列决定、高度协同 → 属于“分子内”超分子相互作用，但产物是单条链的局部构象，不视为独立超分子聚集体。三级结构同一肽链内远距离 R 基团通过盐桥、疏水、二硫键（共价）折叠成球。含部分非共价，但总体是“单分子”事件，不算超分子。四级结构多条肽链（或亚基）靠氢键、盐桥、疏水、配位 Zn²⁺ 等可逆非共价自组装成限定化学计量复合体（如血红蛋白 α₂β₂）→ 典型超分子体系。区别：只有“多亚基组装”的四级结构满足“离散聚集体”标准；二、三级是链内折叠，归属“结构生物学”而非超分子化学。

3. 细胞信号通路中的受体-配体

受体-配体结合（抗原-抗体、酶-底物、GPCR-激素）具备高选择性、可逆、非共价 → 生物学语境下的超分子识别事件。区别：若后续触发共价修饰（磷酸化、泛素化），则“信号转导”整体进入共价网络，超分子只限于初始识别步骤。

4. 共晶（cocrystal）

共晶是两种中性分子在晶格中固定化学计量、通过氢键/卤键/π-π 等可逆相互作用形成周期性有序固体 → 符合超分子定义（IUPAC 把共晶直接列为“超分子合成子”的固态表达）。区别：若共晶组分间出现质子转移（即成盐），则归为离子晶体，超分子特征减弱。

5. DES（深共熔溶剂）

深共熔溶剂是氢键供体-受体（如氯化胆碱/尿素 1:2）通过动态氢键网络形成液态聚集体，组成固定、可逆、可交换 → 被广泛接受为“流体超分子”（又称“超分子溶剂”）。区别：当 DES 水分>10 wt% 后，网络被稀释，氢键寿命缩短，逐渐退化为“普通浓溶液”，超分子性质减弱。有一些结构，分子之间也是由于非共价相互作用结合在一起，但它们绝大多数情况下并不属于超分子，例如：

溶液结晶（小有机分子/盐）晶核形成与生长靠多向、无识别位点的范德华、静电、氢键；产物是宏观无限共价/离子晶格，且通常不可逆 → 不属于超分子。区别：若晶体中内含“可逆主-客体”通道（如脲/硫脲包合物、MOF 单晶），则该包合物部分可划为超分子。

液体凝固（水→冰，熔融金属→固体）区别：纯物质分子间仅各向同性范德华或氢键，无化学计量限制、无识别位点、相变不可逆（重熔需外部能量）→ 物理相变，非超分子。还有一些其他技术概念，有些是属于超分子，有些不是，具体如下表：

文章转自：美妆科学123公众号