9.1.2　超分子体系的特征

超分子体系的最重要特征是组成部分的空间排列和结构，以及将这些组成部分结合在一起的分子间的非共价相互作用。它们具有明确的结构、构象、热力学和动力学性质^[5]。超分子体系可以区分不同类型的相互作用，它们表现出不同程度的强度、方向性以及对距离和角度的依赖性。尽管超分子体系的核心是非共价键化学，但其包含了共价键合的分子单元。共价键构成的分子是超分子骨架的核心，而非共价键则是连接分子的桥梁。不是任何分子都可以用来组装的，要构筑优越的超分子体系，必须有好的分子设计构想。我们在分子设计、组装或者制备超分子时，事实上已经同时考虑了共价和非共价相互作用的因素。例如，一个具有不同取代位置的同分异构体分子或是具有手性差的分子往往表现出有差别的组装结构。

超分子体系的第二个特征是多层次。多层次特性可以从多方面进行理解，例如生物体系、从汉语的结构体系等。生物体系的多层次性包含了多个类别，一是分子、超分子结构的多层次性。例如，20种不同的氨基酸分子通过共价键形成多肽链，多肽链之间通过大量的非共价相互作用（如氢键、离子键、范德瓦耳斯力和疏水作用等）来实现蛋白质的折叠，从而形成多层次的二级、三级及高级结构。只有具有多层次特定构型的蛋白质才能发挥特定的功能。二是生命系统的多层次性。细胞包含一系列复杂的结构，如脂膜、折叠蛋白质、结构化核酸、蛋白质聚集体、分子机器和许多通过自组装形成的结构等，是一个多组分的复杂组装体。细胞是生物体的基本结构和功能单位，通过细胞构筑组织，组织形成器官，器官构筑系统，最后形成个体，即细胞→组织→器官→系统→个体，由此形成最基本的生命系统。表9-2展示了汉语结构的层次特征与超分子体系的多层次性。

表9-2 汉语结构的层次特征与超分子体系的多层次性(https://www.daowen.com)

超分子体系的第三个特征是动态可逆性，即组装与解组装过程同时存在。自组装体系或者超分子体系的形成过程分为两类。第一类涉及严格意义上的超分子相互作用，例如通过氢键形成的“严格”缔合组成一个特定的结构，具有确定分子量的超分子、大环与主客体体系就属于此类。第二类是基于“松散”的分子相互作用，其中某种非共价键占有主导地位，多种其他的相互作用互相协同，这在胶束、囊泡及凝胶自组装中广泛存在。以最简单的胶束为例，两亲分子在胶束中自组装，使得其亲水部分暴露于水分子环境，并由于疏水相互作用而使另一部分不受水分子的影响。类似的机制也会导致其他组装体的形成，例如脂质双层。这些体系往往处于动态平衡中，一方面存在不同大小的组装体，另一方面组装与解组装同时存在，在小分子与组装体之间，组装体的分布达到平衡。这类组装体通常非常灵活，当施加外部信号时，它们灵活地响应，同时保持其基本组织和形状。