化学与材料科学领域的创新技术将会改变我们这个世界临近2021年岁末，在北京举办的“2021研究前沿发布暨研讨会”对外发布《2021研究前沿》在化学与材料科学领域，2021年的Top10热点前沿中超过半数的前沿属于首次入选，非共价相互作用就是其中之一，现在小编就来说说关于非共价相互作用研究进展与发展趋势 非共价相互作用研究进展与发展趋势?下面内容希望能帮助到你，我们来一起看看吧!
非共价相互作用研究进展与发展趋势 非共价相互作用研究进展与发展趋势
化学与材料科学领域的创新技术将会改变我们这个世界。临近2021年岁末，在北京举办的“2021研究前沿发布暨研讨会”对外发布《2021研究前沿》。在化学与材料科学领域，2021年的Top10热点前沿中超过半数的前沿属于首次入选，非共价相互作用就是其中之一。
利用这种新颖的分子间相互作用所构筑的材料表现出来独特性能，在光波导、传感、催化和药物发现等领域具有广阔的应用前景。中国科学院院士、清华大学化学系教授、博士生导师王梅祥在会上以“非共价相互作用研究进展与发展趋势”为题做了专题报告。以下为报告整理。
非共价相互作用：超分子化学的基本科学原理
在物质科学当中，化合物中存在两类相互作用，一类称为强相互作用，另一类称为弱相互作用。用化学的语言来说，一类是共价的化学键作用，另外一类是非共价的化学键作用。
以DNA分子为例，核苷酸单元中含氮碱基与碳共价连接，这种由两个原子通过共享电子对所形成的相互作用是一种强相互作用，形成的化学键称为共价键。另外，核酸或者DNA之所以能形成双螺旋结构，是因为在两条链上的碱基和碱基之间还存在非共价相互作用，从而形成碱基对。另外在层与层之间，还有一类非共价相互作用，称为堆积力。通过上述这些相互作用力，最终形成了DNA的双螺旋结构，并且该结构在一定条件下是稳定的。
除了上述的氢键和碱基堆积力，其实非共价作用还有很多类型。这些作用力在自然界是客观存在的，但是人类对它们的发现、挖掘、阐释却是一个曲折发展的过程。随着技术的不断进步，特别是测试技术和理论分析的不断深入，人类逐步挖掘了很多新的非共价相互作用力，比如离子和离子相互作用、范德华作用力、卤键、硫键等。
共价键和非共价键最本质的差异在于它们的键能是完全不一样的。显然，非共价相互作用力跟共价作用力相比是非常弱的，但是我们也不能小看非共价相互作用力。因为在一个物质的凝聚的体系当中，如果有多重多种非共价作用力同时存在且协同作用时，显现出来的作用力依然是非常强的。自然界中很多物质的形态，从纳米尺度的颗粒，再到更大的介观物质，一直到宏观物质，都离不开非共价作用力。没有非共价相互作用力，就根本不存在所谓的分子组装、分子识别，也不可能有细胞这样一个生命的最基本形态。
对于化学研究，特别是超分子化学研究来说，非共价相互作用一直是核心领域，也一直是研究前沿，它提供了超分子化学研究最基本的科学原理和基础，也是人们认识世界的一个非常重要的视角。随着新的非共价相互作用不断被发现，我们对物质科学的理解也在不断加深。如何运用这些非共价相互作用力，来创造新的有价值的物质，并创造新的性能，是相关领域科研人员的重要工作。
卤键、硫键：非共价键研究领域的新范式
卤键、硫键等二次键是超分子的弱相互作用。作为非共价键研究领域的新范式，卤键、硫键等二次键引发了分子间相互作用的新方向，近年来成为化学与材料科学领域的热点研究方向。
针对卤素键的研究最早始于1814年，对它的认识也经历了一个曲折的过程。最开始，人们对这些新的，特别是与化学哲学、常识不相一致的作用形态，都采取一种怀疑的态度。但是，随着实验证据的不断累积，人类对它的认识也逐渐清晰。在过去的二十年中，基于各种技术，比如微波、红外、拉曼、核磁共振等，卤键的实验证实越来越多，卤键的研究在整个物质科学研究中达到了一个高峰。这其中离不开国际纯化学和应用化学联合会（IUPAC）所作的贡献，该组织在2013年正式认定卤键为一种新型的非共价相互作用力，是一种含卤素的化合物与路易斯碱形成的非共价键。
目前，卤键已经在几个领域中得到应用。在晶体工程当中，它在软材料以及一些表面材料的构建中发挥了非常大的作用。另外，卤键也被应用在催化中。最近，利用它来进行化学合成有了很大的进展，特别是将其应用到光电工程材料中的研究取得了飞跃式的发展。卤键作为一种新的被人们认识的非共价相互作用形式，在物质科学当中正在发挥着更大的作用。当然，卤键也有其自身的缺点，由于形成卤键的分子相对比较活泼，因此利用卤键做催化的稳定性存在一定的问题。克服卤键的这一缺点，是留给科研人员的挑战。
针对硫键的研究则始于20世纪60年代。在过去的几年中，硫键又引起了学术界极大的兴趣。硫键跟卤键的原理是类似的，是含硫族元素化合物跟路易斯碱发生的相互作用。硫键作为一种非共价相互作用力在分子识别、组装方面有比较好的应用。它可以应用到晶体工程，也可以做纳米孔的材料、离子的识别、离子的疏运，做人工模拟的银离子通道等。
尽管对卤键和硫键的研究由来已久，但目前理论化学家对它们真正的本质还是有一定争议，对支配这些相互作用的基本几何和物理参数的研究和理解还处于初级阶段，对其在超分子构筑中所发挥的作用及在合成转化、晶体工程、催化以及合成/ 构造功能材料中应用的认识和实践还需进一步的深化。相信在以后的几年当中对它本质的理解会上到一个更新的程度。
阴离子-π作用
阴离子-π作用，即阴离子与缺电子芳香环之间存在的相互吸引作用，是目前化学和物质科学界比较关注的一类作用。
阳离子-π作用，是我们比较好理解的一类作用，即一个芳香环负电子的金属离子可以有相互吸引作用，这是合乎化学哲学的。但在21世纪初，美国、欧洲共有三个实验室同时报道了芳香环与阴离子也可以形成相互吸引作用，即阴离子-π作用。这个作用被报道后引起了学术界的强烈反响，不少科学家认为它违背化学哲学。美国橡树岭国家实验室的理论化学家、实验化学家Benjamin P. Hay 当时就发表了一篇文章认为这种作用可能并不存在。同时他还质疑当时仅有的一个实验事实中，阴离子-π相互作用可能是因为静电作用或氢键作用引起的。对这个研究领域的学者来说是一个很大的打击。事实上，当初的实验事实非常缺乏，实验的模型不准确，理论的计算也非常粗糙，作用的本质缺乏合理的解释。阴离子在生物体系和生命过程中是非常重要的，但是跟阳离子的研究相比，阴离子研究一直举步维艰。因为与阳离子相比，阴离子有不同的形态和形状，如球形、线性、棒状，很难用一个统一的概述模型去研究。阴离子-π作用是否存在？它能够对物质科学产生多大的影响和推动？这成为该领域科学家希望突破的问题。
我们团队在21世纪初开始做全新功能化大环分子化学的研究。我们发展了两类分子，一类叫杂杯芳烃，另一类叫冠芳烃。这两种分子都具有缺电子性，而且具有不同空腔尺寸、形状和作用位点，是研究阴离子-π作用很好的模型。这项研究非常难做，但我们还是颇有成效。举例来说，我们用这个分子获得了第一个电中性的π面分子跟氯离子之间相互吸引作用的证据，让学术界相信这个相互作用是存在的。在接下来的实验研究中，我们测量了上述分子跟不同形状和结构的阴离子（如球形的卤负离子、平面三角形的硝酸根、正四面体的四氟硼酸根、正八面体的六氟磷酸根）的相互作用强度，给出了最直接的实验证据，进一步表明阴离子-π作用是普遍存在的一种非共价相互吸引作用，而且存在不同的相互作用模式。从此学术界有关于阴离子-π作用到底存在与否的争论就烟消云散了，在很大程度上纠正了人们在这个化学哲学上的错误判断。
在解决了上述问题以后，国内外学术界对阴离子-π作用的应用作了大范围的深入的系统的研究。比如协同性的问题。阴离子-π作用可以多重协同，也可以跟氢键等其他非共价作用协同，通过协同作用可以实现硫酸根、磷酸根、磷酸二氢根等的识别。未来，我们希望运用我们合成的分子，运用阴离子-π作用的原理，能够把核废料当中的硝酸根提取出来。另外，这项研究在利用阴离子诱导和控制组装体的结构、构建人工模拟的阴离子通道、调控生物大分子和分子组装体材料的性能、实现阴离子催化反应等方面都体现了很好的应用前景。
发展趋势
物质世界当中还有很多非常重要的非共价相互作用力等待着人类去发现。随着现代科学技术的不断发展，未来我们一方面将不断深化对非共价相互作用力的认识，并发掘更多的非共价相互作用力。另一方面则是要有能力来操控这些非共价相互作用力，从而使得我们可以构建更多功能材料。新型非共价相互作用的研究能够为超分子体系以及功能材料的设计提供新的驱动力，为推动物质科学研究的发展提供更多机遇。
来源：高科技与产业化
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