1.2　超分子化学和晶体工程

20世纪80年代，C. J. Pedersen、D. J. Cram和J. M. Lehn三位科学家因在超分子化学理论方面的开创性工作获得了诺贝尔化学奖［33，34］。2016年，诺贝尔化学奖再次授予超分子化学领域，以表彰Stoddart、Sauvage和Feringa三位科学家在分子机器设计与合成领域的杰出贡献，为超分子化学今后的发展开启了一个新的篇章［35］。超分子化学（supermolecular chemistry）也可以认为是超越分子水平的化学，是指两种或两种以上的化学物种通过弱相互作用缔结在一起，是具有更高的复杂性和特定组织性的化学，其主要研究内容包括：分子识别、模板、自组装、晶体工程、分子器件和其他功能材料等。其中，分子识别是指主体对客体的选择性结合和随之产生具有特定结构或光、电、磁学等功能的过程，并在超分子领域占据着非常重要的地位。同时，分子识别也是自组装和晶体工程的基础，前者是在识别的基础上通过主客体间的弱相互作用自发地组装成超分子结构，而后者则是科学家们利用人为设计的策略和手段并在分子识别的基础上合成出具有独特结构和功能的材料［36-39］。这些非共价相互作用大致包括：传统的静电作用、N—H…O和O—H…O氢键、π…π堆积（面面、边面）和疏水相互作用等较强的作用，还扩展到许多大家共同认知的较弱的相互作用，如：C—H…N、C—H…O、N—H…X和C—H…X氢键，N—H…π、O—H…π和C—H…π作用，甚至X-X和M-M等弱的相互作用［40-44］。尽管这些非共价作用相比共价键比较弱，但是在晶体堆积以及分子识别方面却发挥着非常重要的作用。

20世纪60年代，“晶体工程”（crystal engineering ）这一术语首次由Schmidt使用，初衷是想设计有机分子让其有序地排列出特定的晶体结构，并且能在晶态条件下发生化学反应［45］。目前，晶体工程学通常是指通过分子堆积理解分子间的作用力，并设计和制备出具有种类多样、特定物理和化学性质的新晶体，其也是分子工程学的一个非常重要的组成部分。它主要涉及分子和化学基团在晶体中的行为、晶体结构与功能的设计与调控及预测，是实现分子到材料的一个重要途径。同时，X射线晶体学能对结构单元中分子间相互作用提供明确和可靠的数据，为超分子化学合成与应用奠定了坚实的基础。如果说分子是原子利用共价键连接而成，那么结晶态的无机-有机杂化物就是两者组分间通过非共价键相互作用自组装而成，其排列具有周期性，最终形成宏观尺度的晶体［46］。近年来，随着晶体工程理论的不断深入研究及其在分子识别、分子器件和分子材料的研发过程中的广泛应用，晶体工程已成为设计与组装各种具有光、电、磁、吸附、催化、离子交换、分离等新功能材料的主要合成策略［47-49］。