超分子催化不是一個定義明確的領域，但它通常是指超分子化學，特別是分子識別和客體結合，在催化方面的應用。該領域最初受到酶系統的啟發，該系統與經典有機化學反應不同，它利用氫鍵、陽離子-π相互作用和疏水力等非共價相互作用來顯著加快反應速率和/或允許發生高度選擇性的反應。由于酶結構復雜且難以修飾，超分子催化劑為研究涉及酶催化效率的因素提供了一個更簡單的模型。推動該領域發展的另一個目標是開發高效實用的催化劑，這些催化劑在自然界中可能具有或不具有酶等效物。一個密切相關的研究領域是不對稱催化，它需要分子識別來區分兩種手性起始材料或手性過渡態，因此它可以歸類為超分子催化領域，但超分子催化不一定必須涉及不對稱反應。由于已經有另一篇關于小分子不對稱催化劑的維基百科文章，本文主要關注大型催化主體分子。不包括非離散和結構不明確的系統，例如膠束和樹枝狀聚合物。

Jean-MarieLehn在1987年的諾貝爾演講中將超分子化學定義為分子間鍵的化學，涵蓋了由兩種或多種化學物質締合形成的實體的結構和功能，但超分子催化的概念開始于早在1946年，萊納斯·鮑林(LinusPauling)創立了酶催化理論，其中速率加速是酶對過渡態的非共價穩定的結果。然而，直到幾十年后，人工酶才被開發出來。xxx個簡單的酶模擬物是基于冠醚和穴狀體。1976年，在發現冠醚不到十年后，Cram等人。開發了一種催化轉酰基化的功能化聯萘冠醚。從1970年代初期開始，環糊精因其包封特性而被廣泛研究，并被用作超分子催化劑中的結合位點。環糊精具有剛性環狀結構、親水表面和內部疏水空腔；因此，它們能夠結合水溶液中的有機分子。1978年，在2-苯并咪唑乙酸和α-環糊精存在下加速乙酸間叔丁基苯酯的水解的背景知識下，Brewslow等人。開發了一種基于帶有兩個咪唑基團的β-環糊精的催化劑。該環糊精催化系統通過使用中性咪唑和咪唑鎓陽離子選擇性切割環狀磷酸底物來模擬核糖核酸酶A。催化反應速度快120倍，1993年，Rebek等人。開發了xxx個自組裝膠囊，并在1997年使用所謂的網球結構來催化Diels-Alder反應。自組裝分子比冠醚和環糊精的優勢在于它們可以同時捕獲更大的分子甚至兩個分子。在隨后的幾十年里，許多研究小組，如MakotoFujita、KenRaymond和JonathanNitschke，也從分子自組裝原理開發了籠狀催化劑。2002年，Sanders及其同事發表了使用動態組合庫技術構建受體的文章，并于2003年利用該技術開發了Diels-Alder反應的催化劑。

這里描述了三種常見的催化模式。

超分子主體可以與客體分子結合，使客體的不穩定基團靠近另一種反應性物質的反應性基團。兩個基團的接近增加了反應發生的可能性，從而提高了反應速率。這個概念類似于預組織原理，即如果結合基序在明確定義的位置預先組織，則可以改善絡合，從而使宿主不需要任何主要的構象變化來進行絡合。在這種情況下，催化劑是預先組織好的，因此反應發生不需要重大的構象變化。采用這種機制的催化劑的一個顯著例子是Jean-MarieLehn的冠醚。此外，

雙分子反應高度依賴于底物的濃度。因此，當超分子容器將兩種反應物封裝在其小空腔內時，反應物的有效局部濃度會增加，并且由于熵效應，反應速率會加快。也就是說，分子內反應比相應的分子間反應快。盡管觀察到有效濃度大幅提高，但與酶相比，采用這種催化模式的分子的速率加速很小。一種建議的解釋是，在容器中，底物不像在酶中那樣緊密結合。試劑有空間在空腔中擺動，因此熵效應可能不那么重要。即使在酶的情況下，計算研究也表明熵效應也可能被高估了。通過這種機制起作用的分子的例子是Rebek的網球和Fujita的八面體復合體。

超分子催化劑不僅可以通過將兩種反應物緊密靠近，還可以通過穩定反應的過渡態和降低活化能來加速反應。雖然這種催化的基本原理在小分子或非均相催化劑中很常見，但超分子催化劑由于其通常剛性結構而難以利用該概念。與可以改變形狀以適應底物的酶不同，超分子不具有那種靈活性，因此很少實現完美過渡態穩定所需的亞埃調節。這種類型的催化劑的一個例子是Sander的卟啉三聚體。兩個吡啶官能化底物之間的DielsAlder反應通常會產生內切和外切產物的混合物。然而，在兩種催化劑的存在下，可以獲得完全的內選擇性或外選擇性。選擇性的根本原因是吡啶與卟啉上的鋅離子之間的配位相互作用。根據催化劑的形狀，一種產品優于另一種。

超分子催化劑的傳統方法側重于設計具有適當放置的催化官能團的大分子受體。這些催化劑通常受到具有模擬活性氨基酸殘基的催化基團的酶結構的啟發，但與真正的酶不同，這些催化劑的結合位點是由化學構件制成的剛性結構。本文中的所有示例都是通過設計方法開發的。JeremySanders指出，這種設計方法并不成功，而且由于超分子的剛性，產生的高效催化劑非常少。他認為，與過渡態略有不匹配的剛性分子不能成為有效的催化劑。與其在一個剛性分子上投入如此多的合成努力，以至于我們無法將其精確的幾何形狀確定到良好穩定性所需的亞埃水平，Sanders建議使用許多具有競爭性弱相互作用的小型柔性構件，以便有可能催化劑可以調整其結構以更好地適應基材。在柔性結構的焓收益和剛性結構的熵收益之間存在直接的權衡。柔性結構或許可以更好地結合過渡態，但它為基板移動和振動提供了更多空間。過去，大多數超分子化學家出于對熵成本的恐懼，更喜歡構建剛性結構。這個問題也許可以通過貝克和胡克的由內而外的方法來解決，這種方法允許系統的從頭酶開發。這種計算方法簡單地從預測的過渡態結構開始，通過優化官能團的排列以穩定過渡態，慢慢向外構建。然后它會填充剩余的活性位點，最后，它會生成一個完整的蛋白質支架，其中可以包含設計的活性位點。這種方法有可能應用于超分子催化，盡管過多的化學構件很容易壓倒打算使用20個氨基酸的計算模型。

假設催化活性很大程度上取決于催化劑對過渡態的親和力，可以合成過渡態類似物(TSA)，這是一種類似于反應過渡態的結構。然后，可以將TSA與固體支持物或可識別標簽聯系起來，并使用該TSA從多種不同的潛在催化劑的混合物中選擇最佳催化劑，這些催化劑是通過面向多樣性的合成以化學或生物方式產生的。這種方法可以快速篩選不同化合物的庫。它不需要太多的合成努力，并且可以同時研究各種催化因素。因此，該方法可能會產生一種有效的催化劑，這是我們目前的知識無法設計的。使用這種方法開發和研究了許多催化抗體。

過渡態類似物選擇方法的一個問題是催化活性不是篩選標準。TSA不一定代表真正的過渡態，因此通過篩選獲得的催化劑可能只是TSA的最佳受體，但不一定是最佳催化劑。為了規避這個問題，需要直接快速地測量催化活性。為了開發高通量屏幕，可以設計底物以在反應時改變顏色或釋放熒光產物。例如，Crabtree及其同事利用這種方法篩選烯烴和亞胺的氫化基化催化劑。不幸的是，這種底物的先決條件縮小了研究的反應范圍。

與首先生成催化劑庫并隨后篩選的傳統組合合成（如在上述兩種方法中）相比，動態組合庫方法利用可逆地形成催化劑庫的多組分構建塊的混合物。在沒有模板的情況下，該庫由大致相等的不同構建塊組合組成。在作為起始材料或TSA的模板存在的情況下，提供與模板最佳結合的組合在熱力學上是有利的，因此該組合比其他文庫成員更普遍。然后可以通過通過諸如溫度、pH、pH、或輻射以產生最佳催化劑。例如，Lehn等人。使用這種方法從一組胺和一組醛創建亞胺抑制劑的動態組合庫。一段時間后，通過添加NaBH3CN終止平衡，得到所需的催化劑。

在自然界中，丙酮酸氧化酶使用兩種輔因子硫胺素焦磷酸(ThDP)和黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)來催化丙酮酸轉化為乙酰磷酸。首先，ThDP介導丙酮酸的脫羧并生成活性醛作為產物。然后醛被FAD氧化，隨后被磷酸鹽攻擊以產生乙酰磷酸鹽。Diederich和他的同事用基于環烷的超分子催化劑模擬了這個系統。該催化劑具有噻唑鎓離子（ThDP的反應性部分）和黃素（FAD的基本核心），它們緊密靠近和靠近底物結合位點。催化循環與自然界幾乎相同，只是底物是芳香醛而不是丙酮酸鹽。首先，催化劑在其環烷環內結合底物。然后，它使用噻唑鎓離子與底物縮合產生活性醛。該醛被黃素氧化，然后被甲醇攻擊以產生甲酯。

進行性酶是催化連續反應而不釋放其底物的蛋白質。進行性酶的一個例子是RNA聚合酶，它與DNA鏈結合并反復催化核苷酸轉移，從而有效地合成相應的RNA鏈。Nolte和同事開發了一種錳卟啉輪烷形式的人工加工酶，它沿著烯烴的長聚合物移動并催化多輪烯烴環氧化。卟啉中的錳(III)離子是分子的催化中心，能夠在氧供體和活化配體的存在下進行環氧化。使用小配體（例如吡啶）從輪烷的空腔內結合錳，環氧化發生在催化劑外部。然而，對于不適合空腔內部的大體積配體（例如叔丁基吡啶），環氧化發生在催化劑內部。

Raymond和同事開發了一種超分子主體M4L6（每個配合物有4個鎵離子和6個配體），它通過水溶液中的金屬-配體相互作用自組裝。該容器分子是聚陰離子的，因此其四面體形空腔能夠封裝和穩定陽離子分子。因此，包封的分子可以很容易地質子化，因為質子化產生的碳正離子被周圍的陰離子穩定。Raymond利用這一特性進行酸催化的Nazarov環化。該催化劑將反應加速超過一百萬倍，使其成為迄今為止最有效的超分子催化劑。有人提出，如此高的催化活性不僅來自封裝底物的堿性增加，還來自穩定環化過渡態的收縮結合。不幸的是，這種催化劑存在產物抑制問題。為了繞過這個問題，環化反應的產物可以與親二烯體反應，將其轉化為不再適合催化劑腔體的Diels-Alder加合物。在這種情況下，超分子宿主最初的設計目的是簡單地捕獲陽離子客體。大約十年后，它被用作納扎羅夫環化的催化劑。

Fujita和同事發現了一種自組裝M6L4（每個配合物中有6個鈀離子和4個配體）超分子容器，可以通過添加xxx手性助劑將其增強為手性超分子。在這種情況下，輔助二乙基二氨基環己烷不會直接激活催化位點，而是會引起三嗪平面的輕微變形，從而在容器分子內產生手性空腔。然后，該容器可用于不對稱催化馬來酰亞胺和惰性芳族化合物熒蒽的[2+2]光加成反應，此前尚未證明它們會發生熱或光化學周環反應。該催化劑產生40%的對映體過量。

受具有深活性位點口袋的酶的啟發，List及其同事設計并構建了一組受限的布朗斯臺德酸，該酸具有基于C2對稱雙（聯萘基）亞氨基二磷酸的空間要求極高的手性口袋。在手性微環境中，催化劑具有幾何固定的雙功能活性位點，可同時激活底物的親電部分和親核部分。該催化劑能夠以高對映體過量形成立體選擇性螺縮醛，適用于各種底物。

超分子容器不僅在催化方面有應用，而且在相反方面也有應用，即抑制。容器分子可以封裝客體分子，從而使客體不反應。抑制機制可能是底物與試劑完全分離，或者容器分子使反應的過渡態不穩定。Nitschke及其同事發明了一種自組裝M4L6超分子宿主，該宿主具有可以封裝白磷的四面體疏水腔。與空氣接觸時會自燃的自燃磷在空腔內呈現為空氣穩定狀態。即使空腔中的孔大到足以讓氧分子進入，但燃燒的過渡態太大而無法容納在小籠形空腔內。

超分子化學自誕生以來的幾十年后，在實際催化中的應用仍然難以捉摸。超分子催化尚未在工業化學或合成方法學領域做出重大貢獻。以下是與該領域相關的一些問題。

在許多設計用于與Diels-Alder等雙分子加成反應一起工作的超分子催化系統中，反應產物與超分子主體的結合比兩種底物更強，因此導致產物的抑制。因此，這些催化劑的周轉數為1，并不是真正的催化。完全轉化需要化學計量量的催化劑。

大多數超分子催化劑都是從剛性構建塊開發的，因為在構建所需形狀和將官能團放置在設計者想要的位置方面，剛性塊沒有柔性部件復雜。然而，由于剛性，與過渡態的輕微失配不可避免地導致穩定性差，從而導致催化能力差。在自然界中，酶是靈活的并且可以改變它們的結構以比它們的天然形式更好地結合過渡態。

大型復雜催化劑的合成既費時又費資源。與設計的意外偏差可能是災難性的。一旦發現了一種催化劑，為了進一步調整而進行的修改可能在綜合上具有很大的挑戰性，以至于研究不良催化劑比改進它更容易。