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1、超分子结构化学超分子是指由两种或两种以上分子依靠分子间分子间相互作用相互作用结合在一起，组成复杂的、有组织的聚集体，保持一定的完整性，使它具有明确的微观结构和宏观特性。由分子到超分子和分子间相互作用分子间相互作用的关系，正如由原子到分子和共价键共价键的关系。分子间相互作用 非共价键第1页/共48页1987年诺贝尔化学奖授予C.Pedersen发现冠醚化合物J-M.Lehn发现穴醚化合物并提出超分子概念D.Cram主客体化学先驱者此后十多年,超分子化学获得很大发展第2页/共48页超分子和超分子化学通常包括两个领域1.受体和底物在分子识别原则基础上,分子间缔合成分立的低聚分子物种2.数量多而不确定
2、的组分缔合成超分子聚集体a.组成和结合形式不断变动的薄膜、囊泡、胶束、介晶相等b.组成确定，具有点阵结构晶体研究这种超分子：晶体工程第3页/共48页一、超分子稳定形成的因素 G=H-TS 能量因素能量因素 熵因素熵因素第4页/共48页能量因素：降低能量在于分子间键的形成。（a）静电作用 盐键 正负离子 R-COO+H3N-R 正负基团 离子偶极子作用偶极子偶极子作用1.能量因素 +第5页/共48页（b）氢键 常规氢键 X-HY X,Y=F,O,N,C,Cl 非常规氢键 X-H X-HM X-HH-Y（c）M-L配位键 金属原子和配位体间形成的共价配键为主第6页/共48页（e）堆叠作用 面对面
3、边对面（f）诱导偶极子诱导偶极子的作用 即色散力：范德华力(d)疏水效应：溶液中疏水基团或油滴互相聚集，增加水分子间氢键的数量。第7页/共48页2.熵增加因素（a）螯合效应：由螯合配位体形成的配合物比相同配位数和相同配位原子的单啮配位体形成的配合物稳定的效应。Co(NH3)62+Co(en)32+logK 5.1 13.8 Ni(NH3)62+Ni(en)32+logK 8.7 18.6第8页/共48页（b）大环效应：和螯合效应有关，在能量因素和熵因素上增进体系稳定性。LogK 11.24 15.34 -H/kJmol-1 44.4 61.9 S/Jk-1mol-1 66.5 85.8第9页/
4、共48页（c）疏水效应（空腔效应）疏水空腔相对有序水相对有序水无序水无序水第10页/共48页3.锁和钥匙原理是能量效应和熵效应共同配合形成稳定的超分子原理。是超分子体系识别记忆功能识别记忆功能和专一选择功能专一选择功能的结构基础。锁和钥匙间每一局部是弱的相互作用，但各个局部之间相互的加和作用、协同作用形成强的分子间作用力，形成稳定的超分子。第11页/共48页二、分子识别和自组装1.两个概念（a）分子识别分子识别：一个底物和一个接受体分子各自在其特殊部位具有某些结构，适合于彼此成键的最佳条件，互相选择对方结合在一起。（b）超分子自组装超分子自组装：分子之间依靠分子间相互作用，自发的结合起来，形成
5、分立的或伸展的超分子。识别和自组装的根据是：电子因素电子因素：各种分子间作用力得到发挥 几何因素几何因素：分子的几何形状和大小互相匹配第12页/共48页2.冠醚和穴状配体的识别和组装（a）球形离子大小识别第13页/共48页（b）四面体识别 三环氮杂冠醚中N原子的四面体分布，对同样大小的K+和NH4+，倾向于和NH4+结合。第14页/共48页3.氢键识别和自组装（a）DNA DNA中的碱基对就是依靠形成最多的氢键、几何上的匹配。在生命体系中是最重要的一种氢键识别。DNA的氢键识别和自组装是20世纪自然科学最伟大的发现之一。第15页/共48页（b）超分子合成子合成子合成子：用已知的或想象的合成操作
6、所能形成或 组装出来的分子中的结构单位。超分子合成子超分子合成子：用已知的或想像的、包含分子间相 互作用的合成操作所能形成的超分 子中的结构单位。利用氢键的识别，设计超分子合成子是超分子化学的重要内容。下面列出一些有代表性的超分子合成子。第16页/共48页第17页/共48页（c）实例 中性分子识别第18页/共48页氢键识别自组装成分子网球第19页/共48页氢键识别组装成分子饼第20页/共48页氢键识别和 堆叠 联合作用第21页/共48页4.配位键的自组装过渡金属的配位几何学和配位体相互作用位置的方向性特征，提供了合理地组装成各类超分子的蓝图。（a）大环超分子（Mo-O配位键）Mo176O496
7、(OH)32(H2O)80(60050)H2O章士伟等：Chem.Commun.(1998):19371938Muller等:Angew.Chem.Int.Ed.Engl.(1998),37:1220第22页/共48页（b）Zn-N配位键形成的分子盒第23页/共48页（b）Zn-N配位键形成的分子盒第24页/共48页（c）Fe-N配位键组装成的超分子第25页/共48页（d）Mo-C和Mo-N键组装成的超分子第26页/共48页5.疏水作用的识别和组装 环糊精内壁为疏水性。当环糊精接上一个疏水基团（如Ph-C4H9）这个基团通过识别内壁的疏水性，并自组装成长链。第27页/共48页三、晶体工程1.概
8、念和特点概念：许多晶体是完美的超分子 将超分子化学原理、方法以及控制分子间作用的谋略于晶体，形成晶体工程。晶体工程是通过分子堆积，设计和制出奇特新颖、花样繁多、具有特定性质的新晶体。特点：（a）研究晶态超分子 （b）分子间相互作用可直接用X射线晶体学研究，结论明确、可靠。（c）设计方案既包括晶体中分子在空间的排列，也能将强的和弱的相互作用结合考虑。（d）设计的物种既包括单组分，也包括多组分体系。（e）在主宾络合物型式的超分子中，主体孔穴可由几个分子组成。第28页/共48页2.晶体工程的谋略（a）式样的设计 选择原子或基团（简称结点）成键的方向性，以及双功能配体（简称连接棒）的长短、大小和性质，
9、建筑出多种式样的超分子，如下图。第29页/共48页（b）合成子的设计 设计形成较强的和稳定的分子相互作用的物种（），使形成条状、带状、环状和层状聚集体。第30页/共48页通过羧酸间的氢键就是很好的实例：（a,b)一维带状；（c）二维层状；（d）三维骨架一维链状一维带状二维层状三维骨架第31页/共48页（c）多组份的配置 利用各组份相互作用的性能，构筑起多组份晶体。(C2H5)4N+HCO3-(NH2)2CO2H2O 晶体中 HCO3-(NH2)2CO2H2O的层型结构（麦松威、李奇的研究成果）第32页/共48页3.晶体工程构筑示例（a）六次甲基四胺型(CH2)6N4第33页/共48页（a）六次
10、甲基四胺型Pt(bipy)6L412+第34页/共48页（a）六次甲基四胺型AgC(4-C6H4CN)4BF4xPhNO2晶体中的AgC(4-C6H4CN)4结构单元第35页/共48页（b）金刚烷型金刚烷(CH2)6(CH)4第36页/共48页（b）金刚烷型C(C6H4C2C5NH4O)48CH3CH2COOH第37页/共48页（b）金刚烷型两套网格互相穿插：(CH2)6N4CBr4晶体接点(CH2)6N4和CBr4连接棒NBr第38页/共48页（c）四方格型Ag9(Me2bpbpz)6(CF3SO3)9 晶体中的 Ag9(Me2bpbpz)6 9+网格第39页/共48页四、应用1.相转移KF
11、不溶于有机溶剂，但溶于冠醚的乙腈溶液，放出F，使F置换Cl反应进行。第40页/共48页2.分离（a）尿素分离正烷烃和异烷烃第41页/共48页（b）用p叔丁基杯芳烃8从C60和C70混合物中纯化C60第42页/共48页3.合成 按冠醚和M+相互作用的思路，利用Na+,K+等促进多肽环化。实验结果提高环五肽和环七肽等的产率。第43页/共48页4.分子开关(1)不是荧光分子。(2)是荧光分子，可以作为由光引发的分子开关。因为光照时，H+和Na+阻止光诱导电子转移，而从蒽的芳香环发射出荧光，成为光致荧光开关。第44页/共48页5.制备LB膜LB膜技术是在分子水平上制备有序的超分子薄膜的技术。它根据两亲
12、分子在溶液表面的定向排列，进行二维的分子组装或多层的排列组合，形成各种分子水平的器件。第45页/共48页五、展望2020世纪世纪 人们通过量子化学和X射线晶体学深入地认识了分子和分子和晶体晶体的结构，以及共价键、金属键和离子键的本质。2121世纪世纪 要求人们深入地认识超分子超分子的结构，以及分子间相互作用的本质。现在人们对分子间相互作用认识水平还很低，例如：(a)(NO)2中 NN 218pm（晶），(NO)2 中NN 224pm（气）NN 单键 148pm NN 范德华半径和 310pm(b)XHHY二氢键，165190pm HH 单键 74pm HH 范德华半径和 240pm第46页/共48页第47页/共48页感谢您的观看。感谢您的观看。第48页/共48页