超分子自组装研究进展
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（b）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，形成分立的或伸展的超分子。
识别和自组装的根据是： 电子因素：各种分子间作用力得到发挥 几何因素：分子的几何形状和大小互相匹配
13
➢ 分子识别 （客体和主体，给体和受体，锁和钥匙）
局部的弱相互作用 加和、协同，形成 锁和钥匙间强的分 子间作用力，生成 稳定的、具有特定 结构的超分子。
Fritz Vogtle
形状和离子选择性受体
18
A
底物
B
合成
受体
共价键 C
D
分子化学
简介
相互作用
超分子
识别
自组织 自组装
转换
易位 功能组分
分子/超分子 器件
19
2. 超分子自组装的驱动力
氢键
静电相互作用：静电自组装（离子自组装）
主客体相互作用：环糊精 电荷转移作用 亲疏水作用
π-π堆积
范德华力
••••••
1
2. 超分子的特征
结构单元 结合力 结构的实现 结构
分子化学
超分子化学
原子或原子团，合成 具有组装能力的分子，构筑子
子synthon）
（tacton）
共价键
非共价键
合成化学
分子组装
分子结构
超分子结构
性能
物理和化学性能
物质、能量和信息传输功能
2
超分子的理解
汉语的构筑与超分子构筑
汉语 偏旁、部首 汉字 词组 句子
1873年
1894年
1920年
1967年 1953年
分子机械 高度复杂的自组装结构 传感器和电子-生物接口
自我复制系统 分子信息处理设备
1980s
1990s
van der Waals 分子间力
Latimer/Rodebush 氢键
Charles J. Pedersen 冠醚
简介
Donald J. Cram Jean-Marie Lehn
疏水空腔 相对有序水
无序水
10
5. 超分子的重要性
(1)物质结构中不可逾越的层次，承上启下 超分子化学的研究是从分子走向生命，从分子实
现器件，功能材料的必经之路。
(2)创造新物质的源泉 自然界存在和人工合成的元素百余种→近3000
万化合物→ 进一步组装，多少物质？
25 Questions by Science.
文章
超分子构筑 原子、离子、原子团 分子：具有组装功能的分子 分子聚集体：微粒、超分子膜、螺旋体等 分子聚集体高级结构：多种结构域与亚基结合的 酶，聚集体板块结构功能化形成的分子器件 化学机器：多酶组装体、超分子微型机器
分子化学研究分子个体，超分子化学研究分子的集团，分子的社会，分 子形成的“国家”。
11
Molecular recognition
Life science
Molecular self-organization
E
Enzyme Biomembrane
function
Liposomes
2D Protein crystallization
典型的
Micelles
+
Host/guest
超分子体系
systems
Monolayers
Surface functionalization
Multilayers
Liquid crystals
Function via
organization
Materials science
Order and mobility 12
二、分子识别和自组装
1. 两个概念
（a）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。
超分子自组装是指在平衡条件下 相同或不同分子间通过非共价键弱互相作 用自发构成具有特种性能的长程有序的超 分子聚集体的过程。
在超分子科学领域“组装”的重 要性就如同分子化学中的“合成”一样。
16
分子化学
++
超分子化学
+
17
简介
机械来自百度文库互锁分子结构
Fischer 酶-底物->锁和钥匙
沃森/克里克 DNA双螺旋模型
虽然，人们已经熟悉了分子的合成，但是对于分子集团的形成规律， 组织结构，功能实现的机理等还不是非常明确。
3
3. 超分子的分类
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Host-guest
数量多而不确定的组分缔合成超分子组装体 (Molecular assemblies)
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
4
超分子的稳定性－能量因素
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
－＋
－＋
5
（b）氢键
常规氢键 X-H····Y
X, Y = F, O, N, C, Cl
分子识别是构筑 有序超分子结构
所必需的。
14
分子自组装
分子自组装（self-assembly）是 指基本结构单元自发形成有序结构。在自 组装过程中，基本结构单元在基于非共价 键的相互作用下自发的组织或聚集为一个 稳定、具有一定规则几何外观的结构。
在分子自组装的基础上，发展 出了超分子科学。
15
超分子自组装
1.超分子的定义
基于共价键存在分子化学，基于分子有序体和分子 间价键而存在超分子化学
分子以上（层次）的化学 Chemistry beyond molecules
超分子是指由两种或两种以上分子依靠分子间相 互作用结合在一起组成的复杂的、有组织的实体， 保持一定的完整性，使它具有明确的微观结构和宏 观特性。
Co(en)32+ logK
Ni(en)32+ logK
Co(NH3)62+
5.1 Ni(NH3)62+
13.8
8.7
18.6
8
（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 15.34
11.24
-H/kJ·mol-1
44.4
9
61.9
（c）疏水效应（空腔效应）
20
表1 分子间作用力的分类
• 类型
力的范围
• 和性(NA)
• 重叠
短程
• (库仑力及电子交换)
非常规氢键 X-H····
XH····M
H····H-Y
X-
6
（c）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。
（d）···· 堆叠作用
边对面
面对面
（e）诱导偶极子－诱导偶极子的作用
即色散力：范德华力
7
超分子的稳定性－熵效应
（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。
识别和自组装的根据是： 电子因素：各种分子间作用力得到发挥 几何因素：分子的几何形状和大小互相匹配
13
➢ 分子识别 （客体和主体，给体和受体，锁和钥匙）
局部的弱相互作用 加和、协同，形成 锁和钥匙间强的分 子间作用力，生成 稳定的、具有特定 结构的超分子。
Fritz Vogtle
形状和离子选择性受体
18
A
底物
B
合成
受体
共价键 C
D
分子化学
简介
相互作用
超分子
识别
自组织 自组装
转换
易位 功能组分
分子/超分子 器件
19
2. 超分子自组装的驱动力
氢键
静电相互作用：静电自组装（离子自组装）
主客体相互作用：环糊精 电荷转移作用 亲疏水作用
π-π堆积
范德华力
••••••
1
2. 超分子的特征
结构单元 结合力 结构的实现 结构
分子化学
超分子化学
原子或原子团，合成 具有组装能力的分子，构筑子
子synthon）
（tacton）
共价键
非共价键
合成化学
分子组装
分子结构
超分子结构
性能
物理和化学性能
物质、能量和信息传输功能
2
超分子的理解
汉语的构筑与超分子构筑
汉语 偏旁、部首 汉字 词组 句子
1873年
1894年
1920年
1967年 1953年
分子机械 高度复杂的自组装结构 传感器和电子-生物接口
自我复制系统 分子信息处理设备
1980s
1990s
van der Waals 分子间力
Latimer/Rodebush 氢键
Charles J. Pedersen 冠醚
简介
Donald J. Cram Jean-Marie Lehn
疏水空腔 相对有序水
无序水
10
5. 超分子的重要性
(1)物质结构中不可逾越的层次，承上启下 超分子化学的研究是从分子走向生命，从分子实
现器件，功能材料的必经之路。
(2)创造新物质的源泉 自然界存在和人工合成的元素百余种→近3000
万化合物→ 进一步组装，多少物质？
25 Questions by Science.
文章
超分子构筑 原子、离子、原子团 分子：具有组装功能的分子 分子聚集体：微粒、超分子膜、螺旋体等 分子聚集体高级结构：多种结构域与亚基结合的 酶，聚集体板块结构功能化形成的分子器件 化学机器：多酶组装体、超分子微型机器
分子化学研究分子个体，超分子化学研究分子的集团，分子的社会，分 子形成的“国家”。
11
Molecular recognition
Life science
Molecular self-organization
E
Enzyme Biomembrane
function
Liposomes
2D Protein crystallization
典型的
Micelles
+
Host/guest
超分子体系
systems
Monolayers
Surface functionalization
Multilayers
Liquid crystals
Function via
organization
Materials science
Order and mobility 12
二、分子识别和自组装
1. 两个概念
（a）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。
超分子自组装是指在平衡条件下 相同或不同分子间通过非共价键弱互相作 用自发构成具有特种性能的长程有序的超 分子聚集体的过程。
在超分子科学领域“组装”的重 要性就如同分子化学中的“合成”一样。
16
分子化学
++
超分子化学
+
17
简介
机械来自百度文库互锁分子结构
Fischer 酶-底物->锁和钥匙
沃森/克里克 DNA双螺旋模型
虽然，人们已经熟悉了分子的合成，但是对于分子集团的形成规律， 组织结构，功能实现的机理等还不是非常明确。
3
3. 超分子的分类
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Host-guest
数量多而不确定的组分缔合成超分子组装体 (Molecular assemblies)
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
4
超分子的稳定性－能量因素
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
－＋
－＋
5
（b）氢键
常规氢键 X-H····Y
X, Y = F, O, N, C, Cl
分子识别是构筑 有序超分子结构
所必需的。
14
分子自组装
分子自组装（self-assembly）是 指基本结构单元自发形成有序结构。在自 组装过程中，基本结构单元在基于非共价 键的相互作用下自发的组织或聚集为一个 稳定、具有一定规则几何外观的结构。
在分子自组装的基础上，发展 出了超分子科学。
15
超分子自组装
1.超分子的定义
基于共价键存在分子化学，基于分子有序体和分子 间价键而存在超分子化学
分子以上（层次）的化学 Chemistry beyond molecules
超分子是指由两种或两种以上分子依靠分子间相 互作用结合在一起组成的复杂的、有组织的实体， 保持一定的完整性，使它具有明确的微观结构和宏 观特性。
Co(en)32+ logK
Ni(en)32+ logK
Co(NH3)62+
5.1 Ni(NH3)62+
13.8
8.7
18.6
8
（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 15.34
11.24
-H/kJ·mol-1
44.4
9
61.9
（c）疏水效应（空腔效应）
20
表1 分子间作用力的分类
• 类型
力的范围
• 和性(NA)
• 重叠
短程
• (库仑力及电子交换)
非常规氢键 X-H····
XH····M
H····H-Y
X-
6
（c）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。
（d）···· 堆叠作用
边对面
面对面
（e）诱导偶极子－诱导偶极子的作用
即色散力：范德华力
7
超分子的稳定性－熵效应
（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。