超分子化学的相关概念PPT教案
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第30页/共56页
4) 与信息科学交叉 分子电子器件、分子电子学正在为信息科学带来一场革
胸腺嘧啶
胞核嘧啶
第6页/共56页
腺嘌呤 胸腺嘧啶
鸟嘌呤 胞核嘧啶
没 有 别 的 结 合 方 式 存 在
（2）膜电位
人体从食物中获得的能量以三磷酸腺苷（ATP）化学键能的形式储存起 来，人体能量存储和释放均和碱金属-（三磷酸腺苷）ATP酶有关
Mg2+
ΔG0=-35KJ/mol
H2PO4 - +
ATP
超分子化学的相关概念
会计学
1
考试形式(闭卷)
题目类型：
选择 填空 名词解释 化合物命名 简答 综合题 无计算题，重在大家对相关知识的了解，理解
第1页/共56页
第七章 超分子化 学的相关概念
第2页/共56页
参考书目：
1）《超分子化学》，[英] J.W.斯蒂德，J.L.阿特伍德著，赵耀鹏等译，化学工业出版社，2006年 2）《超分子化学:概论和展望》，Jean-MarieLehn著，沈兴海等译，北京大学出版社，2002年 3）《超分子层状结构：组装与功能》沈家骢等著，科学出版社，北京，2004
第28页/共56页
生
整体生物
物
学
细胞
家
分子聚集体
超分子化学
化 学
分子
家
原子
两方面从不同方向走到同一层次上来了, 都认识到有序高级结构是这个 层次的重要结构特征,化学和生命科学正通过对超分子的研究而相互融合.
第29页/共56页
2) 与物理学交叉 在物理学中, 三维材料的不断分割到纳米尺度的微粒, 产
第26页/共56页
Answer to Question 3
the next logical step in synthetic chemistry; understanding and interfacing with the biological world; nanotechnology
第27页/共56页
Q: Why did he get selectivity for different ions?
O
O
第21页/共56页
Donald J. Cram: Pre-organization
OR OR RO OR RO
OR
“Spherand” - preorganized binding site Selectivity for Li+ > Na+ >> K+
第22页/共56页
Donald J. Cram：Pre-organization
• Synthesized a huge series of increasingly complicated host-guest systems that bind molecules instead of just ions and eventually tries to emulate an enzyme catalytic site.
第3页/共56页
基本要求：
1、超分子化学的基本概念，特点以及其所包 含的研究内容；
2、理解超分子化学和普通化学之间的关系； 3、重点理解超分子化学中的各种作用力与普
通化学中存在的作用力的异同。
第4页/共56页
生命中的超分子化学的几个典型例子
第5页/共56页
1、DNA
中碱基对氢键作用
腺嘌呤 鸟嘌呤
Dibenzo-18-Crown-6
1967年发表了关于冠醚的合成和选择性络合碱金属离子的报告 ，揭示了分子和分子聚集体的形态对化学反应的选择性起着重 要的作用
第20页/共56页
Charles J. Pedersen: Crown Ethers
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
Oxygen atoms donate a fraction of their electron density to electron deficient species such as alkali cations: Li+, Na+, K+
• Introduces the idea of a “carcerand” - synthetic molecular (jail) cells. （分子外空穴主体）
• Primary contribution is to show how important preorganization is to binding strength.
Why does it deserve to be a field of study?
第11页/ห้องสมุดไป่ตู้56页
Super Stars
第12页/共56页
Super Girls
第13页/共56页
7.1超分子化学的诞生与发展
超分子化学的定义
①从分子化学到超分子化学(From molecular chemistry to supramolecular chemistry)
生了量子限域效应和介电限域效应, 从而发展了一系列新概 念, 产生宏观与微观之间的介观物理, 介观物理研究的对象 是分子聚集体, 在这个层次上, 化学与物理学相互融合.
3) 与材料科学交叉 材料科学和化学都充分认识到有序高级结构是高级功能
材料的灵魂. 纳米材料的研究如火如萘, 化学研究这种高级 结构如何形成, 怎样调控才能制备高级功能材料, 化学和材 料科学在超分子层次上相互交叉.
超分子化学是化学和多门学科的交叉领域
1) 化学和生命学科的交叉 • 在生物学中, 生命的最小单位是细胞, 而与生命现象有关的
功能的基本单位是超分子体系. • 这些超分子体系是具有多种纳米尺寸结构域的生物大分子
与含有多个纳米尺度亚基的酶构建而成. • 这种体系常常具有很强的自组装性质.
在超分子水平上的生物学称为超分子生物学.
第15页/共56页
②超分子化学的定义
1978年， 法国的教授模拟蛋白质螺旋结构的自组装体的研究内容，在一定 程度上超越了大环与主客体化学而进入了所谓“分子工程”的领域，并进一步 提出了超分子化学即 “超越分子的化学”的概念。 （answer to question II: inspired from biology and built on the shoulders of traditional synthetic organic chemistry） 教授对超分子化学的定义如下： 超分子化学是研究两种或两种以上的化学物种 通过分子间的弱相互作用所形成的复杂有序而且具有特定功能体系的化学 (answer to question I) the study on non-covalent & intermolecular forces and the structures created by these forces: “chemistry beyond the molecule”
分子 + 分子 → 超分子（非共价键结合）
第16页/共56页
Lehn提出的超分子化学和分子化学的范畴
第17页/共56页
从结构和 功能两方 面阐述了 分子化学 和超分子 化学之间 的关系
分子化学和超分子化学的对应关系
项目
分子化学
结构单元 结合力
原子或原子团 合成子(synthon)
共价键
结构的实现 合成化学
O
2N
N
N
N
O N N
3 Cu(I) Molecular Self-Assembly
“Super-Molecule”
第25页/共56页
Double helical metal complexes formed by spontaneous organization of two linear polybipyridine ligands of suitable structure into a double by binding of specific metal ions displaying respectively tetrahedral [Cu(I)] coordination geometry
ADP
图示ATP释放能量脱磷酸化生成ADP和磷酸二氢根，Mg2+起催化作用
第7页/共56页
细胞内外碱金属离子梯度
Na+/K+-ATP酶是一种膜传输酶，Na+/K+-ATP酶非常有效地将Na+ 从 细胞内提取出来，传输到细胞外，同时，K+被传输到细胞内。因此，细 胞内流质有着高的K+浓度，而细胞外流质有着高的Na+浓度。
chemistrybeyondmolecule分子分子超分子非共价键结合第16页共56页lehn提出的超分子化学和分子化学的范畴从结构和功能两方面阐述了分子化学和超分子化学之间的关系第17页共56页分子化学和超分子化学的对应关系分子化学超分子化学结构单元原子或原子团合成子synthon具有组装能力的分子构筑子tacton结合力共价键非共价键结构的实现合成化学分子组装结构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第18页共56页11三位超分子化学研究方面的科学家获得三位超分子化学研究方面的科学家获得19871987年的年的nobelnobel化学奖化学奖美国的美国的c
第9页/共56页
（4）血红蛋白吸收和运载氧
血红蛋白包含4个肌红蛋白单元。肌红蛋白单元包括一个称作Fe-原卟啉 Ⅸ的铁卟啉络合物，铁中心键合O2的可逆性对生生命体系至关重要。
第10页/共56页
Three Questions:
What is supramolecular chemistry? Where did it come from?
子化学主要研究原子和原子团、化学键、化合物的合成、结 构、性能和用途； 化学创造了许多自然界本来就没有的物质，并且改造了原有的 物质世界，为现代文明的发展做出了重大贡献。迄今化学家 们已经拥有（主要通过合成）超过2000万个化合物，分子知 识的高度积累，新功能的持续研究，不可避免地向分子聚集 体（或称高级结构）领域迈进。
Ⅰ、化学是关于物质及其变化的一门科学，而生命是其最高且最 复杂的表现形式；
II、以往的化学多是以共价键为基础,以分子为研究对象,可称为
分子化学 (molecular chemistry); 原子 + 原子 → 分子（共价键结合）
第14页/共56页
①从分子化学到超分子化学
化学合成：通过化学键的断裂和重生来创造新的物质。 分子化学：分子是由原子或原子团通过共价键连接而成的，分
“for their development and use of molecules with structure-specific interactions of high selectivity”
第19页/共56页
Charles J. Pedersen: Crown Ethers
O
O
O
O
O
O
结构
分子结构
性能
物理和化学性能
超分子化学
具有组装能力的分子 构筑子(tacton) 非共价键
分子组装
超分子结构
物质、能量和信息传 输功能
第18页/共56页
超分子化学的发展史
1、三位超分子化学研究方面的科学家获得1987年的Nobel化学奖
美国的C. J. Pederson、D. J. Cram教授；法国的J. M. Lehn教授.
• Shows the application of some hosts for practical application: resolution of racemic（外消旋） mixtures
第23页/共56页
Jean-Marie Lehn
O
O
N
N
O
O
O
O
穴醚)
第24页/共56页
Jean-Marie Lehn: Self-Assembly
Jean-Marie Lehn
• Introduced “Cryptands” - bicyclic hosts for binding ions • Hosts with multiple binding sites • Popularized the idea of self-assembly and produced some of the first good synthetic examples • Broadened peoples perspectives on what supramolecular chemistry is and to what it may lead the way • The flag bearer of supramolecular chemistry - in many ways he earned his Nobel Prize after the fact
细胞膜内外碱金属离子的不均衡分布是非常重要和必要的特征，将 导致跨膜电位，神经细胞的信息传递就是利用跨细胞电位差。
分离膜两侧 的Na+和Cl得到电位差 ？
第8页/共56页
（3）离子载体
缬氨霉素对K+有选择性是因为它们 能够自己折叠产生一个刚性的近似八面 体的羧基氧原子序列，作为受体恰好和 K+大小相配。亲水的碳基氧原子和中心 K+相互作用，引起亲脂的异丙基指向外 侧，形成一个主要由烷烃构成的外壳。 剩下的酰胺基就像拉链一样，利用分子 内氢键将壳关闭，确保K+通过细胞膜时 ，封闭在亲脂的壳内。
4) 与信息科学交叉 分子电子器件、分子电子学正在为信息科学带来一场革
胸腺嘧啶
胞核嘧啶
第6页/共56页
腺嘌呤 胸腺嘧啶
鸟嘌呤 胞核嘧啶
没 有 别 的 结 合 方 式 存 在
（2）膜电位
人体从食物中获得的能量以三磷酸腺苷（ATP）化学键能的形式储存起 来，人体能量存储和释放均和碱金属-（三磷酸腺苷）ATP酶有关
Mg2+
ΔG0=-35KJ/mol
H2PO4 - +
ATP
超分子化学的相关概念
会计学
1
考试形式(闭卷)
题目类型：
选择 填空 名词解释 化合物命名 简答 综合题 无计算题，重在大家对相关知识的了解，理解
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第七章 超分子化 学的相关概念
第2页/共56页
参考书目：
1）《超分子化学》，[英] J.W.斯蒂德，J.L.阿特伍德著，赵耀鹏等译，化学工业出版社，2006年 2）《超分子化学:概论和展望》，Jean-MarieLehn著，沈兴海等译，北京大学出版社，2002年 3）《超分子层状结构：组装与功能》沈家骢等著，科学出版社，北京，2004
第28页/共56页
生
整体生物
物
学
细胞
家
分子聚集体
超分子化学
化 学
分子
家
原子
两方面从不同方向走到同一层次上来了, 都认识到有序高级结构是这个 层次的重要结构特征,化学和生命科学正通过对超分子的研究而相互融合.
第29页/共56页
2) 与物理学交叉 在物理学中, 三维材料的不断分割到纳米尺度的微粒, 产
第26页/共56页
Answer to Question 3
the next logical step in synthetic chemistry; understanding and interfacing with the biological world; nanotechnology
第27页/共56页
Q: Why did he get selectivity for different ions?
O
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Donald J. Cram: Pre-organization
OR OR RO OR RO
OR
“Spherand” - preorganized binding site Selectivity for Li+ > Na+ >> K+
第22页/共56页
Donald J. Cram：Pre-organization
• Synthesized a huge series of increasingly complicated host-guest systems that bind molecules instead of just ions and eventually tries to emulate an enzyme catalytic site.
第3页/共56页
基本要求：
1、超分子化学的基本概念，特点以及其所包 含的研究内容；
2、理解超分子化学和普通化学之间的关系； 3、重点理解超分子化学中的各种作用力与普
通化学中存在的作用力的异同。
第4页/共56页
生命中的超分子化学的几个典型例子
第5页/共56页
1、DNA
中碱基对氢键作用
腺嘌呤 鸟嘌呤
Dibenzo-18-Crown-6
1967年发表了关于冠醚的合成和选择性络合碱金属离子的报告 ，揭示了分子和分子聚集体的形态对化学反应的选择性起着重 要的作用
第20页/共56页
Charles J. Pedersen: Crown Ethers
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Oxygen atoms donate a fraction of their electron density to electron deficient species such as alkali cations: Li+, Na+, K+
• Introduces the idea of a “carcerand” - synthetic molecular (jail) cells. （分子外空穴主体）
• Primary contribution is to show how important preorganization is to binding strength.
Why does it deserve to be a field of study?
第11页/ห้องสมุดไป่ตู้56页
Super Stars
第12页/共56页
Super Girls
第13页/共56页
7.1超分子化学的诞生与发展
超分子化学的定义
①从分子化学到超分子化学(From molecular chemistry to supramolecular chemistry)
生了量子限域效应和介电限域效应, 从而发展了一系列新概 念, 产生宏观与微观之间的介观物理, 介观物理研究的对象 是分子聚集体, 在这个层次上, 化学与物理学相互融合.
3) 与材料科学交叉 材料科学和化学都充分认识到有序高级结构是高级功能
材料的灵魂. 纳米材料的研究如火如萘, 化学研究这种高级 结构如何形成, 怎样调控才能制备高级功能材料, 化学和材 料科学在超分子层次上相互交叉.
超分子化学是化学和多门学科的交叉领域
1) 化学和生命学科的交叉 • 在生物学中, 生命的最小单位是细胞, 而与生命现象有关的
功能的基本单位是超分子体系. • 这些超分子体系是具有多种纳米尺寸结构域的生物大分子
与含有多个纳米尺度亚基的酶构建而成. • 这种体系常常具有很强的自组装性质.
在超分子水平上的生物学称为超分子生物学.
第15页/共56页
②超分子化学的定义
1978年， 法国的教授模拟蛋白质螺旋结构的自组装体的研究内容，在一定 程度上超越了大环与主客体化学而进入了所谓“分子工程”的领域，并进一步 提出了超分子化学即 “超越分子的化学”的概念。 （answer to question II: inspired from biology and built on the shoulders of traditional synthetic organic chemistry） 教授对超分子化学的定义如下： 超分子化学是研究两种或两种以上的化学物种 通过分子间的弱相互作用所形成的复杂有序而且具有特定功能体系的化学 (answer to question I) the study on non-covalent & intermolecular forces and the structures created by these forces: “chemistry beyond the molecule”
分子 + 分子 → 超分子（非共价键结合）
第16页/共56页
Lehn提出的超分子化学和分子化学的范畴
第17页/共56页
从结构和 功能两方 面阐述了 分子化学 和超分子 化学之间 的关系
分子化学和超分子化学的对应关系
项目
分子化学
结构单元 结合力
原子或原子团 合成子(synthon)
共价键
结构的实现 合成化学
O
2N
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O N N
3 Cu(I) Molecular Self-Assembly
“Super-Molecule”
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Double helical metal complexes formed by spontaneous organization of two linear polybipyridine ligands of suitable structure into a double by binding of specific metal ions displaying respectively tetrahedral [Cu(I)] coordination geometry
ADP
图示ATP释放能量脱磷酸化生成ADP和磷酸二氢根，Mg2+起催化作用
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细胞内外碱金属离子梯度
Na+/K+-ATP酶是一种膜传输酶，Na+/K+-ATP酶非常有效地将Na+ 从 细胞内提取出来，传输到细胞外，同时，K+被传输到细胞内。因此，细 胞内流质有着高的K+浓度，而细胞外流质有着高的Na+浓度。
chemistrybeyondmolecule分子分子超分子非共价键结合第16页共56页lehn提出的超分子化学和分子化学的范畴从结构和功能两方面阐述了分子化学和超分子化学之间的关系第17页共56页分子化学和超分子化学的对应关系分子化学超分子化学结构单元原子或原子团合成子synthon具有组装能力的分子构筑子tacton结合力共价键非共价键结构的实现合成化学分子组装结构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第18页共56页11三位超分子化学研究方面的科学家获得三位超分子化学研究方面的科学家获得19871987年的年的nobelnobel化学奖化学奖美国的美国的c
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（4）血红蛋白吸收和运载氧
血红蛋白包含4个肌红蛋白单元。肌红蛋白单元包括一个称作Fe-原卟啉 Ⅸ的铁卟啉络合物，铁中心键合O2的可逆性对生生命体系至关重要。
第10页/共56页
Three Questions:
What is supramolecular chemistry? Where did it come from?
子化学主要研究原子和原子团、化学键、化合物的合成、结 构、性能和用途； 化学创造了许多自然界本来就没有的物质，并且改造了原有的 物质世界，为现代文明的发展做出了重大贡献。迄今化学家 们已经拥有（主要通过合成）超过2000万个化合物，分子知 识的高度积累，新功能的持续研究，不可避免地向分子聚集 体（或称高级结构）领域迈进。
Ⅰ、化学是关于物质及其变化的一门科学，而生命是其最高且最 复杂的表现形式；
II、以往的化学多是以共价键为基础,以分子为研究对象,可称为
分子化学 (molecular chemistry); 原子 + 原子 → 分子（共价键结合）
第14页/共56页
①从分子化学到超分子化学
化学合成：通过化学键的断裂和重生来创造新的物质。 分子化学：分子是由原子或原子团通过共价键连接而成的，分
“for their development and use of molecules with structure-specific interactions of high selectivity”
第19页/共56页
Charles J. Pedersen: Crown Ethers
O
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结构
分子结构
性能
物理和化学性能
超分子化学
具有组装能力的分子 构筑子(tacton) 非共价键
分子组装
超分子结构
物质、能量和信息传 输功能
第18页/共56页
超分子化学的发展史
1、三位超分子化学研究方面的科学家获得1987年的Nobel化学奖
美国的C. J. Pederson、D. J. Cram教授；法国的J. M. Lehn教授.
• Shows the application of some hosts for practical application: resolution of racemic（外消旋） mixtures
第23页/共56页
Jean-Marie Lehn
O
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穴醚)
第24页/共56页
Jean-Marie Lehn: Self-Assembly
Jean-Marie Lehn
• Introduced “Cryptands” - bicyclic hosts for binding ions • Hosts with multiple binding sites • Popularized the idea of self-assembly and produced some of the first good synthetic examples • Broadened peoples perspectives on what supramolecular chemistry is and to what it may lead the way • The flag bearer of supramolecular chemistry - in many ways he earned his Nobel Prize after the fact
细胞膜内外碱金属离子的不均衡分布是非常重要和必要的特征，将 导致跨膜电位，神经细胞的信息传递就是利用跨细胞电位差。
分离膜两侧 的Na+和Cl得到电位差 ？
第8页/共56页
（3）离子载体
缬氨霉素对K+有选择性是因为它们 能够自己折叠产生一个刚性的近似八面 体的羧基氧原子序列，作为受体恰好和 K+大小相配。亲水的碳基氧原子和中心 K+相互作用，引起亲脂的异丙基指向外 侧，形成一个主要由烷烃构成的外壳。 剩下的酰胺基就像拉链一样，利用分子 内氢键将壳关闭，确保K+通过细胞膜时 ，封闭在亲脂的壳内。