超分子化学
超分子化学(完整版)
自组装
分子器件
其它受体
阴 离 子 受 体
中 性 受 体
简介
作用力
受体
自组装
分子器件
自组装
简介
作用力
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作用力
受体
自组装
分子器件
自组装原理
+
+ +
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自组装配位化合物
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自组装
分子器件
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定义
超分子
超分子化学
Supramolecular Chemistry
PK 超高分子量化学？
超越分子的化学？
简介
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分子器件
分子化学
++
超分子化学
+
简介
作用力
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自组装
分子器件
机械-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
1873年
1920年
1894年
Fritz Vogtle 形状和离子选择性受体
简介
作用力
受体
自组装
分子器件
A
底物
B
合成
受体
共价键 C
D
分子化学
超分子化学
相互作用 超分子
识别
自组织 自组装
转换
易位 供能组分
分子/超分子 器件
简介
作用力
受体
自组装
分子器件
作用力
无机化学中的超分子化学
无机化学中的超分子化学超分子化学是无机化学中一个重要的分支领域。
它研究的是由分子之间通过非共价相互作用形成的超分子结构以及这些结构的性质和功能。
这种相互作用包括氢键、离子-离子相互作用、离子-双键相互作用等。
在无机化学领域，超分子化学发展迅速，涉及到的应用领域广泛，对材料科学、生物化学等领域都有着重要的贡献。
超分子化学在无机化学领域的研究主要包括两个方面：一是超分子结构的合成与设计，二是超分子结构的性质与功能。
超分子结构的合成与设计是超分子化学的基础研究，它主要关注通过合成方法和策略来构建具有特定功能和性质的超分子结构。
研究者通过精确控制分子之间的空间排列和相互作用，实现了多种多样的超分子结构的合成，包括大环化合物、金属配合物、杂化材料等。
这些合成的超分子结构不仅具有丰富多样的形态和结构，还表现出了一系列独特的性质和功能。
超分子结构的性质与功能则关注超分子结构在化学、生物和材料科学中的应用。
超分子结构的性质主要包括稳定性、热力学性质和动力学性质等。
稳定性是超分子结构能够保持其形态和结构的能力，对于超分子化学的研究非常重要。
热力学性质研究超分子结构的各种物理化学性质，比如溶解度、融点等。
动力学性质则研究超分子结构形成和解离的速度以及相应的反应机理。
这些性质的研究不仅有助于深入理解超分子结构的本质，还为超分子材料的设计和合成提供了重要的理论指导。
超分子化学的应用非常广泛，涵盖了无机化学领域的多个方向。
在催化领域，超分子催化剂通过分子识别和选择性识别作用，在反应中起到模板催化、协同催化和长程催化等作用，展现出了良好的催化活性和选择性。
在药物领域，超分子化学为药物的载体设计提供了新的思路，可以通过调控超分子结构的稳定性、溶解度和释放速率等性能，实现药物的缓控释放和靶向治疗。
此外，超分子化学还在光电转换、传感器、分离与富集等领域得到广泛应用。
总之，超分子化学在无机化学领域中扮演着重要的角色。
通过研究超分子结构的合成与设计，以及性质与功能，我们可以更好地理解和掌握无机材料的结构和性质，为创造新的材料和开发新的应用提供了新的思路和方法。
什么是超分子化学
什么是超分子化学
超分子化学是一门研究分子之间相互作用、组装和形成的复杂有序且具有特定功能的分子集合体的科学。
它超越了传统分子的概念，涵盖了多种化学物种通过分子间力相互作用缔结而成的具有特定结构和功能的超分子体系。
超分子化学被认为是21世纪化学发展的重要方向，与生命科学、材料科学等领域密切相关。
超分子化学的研究分为两个方向：超分子化学（主-客体化学）和超分子有序组装体化学。
其中，超分子化学主要研究两种或两种以上的分子通过分子间力相互作用结合而成的具有复杂结构和功能的超分子体系。
这种相互作用包括氢键、范德华力、疏水相互作用等。
超分子体系可以表现出独特的物理和化学性质，例如自组装、分子识别、催化等。
环糊精（cyclodextrins）和激光唱盘（CD）是超分子化学中的典型例子。
环糊精是一类具有环状结构的碳水化合物，能够与各种客体分子形成稳定的包合物，实现药物缓释、催化剂固定等功能。
激光唱盘（CD）则是利用分子间的相互作用来实现信息存储和读取的例子。
超分子化学在材料科学、生物学、环境科学等领域具有广泛的应用前景。
例如，在材料科学中，超分子体系可以用于制备具有特定性能的聚合物、液晶、纳米材料等。
在生物学中，超分子化学研究生物体内分子之间的相互作用，有助于揭示生命现象的本质。
在环境科学领域，超分子化学可以为污染治理提供新型方法和技术。
总之，超分子化学是一门跨学科的研究领域，旨在探索分子间的相互作用和组装规律，以实现具有特定结构和功能的超分子体系。
它不仅丰富了化学的基本理论，还为实际应用和创新提供了广阔的空间。
超分子化学
芳环堆积的三种形式
1. 超分子化学简介
氢键 (D—H…A)
强氢键：O—H … O/N，键长 1.5-2.2 Å， 键角 140-180 弱氢键：C—H … O/N，键长 2.0-3.0 Å， 键角 120-180 氢键本质：静电力、特殊的范德华力 特点： 具有方向性、饱和性
氢键基本型式
J. AM. CHEM. SOC. 2003, 125, 6882-6883
4. 配合物中的弱键作用
弱键的判断
通过从晶体结构数据归纳获得的4套半径数据（离子半径、共价半径、金属原子半 径、范德华半径）来研究化合物的成键特征是配位化学中结构研究的重要内容。 两原子间距离小于范德华半径 之和、大于三种化学键的键长，即可认为形成了弱键。 弱键(weak bonding)、半键(semibonding)、非键(nonbonding)、短接触 (short contact)、次级键(secondary bonding)
2.89Å Ag的范德华 力半径和： 3.40-3.44Å
Au…Au之间的亲金作用
[Ag2(C8H6N2)2] · 2ClO4中的Ag…Ag作用
4. 配合物中的弱键作用
细胞色素C氧化酶的双核Cu中心，d(Cu…Cu)=2.50Å
讨论
在超分子结构构造中，分子间作用力是研究的重点。这些作用力主要包括哪 些？如何判断它们是否存在？
4. 配合物中的弱键作用
共价半径
Hg(II)-N距离的统计分布
卤素Hg(II) 配合物的过渡态——以弱键为特征的中间体/活化配合物
4. 配合物中的弱键作用
金属原子与配位原子间的弱键作用
[Hg(hmt)1/2Br2]n (hmt=六次甲基四胺)
超分子化学
超分子化学“超分子”一词早在20 世纪30 年代已经出现,但在科学界受到重视却是50 年之后了. 超分子化学可定义为“超出分子的化学”,是关于若干化学物种通过分子间相互作用结合在一起所构成的,具有较高复杂性和一定组织性的整体的化学. 在这个整体中各组分还保持某些固有的物理和化学性质,同时又因彼此间的相互影响或扰动而表现出某些整体功能[1 ] . 超分子体系的微观单元是由若干乃至许许多多个不同化合物的分子或离子或其他可单独存在的具有一定化学性质的微粒聚集而成. 聚集数可以确定或不确定,这与一分子中原子个数严格确定具有本质区别,把多个组分的基本微观单元聚集成“超分子”的凝聚力是一些(相对于共价键) 较弱的作用力. 如范氏力(含氢键) 、亲水或憎水作用等[2 ] .1 超分子化合物的分类1. 1 杂多酸类超分子化合物杂多酸是一类金属一氧簇合物,一般呈笼型结构,是一类优良的受体分子,它可以与无机分子、离子等底物结合形成超分子化合物. 作为一类新型电、磁、非线性光学材料极具开发价值[3 ] ,有关新型Keg-gin 和Dawson 型结构的多酸超分子化合物的合成及功能开发日益受到研究者的关注. 杜丹等[4 ,5 ]合成了Dawson 型磷钼杂多酸对苯二酚超分子膜及吡啶Dawson 型磷钼多酸超分子膜修饰电极,发现该膜电极对抗坏血酸的催化峰电流与其浓度在0. 35~0. 50 mol/ L 范围内呈良好的线性关系. 靳素荣等[6 ]合成了9 钨磷酸/ 结晶紫超分子化合物,并对其光致变色性质进行了探究,即合成化合物具有光敏性,漫反射日光即可使其变蓝. 王升富等[7 ]合成了磷钼杂多酸- L - 半胱氨酸自组装超分子膜电极,发现该膜电极对酸性溶液中的NO2- 有明显的电催化还原作用. 毕丽华等[8 ]合成了多酸超分子化合物,首次发现了杂多酸超分子化合物溶于适当有机溶剂中可表现出近晶相液晶行为. 刘术侠等[9 ]以Dawson 型砷钼酸、金刚烷胺为原料合成了超分子化合物(C10H18N) 6As2Mo18O62·6CH3CN·8H2O ,该化合物具有可逆的光致变色特性,并提出了一个可能变色机理.1. 2 多胺类超分子化合物由于二氧四胺体系可有效地稳定如Cu ( Ⅱ) 和Ni ( Ⅱ) 等过渡金属离子的高价氧化态,若二氧四胺与荧光基团相连,则光敏物质荧光的猝灭或增强就与相连的二氧四胺配合物与光敏物质间是否发生电子转移密切相关,即通过金属离子可以调节荧光的猝灭或开启,起到光开关的作用. 苏循成等[10 ]合成了8 羟基喹啉取代的二氧四胺大环配体,其中含有2 个独立的螯合基团,在适当情况下能分别与金属离子配位.大环冠醚由于其自组装性能及分子识别能力而引起人们广泛的重视. 近来,冠醚又成为在超分子体系中用于建构主体分子的一种重要的建造单元. 代写硕士论文李晖等[11 ]利用了冠醚分子的分子识别能力及蒽醌分子的光敏性,设计合成了一种新的氮杂冠醚取代蒽醌分子,并以该分子作为主体分子,以稀土离子作为客体构成超分子体系,并研究了超分子体系内的能量转移过程.1. 3 卟啉类超分子化合物卟啉及其金属配合物、类似物的超分子功能已应用于生物相关物质分析,展示了更加诱人的前景,并将推动超分子络合物在分析化学中应用的深入开展.1. 4 树状超分子化合物树状大分子(dendrimer) 是20 世纪80 年代中期出现的一类较新的合成高分子. 薄志山等[12 ]首次合成以阴离子卟啉作为树状分子的核,树状阳离子为外层,基于卟啉阴离子与树状阳离子之间静电作用力来组装树状超分子复合物. 镧系金属离子(Ln3 + ) 如Tb3 + 和Eu3 + 的发光具有长寿命(微秒级) 、窄波长、对环境超灵敏性等特点,是一种优良的发光材料,但镧系金属离子在水溶液中只有很弱的发光. 朱麟勇等[13 ]合成了聚醚型树枝体与聚丙烯酸线性聚合体的两亲杂化嵌段共聚物,研究表明聚醚树枝体通过对Tb3 + 能量传递,使Tb3 + 发光强度大幅度提高的“天线效应”.1. 5 液晶类超分子化合物侧链液晶聚合物具有小分子液晶和高分子材料的双重特性,晏华在《超分子液晶》[14 ]中详细讨论了超分子和液晶的内在联系,探讨了超分子液晶分子工程和超分子液晶热力学. 李敏等[15 ]从分子设计的角度出发,合成了以对硝基偶氮苯为介晶基团的丙烯酸类液晶聚合物,液晶基元上作为电子受体的硝基和作为电子给体的烷氧基可与苯环、N N 之间形成一个离域的π电子体系. 初步的研究表明:电晕极化制备的该类聚合物的取向膜具有二阶非线性光学性质. 堪东中等[16 ]用4 ,4′- 二羧酸1 ,6 二酚氧基正己烷与等摩尔的4 ,4′-联吡啶合成了“T”型超分子液晶,并观察到随构筑“T”型介晶基元分子结构的变化,组装超分子体系由单向性液晶向稳定的双向性液晶转变的规律性.1. 6 酞菁类超分子化合物田宏健等[17 ]合成了带负电荷取代基的中位四(4′- 磺酸基苯基) 卟啉及锌络合物和带正电荷取代基的2 ,9 ,16 ,23 四[ (4′- N ,N ,N 三甲基) 苯氧基]酞菁季铵碘盐及锌络合物,并用Job 氏光度滴定的方法确定了它们的组成,为面对面的杂二聚体或三明治式的杂三聚体超分子排列. 发现在超分子体系中卟啉与酞菁能互相猝灭各自的荧光,用纳秒级的激光闪光光解技术观察到卟啉的正离子在600~650 nm 和酞菁负离子自由基在550~600 nm 的瞬态吸收光谱. 结果表明在超分子体系中存在分子间的光诱导电子转移过程.2 超分子化合物的合成2. 1 分子自组装近年来分子自组装作为一种新的化学合成方法倍受关注,代写医学论文尤其是分子尺寸在1~100 nm 的化合物,它们用常见的化学合成法一般很难得到. 最近,Yan 等[18 ]运用超分子自组装方法合成了长度达厘米级、直径达毫米级、管壁达400 nm 的管,成为超分子化学合成上的一个亮点.刘雅娟等[19 ]利用一对互补的分子组分5 (4 十二烷氧基苯乙烯基2 ,4 ,6 (1H ,3H) 嘧啶三酮和4胺基2 ,6 二十二烷基胺基1 ,3 ,5 三嗪的自组装过程构筑了一种直径约为5μm 的超分子纳米管. 变温傅里叶红外光谱研究表明,在纳米管的形成过程中,氢键、π- π相互作用和范德华力等非共价键相互作用导致了超分子纳米管的形成. Reinhoudt 等报道了最多具有47 个钯配合物的有机金属树状分子,准弹性光散射实验(QELS) 、原子力显微镜(AFM)和透射电镜( TEM) 表明聚集体为直径200 nm 的圆球,Puddephatt 合成了直到第4 代的树状铂配合物(28 个配位中心) .2. 2 模板合成1992 年Mobil 公司的科研人员首次利用阳离子型表面活性剂的超分子液晶模板,合成了有介孔结构的氧化硅和铝硅酸盐,其中最具有代表性的是有六方排列介孔孔道的MCM - 41[20 ] .以环糊精(α- CD ,β- CD ,γ- CD) 作为环的轮烷的合成及性能研究尤其引人注目. 环糊精边缘是亲水的,内腔是疏水的,环糊精作为主体与疏水客体分子自我识别可形成轮烷. 刘育[21 ]在以环糊精为受体的分子识别和组装方面做了深入的研究. Isnin 等成功地合成了不对称的轮烷. 分子一端为二甲基(二茂铁甲基) 铵盐,另一端为萘2 磺酸盐. Stoddart 等用聚乙烯醇与α- CD 作用,端基为2 ,4 二硝基苯时,得到了含有20~23 个α- CD 的珍珠项链型轮烷. Stoddart 等在室温下合成一系列的索烃. 在室温下以二苯34 冠10(BPP34 CI 0) 作为模板得到了索烃,收率高达70 %[22 ] .2. 3 其他方法最近,赵朴素等运用密度泛涵B3L YP 方法,在6 - 31G*水平上设计优化了丁二酮肟与苯甲酸通过四重氢键构筑的异三体超分子,代写职称论文显示形成三聚体的反应可自发进行,实验合成出相关异三聚体[23 ] .赵士龙等[24 ]在水热条件下,合成了新型超分子化合物(bipyH2) 2(H2P2Mo5O23) . H2O ,研究表明,杂多阴离子与质子化的4 ,4′- bipy 和水分子通过氢键连成无限二维网状结构,形成超分子化合物. 栾国有等[25 ]利用中温水热方法合成了化合物(H3NCH2CH2NH3) 2 [ (HPO4) 2Mo5O15 ] ,并确定其构型为5 个MoO6 八面体通过共边和共角连接形成1 个五元环,其环平面的上下两侧各有一组HPO4 四面体通过共用3 个O 原子与Mo —O 簇键合,并且[ H2P2Mo5O23 ]4 - 与H3NCH2CH2NH3 通过强的氢键作用,形成一种新型的有机无机超分子杂化材料.3 超分子化合物的应用3. 1 在光化学上的应用Lehn 等设计了专门用于光释放碱金属离子的穴醚,他们利用2 硝基苄基醚充当一个大环的桥键,紫外光照可使此键断裂,形成单环化合物,后者对碱金属离子的络合能力大大下降. 张海容等[26 ]发现在微量环已烷存在下,B CD 可诱导BNS 发射强的RTP. 尹伟等[27 ]用Eu2 + 与邻菲咯啉( Phen) 、2 噻吩甲酰三氟丙酮( TTA) 和联吡啶(D py) 形成的四元、三元和二元系列配合物与上述2 种分子筛组装成新的系列超分子纳米发光材料,并对它们的发光性能进行了比较. 陈彰评[28 ]合成了卟啉冠醚 4 ,4 二甲基联吡啶超分子模型化合物. 研究发现4 ,4 二甲基联吡啶能很好地配合到卟啉与冠醚形成的空穴中去,在光照条件下,生成的卟啉激发态分子能很好地进行电子转移,形成了一个很好的光开关模型.3. 2 在压电化学传感器的应用超分子化学的主客体适应原理,在压电化学传感器中得到广泛的应用.超分子用作压电化学传感器的敏感涂层,利用超分子的特殊空间结构,通过分子间的协同作用,对目标分子进行分子识别. 代写留学生论文符合空间结构的分析物被选择性地吸附,可以明显提高压电化学传感器的选择性. 利用多种冠醚衍生物作为QCM 涂层测定有机蒸气,如传感器阵列、模式识别等,在二元、三元、四元有机蒸气混合物中识别,预测结果较好,并用于定量分析. 利用单苯15 冠5 (B15C5) 、单苯18 冠6 (B18C6) 、二苯30 冠10(DB30C10) 涂于TSM 化学传感器电极表面,可对39 种有机蒸气进行分析,其中B15C5 (涂载量12 mg)对甲酸的检出限为20. 1μg/ L ,并具有很宽的线性范围.Dickert 等用涂B CD 的QCM 和SAW 测定四氯乙烯,测定下限可达几个10 - 6 ( Y) . 以后,他们又用交联B CD 作为QCM 的涂层测定氯苯,大量的二乙醚存在时(二乙醚- 氯苯的体积比为50 000∶1) ,不干扰测定,线性范围10 ×10 - 6~500 ×10 - 6 ( Y) ,并用于监测Grignard 反应终点. Nelli 等用间苯二酚杯芳烃衍生物作QCM 敏感涂层,对硝基苯有较高的选择性,在相对湿度高达90 %和有H2 ,H2S ,NO ,SO2 ,CH4 , n - C4H1O 共存时不干扰测定. Dermody 等用多种杯芳烃衍生物,在SAW 石英表面分子自组装成双分子层,测定苯、氯苯、甲苯等. Pinalli 等用间苯二酚杯芳烃衍生物,测定气相中酒精的含量,线性范围1 ×10 - 3~4 ×10 - 3 ( Y) ,重现性好. Malitesta 等用分子印迹电合成聚合制备仿生QCM 传感器. 姚守拙等用咖啡因(CAF) 作模板分子制成BAW 传感器,对CAF 的响应范围为5. 0 ×10 - 9~1. 0 ×10 - 4 mol/ L ,在pH 8. 0 时检出限5. 0 ×10 - 9 mol/ L ,回收率96.1 %~105. 6 %[29 ] .3. 3 超分子化合物的识别作用所谓分子识别就是主体(或受体) 对客体(或底物) 选择性结合并产生某种特定功能的过程,是组装及组装功能的基础,是酶和受体选择性的根基. 互补性(complementarity) 及预组织(preorganization) 是决定分子识别过程的2 个关键原则,前者决定识别过程的选择性,后者决定识别过程的键和能力.对羧酸根、磷酸根的识别研究目的主要在于探讨主体分子对氨基酸、肽、核苷酸等的识别,进而研究对肽、核酸的催化水解反应. 大环多胺及其金属配合物能很好地识别羧酸根、磷酸根的主体分子. 带吖啶基团的配合物,通过Zn2 + 配合物的超分子自组装可对对二甲酸进行选择性识别. 如果在大环多胺环外还有可以配位的氨基,则它与Cu ( Ⅱ) 能形成更加稳定的配合物. 化合物(结构见图1)与Co ( Ⅲ) 形成的配合物与PO43 - 能形成相当坚固的配合物. 因为分子识别的目的,这是系统可以作为一个能使磷酸键合位置移动的新摸型[30 ] .3. 4 超分子化合物作为分子器件方面的研究分子器件是一种由分子元件组装的体系(即超分子结构) ,它被设计成为在电子、离子或光子作用下能完成特定功能的体系. 刘祁涛[31 ]用对苯二甲酸terph 为配体,合成了[Cu2 (bpy) 2 (terph) ]Cl2·4H2O 晶体,其中bpy 为2 ,2′联吡啶. 代写英语论文应用苯三甲酸( TMA) 为配体可以合成[Cu3 ( TMA) (H2O) 3 ] n 配位超分子晶体,为由配体超分子的途径制造纳米级的孔材料、实现纳米反应器的设想提供了可能.8 羟基喹啉、邻菲咯啉的许多金属配合物都具有荧光,且配合物稳定. 把8 羟基喹啉或邻菲咯啉引入大环,由于两者都具有独立的配位功能,可以形成稳定的超分子化合物,并进一步发展为光化学器件.3. 5 超分子化合物在色谱和光谱上的应用顾玉宗等[32 ]利用LB 技术,以二十碳酸作辅助成膜材料,在疏水处理的P - Si 上分别制备了2 ,4 ,6 ,10 和20 层聚乙烯咔唑(PV K) 超分子膜. 对这种体系的表面光电压谱(SPS) 研究结果表明,表面光电压随PV K膜层数的增加而增强,在紫外区增强较为明显,随着膜层数的增加,表面光电压有趋于饱和的趋势. 膜对基底的敏化主要是由于PV K的光导电性引起的. 杨扬等[33 ]成功地用高效液相色谱法分离了某些超分子化合物合成过程中间产物富电子对苯二酚聚醚链(HQ) 系列产品.3. 6 超分子催化及模拟酶的分析应用超分子的反应性和催化性,与酶对底物的识别和催化底物参加反应极相似. 代写工作总结以模仿天然酶对底物的分子识别和高效催化活性为目的的模拟酶(或称人工酶) 研究近十多年来是生物化学和有机化学的重要课题. 其中对过氧化物模拟酶的分析应用研究特别突出. 慈云祥等将氨基酸、蛋白质、核酸,对某些金属卟啉的模拟酶活性的影响加以应用,并结合免疫分析技术,建立模拟酶作示踪物的酶免疫分析方法,或以模拟酶作非放射性探针标记物建立核酸序列分析方法[34 ] .3. 7 在分析化学上的应用Shinkai 等在研究硼酸衍生化卟啉的分子组装行为,并用于测定糖分子构型方面取得了许多成果.例如:四(4 硼酸基苯基) 卟啉( TBPP) 在水溶液中和糖分子存在下由π- π堆积成的聚集体,圆二色谱(CD) 的激子偶合带( ECB) 符号,对糖分子的绝对构型有专一性,可检测糖分子的绝对构型等等[34 ] .4 结语目前,超分子化学的理论和方法正发挥着越来越重要的作用,该学科的研究将更加紧密地与各化学分支相结合. 可以预见,作为超分子化学起源的主客体化学将与有机合成化学、配位化学和生物化学互相促进,为生命科学、能源科学等共同做出巨大贡献;超分子化学方法在无机化学中的应用,代写留学生论文将使人们获得多种具特定功能的配合物、晶体、陶瓷等材料;物理化学则要改变当前超分子化学的定性科学现状,从微观和宏观上把选择性分子间力、分子识别、分子自组装等过程用适当的变量进行定量描述,从而提高人们对超分子化学的认识和预测、控制能力,最终要寻求解释超分子体系内在运动规律和预言此类体系整体功能的理论工具[2 ] .参考文献:[1 ] 吴世康. 超分子光化学前景[J ] . 感光化学与光化学,1994 ,12 (4) :332-341.[2 ] 孙得志,朱兰英,宋兴民. 超分子化学、选择性分子间力和若干化学研究领域[J ] . 聊城师院学报(自然科学版) ,1998 ,11 (2) :27-33 .[3 ] 王恩波,胡长文,许林. 多酸化学导论[M] . 北京:化学工业出版社,1998. 125-126.[4 ] 杜丹,关晓凤,崔仁发,等. Dawson 型磷钼杂多酸对苯二酚超分子膜电极电化学性能的研究[J ] . 湖北大学学报(自然科学版) ,2001 ,23 (1) :53-56.[5 ] 杜丹,王升富,黄春保. 吡啶2Dawson 型磷钼杂多酸超分子薄膜修饰电极分析[J ] . 测试学报,2001 ,20 (4) :29-32.[6 ] 靳素荣,姚礼峰. 9 钨磷酸/ 结晶紫超分子化合物的合成及表征[J ] . 合成化学,2001 ,9 (3) :244.[7 ] 王升富,杜丹,邹其超. 磷钼杂多酸L 半胱氨酸自组装超分子膜电极对亚硝酸根电催化还原的研究[J ] . 分析化学,2002 ,30 (2) :178-182.[8 ] 毕丽华,黄如丹,王恩波,等. 多酸超分子化合物的合成及液晶性质[J ] . 高等学校化学学报,1999 ,20 (9) :1 352-1 353.[9 ] 刘术侠,王春梅,李德惠,等. 一个新的超分子化合物(C10 H18N) As2Mo18O62 ·6CH3CN·8H2O 的合成、结构及性质[J ] . 化学学报,2004 ,62 (14) :1 305-1 310.[10] 苏循成,周志芬,林华宽,等. 功能取代二氧四胺大环超分子配合物的溶液热力学性质研究[J ] . 南开大学学报(自然科学版) ,2000 ,33(4) :57-61.[11] 李晖,许慧君,周庆复. 冠醚取代蒽醌超分子体系的设计与合成及分子的能量转移的研究[J ] . 感光科学与光化学,2002 ,18 (1) :58-62.[12] 薄志山,张希,杨梅林. 基于静电吸引的自组装树状超分子复合物[J ] . 高等学校化学学报,1997 ,18 (2) :326-328.[13] 朱麟勇,童晓峰,李妙贞,等. 嵌段共聚物PAANa2Dendr PE 聚集体超分子结构中树枝体对铽离子发光增强的天线效应研究[J ] . 感光科学与光化学,2000 ,18 (2) :188-192.[14] 晏华. 超分子液晶[M] . 北京:科学出版社,2000. 1-230.[15] 李敏,周恩乐,徐纪平. 含对硝基偶氮苯侧基的丙烯酸酯类液晶聚合物的超分子结构[J ] . 高等学校化学学报,1995 ,16 (4) :635-638.[16] 堪东中,万雷,方江邻,等. 二元羧酸与4 ,4′联吡啶氢键缔合组装主链型超分子液晶[J ] . 高分子学报,2002 , (6) :734-737.[17] 田宏健,周庆复,沈淑引. 酞菁卟啉超分子的形成及光致电子转移过程[J ] . 物理化学学报,1996 ,12 (1) :44-48.[18] YAN De2yue ,ZHOU Yong2feng , YOU Jian. Supramolecular self-assembly of macroscopic tubes [J ] . Science ,2004 ,303(2) :65-67.[19] 刘雅娟,吕男,杨文胜. 一种超分子纳米管的变温红外光谱研究[J ] . 分子科学学报,2001 ,17 (3) :170-174.[20] 王彤文,戴乐蓉. 混合超分子液晶模板法合成六方介孔相含钛氧化钴[J ] . 物理化学学报,2001 ,17 (1) :10-14.。
超分子化学简介
生物医学的应用
基因载体
❖与许多重要蛋白质和生物组装分子的大小及形状很匹配。 ❖PAMAM生理条件下为聚阳离子,且有很好的溶解性，
末端胺基很容易与DNA 中的带负电的磷酸基相互作用。 ❖内部有空腔，促进DNA结合的复合物的稳定性。
Fig. 9 The close dimensional size (nm) of selected proteins to respective generations of [ammonia core]-dendri–PAMAM(NH2)z dendrimer.
❖高密度表面基团经过修 饰，改变水溶性和靶向作 用。
❖毒性较低，通过扩散和 生物降解实现药物释放。
❖分子设计实现生物相溶 性和降解性。
Fig.7 approaches for design of drug delivery systems.
R. Duncan, L. Izzo. Advanced Drug Delivery Reviews. 2005, 57, 2215
（b）金刚烷型
接点 (CH2)6N4 和CBr4
连接棒 N····Br
两套网格互相穿插： (CH2)6N4·CBr4晶体
（c）四方格型
[Ag9(Me2bpbpz)6](CF3SO3)9 晶体中的 [Ag9(Me2bpbpz)6] 9+网格
6.8、应用
1. 相转移
KF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。
主客体系
(host-guest system)
旋转体
(rotaxanes system)
联锁体
(catenanes system)
A
B
超分子化学
认识和看法：
某些生物膜和生物酶，都是大分子的有机物，单纯靠有机合成将其合成是非常麻烦的，但是利用超分子组装化学，我们可以将他们拆成不同的“零件”在通过某种方式组装起来。其实这个想法在很早以前就应用于有机合成方面，但是当时它还不是自立门户，单独成为一种理论体系，现在它单独的拿出来成为了一种新的体系，是很有必要的。当一种科学技术或者理论重要到一定程度上面，他就会“自立门户”。作为一个新兴学科，我们国家在世界的文献量又是怎样的呢？
12.12%
13.14%
根据文献所提供的数据显示，我们国家还是很重视这个新兴学科的，这个学科在未来的科学研究领域一定会有一个立足之地的，他可以将复杂的问题尽量简化，从另一条路出发，解决某些现在解决不了的问题。
参考文献
朱海峰、孙涛涛、金碧辉《中国基础科学·科学前沿·超分子化学-分子自组装》2005·4
年份
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
总论文数
340
408
550
664
771
914
1102
1188
1436
1568
中国论文数
1
9
27
32
ห้องสมุดไป่ตู้32
68
100
126
超分子化学概念
超分子化学概念
超分子化学是一门研究分子之间的相互作用以及这些相互作用所形成的稳定结构和功能的学科。
在超分子化学中，重点研究分子间的非共价相互作用，如氢键、范德华力、离子作用等，并利用这些相互作用来设计、合成和调控具有特定功能的超分子体系。
超分子化学的重要概念包括分子识别、自组装和分子承载。
分子识别是指分子之间通过非共价相互作用，如氢键和范德华力，实现对特定配体结构的识别和选择性结合。
自组装是指在适当的条件下，分子通过非共价相互作用自发地组装成稳定的超分子结构，如聚集体和晶体。
分子承载是指一种分子能够通过与其他分子的相互作用形成一种容器结构，使其他分子能够进入其中并被固定或释放出来。
超分子化学的研究内容涉及多个领域，如有机化学、物理化学、生物化学等，其应用范围也非常广泛。
超分子化学的研究成果已经在材料科学、药物设计、化学传感器、催化剂设计等领域产生了重要的应用价值。
有机化学中的超分子化学
有机化学中的超分子化学超分子化学是现代有机化学研究领域中的一个重要分支，涉及到由分子间相互作用所形成的结构、性质和功能。
超分子化学的出现，为我们揭示了分子间相互作用的重要性，也为有机化学带来了新的突破和进展。
本文将介绍有机化学中的超分子化学，包括其基本原理、研究方法和应用。
一、超分子化学的基本原理超分子化学的基本原理是基于分子间相互作用的研究，包括分子间的氢键、范德华力、电子转移等相互作用。
这些相互作用可以通过合适的分子设计和选择来实现特定结构的组装和稳定。
超分子化学研究的重点是在高度自组装的体系中设计和构筑功能材料、纳米结构和生物分子。
二、超分子化学的研究方法超分子化学的研究方法包括分子识别、自组装、化学传感和功能材料研究等。
其中，分子识别是超分子化学的基础，通过选择性结合和配位作用，实现对特定分子的识别和分离。
自组装是超分子化学的核心概念，指的是分子通过非共价键的相互作用形成有序结构，如聚集体、纤维等。
化学传感是超分子化学的重要应用之一，通过利用分子间相互作用的变化来实现对特定物质的检测和分析。
功能材料研究则将超分子化学应用于材料科学领域，设计和制备具有特定性能的新材料。
三、超分子化学在有机合成中的应用超分子化学在有机合成中有着广泛的应用。
例如，利用分子识别和自组装原理，可以设计和合成具有特定结构、性质和功能的分子，用于催化反应、分子识别和有机合成。
此外，在有机杂化材料和分子电子领域，超分子化学也发挥了重要作用。
通过有机分子的自组装，可以构筑出具有特定功能和性能的杂化材料，并用于光电器件、传感器和存储材料等方面。
四、超分子化学与生物学的交叉研究超分子化学与生物学之间存在着密切的联系和交叉研究。
例如，在生物大分子的识别、组装和功能等方面，超分子化学提供了重要的思路和方法。
通过设计和合成具有特定结构和功能的超分子化合物，可以模拟生物体系中的分子识别和自组装过程，从而实现对生物过程的理解和仿生研究。
超分子化学
―超分子‖(supramolecular)一词早在20世纪30年代已经出现,但在科学界受到重视却是50年之后了.超分子化学可定义为/超出分子的化学,是关于若干化学物种通过分子间相互作用结合在一起所构成的,具有较高复杂性和一定组织性的整体的化学.在这个整体中各组分还保持某些固有的物理和化学性质,同时又因彼此间的相互影响或扰动而表现出某些整体功能.超分子体系的微观单元是由若干乃至许许多多个不同化合物的分子或离子或其他可单独存在的具有一定化学性质的微粒聚集而成.聚集数可以确定或不确定,这与一分子中原子个数严格确定具有本质区别,把多个组分的基本微观单元聚集成超分子的凝聚力是一些(相对于共价键)较弱的作用力.如范氏力(含氢键)亲水或憎水作用等. 超分子化学的发展特别要提到三个人，Pederson C，Cram D J和Lehn J M，他们分享了1987 年诺贝尔化学奖。
1967 年Pederson 等第一次发现了冠醚。
他原先想合成的是一个非环聚醚(多元醚)，但在纯化过程中分离出极少量产率仅0.4%的丝状有纤维结构并不溶于羟基溶剂的白色晶体。
受好奇心驱使，他进行了深入研究，发现它是一种大环聚醚，即命名为冠醚，它是由于非环聚醚前体与碱金属离子配位结合，阳离子使配体预组织后更有利于环化而形成的。
这可以说是第一个在人工合成中的自组装作用。
Pederson 诺贝尔演说的题目就是―冠醚的发现‖，他提到要是当年忽略了这种并非期待的杂质，他可能就与冠醚失之交臂。
Cram 诺贝尔演说的题目是―分子主客体以及它们的配合物的设计‖。
他受到酶和核酸的晶体结构以及免疫系统专一性的启发，从1950 年代起就想设计和合成较简单的有机化合物，来模仿自然界存在的一些化合物的功能，他认识到高度结构化的配合物是中心，Pederson 的工作一发表，他就意识到这是一个入口，由此开展了系列的主客体化学的研究。
主客体也就是生物学中常采用的受体与基质，它们间的作用是典型的自组装作用。
超分子化学简介
规模化生产技术的研发
针对规模化生产中的难题，未来将加大研发力度，寻求高 效的超分子化学规模化生产技术。
理论研究的突破
随着计算科学的不断发展，未来有望在超分子化学的理论 研究方面取得突破，建立更为精确的理论模型来指导实验 研究。
拓展应用领域
超分子化学在药物传输、生物成像、传感器等领域具有广 泛的应用前景，未来将进一步拓展其应用领域，为人类社 会的发展做出更大的贡献。
02
超分子的结构与组装
超分子的结构
分子识别
超分子通过分子间的弱相互作用 力（如氢键、π-π相互作用、范 德华力等）实现识别与组装，形
成有序的超分子结构。
动态性
超分子结构具有动态性，可以在一 定条件下进行可逆的组装与解组装， 实现结构的自适应与调控。
多样性
超分子可以由多种不同的单体分子 组成，形成具有丰富结构和功能的 超分子组装体。
超分子的组装
01
02
03
自组装
超分子通过分子间的弱相 互作用力自发地组装成有 序的结构，无需外界干预。
受控组装
通过外界条件的调控（如 温度、pH值、离子强度 等），实现对超分子组装 过程和结构的控制。
人工设计与构建
通过人工设计和合成特定 功能的单体分子，实现具 有预定结构和功能的超分 子组装体的构建。
详细描述
超分子化学突破了传统分子化学的界 限，将分子间的相互作用和自组装过 程作为研究对象，探索分子间的识别 、组装、传递和调控机制。
特性
总结词
超分子化学具有多样性、动态性和自组织性的特点。
详细描述
超分子体系由多种不同类型的分子组成，通过非共价键相互作用形成复杂的结构 和功能。同时，超分子体系具有动态性，可在外界刺激下发生结构和性质的改变 。此外，超分子体系还能通过自组织过程形成有序的结构和功能。
超分子化学
前景
前景
超分子化学超分子化学研究的内容主要包括：分子识别，分为离子客体的受体和分子客体的受体；环糊精； 生物有机体系和生物无机体系的超分子反应性及传输；固态超分子化学，分为晶体工程、二维和三维的无机络； 超分子化学中的物技术的应用。现代化学与 18、19世纪的经典化学相比较，其显著特点是从宏观进入微观，从静态研究进入动态研究，从个别、细致研究发 展到相互渗透、相互的研究，从分子内的原子排列发展到分子间的相互作用。从某种意义上讲，超分子化学淡化 了有机化学、无机化学、生物化学和材料化学之间的界限，着重强调了具有特定结构和功能的超分子体系，将四 大基础化学（有机化学、无机化学、分析化学和物理化学）有机地融合为一个整体，从而为分子器件、材料科学 和生命科学的发展开辟了一条崭新的道路，且为21世纪化学发展提供了一个重要方向。
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发展简史
发展简史
1987年诺贝尔化学奖授予C.J Pedersen (佩德森)、J.M Lehn (莱恩)、D.J Cram (克来姆)三位化学家， 以表彰他们在超分子化学理论方面的开创性工作。1967年Pederson等第一次发现了冠醚。这可以说是第一个发现 的在人工合成中的自组装作用。Cram和Lehn在Pedersen工作的启发下，也开始了对超分子化学的研究。从此之后， 超分子化学作为一门新兴的边缘科学快速发展起来。
超分子
超分子
作者： [英]J.W.斯蒂德、J.L.阿特伍德 出版社：化学工业出版社出版日期： 2006年07月
ISBN： 7-5025-8697-0开本： 16开 类别：综合化学化工,有机化学化工,物理化学,高分子科学工程页数： 528页 简介
《超分子化学》详细阐述了与超分子体系相关的概念、术语与命名，系统全面地介绍了几乎所有重要的超分 子化学体系。从超分子体系的功能角度出发，分别介绍了阳离子络合主体、阴离子络合主体、中性络合主体，晶 体工程、自组装、分子器件、生命现象和生物模拟等分支领域。涉及的超分子主体有冠醚、环糊精。杯芳烃。索 烃，轮烷、环番。树枝状大分子等。系统全面。除了介绍超分子化合物的组装和合成方法之外，还介绍了超分子 结构化学和超分子物理化学方法，有助于开拓研究思路。
超分子化学
分子受体设计
设计原则(1)大的接触面积,如空腔,互补.大 环配体受体. (2)刚性与柔性的平衡.a受体的稳定性需要 刚性分子结构b识别过程的变换,调控,协 同作用等需要柔性 (3)氢键的作用在分子识别过程中非常重要 (4)π堆积提供了平面杂环低物的识别 (5)酶催化依赖于配位作用与过渡态的稳定 性
球形识别特点
1.强的作用,如氧对碱金属离子(AC)的作用 2.结构互补,空穴等 3.立体比平面有更强的选择性,二,三,四环 选择性不同
多氮杂、多硫杂配体、过渡金属离子识别
特点：1.配位作用N 、S对过渡金属的配 位，具有更强的选择性
2.结构互补，穴状配合物。谱学，磁学。
3.立体选择性
分子产物中的结构单位，而不等同于反应物的作用基团。
超分子合成子把分子片的化学特征和几何识别特征结合在 一起，即把明确的含蓄的分子间相互作用的内容包含在内。
合成子：用已知的或想象的合成操作所能形 成或组装出来的分子中的结构单位。
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。
下面列出几个以氢键结合的合成子：
一 些 有 代 表 性 的 超 分 子 合 成 子
分子识别:受体对底物的作用 受体结构储存信息(1)尺寸,形状等(2)构象, 手性(3)结合点性质,电子性质(电荷,极性, 极化力,范德华力)等 识别过程----信息的储存和读取过程
识别条件:受体和底物 (1) 结构互补 (2)作用力互补 (3) 有较大的接触区域 A:多个作用点,B:大区域的强结合 (4)介质效应,疏水,亲水作用 (5)作用力协同作用
分子间的三点作用类型包括氢键，偶极相互
超分子知识点总结
超分子知识点总结超分子化学的基本概念：超分子化学的核心概念是“超分子”。
超分子可以理解为分子的超级集合体，是大于分子大小的非共价聚集体。
这些非共价荷电相互作用包括氢键，范德华力、静电相互作用等，这些是分子间相互作用主要形式。
超分子系统不仅包括简单的由两个分子组成的复合物，还包括由一系列分子组成的大规模结构。
超分子化学的研究内容：1. 分子识别和分子识别性质：超分子化学最基本的研究内容是分子识别和分子识别性质。
分子之间的特殊相互作用可以使得它们在一定的条件下能够识别、绑定特定的分子。
这对于生物体系的正常功能以及药物的研究和设计具有非常重要的意义。
2. 超分子组装：超分子组装是超分子化学的一个重要方面，它研究的是一系列分子间的特殊相互作用如何自组装形成有序结构和功能。
3. 超分子结构：超分子化学的研究还包括超分子结构，也就是超分子组装后形成的各种形态的结构。
4. 超分子材料：超分子化学研究也涉及超分子材料，这是利用超分子结构构建的具有特殊性能的材料，比如光电材料、传感材料、晶体材料等。
超分子化学的应用：超分子化学在材料科学、有机化学、生物化学、医学、纳米科学等领域都有着广泛的应用。
其中最典型的应用之一是在药物设计和生物医学领域。
超分子化合物的自组装特性被广泛地应用在药物的传递和释放、药物靶向以及生物成像等方面。
另外，超分子化合物的自组装也为纳米材料的制备提供了新的思路和方法。
总之，超分子化学是分子化学的延伸和发展，是非常具有前沿性和挑战性的研究领域。
随着纳米科学和材料科学的快速发展，超分子化学的理论和应用将会得到更深入的发展和应用。
超分子体系的自组装、分子识别和分子识别性质、超分子结构和超分子材料等方面的研究将会带来更多新的发现和应用。
超分子化学简介.ppt
24.62 34.57 30.35 25.33
12
冠醚对碱金属离子的识别
冠醚的空腔直径和碱金属离子的体积是否匹配有关
冠醚 12-c-4 15-c-5 18-c-6 21-c-7 24-c-8
内腔直径/pm 120~150 170~190 260~320 340~430 >400
阳离子 Li+
Na+ K+ Rb+ Cs+
28
通过氢键Dendrimer的自组装
29
通过静电作用Dendrimer的自组装
30
不规整、不完善分子的自组装
31
金属体系的自组装
1.金属离子和有机或无机物形成的超分子体系。 2.有机金属化合物自身形成的超分子体系。 3.有机金属化合物作为主体形成的超分子体系。 4.有机金属化合物作为客体形成的超分子体系。 5.含有金属的多组分自组装体系。
实际上超分子体系的研究已不限于化学的范畴, 而是与生物、物理、生命科学、材料、信息及 环境等学科交织在一起, 形成了“超分子科 学”。
8
分子识别（recognization)
识别：指给定受体与底物选择性结合并产生某些特定 功能的过程。（这种选择性是指分子间特殊、专一的 相互作用）
分子识别：发生在分子间的识别过程。 位点识别：发生在实体局部间的识别过程。
1
分子间作用力
组成超分子的分子间作用力：
氢键，范德华力，静电作用，配位键的作用，疏水亲脂 作用力，芳香堆积等. 正是通过以上分子间作用力的协同作用而形成了超分子
分子间作用力（非共价键力）属于弱相互作用，那怎么能 结合成这种稳定、有序的实体呢？
2
分子间作用力的协同作用
超分子定义
超分子定义
超分子是指由分子间的非共价相互作用(如静电力、范德华力、氢键等)所形成的有序结构体系。
这种结构在生物学、化学、材料科学等领域中都有广泛的应用。
超分子化学是一门研究分子间相互作用的学科，旨在了解和控制超分子结构的性质和应用。
超分子化学涉及的分子包括有机分子、无机分子、金属离子、配位体等。
超分子的形成与分子间的相互作用密切相关，这种相互作用可以分为静电相互作用、氢键相互作用、范德华相互作用等。
超分子化学的应用非常广泛，其中最为重要的应用之一是在药物研究方面。
药物的分子结构是由多个分子组成的，这些分子之间的相互作用会影响药物的吸收和代谢，因此通过超分子化学的方法研究药物的分子结构可以提高药物的效率和减少副作用。
在材料科学中，超分子化学也有着广泛的应用。
如在高分子材料中，超分子结构可以影响材料的力学性质、热性质等。
通过超分子化学的方法，可以调节高分子材料的分子结构，从而控制材料的性质，使其更加适用于不同领域。
除了药物和材料科学，超分子化学还有着广泛的应用，如在催化剂的研究中、生物分子的识别和检测中等领域。
在这些领域中，超分子化学的方法可以用于设计和合成更加高效、具有特殊性能的分子
结构。
超分子化学是一门研究分子间相互作用的学科，涉及的领域非常广泛，包括药物研究、材料科学、催化剂研究等。
超分子化学的研究方法可以用于设计和合成更加高效、具有特殊性能的分子结构，从而为各个领域的应用提供支持。
超分子化学
2．冠醚和穴醚配体的识别和自组装 以冠醚和穴醚配体为主客体的识别和自组装是 20世纪60～80年代创立的超分子化学的基础。 表 ７．６．１ 各种冠醚离子大小的识别
３．配位键识别和自组装
(a)Mo— O键组装成大环超分子[Mo176O496(OH)32(H2O)80] (b)Mo— C和Mo— N键组装成球碳超分子
超分子自组装 超分子自组装(supramolecular self-assembly) 是指一种或多种分子，依靠分子间相互作用，自 发地结合起来，形成分立的或伸展的超分子。由 分子组成的晶体，也可看作分子通过分子间作用 力组装成一种超分子。 超分子化学为化学科学提供新的观念、方法 和途径，设计和制造自组装构建元件，开拓分子 自组装途径，具有特定的结构和基团的分子自发 地按一定的方式组装成所需的超分子。
分子识别和超分子自组装的结构化学内涵， 体现在电子因素和几何因素两个方面，前者使分 子间的各种作用力得到充分发挥，后者适应于分 子的几何形状和大小能互相匹配，使在自组装时 不发生大的阻碍，分子识别和超分子自组装是超 分子化学的核心内容。
超分子合成子 合成子（synthon）一词是在有机合成中表示 “ 用已知的或想象的合成操作所能形成组装出来的 分子中的结构单位。” 将这个通用的、可变的定义 用于超分子，即得：“ 超分子合成子是用已知的或 想象的、包含分子间相互作用的合成操作所能形成 或组装出来的超分子中的结构单位。”
１． 几个概念 分子识别（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ） 是由于不同分子间的一种特殊的、专一的相 也满足分子间各种次级键力的匹配。
互作用，它即满足互相结合的分子间的空间要求，
在超分子中，一种接受体分子的特殊部位具 有某些基团，正适合与另一种底物分子的基团相 结合，体现出锁和钥匙原理，当接受体分子的底 物分子相遇时，相互选择对方，一起形成次级键； 或者接受体分子按底物分子的大小尺寸，通过次 级键构筑起适合底物分子居留的孔穴的结构，所 以分子识别的本质就是使接受体和底物分子间形 成次级键的最佳条件，互相选择对方结合在一起， 使体系趋于稳定。
超分子化学及其应用
超分子化学及其应用超分子化学是一种研究分子之间相互作用以及形成有序结构的化学学科，由于其在生物化学、药物设计、纳米材料等领域中的重要应用，成为近年来备受关注的研究方向。
本文将从超分子化学的基本概念、分类、性质和应用等方面进行阐述。
一、超分子化学的基本概念超分子化学是在分子化学的基础上发展起来的，是研究分子间相互作用的一门学科。
它的研究对象不再是单个分子，而是由多个分子组成的亚稳态结构，这种结构被称为超分子体系。
超分子体系的形成是基于分子间的非共价相互作用力，例如氢键、疏水相互作用、π-π相互作用等。
超分子体系不仅具有高度的有序性、功能性和可控性，还能自组装形成稳定的结构，并展现出特殊的性质和功能。
因此，超分子化学成为了分子设计和纳米材料等领域的核心研究课题。
二、超分子化学的分类按照形成超分子的相互作用类型，可以将超分子体系分为以下几类：1. 氢键型超分子体系：氢键是质子转移反应所形成的分子间相互作用力，是一种分子间力。
氢键相对于其他相互作用力来说比较强，能够形成非常稳定的结构。
因此，氢键型超分子体系被广泛地应用在生物化学和药物设计领域中。
2. 疏水型超分子体系：在溶剂中，疏水性分子会倾向于彼此聚集在一起形成聚集体，并且会排斥亲水性分子。
这种聚集体被称为疏水集合体。
疏水集合体可被用于生物医学领域的药物传递和纳米材料制备。
3. π-π电子共轭型超分子体系：π-π相互作用是一种分子间力，是芳香性分子之间分子间相互作用的一种机制。
这种相互作用力可以导致分子自我组装，形成层状、管状、球状或链状的结构。
π-π电子共轭型超分子体系在材料化学和纳米技术中具有广泛的应用前景。
三、超分子体系的性质超分子体系具有许多独特的性质。
以下是其中的一些：1. 有序性：超分子体系通常具有高度的有序性，可以自组装形成各种层状、球状、管状或链状的结构。
2. 功能性：超分子体系中的分子有特定的功能，可以用于生物化学、药物设计、纳米材料等领域中。
超分子化学的定义
超分子化学的定义
超分子化学的定义
超分子化学是一门研究以分子结合为基础的物理、化学和生物学研究的学科，它将分子结合技术用于进行分子设计和组装、分子表征、分子结构调控和分子功能化等研究。
超分子化学技术的特点在于，它能够有效地将小分子组装成更大的结构，从而实现分子结构调控和分子功能化。
超分子化学可以被概括为将分子结合技术用于研究分子结构、特性、组装及其行为的学科。
它的研究范围包括分子结构的探索和调控，分子的合成、表征和行为，以及分子组装的合成、表征和行为等。
超分子化学的研究方法和技术具有跨学科特性，它主要是利用分子结合反应来调控分子结构，以及利用分子组装和表面等技术来实现分子功能化，这些技术可以用于生物、材料、能源和其他领域的研究。
超分子化学研究的最终目标是通过控制分子结构和行为，从而让分子具有更复杂的功能，并且能够在自然界中更好地扮演其作用。
超分子化学的研究也为许多材料和分子的设计提供了新的思路，为人类社会带来了新的技术和应用。
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一、超分子化学的概述
1973年，D.J.Cram报道了一系列具有光学活性的冠醚，可以识别伯胺盐形成的配合物；分子识别的出现为这一新的化学领域注入了强大的生命力，之后它进一步延伸到分子间相互识别和作用，并广泛扩展到其它领域，从此诞生了超分子化学。
超分子化学的概念和术语是在1978年引入的，作为对前人工作的总结和发展。
1987年，Nobel化学奖授予了C.J.Pederson、D.J.Cram和J.-M.Lehn，标志着超分子化学的发展进入了一个新的时代，超分子化学的重要意义也因此被人们更多的理解。
[1]
超分子化学是关于若干化学物种通过分子间相互作用，包括氢键、主客体作用、疏水疏水作用、静电作用、堆积等作用结合在一起构筑的、具有高度复杂性和一定组织性的整体化学
超分子化学的定义可由下图所示
图一：从分子化学到超分子化学：分子、超分子、分子和超分子器件
由上图所示分子化学是基于原子间的共价键，而超分子化学则基于分子间的非共价键相互作用，即两个或两个以上的物质依靠分子间键缔合，所以超分子化学也可以被定义为分子之外的化学。
图二：分子与超分子
由弱相互作用加和形成强相互作用，由各向同性通过定向组合（选择性）形成各向异性，这是分子化学和超分子化学的分界线。
超分子化学不是靠传统的共价键力,而是靠非共价键的分子间作用力,如范德华力,即由分子内的永久偶极、瞬间偶极和诱导偶极在分子间产生的静电力、诱导力和色散力的相互作用,此外还包括氢键力、离子键力、阳离子一二和叮一二堆集力以及疏水亲脂作用力等。
一般情况下,它是几种力的协同、加和,并且还具有一定的方向性和选择性,其总的结合力强度不亚于化学键。
正是这些分子间弱相互作用的协调作用(协同性、方向性和选择性决定着分子与位点的识别。
[2] 超分子化学并非高不可攀，有许多超分子结构都处于我们的日常生活中，如
的结构类似于圆弓西方把轮烯比为东方的算盘，索烃是舞池中的一对舞伴，C
60
建筑物，环糊精和当今的激光唱片一样有同样的功能--储存和释放信息，DNA双螺旋则与早餐的麻花形状相似。
图三:超分子化学结构
目前超分子化学研究的内容主要包括：分子识别，分为离子客体的受体和分子客体的受体；环糊精；生物有机体系和生物无机体系的超分子反应性及传输；固态超分子化学，分为晶体工程、二维和三维的无机网络；
二、超分子的重要特征
1、分子识别
分子识别是超分子化学的一个核心研究内容之一。
所谓分子识别即是指主体（受体）对客体（底物）选择结合并产生某种特定功能的过程。
有人把这一过程形容为锁和钥匙的关系。
在生物体系中存在着广泛的分子识别。
酶和底物之间、基因密码的转录和翻译、细胞膜的选择性吸收等等都涉及到分子识别。
[1]
图四：酶与底物的分子识别
分子识别中的主体主要有冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、卟啉等大环主体化合物。
对以非共价键弱相互作用力键合起来的复杂有序且具有特定功能的分子集合体，即超分子化学的研究，可以说是共价键分子化学的一次升华，一次质的超越，被称为是“超出分子范围的化学”。
分子识别不是依赖于传统的共价键力，而是靠非共价键力，即分子间的作用力，如范德华力（VanderWaals）（包括离子-偶极，偶极-偶极和偶极-诱导偶极相互作用）、疏水作用和氢键等。
图五：冠醚图六：穴醚
图七：环糊精图八：杯芳烃
图九：卟啉
2、分子自组装
自组装和自组织的研究90年代初主要集中在生物和物理领域，而超分子化学的出现为化学在此领域的探索及应用其设计和控制的能力提供了途径和方法。
超分子化学为了实现识别、催化、传输过程和装配分子器件，都要借助于分子自组织和自组装。
从冠醚、穴醚和球状配体等的设计起就包含了分子自组织和自组装。
分子自组装的原理是利用分子与分子或分子中某一片段与另一片段之间的分子识别,相互通过非共价作用形成具有特定排列顺序的分子聚合体。
分子自发地通过无数非共价键的弱相互作用力的协同作用是发生自组装的关键。
这里的“弱相互作用力”指的是氢键、范德华力、静电力、疏水作用力、ππ堆积作用、阳离子π吸附作用等。
非共价键的弱相互作用力维持自组装体系的结构稳定性和完整性。
并不是所有分子都能够发生自组装过程,它的产生需要两个条件:自组装的动力以及导向作用。
自组装的动力指分子间的弱相互作用力的协同作用,它为分
子自组装提供能量。
自组装的导向作用指的是分子在空间的互补性,也就是说要使分子自组装发生就必须在空间的尺寸和方向上达到分子重排要求。
图十：分子自组装
分子自组装在膜材料方面的应用：
分子自组装膜,特别是自组装单分子膜(SAMs),是分子自组装研究最多的领域,并且得到了广泛的应用。
例如,SAMs在电子仪器制造、塑料成型、防蚀层研究等诸多领域都有实际应用。
SunghoKim等研究了TiO2纳米粒子与聚苯酰胺自组装薄膜聚合物膜,这种膜可消除生物污垢。
自组装单分子膜可通过含有自由运动的端基,例如硫醇,氨基等的有机分子(脂肪族或者芳香族)对电极表面改性,赋予了电极表面新的功能。
NirmalyaK.Chaki等阐述了SAMs在生物传感器上的应用,说明了单层分子膜的设计对基于SAMs的生物传感器有关键的作用。
F.Sinapi 等以多晶锌为基体利用自组装技术在乙醇溶液体系中合成了(MeO)3Si(CH2)3SH 自组装膜,并证实了这种膜是一种具有保护作用的吸收膜
图十一：自组装成膜过程
分子自组装在生物科学方面的应用：
目前分子自组装在生物科学中主要应用在酶、蛋白质、DNA、缩氨酸、磷脂的生物分子自组装膜。
这些生物分子自组装膜被广泛应用于生物传感器、分子器件、高效催化材料、医用生物材料领域。
例如,缩氨酸表面活性剂的自组装行为对于研究不含油脂的生物表面活性剂的人工合成和分子自组装的动力学具有积极的意义。
Santoso等人就利用类表面活性剂的缩氨酸分子自组装合成了纳米管纳米囊泡,研究表明其平均直径在30～50nm之间。
DNA树枝状大分子的自组装是在生命体中组蛋白DNA自组装体系人工模拟的最佳途径。
由于DNA树枝状大分子自组装体系中的DNA对核酸酶降解的阻碍作用,使得这种自组装体系的结构在基因治疗和生物医学领域有非常重要的应用。
酶、蛋白质、DNA等生物分子自组装体系,不仅保持了生物分子独特的生物功能,同时又为信息、电子科学的发展提供了微型化、智能化的材料。
随着生物技术的进一步发展和材料性能的进一步提高,生物大分子自组装体系将得到更深入的研究和更广泛的运用。
图十二：模块组装DNA的纳米结构模型[3]
三、超分子化学的前景展望
在与其他学科的交叉融合中．超分子化学已发展成了超分子科学．由于超分子学科具有广阔的应用前景和重要的理论意义。
超分子化学的研究近十多年来在国际上非常活跃，我国也积极开展这方面的研究工作。
超分子科学涉及的领域极其广泛，
不仅包括了传统的化学(如无机化学、有机化学、物理化学、分析化学等)，而且还涉及材料科学、信息科学和生命科学等学科。
超分子化学的兴起与发展促进了许多相关学科的发展，也为它们提供了新的机遇。
基于超分子化学中的分子识别．通过分子组装等方法构筑的有序超分子体系已展示了电子转移、能量传递、物质传输、化学转换以及光、电、磁和机械运动等多种新颖特征。
超分子功能材料及智能器件、分子器件与机器、DNA芯片、导向及程控药物释放与催化抗体、高选择催化剂等等，将逐一成为现实。
科学界有人预言，分子计算机和生物计算机的实现也将指日可待。
在信息科学方面，超分子材料正向传统材料挑战，一旦突破，将带动信息及相关领域的产业技术革命．将对世界经济产生深远的影响。
可以确信，超分子科学已成为21世纪新思想、新概念和高新技术的重要源头。
四、参考文献
[1] 莱恩（Lehn，J-M.）《超分子化学：概念和展望》北京大学出版社2002
[2] 李绍箕,石劲松一种新型光催化剂的性能及应用《化学工程师》2000
[3] 葛志磊，樊春海，YANHaoDAN纳米子组装的研究进展及应用2004。