超分子
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
简介
作用力
受体
自组装
分子器件
自组装原理
+
+ +
简介
作用力
受体
自组装
分子器件
自组装配位化合物
简介
作用力
受体
自组装
分子器件
分子器件
简介
作用力
受体
自组装
分子器件
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
简介
作用力
受体
自组装
分子器件
分子化学
++
超分子化学
+
简介
作用力
受体
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
超分子自组装
三、超分子化学、分子组装、超分 子组装及自组装
分子间相互作用的应用领域十分广阔，除了在生命 科学、高分子改性等领域外，过去20年里，在超分子化学 中尤其占有重要地位。所谓超分子化学，正如Lehn在其诺 贝尔演讲中所述：“Supermolecular Chemistry may be defined as chemistry beyond the molecule.”。一般地讲， 超分子体系是由一种或两种以上化学物质经过非共价键缔 合而成，它具有较高的结构复杂性。超分子化学的严格定 义必须包括分子识别、分子转变及分子易位过程。所以超 分子化学不仅包括化学、生物及物理问题，而且包括很多 技术问题。超分子化学研究的内容与主-客体化学（HostGuest Chemistry）、生物有机化学、生物无机化学、两 亲化合物、液晶、分子器件、新型超分子化合物的合成等 有关，其中关于分子组装、超分子组装及自组装的讨论很 多。
五、综述
超分子自组装机理，不仅阐明了所观察到的实验现象，而且 对其他不规则大分子自组装具有指导作用。由于诸多的自然现象， 如血管、腔肠和植物茎杆都是由有机分子通过宏观自组装形成的， 研究成果对相关学科的发展提供了有益的启示。 超分子组装技术的研究自起步以来已取得了很多非常有意义的 研究成果。有理由相信，随着超分子自组装技术的进一步发展， 超分子的各种奇异性质和功能必将得到更充分的发挥和利用，将 在科技、生产、生活等各领域发挥越来越大的作用，将成为21世 纪有重大突破的领域。
目前文献中所报道的纳米团簇超分子化学组装方法可 分为两类： 一类是利用胶体的自组装特性使团簇组装成 胶态晶体，得到二维或三维的纳米团簇超晶格；另一类 是利用纳米团簇与组装模板之间的分子识别来完成纳米 团簇的组装。 1.胶态晶体法 众所周知，胶体具有自组装的特性，而纳米团簇又很 容易在溶剂中分散形成胶体溶液，因此，只要具备合适 这一自组装过程所需要的条件［4］是：(1) 硬球排斥， (2) 统一的粒径，(3) 粒子间的范德华力和(4)体系逐渐的 去稳定。其中条件(1)和(3)是纳米团簇胶体溶液体系本身 固有的性质，条件(2)主要通过纳米团簇制备条件的控制 和适当分离方法的应用来实现［5］，因此实际上组装过 程中的可操作因素主要是胶体溶液体系稳定性的控制。
超分子化学简介
7.2 超分子稳定形成的因素
7.2 超分子稳定形成的因素
G = H - TS
能量因素 熵因素
7.2.1 能量因素
7.2.1 能量因素
能量因素：降低能量在于分子间键的形成。
1. van der Waals作用能 是远程相互作用能。Kesoon、Debye和London等人的研究分 别揭示了其中静电能、诱导能和色散能的性质。
作用力：金属离子配位键、静电引力、氢键、范德华相互作用、 给体-受体相互作用。 强度分布：氢键的弱到中等（如酶-底物），到金属离子配位键的 强或非常强（其强度可达到包含很多独立相互作用的抗原抗体作 用强度范围，或更强些）。 超分子物种的热力学稳定性不如分子，但动力学上更易变，具有 动态柔顺性。
超分子化学涉及的是软化学键，代表一门“软化学”。
由常规氢键形成的分立形结构
由常规氢键形成的链状结构
7.2.1 能量因素 由常规氢键形成的层状结构
7.2.1 能量因素
由常规氢键形成的三维网状结构
水分子之间通过O-H---O氢键形成三维网状结构的冰
7.2.2 氢键
DNA的碱基T（胸腺 嘧啶）与A（腺嘌呤） 之 间 有 一 个 N-H---O 和 一个N-H---N氢键
7.1 超分子的概念
超分子化合物中的组分被命名为受体（ ρ ） 和底物（ σ ），底物 通常指被结合的较小部分。一个特定的底物与受体选择性结合后产 生了超分子（ ρσ ）。
如果受体除又结合位点外，还有反应功能，则它可能在被束缚的 底物上产生一化学变化而引起超分子试剂作用。亲油的膜溶性受 体可作为载体使被束缚的底物易位。
识别
自组织 自组装
转换
易位 供能组分
分子/超分子 器件
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
高二化学人教版选择性必修晶体结构与性质第四节超分子课件
思考：碱金属离子或大或小，猜想冠醚是如何识别它们的？ 冠醚环的大小与金属离子匹配，才能识别
冠醚是皇冠状的分子，可有不同大小的空穴适配不同大小的碱金属离子
O
O
O
O
O
O
18-冠醚-6的结构
不同冠醚的空腔尺寸不同，与不同的阳离子相匹配，从而实 现选择性结合。
冠醚 12-冠-4 15-冠-5 18-冠-6
C70
这个例子反映出来的超分子的特性被称为“分子识别”。
（2）分子识别——冠醚识别碱金属离子(如K＋)。
冠醚是皇冠状的分子，有不同大小的空穴，能与正离子，尤其是碱金属 离子络合，并随环的大小不同而与不同的金属离子络合，利用此性质可以 识别碱金属离子
冠醚，是分子中含有多个-氧-亚甲基-结构单元的大环多醚。常见的冠醚 有15-冠-5、18-冠-6，冠醚的空穴结构对离子有选择作用，在有机反应中可 作催化剂。 猜想这些名称的含义
2. 微粒间作用力—非共价键，主要是 静电作用、范德华力和氢键、疏水作用 以及一些分子与金属离子形成的弱配位 键等。
3.结构特点：超分子是组成复杂的，有组织的分子聚集体，并保
持一定的完整性使其具有明确的微观结构和宏观特性。 【解析】电池正极材料主要含有LiCoO2及少量Al、Fe等,加入稀H2SO4溶解后铁、铝
Rb 应进速一率 步增分大析，(a)平图衡所向示气的体Li分Fe子PO数4减的小晶的胞方中向，移八动面，体即结平构衡和正四向面移体动结，构+平的衡数体目系均中为氨的质量分数增大，c项符合题意。
21-冠-7
Cs+
冠醚识别碱金属离子的应用
冠醚能与阳离子尤其是碱金属阳离子作用，并且随环的大 小不同而与不同的金属离子作用，将阳离子以及对应的阴离子 都带入有机溶剂，因而成为有机反应中很好的催化剂。
超分子结构
图33-2
是一个大三环穴状受体， 正好
组装一个NH4+ ，其中四个N 原 子与NH4+ 的四个H形成 N−H…N 氢键，这是一种四面体
识别。 NH4+ 在组装后，其pKa
提高了6 个单位，这与酶的活性 中心很类似。这种受体如果预先 二质子化，可以组装H2O分子， 见图33-2 右。如果预先四质子 化，可以组装Cl−。因而它好似 一条变色龙，对介质的pH 有灵
子间的相互作用是超分子化学的核心。
超分子化学主要研究分子之间的非共价键的弱相互作用，如氢键、 配 位键、亲水/疏水相互作用及它们之间的协同作用而生成的分子聚集 体的组装、结构与功能。
3
4
5
6
7
荚醚
8
由分子到超分子和分子间相互作用的关系，
正如由原子到分子和共价键的关系。
分子间相互作用 非共价键
金属有机骨架MOF结构-最新领域
MOFs是孔状微晶固体，由 金属离子通过有机桥连配体 所组成，用分子“构筑砌块” 从基底往上设计成具有特定 的功能。现在在加利福尼亚 大学洛杉矶分校的Omar Yaghi是20世纪的中后期设 计和合成MOFs的先驱。从 此以后，有2000多种各种各 样的MOFs被这一小组和世 界范围内的其它研究者所报 道。 由于它们的记录表面积和针 对特殊应用的精心构筑设计 (Yaghi称之为“网状合成”)， MOFs适合于存储气体—— 氢气、甲烷和其它气体—— 和气体的提纯和分离，同时 也可用做催化剂。MOFs的 另外一个用途是高选择性的 传感器。它们的储能的潜力 激起了科技界的极大兴趣并 25 且远远不止这些。
31
32
天然离子载体具有与碱金属配位的能力
穴醚（cryptand） 穴醚是一类人工合成的，可以与阳离子发生配位的双环
第七章+超分子材料及结构分析
基之间也有类似的堆积：
a. 分子识别
右图所示的主体分子 由 Peacock 等 人 于 1978 年
设计成功，分子为 R,R 构
型，具有手性。如果客体 也具有手性，主体分子就 会有选择性地将某种对映 异构体络合在中间的冠醚 大环中。这种主体被吸附 在聚合物上后，已用于高
压液相色谱的手性柱。
b. 分子自组装
纳米颗粒的稳定性
超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率 电子显微镜对金纳米颗粒（直径为 2纳米）进行电视摄像，实 时观察发现，这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自 动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多晶等）， 它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子 显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态， 尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性。 一些纳米颗粒的表面原子所占的比重很大，具有很高的活性， 在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用 表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极 薄而致密的氧化层，以确保表面的稳定性。 利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和 贮气材料以及低熔点材料。
SnO2 nanobelts
(A-C) In2O3 nanobelts; (D-F) CdO nanobelts
Z. L. Wang, et al., Science, 2001, 291, 1947
单晶ZnO纳米环(nanorings)
Wang Z. L., et al., 2004, 303, 1348-1351
c 晶体工程
SnSe4
+ AgSe
n
Ag-Sn-Se
3D-[Me2NH2]0.75[Ag1.25SnSe3], 3D channels
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。
超分子与超分子化学
到目前为止： 超分子化学-还没有一个完整、精确的定义和范畴。 但它的诞生和成长却是生机勃勃、充满活力的。
35
由分子到超分子和分子间相互作用的关系， 正如由原子到分子和共价键的关系。
分子间相互作用 非共价键
36
4、分子间作用及其强度
在超分子化学中，不同类型的分子间相互作用是
可以区分的，根据他们不同的强弱程度、取向以及对距离 和角度的依赖程度，可以分为：
43
③ X— H-δ···H+δ— Y 二氢键
比较下面等电子体系的熔点： H3C— CH3 ； H3C— F； H3N— BH3 -181°C； -141°C； +104°C H3N—BH3中存在着强烈的相互作用，该分子中没有孤对电子， 不能形成常规的氢键，其极性也低于H3C— F，偶极— 偶极 相互作用也低于H3C— F，但熔点却高出H3C— F 245 °C， 其原因是什么？
2. 研究分子之间可以彼此进行组装的方法，类似于研究
高分子的新聚合反应。所以超分子聚集体为高分子化学
家提供了研究新“聚合物”的新领域和新思路。
即， 组装的方法
新聚合反应
27
超分子聚集体：是无数个分子的有序集合，宏观 上具有高聚物的性质（只不过这种高聚物不是因 共价键结合而成），因此，它也可以作为“高分 子”材料来使用。
①. X— H… π氢键
其中，π键或离域π键体系作为质子的受体。离域π键可以 看作富电子集团，若为苯环等芳香环，又称为芳香氢键。 （aromatic hydrogen bond）.
41
42
②、X— H…M氢键
M是一个富电子过渡金属原子，它具有充满电子的d轨道。 特点：
(1) 桥连的H原子以共价键和高电负性的X原子结合。
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。
【知识解析】超分子
超分子1 超分子的定义由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体称为超分子。
超分子定义中的分子是广义的，包括离子。
2 特性（1）分子间相互作用：通过非共价键结合，包括氢键、静电作用、疏水作用以及一些分子与金属离子形成的弱配位键等。
（2）分子聚集体大小：分子聚集体有的是有限的，有的是无限伸展的。
3 应用实例——分子识别（1）“杯酚”识别分子，如图3－4－1所示。
图3－4－1（2）冠醚识别碱金属离子。
不同大小的冠醚可以识别不同大小的碱金属离子，如图3－4－2所示。
图3－4－24 超分子化学（1）含义：研究超分子的化学叫超分子化学，是一门处于近代化学、材料化学和生命科学交汇点的新兴学科。
（2）研究领域：环状配体组成的主客体体系；有序的分子聚集体；由两个或两个以上基团用柔性链或刚性链连接而成的超分子化合物。
（3）应用：分子识别与人工酶、酶的功能、短肽和环核酸的组装体及其功能等领域有着广阔的应用前景。
超分子化学的发展不仅与大环化学（冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、C60等）的发展密切相连，而且与分子自组装（双分子膜、胶束、DNA双螺旋等）、分子器件和新兴有机材料的研究息息相关。
典例详析例2－10下列有关超分子的说法正确的是A．超分子是如蛋白质一样的大分子B．超分子是由小分子通过聚合得到的高分子C．超分子是由高分子通过非化学键作用形成的分子聚集体D．超分子是由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体解析◆超分子不同于蛋白质、淀粉等大分子，也不同于高分子，超分子是由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体，故选D。
答案◆D例2－11利用分子间作用力形成超分子进行“分子识别”，实现分子分离，是超分子化学的重要研究和应用领域。
如图3－4－3表示用“杯酚”对C60和C70进行分离的过程，下列对该过程的说法错误的是图3－4－3A．C70能溶于甲苯，C60不溶于甲苯B．C60能与“杯酚”形成超分子C．C70不能与“杯酚”形成超分子D．“杯酚”能够循环使用解析◆由题图可知，C60能够与“杯酚”通过分子间作用力形成超分子，而C70不能，C60与“杯酚”形成的超分子不能溶于甲苯，但不能证明C60是否能溶于甲苯，A项错误，B、C 项正确；通过溶剂氯仿的作用，破坏“杯酚”与C60形成的超分子，可实现将C60与C70分离，且“杯酚”能够循环使用，D项正确。
超分子的特征
超分子的特征
超分子是由分子通过非共价相互作用而形成的一种有序结构体系。
超分子具有以下几个特征：
1. 自组装性
超分子具有自组装性，指多个分子能够通过非共价相互作用自发地组装成为稳定的超分子结构。
这种自组装性使得超分子具有一定的自修复能力，即在受到破坏后可以通过自组装来恢复结构。
2. 动态性
超分子是由多个分子通过非共价相互作用所组成的复杂结构体系，其结构具有一定的动态性。
超分子不仅可以在空间上不断变换，而且其内部结构也可以通过非共价相互作用不断变化，从而呈现出复杂的功能。
3. 可逆性
超分子结构是由非共价相互作用所组成的，在外部作用下，这些相互作用可以发生破坏，从而导致超分子结构的破坏。
但是，当外部作用
消失时，超分子结构可以通过自组装来恢复。
这种可逆性是超分子结
构功能可控性的基础。
4. 多样性
超分子结构中的分子间非共价相互作用是多种多样的，如范德华力、
静电相互作用、氢键等。
这些相互作用不仅具有不同的强度和方向性，而且可以通过组合形成各种不同类型的超分子结构，从而呈现出多样性。
5. 功能性
超分子结构不仅具有丰富的结构多样性，而且还具有多种功能。
例如，超分子材料可以通过选择不同的原料和组装方法来实现光电性能、气
体吸附、药物缓释等多种功能。
总之，作为化学领域中的一个重要研究领域，超分子科学的发展将为
材料、生物、环境等多个领域的研究提供深层次的理论支持和技术基础。
超分子的特征
超分子的特征超分子是化学中一个重要的概念，指的是由多个分子通过非共价相互作用形成的大分子结构。
这种相互作用包括氢键、离子键、范德华力等。
超分子化学领域的研究对于理解生物体系中的相互作用、开发新型功能材料等具有重要意义。
在本篇文章中，我将深入探讨超分子的特征，包括其组成、结构和性质等，并分享我的观点和理解。
1. 组成超分子由两个或更多的分子通过非共价相互作用形成。
这种相互作用可以是化学键以外的其他弱相互作用力，如氢键、范德华力、离子键等。
这些相互作用力相对较弱，使得超分子可以在适当条件下被破坏和再组合。
超分子的组成分子可以是相同的，也可以是不同的。
2. 结构超分子的结构通常呈现出有序的、规则的排列方式。
DNA分子由两条互补链通过氢键相互结合形成双螺旋结构；蛋白质则通过氢键、离子键和范德华力等相互作用形成复杂的三维结构。
超分子的结构具有层次性，从较小的结构单元组装而成的更大的结构单元，最后形成整个超分子体系。
3. 性质超分子体系具有一系列特殊的性质，这些性质常常与组成超分子的分子及其相互作用方式密切相关。
超分子可以表现出选择性、可逆性、自组装性等特点。
选择性指超分子对特定分子的识别和结合能力，这种选择性是通过分子间的互相适应实现的。
超分子的非共价相互作用往往是可逆的，这使得超分子体系在适当条件下可以进行破坏和再组合。
超分子自组装是指分子通过非共价相互作用自发地形成有序的结构。
总结回顾：通过对超分子的特征进行深入探讨，我们可以发现超分子作为一种组成复杂大分子结构的手段在化学中具有重要的地位。
超分子的组成由多个分子通过非共价相互作用而成，其结构呈现出有序的、规则的排列方式。
超分子具有选择性、可逆性和自组装性等特点，这些性质使得超分子在诸多领域具有广泛的应用前景。
个人观点和理解：在我看来，超分子的研究对于理解生物体系中的相互作用机制具有重要意义。
通过研究超分子的结构和特性，我们可以更好地理解生物分子之间的相互作用，从而为药物设计、生物传感器等领域的应用提供理论基础。
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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纳米材料
单一或单相材料：纳米粒子、纳米管、纳米线 纳米复合材料 0-0复合、0-3复合、0-2复合； 纳米组装体系、纳米尺度图案材料
2007-06-06 高分子科学与材料概论 22
纳米材料简述
纳米材料特性
CH 2
PSt嵌段：长度小，可限制 超分子结构的尺寸； 聚丁二烯嵌段： 可在高温 进行交联； 芳香嵌段：刚性，结晶能力 强，共聚物的结构妨碍形 成晶体； CF3：强极性取代基，提供 了自组装的附加驱动力；
2007-06-06 高分子科学与材料概论 35
加热：分子量增加； SAXS：存在分层结 构； 非线性光学实验 ：超 分子结构无对称中心； CF3换成其它结构：不 能形成超分子结构；
嵌段共聚物的超分子结构 嵌段共聚物的类型
嵌段数目：两嵌段、三嵌段、多嵌段 形 状：线形、星形、H-形、-形、哑铃形…… 性 质：
溶剂亲合性（水、其它溶剂）：双亲性、单亲性； 刚、柔性：coil-rod（柔性链-刚性链）
2007-06-06
高分子科学与材料概论
25
嵌段共聚物结构示意图
表面原子缺少相邻原子，具有不饱和性（化学活性增加）； 表面能高，吸附作用强，易聚集；
宏观量子隧道效应：
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高分子的超分子化学结构及其功能
高分子合金（混合物）中超分子结构
A和E为体心立方相 B和D为六方堆积柱 状相 C为分层相
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-堆叠
2007-06-06
高分子科学与材料概论
7
什么是超分子？
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。
分子识别是构筑 有序超分子结构 所必需的。
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超分子形成的因素
（能量、熵、分子识别）
G = H - TS
相互作用 熵因素
相互作用（降低能量）
（非共价键）
静电作用
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高分子科学与材料概论
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什么是超分子？
相互作用（降低能量） 氢键 金属原子和配位体间的配位键 疏水相互作用 -堆叠作用 范德华力
病毒的超分子结构
植物病毒：RNA和蛋白质的超分子； 动物病毒：DNA和蛋白质的超分子； 核酸居于内部，蛋白质以最简单、占有空间最为经济的方 式排列。
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高分子科学与材料概论
18
天然高分子的超分子化学（生命）
细胞膜（磷脂分子和蛋白质分子的超分子）
磷脂分子（50 %），构成细胞膜的基本支架。 蛋白质（40 %），一类蛋白质分子镶在膜的表层， 另一类蛋白质分子嵌插或贯穿在磷脂双分子层中。
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高分子科学与材料概论
36
C 2 H5 O C O
O CO
O
C H2 C H2
n
OH
(a) Smectic A（近晶A液晶） (b) bicontinuous cubic （双连续立 方相） (c) hexagonal columnar phases （六 方柱相）
2007-06-06
2007-06-06 高分子科学与材料概论 4
超分子化学
什么是超分子？
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， 形成复杂的、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。
2007-06-06 高分子科学与材料概论
物质结构的层次
5
什么是超分子？
PS-PB-PMMA三嵌段共聚物 （fPS=0.47、fPB=0.075） “spheres in lamellae”超分子结 构
2007-06-06 高分子科学与材料概论 33
聚(异戊二烯-b-苯乙烯-b-环氧乙烷) 嵌段共聚物
六种有序的超分子结构： LAM (分层相)、HEX (六方柱相)、 Q230 (双 螺旋相)、Q214 (交替螺 旋相)、BCC (体心立 方相)、O70 (Fddd orthorhombic network)； 无序结构：disordered 介稳定相：HPL（变形的 层状结构 ）
PS-PEB-PMMA三嵌段共聚物，当共聚物组成为fPS=0.48、 fPEB=0.20时，共聚物形成“rods in lamellae”超分子结构
2007-06-06 高分子科学与材料概论 32
PS-PEB-PMMA三嵌段共聚物 （fPS=0.47、fPEB=0.075） “rings on cylinder”超分子结 构
高分子科学与材料概论
37
N NH m
O C CH CH 2 n
溶液浇铸膜的荧光显微照片
（溶液浓度： 30％，m：10， n： 300）
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溶液中嵌段共聚物的超分子结构
超分子结构（胶束）：选择性溶剂，两亲性嵌段共聚物； 临界胶束浓度（cmc）：胶束形成的最低浓度； 临界凝胶浓度（cgc）：高浓度下，胶束可以有序堆积成晶 格结构； 临界胶束温度（cmt）：依赖于自组装是吸热还是放热的； 胶束的形态：球状、棒状、囊泡；
ABC线形嵌段共聚物的超分子结构
组成为1:1:1的P2VP-PI-PS三嵌段共聚物的TEM图象，显示出六 方堆积的核壳柱状结构，P2VP形成柱的内核 （a：切片方向垂直于柱径向；b：切片方向平行于柱的径向）
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聚苯乙烯-聚(乙烯-丁烯)-聚甲基丙烯酸甲酯
超分子化学与纳米高分子材料
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高分子科学与材料概论
1
Superman
Super-molecule
Super-: 强大、有力量、巨大，等等。 超：越过、超过、赶上；大于、高于、远于。 纳米： 10-9 m，非常小的尺度。 两者有何关联？ 超分子：在分子这一物质结构层次之上去观察物质的 结构。
亲水性外壳
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高分子科学与材料概论
14
天然高分子的超分子化学（生命）
遗传物Байду номын сангаасDNA
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高分子科学与材料概论
15
天然高分子的超分子化学（生命）
生命活动的载体蛋白质
蛋白质的合成
mRNA作为模板
tRNA结合、运载氨基酸， 并与mRNA的碱基配对， 以合成特定的蛋白质
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表面活性剂的超分子结构
胶束（正、反） 球形 棒状 囊泡 复杂超分子结构 LB膜和多层膜 洋葱状结构 棒状结束的聚集体
（乳化剂双分子层构成囊泡壁）
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高分子科学与材料概论
21
纳米材料简述
尺度：0.1~100 nm 维数
PSt-PI两嵌段共聚物的分层微相结构（fSt=0.64，Mn=39k）
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聚苯乙烯-聚异戊二烯两嵌段共聚物
透射电子显微镜照片
小角X-散射（1 :
3:
4:
7:
9
）
PSt-PI-PSt（fSt=0.24，N=203 ）嵌段共聚物六方柱相
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J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 2026–2027.
体积效应（小尺寸效应）：光、电、磁、化学特性和体材料 相比发生很大变化
熔点远低于体材料的相应值（冷压冶金）； 等离子体共振频率随颗粒尺寸变化（宽频微波吸收材料）； 磁性的变化：纳米磁性材料表现为超顺磁性； 电阻率发生突变：金属变成非导体，电阻温度系数发生变化；
表面（界面）效应：比表面大、表面原子的分数剧增；
物质和信息
的交换
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高分子科学与材料概论
19
天然高分子的超分子化学（生命）
肌肉组织（微丝中的蛋白质） 微丝的主要组分是肌动蛋白纤维，后者是由肌动蛋白组成 的直径为7nm的骨架纤维； 肌动蛋白的单链是球形（G-肌动蛋白），由两股G-肌动蛋 白单链相互缠绕形成纤维状肌动蛋白（F-肌动蛋白）。 从球形纤维状的变化是自组装的，除肌肉细胞和肠上皮 细胞微绒毛中的微丝是稳定的结构外，通常细胞中的微丝 都是处在组装和解聚的动态之中。 微丝组装的条件：Mg2+和高浓度Na+、K+， 解聚的条件：Ca2+，低浓度的Na+、K+和ATP。 不同类型的细胞中，微丝还含有微丝结合蛋白，形成各自 独特的结构或特定的功能，如肌细胞中就有肌球蛋白、原 肌球蛋白和肌钙蛋白。
2007-06-06 高分子科学与材料概论 27
聚苯乙烯-聚异戊二烯两嵌段共聚物的相图（实验测定）
fPI ：聚异戊二烯 的体积分数； N：共聚物的长度； c：不同单元间的 相互作用参数
2007-06-06
高分子科学与材料概论
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聚苯乙烯-聚异戊二烯两嵌段共聚物
透射电子显微镜照片
小角X-散射（1 : 2 : 3 : 4 ）
分子的尺寸有多大？
2007-06-06 高分子科学与材料概论 2
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：从化学键的结合这一层次研究物质 的结构和性质。 分子结构间接影响物质的性能，聚集态才是直 接影响物质性能的因素。 超分子构筑：通过分子间弱相互作用来形成新 的物质。 在大自然创造的物种基础上，用自然之物和自 然之和谐，人类将创造无限的物种。——列奥纳 多· 芬奇 达·