超分子化学简介
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超分子结构、超分子组装和超分子功能的学科。
它的研究对象是一些含有多种不同化学基团的复合体系，具有三维空间结构和生物分子类似的功能和特性。
目前，超分子化学已经成为化学领域的重要分支之一，其发展与人类生活的方方面面息息相关。
超分子化学的基本概念超分子化学起源于20世纪60年代，最早由法国化学家勒兰创立。
他发现，通过分子内作用力，在不改变分子化学结构的前提下，可以形成一些具有新奇物理、化学性质的分子复合体系。
这就是超分子化学的基本概念，即通过相互作用的分子或离子等基团在空间上结合形成具有特定功能和性质的大分子结构。
超分子化学的研究领域超分子化学的研究领域很广泛，包括了分子识别、分子组装、功能材料、催化反应等。
其中，超分子识别是其核心研究方向之一。
超分子识别是指相互作用基团通过非共价键的形成，在空间上特异性地识别某一物种的过程。
例如，著名的双胺帽基与双腺嘌呤复合物就是一种典型的超分子识别体系，可以选择性地识别出双腺苷一类的化学物质。
超分子化学的应用超分子化学的应用主要体现在以下几个方面：1. 分子修饰与化学传感器超分子化学通过不同基团之间的相互作用，可以实现分子修饰和化学传感效应。
例如，金属离子和荧光分子的相互作用机制可以实现对溶液中金属离子的定量检测。
2. 超分子药物超分子化学可以构建具有特定药效的分子复合体系，形成新型的治疗手段。
例如，通过药物分子与载体分子之间的相互识别作用，可以实现药物的定向输送和释放。
3. 人工光合成人工光合成是一种新型的能源利用方式，超分子化学可以构建含有多种分子基元的高分子复合体系，实现光的捕获和转换。
4. 分子电子学分子电子学是利用分子电性质来构建电子学器件的重要研究领域之一，超分子化学的研究可以为构建分子电子学器件提供新思路。
总之，超分子化学的研究与应用在化学、材料、生命科学和能源等领域有广泛应用和推广，可以为人类社会的发展和进步提供有益的支撑。
超分子化学
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，C60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。
超分子化学
例3: 三苯基磷磺酸钠盐环糊精组装
三苯基磷磺酸单钠盐和
β- 环糊精相互作用，三 苯基磷磺酸钠盐被作为客体和环糊精发生了自组 装．
6、 超分子研究的基本问题
目前超分子化学研究涉及的核心问题是各种弱相互作 用的方向性和选择性如何决定分子间的识别及分子的 组装性质。其中包括更基本的科学问题，如弱相互作 用的本质是什么，它们之间的协同效应如何进行等等。 要解决这些问题则： (a)强理论研究，可以进一步认识弱相互作用的本质及 规律； (b)和通过组装与识别相互作用来构造高级结构、设计 功能器件及分子机器要加强研究。
自组装技术的重要作用主要体现在以下几方面：
(a)在合成材料或制备功能体系时，科技工作者可以在更广的 范围内选择原料； (b)自组装材料的多样性，通过自组装可以形成单分子层、膜、 囊泡、胶束、微管以及更为复杂的有机/无机、生物/非生物 的复合物等其多样性超过其他方法所制备的材料； (C)多种多样、性能独特的自组装材料将被广泛应用在光电子、 生物制药、化工等领域，并对其中某些领域产生未可预知的 促进作用； (d)自组装技术代表着一类新型的加工制造技术，对电子学等 有很大的促进作用。
3、超分子的结构化学
(1) 能量降低因素 超分子体系和其他化学体系一样，由分子形成稳 定超分子的因素，在不做有用功能时，可从热 力学自由焓的降低(△G<0)来理解： △G= △H－T△S △H为焓变，代表降低体系能量的因素； △S为体系熵增的因素
分子聚集在一起，依靠分子间的相互作用力，客体 间通过非共价键缔合作ห้องสมุดไป่ตู้形成。 主客体间的相互作用方式主要有以下几种，同时也 是降低超分子体系能量的主要因素：
分子识别主要为离子客体识别和分子客体 识别，依靠非共价键的分子作用力。
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
超分子化学的分类、性质以及研究前景一、超分子的概述超分子化学由于与生命科学密切相关已成为一门新兴的化学学科，它是基于冠醚与穴状配体等太环配体的发展以及分子自组装的研究和有机半导体、导体的研究进展而迅速发展起来的。
Lehn给超分子化学起了这样一个定义：“超分子化学是超出单个分子以外的化学，它是有关超分子体系结构与功能的学科。
超分子体系是由两个或两个以上的分子通过分子间超分子作用联接起来具有一定结构和功能的实体或聚集体”。
超分子化学(Chemistry)是在分子和原子的水平上研究物质的性质、组成、结构及变化规律和其应用、制备，以及物质间相互作用关系的科学。
分子是保持物质性质的最小单位。
分子化学是基于原子间的价键，是共价键化学。
然而，分子并不是孤立存在的，而是处于分子问的相互作用中，如范德华(vander Waals)力(包括离子一偶极、偶极一偶极和偶极一诱导偶极相互作用)、静电力、疏水相互作用和氢键等，这些作用力统称为非共价键力。
这些非共价键力弱于共价键力，但是分子之间几种弱相互作用力协同作用的强度却不次于化学键，其在生命体系中起着非常重要的作用。
超分子化学(Supramolecular Chemistry)就是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聚合体的化学。
可以说超分子化学是共价键分子化学的一次升华、一次质的超越，因此被称为是“超越分子概念的化学”。
打个形象的比喻，如果把超分子比作足球队的话，那么球队的每个成员就是一个分子，一个有组织的足球队的表现并不是单个球员表现的简单加和，而是作为一个有序的聚合体，具有远远超过单个成员简单加和的更特殊和更高级的功能。
超分子体系所具有的独特有序结构正是以其组分分子间非共价键若弱相互作用为基础的。
一般认为，超分子体系分子间的弱相互作用力主要指范德华力（包括静电力、诱导力、色散力和交换力）、氢键、堆砌作用力几种形式。
基于金属-有机配合物设计与合成具有特定结构和性质的新型配位聚合物及超分子化合物是晶体工程学的重要目标。
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。
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。
超分子化学略讲
超分子化学略讲超分子化学是一门研究超分子结构和性质的化学学科，它涉及到超分子有机、无机化学以及材料科学等领域。
超分子化学以生物大分子为启示，研究各种分子间相互作用所形成的自组装结构。
在这些结构中，分子间相互作用起着至关重要的作用，如弱相互作用力的范德华力、氢键和离子对等。
这些相互作用力形成了分子间的力场，使分子间在空间上得以组合成自我组装的结构，并呈现出新的物理、化学性质。
这种结构被称作“超分子结构”。
超分子化学的研究方向非常广泛，包括了自我组装、分子识别、分子模拟、分子机器、分子承载体等多个方面。
其中，分子识别是超分子化学的重要分支。
分子间相互作用（如氢键、共价键等），使得分子能够相互识别并耦合形成一个较大的超分子结构，在这个过程中发挥着至关重要的作用。
自我组装是超分子化学的另一个重要分支。
自我组装是指一组相互作用的分子，在外部条件的作用下自动形成高度结构化和化学功能化合物的过程。
这种自我组装可以在大气压和温度下通过液相、固相或气相方式进行，因而具有潜在的实用价值。
自我组装体系的形成依赖于多种因素，包括分子间相互作用、溶剂效应、温度、压力等。
分子机器是超分子化学的又一个重要分支。
分子机器是指一种能够将分子间的势能转化为机械运动的分子系统，由分子间相互作用构成。
它们通常是由分子构建而成的，但比分子更大，比组织更小。
分子机器还可以通过光、电、磁场等外部信号的作用实现控制。
因此，分子机器具有高效、经济和环保等优点，将在许多领域中得到广泛应用。
分子承载体也是超分子化学的一个重要研究方向。
特定的分子结构可以提供一种容纳其他分子的空间，从而形成承载体。
分子承载体可以把药物、光源、光敏物等包装在里面，以实现高效率的传递、释放和反应。
这些承载体可以在各种方面应用，如药物运输、光敏材料、发光等领域。
总之，超分子化学是一门具有广泛实用价值的学科，涉及到许多方面，如自我组装、分子识别、分子机器、分子承载体等等。
通过研究超分子结构和性质，我们可以提高新材料的合成效率，设计新型分子机器，并开发出更有效、更环保的药物等。
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
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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。
超分子化学简介
超分子化学及其化合物的发展不仅与大环化学（冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、碳60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。
到目前为止，尽管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。
“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。
超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。
（张中强，涂华民，葛旭升. 超分子化学的研究和进展 [J]. 河北师范大学学报(自然科学版),2006,7,4：第30卷第4期.）1987年法国科学家诺贝尔化学奖获得者J. M. Lehn 首次提出了“超分子化学”这一概念, 他指出: “基于共价键存在着分子化学领域, 基于分子组装体和分子间键而存在着超分子化学” 。
超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学, 换句话说分子间的相互作用是超分子化学的核心。
在超分子化学中，不同类型的分子间相互作用时可以区分的，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：金属离子的配位键、氢键、π-π堆积作用、静电作用和疏水作用等。
它们的强度分布由π-π堆积作用及氢键的弱到中等，到金属离子配位键的强或非常强，这些作用力成为驱动超分子自组装的基本方法。
超分子化学及其在生物医学中的应用
超分子化学及其在生物医学中的应用超分子化学，是描述超分子结构和化学作用机理的一门学科。
超分子结构是分子之间通过弱力相互作用（如氢键、范德华力等）形成的有序和非共价的结构。
相较于单个分子，超分子相对更大，更复杂，更具有多样性，因此有望应用于诸多领域。
近年来，超分子化学在生物医学领域中的应用备受关注，本文将从基本概念、超分子化学在生物医学中的应用等几个方面展开讨论。
一、超分子化学的基本概念在化学中，分子通常由一些原子通过化学键连接而成。
而对于超分子来说，它们是由单个分子和其他分子（或化合物）间的非共价相互作用形成的。
通常这些相互作用被称为“键”（比如氢键、范德华力、电荷转移等等），它们与化学键相比更弱。
因此，超分子的形成和分解过程可以更加敏捷和灵活。
超分子化学被定义为与超分子结构与超分子作用相关的分子化学领域。
二、超分子化学在生物医学中的应用1、药物传递3D胶束是由阴离子和阳离子单体交互制成的，它们是一种新型的纳米粒子。
与传统的纳米粒子相比，其尺寸更小，表面更为多样化，因此它们能够更有效地渗透到细胞体内。
3D胶束被广泛应用于药物传递，特别是在肝细胞的基因治疗中。
2、生物传感器传感器是测量环境和物理量的设备，而生物传感器则是专门针对生物学信号的传感器。
传统的生物传感器使用了较为复杂的技术，比如说蛋白质结合技术、废物物质测量等。
然而，现在超分子化学的方法已经可以替代这些复杂的技术。
超分子权衡了灵活性、稳定性、选择性和准确性等方面，因此是制造生物传感器的最佳方法。
3、仿生材料仿生学是人工制作和设计与生物生命体相类似的材料或系统的学科。
现在有许多新材料已经被制造出来了，如可以自我修复、具有超弹性、具备自组装等能力的材料。
其中有些是基于超分子的设计。
仿生材料在组织工程中被广泛应用于制造支架、人造肝、假体等。
4、荧光成像荧光成像是化学和生物学领域中一个关键的技术。
通过利用荧光染料，我们可以对细胞、生物分子或者生物组织产生荧光信号，从而可视化和观察物质发生的位置、数量和状态。
超分子化学简介
logK logK
Co(NH3)62+ 5.1
Ni(NH3)62+ 8.7
Co(en)32+ 13.8
Ni(en)32+ 18.6
（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 -H/kJ·mol-1 S/J·k-1·mol-1
11.24 44.4 66.5
15.34 61.9 85.8
主要内容 6.1 超分子化学 6.2 富勒烯化学 6.3纳米粒子 6.4碳纳米管
6.1、超分子化学基本概念
即具有特定的相行为和比较明确的微观结构和宏观特征。 由分子到超分子和分子间键的关系，正如由原子到分子 和共价键的关系一样。
分子间力（2-30kJ·mol-1，取向力、诱导力、色散 力）分子之间弱的相互作用——分子间力，又叫范 德华力。
非极性分子之间：
色散力
极性分子和非极性分子之间：色散力、诱导力
极性分子之间：
色散力、诱导力、定向力
由于分子间作用力的多样性和复杂性，以及对 于像生命物质的重要作用和影响，超分子化学 的内容已迅速地扩展，不仅包含化学各个分支， 还包含物理学、生物学等许多学科，逐渐结合 成新的学科领域。
6.2、超分子的研究对象：
并不是所有的π-π堆积作用都会产生CT吸收。
范德华力没有方向性和饱和性，作用范围小于1nm，作用能约比 化学键小1 ~ 2个数量级
超分子相互作用力：阳离子−π相互作用 阳离子−π相互作用从本质上来讲是一种静电作用，形成于 带正电荷的阳离子和双键π电子之间，键能在5-80 kJ mol1之间。
1. 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
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一维链状 一维带状
二维层状
三维骨架
（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)2CO· 2H2O 晶体中 [HCO3-· (NH2)2CO· 2H2O]的层型 结构（麦松威、李奇的研究成果）
3. 晶体工程构筑示例
（a）六次甲基四胺型
logK logK
（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 -H/kJ· mol-1 S/J· k-1· mol-1
11.24 44.4 66.5
15.34 61.9 85.8
（c）疏水效应（空腔效应）
疏水空腔
相对有序水
无序水
（d）Mo-C和Mo-N键组装成的超分子
第6章 无机化学研究前沿
（4学时） 彭庆蓉
研究方面：
环境友好型农药制剂的研究 纳米材料在农药中应用研究
主要内容
6.1 超分子化学
6.2 富勒烯化学
6.3纳米粒子
6.4碳纳米管
6.1、超分子化学基本概念
即具有特定的相行为和比较明确的微观结构和宏观特征。 由分子到超分子和分子间键的关系，正如由原子到分子 和共价键的关系一样。
面对面
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
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+ 5.1 Ni(NH3)62+ 8.7 Co(en)32+ 13.8 Ni(en)32+ 18.6
Y. Liu, M. Zhao, D.E. Bergbreiter. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 8720
催化剂方面的应用
纳米尺寸，形成纳米微环境
分子结构可精确控制
催化活性中心有可变性 减少金属催化剂流失
生物医学的应用
内部空腔和结合点可以 携带药物。
6.4、 超分子体系的种类
L L M L L H G H
主客体系 大的金属环、螺 旋环化合物 (host-guest system)
(cage type system)
A B
旋转体
(rotaxanes system)
C
D
联锁体
(catenanes system)
共价键联结的四元体系
(covalently-linked molecular components)
分子间力（ 2-30kJ· mol-1 ，取向力、诱导力、色散 力）分子之间弱的相互作散力 极性分子和非极性分子之间：色散力、诱导力 极性分子之间： 色散力、诱导力、定向力
由于分子间作用力的多样性和复杂性，以及对 于像生命物质的重要作用和影响，超分子化学 的内容已迅速地扩展，不仅包含化学各个分支， 还包含物理学、生物学等许多学科，逐渐结合 成新的学科领域。
Fig.10. Top row: Three dimensional depiction of conformational change of an amino-terminated PAMAM dendrimer at increasing pH . Middle row: Twodimensional depiction of the conformational change of an amino-terminated PAMAM dendrimer upon increasing pH.
个水分子的结合能只有75 kJ mol-1。K+在水中溶解度比在
苯中大，是由于在水中K+可以和多个水分子作用，而在苯 中K+周围可以环绕的苯分子较少
其他的超分子相互作用力
有机阳离子-π相互作用 阴离子-π相互作用 固体中的密堆积作用 憎溶剂效应 分子间键的协同作用 氢键和π-π 堆积作用 π-π 堆积作用和静电作用 疏水作用和配位作用 氢键和配位作用 疏水效应-----熵增加效应 熵效应-----疏水效应的本质 极性相似相溶原理
并不是所有的π-π堆积作用都会产生CT吸收。
范德华力没有方向性和饱和性，作用范围小于1nm，作用能约比 化学键小1 ~ 2个数量级
超分子相互作用力：阳离子−π相互作用
阳离子−π相互作用从本质上来讲是一种静电作用，形成于 带正电荷的阳离子和双键π电子之间，键能在5-80 kJ mol1之间。
气相中K+与苯的相互作用能大约为80 kJ mol-1，而K+与单
6.5、超分子稳定形成的因素
G = H - TS
能量因素 熵因素
1. 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 离子－偶极子作用
＋
正负基团
－ +
偶极子－偶极子作用
－ ＋
－ ＋
（b）氢键 常规氢键
（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。
6.2、超分子的研究对象： 是由分子间非共价键的相互作用，将分子结合 和组织在一起，形成比分子本身要复杂得多的 化学物种。
超分子化学是研究分子社会行为和分子间键的化学. 经典化学中 分子中的键是共价键(或配位键). 从某种意义上来讲, 超分子化学 淡化了有机化学、无机化学、生物化学,催化科学,材料科学相互 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)有机的合 为一个整体,融会贯通.从而为分子器件、材料学和生命科学的发 展开辟了一条崭新的道路, 并提出了二十一世纪化学发展的一个 重要方向.
6.3、超分子相互作用 力
超分子相互作用力：π- π堆积作用
方香堆积作用，是发生在芳香环之间的一种弱相互作用， 通常存在于相对富集电子和缺电子的两个分子之间。它也 是超分子体系中一种广泛存在且有着重要作用的分子键。 计算表明典型的π –π堆积作用的强度大约2KJ.mol-1
早期的研究认为π-π堆积作用是电子在工体（D）和 受体（A)之间交换的结果，该理论由于可以有效地解 释π-π堆积作用中常见的所谓电荷转移（chargetransfer,CT.指在波长方向出现的既不属于D也不属于 A的新的吸收带）而被广泛接受。
V. Balzani, F. Vö gtle .C. R. Chimie. 2003, 6, 867
超分子的应用
分子自组装
Fig.2. Schematic illustration of the pH-switchable “On/Off” function of the composite film. The polyamine dendrimer units are covalently attached to the Gantrez polymer network. At high pH the film has a net negative charge that excludes anions but passes cations; at low pH it is positively charged and excludes cations but passes anions; and at intermediate pH, it passes both cations and anions.
药物载体
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
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，建筑出多种式样的超分子，如下图。
（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。
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
药物载体
外层用聚乙二醇修饰的聚芳醚类树形单分子胶束，疏水内层和亲水外层，在水 溶液中有很强的增溶能力，每个胶束能包容9-10个疏水性消炎痛药物分子，具 有明显的缓释作用。
Fig. 9. Structure of the G–2 dendritic unimolecular micelle.
M. Liu, K. Kono , J.M.J. Frechet. Journal of Controlled Release. 2000, 65, 121
(CH2)6N4
（a）六次甲基四胺型
[{Pt(bipy)}6L4]12+
（a）六次甲基四胺型
[Ag{C(4-C6H4CN)4}]BF4· xPhNO2晶体中的Ag{C(4-C6H4CN)4}结构单元
（b）金刚烷型
金刚烷 (CH2)6(CH)4
（b）金刚烷型
C(C6H4C2C5NH4O)4· 8CH3CH2COOH
2. 分离
（a）尿素分离正烷烃和异烷烃