超分子结构

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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。
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荚醚
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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。
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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
和多环多齿配体。
“穴醚(cryptand)”一词是指该配体形如空穴,将底物 分子容纳在里面。整个分子是一个三维的结构。
因此与单环的冠醚相比,穴醚配合物更加稳定,对底物分
子的选择性也更强。形成的复合物具有脂溶性。 唐纳德· 克拉姆、让-马里· 莱恩和查尔斯· 佩德森通过对穴醚 和冠醚进行研究,开创了超分子化学的先例,并因此获得 了1987年的诺贝尔化学奖。
环糊精是由6个或更多的吡喃葡萄糖分子形成的环状低聚糖的总称, 由环糊精葡萄糖基转移酶作用于淀粉所产生。 常见的环糊精有α-环糊精,β-环糊精,γ-环糊精,δ-环糊精四种,组 成它们的吡喃葡萄糖分子数为6,7,8,9。它们可用有机溶剂沉淀分 离。环糊精在酸性条件下易水解。 环糊精的分子形状如同轮胎,各葡萄糖残基的C-2和C-3原子上的二极 羟基位于环糊精圆环的分子一端,直径稍大,而C-6上的一级羟基位 于另一端,直径稍小。环糊精分子内部为一个呈“V”字型的疏水性空 穴,内径大小为0.5~1.0nm,可对苯环等进行包接形成复合物。 环糊精用于食品、香料、医药、化合物拆分等方面,也用于模拟酶研 究。还可以用作核磁共振位移试剂的诱导强化剂等。
(4)疏水作用的识别和组装
环糊精内壁为疏水性。
当环糊精接上一个疏水基团(如Ph-C4H9)这个基团通 过识别内壁的疏水性,并自组装成长链。
刘育等的研究成果
疏水效应(空腔效应)
疏水空腔 相对有序水 无序水
4、超分子化学的研究范围和内容
目前,超分子化学的研究范围大致可分为三类:
(1)环状配体组成的主客体体系; (2)有序的分子聚集体; (3)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。
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(1)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:
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(2)氢键 常规氢键 X-H····Y X, Y = F, O, N, C, Cl; 非常规氢键 X-H···· X-H····M X-H····H-Y
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非常规氢键
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1). 分子识别
电子性能和集合空间上 互补的受体与基质的组装, 就是分子的互相识别,其中 许多是一种锁和钥匙的关 系,也包含那种经过诱导移 位后的组装,冠醚合成的例子
中配体经历预组织,就属于后
者。图33-1 是一个大双环穴 状受体(cryptate),通过两个 N 原子和六个O 原子的作用, 将Rb+ 离子组装其中, 可以看作是一种球体的分子识 别。
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②、X— H…M氢键
M是一个富电子过渡金属原子,它具有充满的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。 (2) 金属原子含有富电子,为后过渡元素,具有充满的d轨道。 (3) 和自由配体相比,它的1H NMR吸收峰移向低场,即化学 位移增大。
(4) 分子间的X— H…M相互作用的几何特征近似为直线。
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(1)环状配体组成的主客体体系;
冠醚-Crown ethers
又称大环醚。是含有多个氧原子的大环化合物。命名时,把环上所含原 子的总数标注在“冠”字之前,其中所含氧原子数标注在名称之后。如
18-冠(醚)-6、15-冠(醚)-5、二环己烷并-18-冠(醚)-6
环上所含原子的总数
如18-冠(醚)-6
力,通过穴醚与碱金属作用,可以成功得 到含K−等碱金属阴离子的盐类。
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性质:
穴醚的三维内部空腔可以和外来离子紧密结合,形成的复合物被称为
穴状化合物。结合能力最强的是较硬的阳离子,包括NH4+(铵离子)
和镧系元素、碱金属、碱土金属的阳离子。穴醚利用分子中的氮和氧 与这些离子配位,由于不同的离子与不同三维结构的穴醚结合能力不 同,通过选取适当的穴醚,可以将不同的碱金属阳离子区分或分离出 来。
使碱化物和电子盐得以合成。另外,穴醚还可以帮助Sn92−之类津
特耳离子(Zintl ion)的结晶。

在制作核医学需要的显像用药物氟代脱氧葡萄糖(简称 FDG)时,
会使用[2.2.2]穴醚来络合反应物K18F中的钾离子,提高放射性18F 离子的亲核性,以便将18F连接到脱氧葡萄糖中。
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环糊精-cyclodextrins
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尽管在超分子系统中,分子间力比化学键弱 得多,但通过分子间的加成效应和协调效应, 具有高选择性地进行识别、反应、传递和调 节,使超分子呈现出单个分子所不具备的特 性。即,自组织,自组装和自复制的组装通常涉及一个主体和一个或多个客体,沿用生物学中的术语,前者 即受体,后者为基质。 当自组装成超级分子时,较大的受体的结合位通常是会聚的,被结合的 较小基质的结合位则是发散的,两者在电子性能和几何空间上互补。
[Mo176O496(OH)32(H2O)80]· (60050)H2O
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(b)Zn-N配位键形成的分子盒
(b)Zn-N配位键形成的分子盒
(c)Fe-N配位键组装成的超分子
(d)Mo-C和Mo-N键组装成的超分子
(e)Zn-O键组装成的超分子
MOF-5 structure Zn2+
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结构
最为常见且最为重要的穴醚是 N[CH2CH2OCH2CH2OCH2CH2]3N(右 图),IUPAC名称为1,10-二氮杂4,7,13,16,21,24-六氧杂双环[8.8.8]二十六 碳烷,俗称[2.2.2]-穴醚。方括号内的数字 表示在两个氮桥头之间每个桥上的氧原子 个数。
全胺穴醚对碱金属阳离子具有极高的亲和
敏的反应。
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图33-3 是一个轴对称的双位 大二环穴状受体,由六个苯 基亚胺结构所构成,它同时 将两个一价Cu+离子组装其 中。图33-4 是一个杂多位受 体,底部是卟啉,可以结合 一个金属离子( Zn2+ ),左右
的大环聚醚则结合NH3基,
这一受体同时组装了一个金 属离子和一个很大的二胺阳 离子,可作为一个生物无机 的模型系统。
冠醚与试剂中正离子络合,使该正离子可溶在有机溶剂中,
而与它相对应的负离子也随同进入有机溶剂内; 冠醚不与负离子络合,使游离或裸露的负离子反应活性很高, 能迅速反应。 在此过程中,冠醚把试剂带入有机溶剂中,称为相转移剂或相转
移催化剂,这样发生的反应称作相转移催化反应。这类反
应速率快、条件简单、操作方便、产率高。 例如,安息香在水溶液中的缩合反应产率极低,如果在该水溶液中 加入7%的冠醚,则可得到产率为78%的安息香:
超分子与超分子化学
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1、超分子
通常是指由两种或两种以上的分子依靠分子间 相互作用结合在一起,组成复杂的、有组织的聚集
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。
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2、超分子化学
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
配位化合物中具有18电子组态的金属原子容易形成这种氢键。
18 电子组态:离子的最外电子层有 18 个电子,外层电子组态。 18+2 电子组态:离子的次外电子层有 18 个电子,最外电子层有 2 个电子
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③ X— H· · · H— Y二氢键
比较下面等电子体系的熔点:
H3C— CH3 -181°C H3C— F -141°C H3N— BH3 +104°C
氧原子数
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冠醚能与正离子,尤其是与金属离子络合,并且 随环的大小不同而与不同的金属离子络合。 例如, 12-冠-4与锂离子络合而不与钾离子络合; 18-冠-6不仅与钾离子络合,还可与重氮 盐络合,但不与锂或钠离子络合。
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冠醚的这种性质在合成上极为有用,使许多在传统条件下难 以反应,甚至不发生的反应,能顺利地进行;
在生物过程中,基质和蛋白质受体的结合,酶反应中的锁钥关系,蛋白
质-蛋白质络合物的组装,免疫抗体抗原的结合,分子间遗传密码的读 码翻译和转录,神经递素诱发信号,组织的识别等,都涉及这种自组装
作用。
超分子化学不仅研究自然界中现实的自组装作用,还要人工合成具有这 种作用的组装体。在形成组装体时,最基本的功能是分子的识别、转化 和移位。
常规的氢键X— H… Y包含一个质子给体(X— H)和一个质 子接受体原子Y,X,Y均是电负性较高的原子。近年来,发 现了几种非常规氢键体系,如:
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).
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3、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: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。
分子间作用强度分布由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。
与冠醚类似,大环穴醚一般也是利用胺和卤代烃的缩合反应制备的。 但由于环系更为复杂,穴醚的产率通常不高。
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用途:
穴醚的制备较为困难,且价格昂贵;但是,与冠醚之类的其他配位 剂相比,穴醚与碱金属离子结合更紧密,选择性更强。通过配位, 穴醚可以将一般情况下不溶于有机溶剂的盐类溶于另一相中,用作 相转移催化剂,加快化学反应的速率; 也可以稳定碱金属负离子,
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?
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N— H· · · H— B体系中H· · · H的距离,介于175~190 pm. 如在二聚体[H3NBH3]2中,H· · · H的距离为182 pm,
(H的范德华半径120 pm-
长)
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(3)M-L配位键 金属原子和配位体间形成的共价配键为主
过渡金属的配位几何学和配位体相互作用位置的方向性特征,提供了合 理地组装成各类超分子的蓝图。
(a)大环超分子(Mo-O配位键)
章士伟等:Chem. Commun. (1998): 1937~1938 Muller等: Angew. Chem. Int. Ed. Engl. (1998), 37: 1220
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