1 超分子化学基础
超分子化学中的分子识别与自组装
超分子化学中的分子识别与自组装超分子化学是研究分子之间非共价相互作用的科学，它的诞生，标志着化学科学由物质的性质和变化向“分子世界”的探索和研究转移。
其中分子识别和自组装是超分子化学中最基础、最核心的概念，也是现代化学、材料科学和生命科学等领域所需的基础学科之一。
本文将从超分子化学的角度，探讨分子识别和自组装的原理和应用。
一、超分子化学简析超分子化学是通过非共价作用构建新型结构和功能的方法。
其中包括氢键、范德华力、离子对吸引、π-π作用等各种非共价相互作用。
在分子之间存在的相互作用力中，氢键是最基本、最重要的一种。
例如DNA中双螺旋结构的形成，各种生理作用的发挥，都离不开氢键的作用。
超分子化学的研究对象主要为分子在溶液中的行为，以及分子之间的相互作用，在这个体系中，分子的性质和功能不仅与分子本身有关，还与周围分子的性质和环境有关。
二、分子识别分子识别是超分子体系中的基础概念。
分子识别是指不同分子之间特异性地相互识别、相互结合的过程。
这种分子间的相互作用是非共价性质的，相互作用力不够强大，因此分子识别是一种特异性的分子间相互作用。
在生物学、化学和药学等领域，分子识别是一种重要的现象和研究问题。
分子识别的过程是一个动态平衡过程。
在这个过程中，分子的结构、功能和属性都发生了变化。
分子识别需要满足三个条件：相互作用力强、选择性强、动态平衡。
相互作用力强是指分子间的非共价作用力要足够强大，才能使得相互作用得以发生。
选择性强是指分子识别必须是特异性的，分子对分子的识别应该是具有一定选择性的。
而动态平衡是指分子识别的过程是不断进展的，分子间的相互作用和分子结构的变化是一个动态平衡的过程。
分子识别的应用涉及到许多领域，例如材料科学、药物研究、化学催化等。
三、自组装自组装是另一个重要的超分子化学概念。
自组装是指分子在特定条件下，按照一定规律进行自身排列的过程。
自组装的思想可以看作是利用自然现象，来构筑新材料或者新分子的一种手段。
超分子化学的基本原理和应用
超分子化学的基本原理和应用超分子化学是研究超分子体系中相互作用的科学，它是化学尤其是有机化学的一个重要分支。
与传统的分子化学不同，超分子化学的研究对象是超分子体系，而非单个的分子。
这种科学的发展，不仅使化学家们对分子间的相互作用及结构有了更深入的认识，同时也开辟出了许多新的领域，如分子识别、分子诱导异构化等。
在该领域中，分子间相互作用是非常重要的，下面将对其基本原理和应用进行详细介绍。
一、超分子化学的基本原理超分子体系是由超分子（由有机物、金属和非金属离子等组成的超大分子）组成的，其系统中相互作用很复杂，常常有静电相互作用、范德华力、氢键以及疏水作用等。
静电相互作用是指分子间电荷的互相作用以及分子离电荷的吸引、排斥作用。
例如，氨基酸中的羧基和氨基、阳离子和阴离子之间的相互作用就是静电相互作用。
范德华力是极性较小的分子之间的相互作用，可以是键键之间的或者键分散相互作用，在化学反应中起到非常重要的作用。
疏水作用则是指由于疏水基团对水的排斥作用而产生的分子间的相互作用。
在生命物质中，疏水作用常常用来保持分子的结构稳定。
此外还有氢键相互作用，为分子间重要的相互作用方式，其稳定性很强，能够形成氢键的分子对有许多，如酒精、胺和酚等。
氢键常常用于酸碱根的体系。
该作用力在组成核酸、蛋白质、淀粉等生命大分子时也发挥着重要作用。
二、超分子化学的应用1. 分子识别分子识别是超分子化学的应用领域之一，它指的是在超分子体系中通过相互作用的形式来实现化学和生物分子之间的特异性分离和识别。
这种方法的优点是速度快、选择性高、灵敏度和迅速性优异，可与当前的其他分析方法相结合。
2. 分子传输当分子间环境的构象发生变化时会促进分子间相互作用，这种相互作用会对超分子化学中的物质传输起到重要的作用。
例如，蛋白质在体内运输、分泌和吸收就需要配合各种无机和有机物质，并在传输的过程中保持稳定。
3. 药物载体超分子化学作为药物载体的应用也非常广泛。
有机化学基础知识超分子化学和自组装反应
有机化学基础知识超分子化学和自组装反应有机化学基础知识：超分子化学和自组装反应超分子化学是有机化学中的一门重要分支，研究的是分子之间通过非共价作用力相互作用和组装的过程。
其中自组装反应是超分子化学的关键概念之一，指的是分子自发地通过非共价作用力在适当条件下组装成特定的结构。
本文将介绍超分子化学和自组装反应的基本原理和应用。
一、超分子化学的基本概念超分子化学是20世纪70年代兴起的一门学科，以研究分子之间的非共价作用力相互作用和组装为核心内容。
超分子化学主要关注以下几个方面：1.1 非共价作用力超分子化学中的非共价作用力包括氢键、疏水作用、范德华力、离子间相互作用等。
这些作用力通常较弱，但在合适的条件下可以产生较强的相互作用。
非共价作用力是超分子化学中分子相互作用的基础。
1.2 超分子超分子是由分子通过非共价作用力相互作用而形成的由多个成分组成的结构单元。
超分子结构具有自我识别、自我组装和自我修复的特性，表现出许多复杂的功能。
二、超分子的自组装反应自组装反应是超分子化学的核心概念之一，指的是在一定条件下，分子通过非共价作用力自发组装为有序的结构。
自组装反应可以分为静态自组装和动态自组装两种形式。
2.1 静态自组装静态自组装是指分子通过非共价作用力，如氢键、疏水作用等，形成稳定的超分子结构。
常见的静态自组装形式包括自组装聚合物、自组装胶体、自组装纳米粒子等。
静态自组装结构具有良好的稳定性和特定的功能性，被广泛应用于材料科学、生物医学等领域。
2.2 动态自组装动态自组装是指分子通过非共价作用力，在适当的条件下，形成可逆的超分子结构。
动态自组装过程中，分子组装和解组装的速率比较快，可以实现自组装结构的动态变化。
动态自组装反应在药物传递、分子传感、催化等领域具有重要的应用价值。
三、超分子化学的应用超分子化学作为一门交叉学科，具有广泛的应用前景。
以下是超分子化学在一些领域的应用示例：3.1 药物传递系统通过设计和构建特定的超分子结构，可以实现药物的包埋和释放，提高药物的疗效和降低毒副作用。
超分子化学基础课件
大双环3同样可以键合NH4+ ，形成配合 物11。但从反映在受体-底物键合互补上看， 11和9的动力学特征不同:在9中NH4+ 被固 定在空穴中，而在11中NH4+ 可以在内部 旋转。
胺离子的识别
由于胺离子及其衍生物在化学和生物中所担 负的重要角色，发展能识别这样底物的受体分子 具有特殊意义。 许多大环聚醚能与R-NH3+在结构和手性选择 相键合。其中四羧酸12b显示出更强的键合能力， 这是由于12b含有要求的基本［18]-O6 环，增加 了静电相互作用。所以形成任何大环聚醚的金属 离子或铵的复合物后，其稳定性最高。
通过改变侧基X，可利用X和中心键合RNH3+底物中R基团的特殊相互作用(静电、氢 键、电荷转移、憎水效应)来调节配合物12的 特征，导致侧面的识别效应。它也代表一种改 变生物体受体-底物的相互作用的方法。如通 过发生在烟酰胺和色氨酸之间的缔合，可以将 其连在12的氨基酸残基、核酸或核苷、糖类上。
四面体识别：
选择性键合一个四面体底物要求构建一个具 有四面体识别位置的受体分子，如大四环5，它在 四面体和八面体的角上分别含有四个N和六个O的 键合位置。由于在结构和能量上的高度互补，5与 四面体NH4+离子形成具有稳定性和选择性的配位 体9。NH4+ 的尺寸和形状与5的空穴相匹配，通过 四个N形成+N-H…N的氢键而成为四面体排列。 由于键合能力强， NH4+配合物的pKa比游离的 NH4+的pKa 高6个数量级，这意味着强的键合影 响底物的性质。在酶活化位和生物底物-受体的键 合中也存在相似的效应。
分子能够聚集在一起形成有用的材 料，是由于分子间存在相互作用。人们 在长期科学研究中也发现，分子间相互 作用力对物质性能影响很大，如它们对 物质熔点、沸点、溶解性和表面吸附等 的影响。但就那一时期科学和技术的发 展水平而言，还仅仅停留在证实其存在， 以及它们对物质性质影响这一程度上。
超分子课件 第一节
绝大多数的杯芳烃熔点较高，在250℃以上。在常用的有机溶剂中的溶解度很小，几乎不溶于水。 杯芳烃具有大小可调节的“空腔”，能够形成主-客复合物，与环糊精、冠醚相比，是一类更具广泛 适应性的模拟酶，被称为继冠醚和环糊精之后的第三代主体化合物。作为第三代主体超分子化合物， 杯芳烃具有独特的空穴结构，与冠醚和环糊精相比具有如下特点：
杯芳烃
1942年金克(Zinke，奥地利)首次合成得到，因其结构像一个酒杯而被古奇 (C.D.Gutscht，美国)称为杯芳烃。
杯芳烃是由对叔丁基苯酚和甲醛在碱性条件下发生缩合反应得到 的大环化合物，因其结构类似于希腊圣杯而被命名为“杯芳烃”。 现在，杯芳烃的范围逐渐扩大，间苯二酚（雷琐辛）与甲醛在酸催 化条件下形成的类似结构物质，也被命名为杯芳烃，甚至是其他的 同样类似结构的物质也都被命名为杯芳烃。根据苯酚单元数，将其 命名为杯[n]芳烃。较常见的是杯[4]芳烃、杯[6]芳烃和杯[8]芳烃。
由于环糊精的外缘(Rim)亲水而内腔(Cavity)疏水，因而它能够象酶一样提供一 个疏水的结合部位，作为主体(Host)包络各种适当的客体(Guest)，如有机分子、 无机离子以及气体分子等。其内腔疏水而外部亲水的特性使其可依据范德华力、 疏水相互作用力、主客体分子间的匹配作用等与许多有机和无机分子形成包合 物及分子组装体系，成为化学和化工研究者感兴趣的研究对象。
Kang, J.; Rebek, J., Jr Nature 1997, 385, 50
Peter J. stang, et al. Nature, 1999, 398, 796
Makoto Ftjita, et al. Acc. Chem. Res. 2005, 38, 369
介观自组装：以酸—碱反应配对的无机前驱物出发，在非水体系中“自 我调节”来合成介孔分子筛材料
超分子化学的基础与应用
超分子化学的基础与应用超分子化学是化学领域中的一个重要分支，是指通过利用分子之间的非共价相互作用，构建具有特定功能和结构的超分子结构。
超分子化学的研究范围非常广泛，包括分子识别与分离、分子催化、分子自组装、分子动态行为等方面。
本文将就超分子化学的基础理论和应用研究进行介绍与探讨。
一、超分子化学的基础理论超分子化学的基础理论主要涉及分子识别、分子自组装、分子动态行为等方面。
（一）分子识别分子识别是超分子化学的一个重要基础，它指的是通过分子间的非共价相互作用实现在混合物中具有特异性的分子的选择性识别和偏聚。
因此，分子识别与分子识别的选择性、特异性、灵敏度成正比。
主要的分子识别非共价相互作用包括疏水相互作用、范德华吸引力、氢键、离子偶极相互作用等等。
（二）分子自组装分子自组装是超分子化学的另一个重要理论基础，其主要是利用分子之间的非共价相互作用，实现将分子有序排列起来，形成具有一定结构和性质的超分子体系。
常用的分子自组装组合方式包括疏水效应、氢键和范德华力等。
（三）分子动态行为分子动态行为是超分子化学的一个重要基础，它主要涉及分子在空间中的位置和空间构象的变化。
分子动态行为与溶液环境、反应条件等因素有一定的相关性。
分子动态行为对应用领域的高效催化和分子识别等研究有很大的作用。
二、超分子化学的应用研究超分子化学的应用涉及多个领域，包括材料、生物、能源等。
（一）材料超分子化学在材料领域中应用广泛，许多高分子材料、功能性材料和纳米材料都利用了这一理论。
例如，通过分子识别来构建合成材料的生物亲和性、选择性识别能力和分离纯化等能力；利用分子自组装来构建新型氢键自配合聚合物，为高性能聚合物材料研究提供了新的思路等。
（二）生物超分子化学在生物领域中也有广泛的应用，例如药物分子识别和细胞图案成像。
生物领域中典型应用，就是通过分子识别来构建分子探针，实现对生物分子如DNA、 RNA、蛋白质、酶等的高灵敏性、特异性探测和定量分析。
超分子化学简介
（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。
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.
（c）M-L配位键 金属原子和配位体间形成的共价配键为主
(d) 疏水效应：溶液中疏水基团或油滴互相聚集， 增加水分子间氢键的数量。
（e）···· 堆叠作用
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。
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。
超分子结构化学
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-· 2)2CO· 2O 晶体中 [HCO3-· 2)2CO· 2O] (NH 2H (NH 2H 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
（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· 4晶体 CBr
（c）四方格型
[Ag9(Me2bpbpz)6](CF3SO3)9 晶体中的 [Ag9(Me2bpbpz)6] 9+网格
四、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。
章士伟等：Chem. Commun. (1998): 1937~1938 Muller等: Angew. Chem. Int. Ed. Engl. (1998), 37: 1220
（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
二、分子识别和自组装
1. 两个概念
（a）分子识别：一个底物和一个接受体分子各自在其特殊部位具有某些结 构，适合于彼此成键的最佳条件，互相选择对方结合在一起。 • 特点： （a）主要研究溶液 （b）间接的用光谱得到的缔合常数加以研究。 （c）设计方案限于作为底物和受体两种物种的识别，一般只考虑强的相 互作用，如氢键等。 （d）设计的物种通常包括作为底物和受体两种不同的物种。 （e）在主宾络合物中，主体孔穴由单个大的环形分子形成。
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。
化学超分子知识点总结
化学超分子知识点总结超分子化学是近年来发展迅速的一门新兴学科，它是化学的一支分支学科，在化学领域中扮演着越来越重要的角色。
超分子化学涉及的范围非常广泛，包括分子识别、自组装、功能性材料等多个方面。
在超分子化学中，化学家们研究的不再是单个分子的性质与反应，而是由多个分子间的非共价相互作用来组成的具有特定功能的超分子结构。
这些分子间的相互作用包括氢键、范德华力、π-π堆积等，并且这些非共价相互作用对于超分子结构的形成起着决定性的作用。
分子识别是超分子化学的一个重要概念，它指的是分子间的特异性相互作用，使得分子能够选择性地识别和结合其他分子。
分子识别的研究不仅对于生物学领域有着重要的意义，而且在材料科学、药物设计等领域也有着广泛的应用。
例如，生物体内的酶与底物之间的特异性相互作用，以及抗体与抗原之间的特异性结合，都是分子识别的典型例子。
超分子化学家们希望通过对分子间相互作用的深入研究，设计和制备出具有特定功能的分子识别体系，并且将其应用到具体领域中。
自组装是超分子化学中的另一个核心概念，它指的是分子在特定条件下由于其自身的特性而能够自行形成有序的结构。
自组装通常发生在溶液中或者固体表面上，由于分子间的非共价相互作用，分子能够自主地形成稳定的超分子结构。
自组装的特点在于其高度有序性和选择性，使得其在纳米材料的制备和功能性材料的设计中有着广泛的应用。
例如，超分子化学家们可以通过自组装的方法制备出纳米材料、生物传感器、光学材料等，从而拓展了现有材料的种类和功能。
功能性材料是超分子化学领域的又一重要研究方向，它指的是那些由超分子结构组成的具有特定功能的材料。
超分子结构的形成和性质决定了功能性材料的特性，因此超分子化学家们通过设计和合成特定结构的超分子体系，可以制备出具有特定功能的材料。
例如，超分子化学家们可以利用分子间相互作用来构筑具有特定光学、电学、磁学等性质的材料，这些具有特定功能的材料在电子器件、传感器、催化剂等领域都有着广泛的应用。
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
超分子化学
范德华力（静电力、诱导力、色散力、交换力）；氢键； 堆积作用（p-p堆积、n-p堆积、C—H…p堆积、离子-p作用）；疏水相互作用； 不仅存在于分子间，还存在于同一分子内的不同原子或基团之间。
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)
4. 配合物中的弱键作用
金属原子间的弱键作用 Au…Au, Ag…Ag, Cu…Cu
二维 [Cu(apyr)3]+ (apyr = 1-氨基芘)
3. 芳环堆积导向的配合物
通过配位作用形成超分子内的堆积
3. 芳环堆积导向的配合物
未配位bipy
配位bipy 单齿配位
[Mn(4,4’-bipy)2(H2O)4][ClO4] ·(4,4’-bipy)4
3. 芳环堆积导向的配合物
4,4’-bipy的 p-p堆积阻碍 了另一端与金
conductivity =14 S cm-1
The compacted intermolecular aromatic p-p stacking interactions and significant interactions between the Ag(I) ion and aromatic group contribute to its electrical conducting behavior.
属的配位 [Mn(4,4’-bipy)2(H2O)4][ClO4] ·(4,4’-bipy)4的堆积图
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。
超分子化学基础
8-3-2晶体工程中氢键的式样 在超分子化学、分子识别和晶体工程领域中，氢键是不可缺少的工具用以设计分子聚集 体。由于晶体的性质依赖于它的结构，利用具有某种特殊性能的原料设计出所 需的晶体 是可做到的。晶体工程已在许多领域有着丰富的成果，如生物分子底物的结合和识别， 反应活性和催化作用，石油化工，以及新的非线性光学材料和铁电材 料的合成等。 近年来，晶体工程为了设计出新式样的晶体，对于那些能形成较强的和稳定的分子间相 互作用的有机化合物，如碳水化合物、羧酸和酰胺以及无机化合物中相似的物 种产生很 大兴趣。通过研究，已在分子水平上，把识别的几何学与功能性和超分子式样的设计联 系在一起。反过来这些超分子式样又可以使晶体具有特定的物理性质 和化学性质。 有机合成和晶体工程都力求统一到固体的分子识别式样中去。这种情况已通过实验反 复地观察到，特定的构建基块或超分子合成子都清楚地显示出优选的式样。包含有这种 基块的分子趋于结晶出同时在能量上有利、在密堆积上有效的排列的物种。下图及图8-8 示出晶体工程中一些优选的式样：条状、带状、环状和层状的聚集体，其中三角形代表 相同的或不同的模版组分，虚线代表分子间相互作用。
变换功能是指超分子具有特定的反应性能和催化作用。 传输功能是指底物分子具有通过生物膜等功能，其机理是作用物分子和膜中的分子缔 合成超分子，再解离和扩散完成，见图。所以超分子的概念部分仍属于分子范畴，而部分 已超出传统化学的原子¾分子层次，上升到分子以上层次，即有序高级结构。
8-2-2晶体工程 超分子化学并不局限在溶液中。结构化学家和晶体学家很快地了解到有机晶体 是一个完美的超分子，是在一个惊人的准确水平上，数以百万计的分子互相识别、 自行排列。如果说分子是原子通过共价键构建而成，则固态的超分子(晶体)是分 子通过分子间的相互作用构建起来。 晶体工程定义为“通过分子堆积了解分子间的相互作用，用以设计具有特定的 物理性质和化学性质的新晶体。”晶体工程已成为一门开发利用分子或离子组分 间非共价键的相互作用，合理地设计晶体结构，使之得到有价值的晶体的学科。 晶 体工程和分子识别的概念非常相似，它们都是以分子间的相互作用操纵超分 子组装的技艺，结晶过程是一种高度精确的分子识别的实例。反而言之，晶体工 程的目的 是沿着分子识别指引的途径进行超分子的自发组装。晶体工程和分子 识别是超分子化学的孪生子，都是使分子组分间的功能得到多方面配合，优化分 子间不同强度 的、定向的和与距离有关的各种相互作用。晶体工程已由结构化 学家和物理化学家利用晶体学的知识加以发展，去设计新材料和固态反应。分子 识别已由物理有机化 学家利用生物的倾向和模拟生物合成过程加以发展。
超分子化学的基本原理及应用
超分子化学的基本原理及应用超分子化学是化学科学中的一个新兴领域，是化学与物理学领域的交叉学科。
超分子化学的基本原理是基于分子间相互作用的研究，它将化学反应及物理变化转化为分子间相互作用的问题，利用相互作用的变化来控制分子的运动行为和化学反应。
超分子化学主要涉及两个方面：一是分子识别和分子识别化学，即设计和制备具有特定功能的分子，以实现对不同分子的选择性识别、分离、催化或化学转化等；二是超分子自组装和自组装化学，即在溶液或气相中，通过分子间的非共价相互作用，驱动各种小分子之间自行聚集，组装形成纳米级结构体，从而获得功能性材料。
目前，这两个方面已广泛应用于材料科学、生物医学、纳米技术、分析化学等领域。
分子识别与分子识别化学分子识别是超分子化学的核心研究内容之一，它是指利用超分子相互作用识别、测定和转化化学结构的过程。
超分子化学中，分子识别有两个重要方面：一是设计和制备具有特定功能的分子识别体，它可以区分大量类似的物料；二是实现选择性识别特定物质的过程，它可以将不同的物质分离、检测和催化。
分子识别体具有广泛的应用前景，例如它可以用于生物医学中的药物输送、分子诊断、酶模拟和生物传感器等，同时，分子识别体也可以沉淀并分离杂质，从而产生更高纯度的化学品。
超分子自组装与自组装化学超分子自组装和自组装化学也是超分子化学的重要内容。
自组装是物质间在内部的相互作用下，自发地形成规则结构的过程。
它可以在溶液中、气相中甚至在固体表面中产生各种形态细致的纳米结构体，从而为新材料、新药物和新纳米技术打下基础。
自组装化学研究的最大目标在于利用分子自组装实现功效性材料的合成，例如水凝胶、光合成系统、高分子涂层、智能材料、分子匹配器和纳米传感器等。
它可以为产品的研发以及材料设计创新带来新的思路与方法。
结语超分子化学是基于分子间的相互作用研究的重要领域之一，它已经广泛涉及到许多科学研究领域中。
超分子化学的理论与应用具有巨大的潜在价值，也是制订了一个富有想象力的化学研究计划的核心。
超分子化学-导论
S U P
C H
三、超分子化学课程的基本框架
超分子
分 子 识 别 S 传感器
分 子 组 装
结构与功能
U P C
阳 离 子
阴 离 子
中 性 分 子
H
超分 分子 子自 器组 件装
参考及推荐书籍
➢ 超分子化学，［英］J.W.斯蒂德、J.L.阿特伍德 著， 赵耀鹏、孙震译，化学工业出版社，2006年。
✓“Supramolecular Chemistry”杂志
S ✓《Comprehensive Supramolecular Chemistry 》书籍
U ✓ 超分子香山国际科学会议
P ✓吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室
C
/HLeabharlann 二、超分子化学的研究对象1. 分子间的弱相互作用
静电作用、离子-偶极相互作用、氢键、 π-π堆积 力、疏水亲脂作用、范德华力等等
S U P C H
2. 分子聚集体
多个分子因弱相互作用而规则有序地排布在一起 形成的物质
如DNA双螺旋、纳米材料、分子器件、病毒、 液晶相、胶束、杂化材料、层结构等等
OLED显示屏
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➢ 超分子化学——概念和展望，(法)Jean-Marie Lehn著； 沈兴海等译，北京大学出版社，2002年。 /2130895.htm
➢ 超分子化学: 合成受体的分子识别与组装，刘育、尤
S
长城、张衡益，南开大学出版社，2001年。 /81272
U
P
➢ 超分子化学导论，孙小强 、孟启、 阎海波，中国石 化总公司情报研究所， 1997年。
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应用有机化学超分子化学研究由两种以上的化学物质(分子、离子等)借分第一章 超 分 子 化 学 基 础子间力相结合而形成的超分子实体，这种有一定组 织构造的实体具有很好设定的性能。
分子化学:共价键的化学Wöhler合成尿素；Robert B. Woodward 和Albert Eschenmoser 在上百位合作者的参与下合成维他命B12超分子化学: 分子间键的化学，其目标是控制分子 间价键。
从分子化学到超分子化学：分子、超分子、分子和超分子器件三位超分子化学研究方面的科学家 获得1987年的 年的Nobel化学奖 获得 年的 化学奖美国的C. 美国的 J. Pederson、D. J. Cram教授 、 教授 法国的J. 教授。
法国的 M. Lehn教授。
教授11967 年Pederson 等第一次发现了冠醚。
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。
O O O O O O杯芳烃杯芳烃：苯酚衍生物与甲醛反应得到的一类环状缩合物。
杯芳烃：苯酚衍生物与甲醛反应得到的一类环状缩合物。
分子形状与希腊圣杯（ 分子形状与希腊圣杯（Calixcrater）相似 ）IUPAC： 含-O(CH2CH2O)n-结构的环状聚醚化合物 简称为（王）冠醚化合物（Crown ether）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”。
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。
Lehn 诺贝尔演说的题目则是“超分子化学——范围与展 望、分子、超分子和分子器件”直接地提出了超分子化学的命题，他建议将超分子化学定义为 “超出分子的化学”(Chemistry beyond the molecule)。
早在1966 年， 对于神经系统中的过程的兴趣，促使他想到一个化学家如何为这 种最高生物功能的研究作出贡献，由于神经细胞运作与跨越细胞 膜的Na+ 和K+ 的分布变化有关，因而想设计合成环肽来监控膜间 K+ 的传递。
Pederson 工作发表后，Lehn 意识到这种物质可以将大 环抗菌素的配价能力与醚的化学稳定性结合起来，进一步考虑到 具有三维球形空腔的物质，能够整体包围离子，将形成比平面大 环更强的配合物，由此设计了大双环配体、多重识别配体等，研 究了它们的结构、催化性能、传递性能，并进一步进行分子器件 的设计。
新型超分子化合物超分子有三个重要特征：自组装、自组织和自复制 自组装、 自组装超分子化学作为化学的一个独立的分支，是一个交叉学 科，涉及无机与配位化学、有机化学、高分子化学、生物化 学和物理化学，由于能够模仿自然界已存在物质的许多特殊 功能，形成器件，因此它也构成了纳米技术、材料科学和生 命科学的重要组成部分。
多年前提出的许多拓扑结构： 多年前提出的许多拓扑结构： 轮烷（ 轮烷（Roxtaxane） ） 索烃（ 索烃（Catenane） ） 绳结（ 绳结（Knot） ） 双螺旋（ 双螺旋（Helix） ） 奥林匹克环（ 奥林匹克环（Olympic Ring） ） 等新颖的超分子结构 已利用模板反应 模板反应有效地合成出来 已利用模板反应有效地合成出来2索烃 索烃是一种具有连环套拓扑结构的超分子化合 通常环与环之间没有共价键联系。
物，通常环与环之间没有共价键联系。
奥 林 匹 克 环螺旋状分子绳结 绳结是一种拓扑结构N N N N ON NN N NNN余年，终于在九十年代初首次合成出了绳结分子。
Sauvage 教授由此而荣获大环化学学术界的第一个Christensen奖。
N N O O N NN NNNN N准轮烷和轮烷 准轮烷（Pseudorotaxane）： 由链状分子通过某种分子间识别或自组装穿越另一 个环状分子所形成的一种超分子结构。
超分子聚合物准轮烷聚合物( )3O OOOOCNH OCH2NH CO O ON+O O O +O O NO OH O O O( )3O O ONO O+N+轮烷：在链状分子穿越环状分子以后，再在链状分子的两端用 大基团封住，使环状分子不能脱落。
4PF6-N法国Sauvage小组：利用双铜离子的三维模板效应，历时十ONNNNN NN NO OH n3穴芳烷： 穴芳烷：Craptophane环三黎芦烃： 环三黎芦烃：Cyclotriveratrylenes CTV； ； veratryl：3，4-二甲氧苯甲基） 二甲氧苯甲基） ： ， 二甲氧苯甲基R R R' R'RR R'R'R R'R R'XYYXX1. X＝Y＝OCH3 ＝ ＝ 2. X＝Y＝OCH2O ＝ ＝ 3. X＝OCH3，Y＝OCD3 ＝ ＝ Y 4. X＝H，Y＝D ＝ ， ＝ Cyclotriveratrylenesantisyn生色醚（ 生色醚（Chromoacerands） ）O O O O O O2 N NH CNMeHO NO2 O O N O OO O NO O(O O OO2 NONNMe)nMeO OMeOH O O2N N N NO2星球爆炸状化合物 （Starburst / Cascade dendrimers） ） 描述特殊几何结构： 描述特殊几何结构： Starburst dendrimers（树枝状化合物） （树枝状化合物） arborols， ， cascade molecules hyperbranchedMe O O HO2NN Nn=1~4NO2壁龛（ 壁龛（Niches） ） 1985，Rebek等成功制备了非环状的螯状分子： ， 等成功制备了非环状的螯状分子： 等成功制备了非环状的螯状分子 分子龛 分子龛是与客体在尺寸上和形状上能够互补。
分子龛是与客体在尺寸上和形状上能够互补。
+分子龛 客体4一、自组装作用自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，两者在电子性 能和几何空间上互补。
例如：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。
1． 分子识别超分子化合物中的组分被命名为受体(ρ)和底物(σ)， 其中底物通常指被结合的较小组分。
通过这一术语，与生物 学上受体一底物相互作用以及它们高度确定的结构和功能性 质联系了起来。
一个特定的底物σ与受体ρ选择性地结合后产生了超分子ρσ 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 包含经过诱导移位后的组装，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。
大三环穴状受体， 正好组装一个+NH4，其中四个N 原子与+NH 的四个H形成N−H…N 4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。
受体如果预先二质子化，可以组装H2O 分子。
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铷离子Rb+的穴状组装体，除Rb 和N 外，其它六个较深色球是O有灵敏的反应。
5一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。
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。
2．催化作用组装后的超级分子常能催化某些特定的反应。
在一个大 环聚醚受体上，通过氨基结合了一个二肽的对硝基苯酚酯基 质。
由于空间的匹配，有一个半胱氨酰基上的SH 基正好作用 在基质的羧基上，它使对硝基苯酚基与二肽切断分离。
这一 过程对于旋光异构的二肽酯有很强的手性识别能力。
如果预 先有其它阳离子与受体结合，则将阻滞反应。
这种酯断裂过 程常见于酶反应中。
视网膜对光的反应： 膜中视紫红质的丝氨酸(ser)通过质子化的席夫碱与视黄醛连 接。
在光的作用下，视黄醛进行顺反变换，它使视紫红质发生构象 变化，酶与另一蛋白质Transducin 正好匹配，产生自组装作用。
活 化的Transducin 激活蛋白质的串级反应，结果使Na+ 进入视网膜杆 的通道被阻，因而使之极化，3．传递作用组装后的超级分子还常能促进光子、电子或离子的传递。
6二、自组织作用自组织通常指许多相同的分子，由于分子间力的协同作 用而自动组织起来，形成有一定结构但数目可以多少不等的 多分子聚集体。
单分子层、膜、囊泡、胶束、液晶等都是很 好的例子，三、自复制作用首先是DNA 双螺旋的两辫拆 开，两根母辫即形成模板。
一 根母辫上部的核苷中的杂环碱 与新生成的子辫间，以 N−H…N 和N−H…O 的形式生 成氢键而相互结合，其下部的 核苷则与游离的核苷酸单体以 同样方式相连，两个核苷间则 借π − π相互作用而定位。
新生成的结构使核苷酸单体上 的磷酸部位与子辫中戊糖的羟 基处于空间上有利的位置，它 们的相互作用生成和母辫一样 的在核苷之间的磷酸根桥，这 样子辫又长了一节，如此不断 进行，即复制了一个新的 DNA。
DNA 的自复制四、分子识别和聚集体组装中的主要超分子作用主要的非共价键作用： 氢键、 π-π堆积、配位……1 离子－离子相互作用氯化钠：典型的离子固体，立方晶格需要非常的想象力去把NaCl当作超分子 但是这种简单的离子晶格确实能解释Na+ 以何种方式把6个互补的供体分子组织在 其周围，从而最大化非共价离子－离子 相互作用。