第7章 超分子化学的相关概念

结构单元
结合力
结构的实现 结构
共价键
合成化学 分子结构
非共价键
分子组装 超分子结构
性能
物理和化学性能
物质、能量和信息传 输功能
7.1.2超分子化学的发展史
Materials Chemistry II
1、三位超分子化学研究方面的科学家获得1987年的Nobel化学奖
美国的C. J. Pederson、D. J. Cram教授；法国的J. M. Lehn教授.
Mg2+
ΔG0=-35KJ/mol
H2PO4 - +
ATP
ADP
图示ATP释放能量脱磷酸化生成ADP和磷酸二氢根，Mg2+起催化作用
Materials Chemistry II
细胞内外碱金属离子梯度
Na+/K+-ATP酶是一种膜传输酶，Na+/K+-ATP酶非常有效地将Na+ 从 细胞内提取出来，传输到细胞外，同时，K+被传输到细胞内。因此，细 胞内流质有着高的K+浓度，而细胞外流质有着高的Na+浓度。 细胞膜内外碱金属离子的不均衡分布是非常重要和必要的特征，将 导致跨膜电位，神经细胞的信息传递就是利用跨细胞电位差。
剩下的酰胺基就像拉链一样，利用分子
内氢键将壳关闭，确保K+通过细胞膜时， 封闭在亲脂的壳内。
（4）血红蛋白吸收和运载氧
Materials Chemistry II
血红蛋白包含4个肌红蛋白单元。肌红蛋白单元包括一个称作Fe-原卟 啉Ⅸ的铁卟啉络合物，铁中心键合O2的可逆性对生生命体系至关重要。
Three Questions:
Materials Chemistry II
材料化学II
郑州大学材料科学与工程学院 陈志民 czm@
Materials Chemistry II
材料化学II包含的内容

超分子化学 纳米材料 功能材料


Materials Chemistry II
课程特点：
1、内容较新；（80年代初），而无机有机则为19世纪初
synthetic organic chemistry）
III J.M.Lehn教授对超分子化学的定义如下： 超分子化学是研究两种或两种以 上的化学物种通过分子间的弱相互作用所形成的复杂有序而且具有特定功能体
系的化学 (answer to question I) the study on non-covalent & intermolecular forces and the structures created by these forces: “chemistry beyond the molecule”
O O
O
O O O
O
O
O
O
Materials Chemistry II
Donald J. Cram: Pre-organization
OR OR
OR RO RO OR
“Spherand” - preorganized binding site Selectivity for Li+ > Na+ >> K+
Ⅰ、化学是关于物质及其变化的一门科学，而生命是其最高且最 复杂的表现形式； II、以往的化学多是以共价键为基础,以分子为研究对象,可称为 分子化学 (molecular chemistry); 原子 + 原子 → 分子（共价键结合）
Materials Chemistry II
①从分子化学到超分子化学
O
O
O O O
Oxygen atoms donate a fracห้องสมุดไป่ตู้ion of their electron density to electron deficient species such as alkali cations: Li+, Na+, K+ Q: Why did he get selectivity for different ions?
Materials Chemistry II
Donald J. Cram：Pre-organization
• Synthesized a huge series of increasingly complicated host-guest systems that bind molecules instead of just ions and eventually tries to emulate an enzyme catalytic site. • Introduces the idea of a “carcerand” - synthetic molecular (jail) cells. （分子外空穴主体） • Primary contribution is to show how important preorganization is to binding strength. • Shows the application of some hosts for practical application: resolution of racemic（外消旋） mixtures
Materials Chemistry II
Super Girls
7.1超分子化学的诞生与发展

Materials Chemistry II
7.1.1超分子化学的定义
①从分子化学到超分子化学(From molecular chemistry to supramolecular chemistry)
Materials Chemistry II
基本要求：
1、超分子化学的基本概念，特点以及其所包 含的研究内容； 2、理解超分子化学和普通化学之间的关系； 3、重点理解超分子化学中的各种作用力与普 通化学中存在的作用力的异同。
Materials Chemistry II
生命中的超分子化学的几个典型例子
1、DNA 中碱基对氢键作用
Materials Chemistry II 腺嘌呤
胸腺嘧啶 胞核嘧啶
鸟嘌呤
腺嘌呤
胸腺嘧啶
鸟嘌呤
没 有 别 的 结 合 方 式 存 在
胞核嘧啶
Materials Chemistry II
（2）膜电位
人体从食物中获得的能量以三磷酸腺苷（ATP）化学键能的形式储存起
来，人体能量存储和释放均和碱金属-（三磷酸腺苷）ATP酶有关
Materials Chemistry II
Jean-Marie Lehn
O N O O
O N
O O
JML’s famous [2.2.2] Cryptand (穴醚)
Materials Chemistry II
Jean-Marie Lehn: Self-Assembly
N O N O
Double helical metal complexes formed by
Materials Chemistry II
Jean-Marie Lehn
• Introduced “Cryptands” - bicyclic hosts for binding ions • Hosts with multiple binding sites • Popularized the idea of self-assembly and produced some of the first good synthetic examples • Broadened peoples perspectives on what supramolecular chemistry is and to what it may lead the way
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：分子是由原子或原子团通过共价键连接而成的，分 子化学主要研究原子和原子团、化学键、化合物的合成、结 构、性能和用途； 化学创造了许多自然界本来就没有的物质，并且改造了原有的 物质世界，为现代文明的发展做出了重大贡献。迄今化学家 们已经拥有（主要通过合成）超过2000万个化合物，分子知 识的高度积累，新功能的持续研究，不可避免地向分子聚集 体（或称高级结构）领域迈进。
O O O
O O
O
Dibenzo-18-Crown-6 1967年C.J.Pedersen发表了关于冠醚的合成和选择性络合碱金 属离子的报告，揭示了分子和分子聚集体的形态对化学反应的 选择性起着重要的作用
Charles J. Pedersen: Crown Ethers
O O O
Materials Chemistry II
• The flag bearer of supramolecular chemistry - in many ways he earned his Nobel Prize after the fact
Materials Chemistry II
Answer to Question 3
the next logical step in synthetic chemistry; understanding and interfacing with the biological world; nanotechnology
N
2
N
N
spontaneous
N
organization of two linear polybipyridine ligands of suitable structure into a double
3 Cu(I) Molecular Self-Assembly “Super-Molecule”
by binding of specific metal ions displaying respectively tetrahedral [Cu(I)] coordination geometry
②超分子化学的定义
Materials Chemistry II
1978年， 法国的J.M.Lehn教授模拟蛋白质螺旋结构的自组装体的研究内容
，在一定程度上超越了大环与主客体化学而进入了所谓“分子工程”的领域，
并进一步提出了超分子化学即 “超越分子的化学”的概念。 （answer to question II: inspired from biology and built on the shoulders of traditional
2、偏重材料； 3、开设该课程内容院校少；(教材，教课体系)
4、较多内容和现在研究热点相关
5、内容多，无法涉入很深
Materials Chemistry II
考试形式(闭卷)
题目类型：
选择 填空 名词解释 化合物命名 简答 综合题
无计算题，重在大家对相关知识的了解，理解
Materials Chemistry II
分离膜两侧
的Na+和Cl得到电位差？
Materials Chemistry II
（3）离子载体
缬氨霉素对K+有选择性是因为它们 能够自己折叠产生一个刚性的近似八面 体的羧基氧原子序列，作为受体恰好和 K+大小相配。亲水的碳基氧原子和中心 K+相互作用，引起亲脂的异丙基指向外 侧，形成一个主要由烷烃构成的外壳。
第七章 超分子化 学的相关概念
参考书目：
Materials Chemistry II
1）《超分子化学》，[英] J.W.斯蒂德，J.L.阿特伍德著，赵耀鹏等译，化学工业出版社，2006年 2）《超分子化学:概论和展望》，Jean-MarieLehn著，沈兴海等译，北京大学出版社，2002年 3）《超分子层状结构：组装与功能》沈家骢等著，科学出版社，北京，2004
分子 + 分子 → 超分子（非共价键结合）
Materials Chemistry II
Lehn提出的超分子化学和分子化学的范畴
从结构和
功能两方
面阐述了 分子化学
和超分子
化学之间 的关系
Materials Chemistry II
分子化学和超分子化学的对应关系
项 目 分子化学 原子或原子团 合成子(synthon) 超分子化学 具有组装能力的分子 构筑子(tacton)
Materials Chemistry II
What is supramolecular chemistry? Where did it come from? Why does it deserve to be a field of study?
Materials Chemistry II
Super Stars
“for their development and use of molecules with structurespecific interactions of high selectivity”
Materials Chemistry II
Charles J. Pedersen: Crown Ethers