超分子化学简介讲课稿
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存在协同作用所需条件： 不是随意在任意两个分子之间都能完成, 而是需要有一个特定空 间环境作为前提, 通过一定形式的相互匹配。 这些匹配可以是配体与受体的匹配、分子与电子互补、尺寸与形 态的兼容或刚性与柔性的调节。
超分子化学所带来的启示
超分子化学的兴起，改变了化学家两个传统的观念： 一、弱的相互作用力一定条件下可通过加合与协同转化
通过氢键Dendrimer的自组装
通过静电作用Dendrimer的自组装
不规整、不完善分子的自组装
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。
分子识别所需满足的条件
主客体之间要有高度的匹配性和适应性： 1.空间上的要求 2.能量上的匹配 3.键，电荷,甚至亲疏水性的互相适应 4.受体和底物间较大的接触面积和多个相互作用点。
这种高度的选择性就导致了超分子形成了高度识别能力。
[2.2.2] 4.4 8.0 9.5
[3.2.2] ~2 3.4 6.0
[3.3.2] ~2 ~2 3.6
3.9
1.65
5.4
2.2
4.35 2.05
2.0
主体对客体的束缚能力：穴合作用》大环作用》鏊合作用》配位作用
球形三环穴状配体对Cs+的识别
球形识别
大三环穴醚对NH4+识别
四面体识别
6的pKa比自由的NH4+高出六个单位 底物NH4+阳离子与受体4的结构和相互作用点的互补程度达到了很高水平
阳离子 Li+
Na+ K+ Rb+ Cs+
阳离子直径/pm 120
190 266 296 334
穴醚对碱金属离子的识别
球形识别
穴醚和碱土金属、碱金属离子的稳定常数lg
Mn+ Ca2+ Sr2+ Ba2+ Li+ Na+ K+ Rb+ Cs+
[2.1.1] 2.5
5.5 3.2
[2.2.1] 6.95 7.35 6.3 2.50 5.40 3.95 2.55
分子识别是组装高级结构的必要途径和研究组装功能的基础
超分子自组装的形态
超分子自组装的形态
Solomon Link
超分子的层次
超分子的不同层次 一级结构：相当于分子的化学结构。 二级结构：相当于小分子聚集的板块结构。 三级结构：相当于结构功能化形成的分子器件。 四级结构：相当于超微型超分子机器。
如果一种受体（同时具有几个结合点）能配合几种作用物或具有多种功 能，这就是多重识别。
多重识别有利于实现共催化剂和共载体的制备，有利于人们对协同作用、 变构现象、调控及信息传递的理解和认识。
甲醇 苄胺
超分子自组装定义
超分子自组装: 一种或多种分子在平衡条件下依靠分子间相互作用， 自发结合的稳定的、有序的超分子体系。
O
O
O O
O O
18-crow n-6
Na+ K+ Rb+ Cs+
4.32 6.06 5.32 4.44
24.62 34.57 30.35 25.33
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
为强的结合能； 二、分子不再是保持物性的最小单位，通过组装可使超
分子体系具有新的禀性。
超分子化学中常用术语
超分子体系的描述：
受体（receptor) 底物（substrate)
主体(host)指外围配位体 客体(guest)指较小的中心部分
从分子化学到超分子化学
分 子
A
超 分 子 聚 集 分 子
B C
合 成 接 受 体ห้องสมุดไป่ตู้
共 价 键
D 底 物
识 别
有 组 织 的 组 装
配 位 作 用 超 分 子
分 子 间 键
} 变 换
易 位
分 子 和 超 分 子 器 件
超分子研究的重要推动力
1. 人们希望模拟自然。想借鉴自然界的自组装 的思想，最终实现人工合成新颖.稳定.功能和 技术的重要材料。
2. 微电子工业不断小型化和高性能的需求-分子 器件
分子识别的分类
一.从识别类型分 1. 阳离子识别 2. 阴离子识别 3. 中性分子识别 4. 多重识别
二.从识别的主客体分 主体：有机化合物，金属配合物 三.识别的形状 球形识别、四面体识别等
阳离子识别
最简单的分子识别——冠醚和金属阳离子
球形识别
18-冠-6与碱金属 稳定常数的对数值 -∆G/（kJ/mol）
超分子化学的发展
目前，超分子化学研究工作非常活跃，它涉及 无机化学、有机化学、高分子化学及生物化学 等。
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”。
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）
超分子自组装的分类
一、按形态分 二、按分子间作用力分 三、按是否含有金属分 四、按组装的形式分 五、按组装后功能分
超分子自组装体系
不含金属的自组装体系 含有金属的自组装体系
不含金属的自组装体系
1. 小分子自组装 1.1无机小分子 1.2 有机小分子 2. 高分子自组装 2.1 结构规整、完善的分子自组装 2.2 不规整、不完善分子的自组装 3. 生物大分子自组装
对RNH3+和多极阳离子的识别
四面体识别
对RNH3+的识别
对多极阳离子的识别
阴离子识别
穴状配体4质子化后对氯离子的识别
穴状配体11质子化后对线状阴离子N3-的识别
两极大环受体对长链多中心阴离子的识别
中性分子的识别
中性分子的识别要利用到给体—受体相互作用，特别
是氢键相互作用。
15
多重识别
超分子化学简介
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？
分子间作用力的协同作用
分子之间的多种作用具有协同作用特性： 通过协同作用, 分子之间能克服弱相互作用的不足, 形成有一定 方向性和选择性的强作用力, 成为超分子形成、分子识别和分子 组装的主要作用力, 其强度不次于化学键。
超分子化学所带来的启示
超分子化学的兴起，改变了化学家两个传统的观念： 一、弱的相互作用力一定条件下可通过加合与协同转化
通过氢键Dendrimer的自组装
通过静电作用Dendrimer的自组装
不规整、不完善分子的自组装
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。
分子识别所需满足的条件
主客体之间要有高度的匹配性和适应性： 1.空间上的要求 2.能量上的匹配 3.键，电荷,甚至亲疏水性的互相适应 4.受体和底物间较大的接触面积和多个相互作用点。
这种高度的选择性就导致了超分子形成了高度识别能力。
[2.2.2] 4.4 8.0 9.5
[3.2.2] ~2 3.4 6.0
[3.3.2] ~2 ~2 3.6
3.9
1.65
5.4
2.2
4.35 2.05
2.0
主体对客体的束缚能力：穴合作用》大环作用》鏊合作用》配位作用
球形三环穴状配体对Cs+的识别
球形识别
大三环穴醚对NH4+识别
四面体识别
6的pKa比自由的NH4+高出六个单位 底物NH4+阳离子与受体4的结构和相互作用点的互补程度达到了很高水平
阳离子 Li+
Na+ K+ Rb+ Cs+
阳离子直径/pm 120
190 266 296 334
穴醚对碱金属离子的识别
球形识别
穴醚和碱土金属、碱金属离子的稳定常数lg
Mn+ Ca2+ Sr2+ Ba2+ Li+ Na+ K+ Rb+ Cs+
[2.1.1] 2.5
5.5 3.2
[2.2.1] 6.95 7.35 6.3 2.50 5.40 3.95 2.55
分子识别是组装高级结构的必要途径和研究组装功能的基础
超分子自组装的形态
超分子自组装的形态
Solomon Link
超分子的层次
超分子的不同层次 一级结构：相当于分子的化学结构。 二级结构：相当于小分子聚集的板块结构。 三级结构：相当于结构功能化形成的分子器件。 四级结构：相当于超微型超分子机器。
如果一种受体（同时具有几个结合点）能配合几种作用物或具有多种功 能，这就是多重识别。
多重识别有利于实现共催化剂和共载体的制备，有利于人们对协同作用、 变构现象、调控及信息传递的理解和认识。
甲醇 苄胺
超分子自组装定义
超分子自组装: 一种或多种分子在平衡条件下依靠分子间相互作用， 自发结合的稳定的、有序的超分子体系。
O
O
O O
O O
18-crow n-6
Na+ K+ Rb+ Cs+
4.32 6.06 5.32 4.44
24.62 34.57 30.35 25.33
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
为强的结合能； 二、分子不再是保持物性的最小单位，通过组装可使超
分子体系具有新的禀性。
超分子化学中常用术语
超分子体系的描述：
受体（receptor) 底物（substrate)
主体(host)指外围配位体 客体(guest)指较小的中心部分
从分子化学到超分子化学
分 子
A
超 分 子 聚 集 分 子
B C
合 成 接 受 体ห้องสมุดไป่ตู้
共 价 键
D 底 物
识 别
有 组 织 的 组 装
配 位 作 用 超 分 子
分 子 间 键
} 变 换
易 位
分 子 和 超 分 子 器 件
超分子研究的重要推动力
1. 人们希望模拟自然。想借鉴自然界的自组装 的思想，最终实现人工合成新颖.稳定.功能和 技术的重要材料。
2. 微电子工业不断小型化和高性能的需求-分子 器件
分子识别的分类
一.从识别类型分 1. 阳离子识别 2. 阴离子识别 3. 中性分子识别 4. 多重识别
二.从识别的主客体分 主体：有机化合物，金属配合物 三.识别的形状 球形识别、四面体识别等
阳离子识别
最简单的分子识别——冠醚和金属阳离子
球形识别
18-冠-6与碱金属 稳定常数的对数值 -∆G/（kJ/mol）
超分子化学的发展
目前，超分子化学研究工作非常活跃，它涉及 无机化学、有机化学、高分子化学及生物化学 等。
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”。
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）
超分子自组装的分类
一、按形态分 二、按分子间作用力分 三、按是否含有金属分 四、按组装的形式分 五、按组装后功能分
超分子自组装体系
不含金属的自组装体系 含有金属的自组装体系
不含金属的自组装体系
1. 小分子自组装 1.1无机小分子 1.2 有机小分子 2. 高分子自组装 2.1 结构规整、完善的分子自组装 2.2 不规整、不完善分子的自组装 3. 生物大分子自组装
对RNH3+和多极阳离子的识别
四面体识别
对RNH3+的识别
对多极阳离子的识别
阴离子识别
穴状配体4质子化后对氯离子的识别
穴状配体11质子化后对线状阴离子N3-的识别
两极大环受体对长链多中心阴离子的识别
中性分子的识别
中性分子的识别要利用到给体—受体相互作用，特别
是氢键相互作用。
15
多重识别
超分子化学简介
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？
分子间作用力的协同作用
分子之间的多种作用具有协同作用特性： 通过协同作用, 分子之间能克服弱相互作用的不足, 形成有一定 方向性和选择性的强作用力, 成为超分子形成、分子识别和分子 组装的主要作用力, 其强度不次于化学键。