超分子自组装研究进展ppt课件
超分子分子自组装
超分子分子自组装摘要简单介绍基于氢键、主客体化学、以及金属配位作用形成超分子聚合物的研究进展，着重概述r金属配位超分子聚合物的形成、特点及其与异电荷物质的静电自纽装。
Yin Guanggen(Lightchemical engineer of Nanjing University of Technology P080418)Abstract: Brief based on hydrogen bonding, host-guest chemistry, and metal coordination supramolecular polymer formed by the research progress, focusing on an overview of r metal coordination supramolecular polymer formation, features and materials with different electrostatic charge from the New York installation.最近10年，超分子聚合物作为一种通过非共价键形成的自组装的高分子在高分子和小分子自组装领域备受瞩目。
顾名思义，这类分子具有超分子和聚合物的双重特点。
说它是超分子，是因为这类分子是由小分子单体通过氢键、主客体化学、配位键等非共价键连接而成的分子自组装结构；ig它是高分子，是因为这样的自组装结构拥有数量众多的重复单元，就像由许多结构基元聚合而成的高分子一样。
不同的是，传统的高分子一般是在引发剂存在下，在一定温度和压力下通过聚合反应形成的，其聚合物骨架是由共价键连接的单体形成的。
而超分子聚合物多为具有双官能团的单体在合适的溶剂中通过分子自组装自发形成的，不需要任何引发剂。
由非共价键首尾连接的小分子单体构成了聚合物骨架。
超分子聚合物骨架中非共价键的存在，使得这类分子的聚合与解聚可以非常容易地发生，这赋予了这类物质独特的机械、电子以及光学性质。
生物大分子自组装.ppt
庚二酸（0.15克，0.94毫摩 尔）,EDAC（0.05克，0.32 毫摩尔）和1 - 羟基苯并三唑 （0.05克，0.37毫摩尔）溶 解在DMF中,该混合物被冷却 至5℃并振摇1小时。然后加 入苏氨酸甲酯盐酸盐（0.3克 ，1.8毫摩尔），和三乙胺（ 5升），5 ℃下搅拌24小时
2.姜黄素
20个氨基酸 组成，赖氨 酸和缬氨酸 交替组成两 个臂，由于 赖氨酸带电 性质，静电 斥力作用多 肽折叠成一 个发夹，缬 氨酸具有疏 水性，发夹 与发夹之间 通过疏水性 与横向氢键 得到延伸。
2.组分的影响
组分的结构和数目对自组装超分子聚集体 的结构有很大的影响。
Bushra Siddique和Jean Duhamel研究了多肽序列对 多肽自组装的影响。结果发现，不同序列的氨基酸自 组装多肽HLB值不同，含有较多天冬氨酸的多肽序列形 成亲水性多肽，而苯丙氨酸含量较高的多肽序列则形 成疏水性多肽。
研究进展
一.多糖及其衍生物的自组装
壳聚糖分子链上的氨基和羟基都可以作为 化学修饰的位点，通过一定的化学改性就可以 得到含有不同种类亲疏水性链段的壳聚糖衍生 物，大大增加了它在药物缓释体系中的应用。
超分子组装和自组装的研究与开发
超分子组装和自组装的研究与开发大约在三十年前，化学家们开始对超分子组装及其在材料科学领域中的应用进行研究。
超分子组装跨越了不同尺度的体系，从分子维度到宏观体系，其结构通常是通过非共价相互作用来建立的。
这种非共价相互作用可以包括氢键作用、范德华力、静电相互作用、π-π作用等。
自组装通常是指由这些非共价相互作用引起的自组装。
由于其优良的结构性质和独特的物化性质，超分子组装被广泛应用于生物化学、纳米科技、表面物理学、催化科学等领域。
自组装性能基础自组装是一种广泛存在于生命体系中的现象，自组装分子在形成大分子团时只使用非共价作用，例如氢键、疏水力，由此形成了一种自组装的现象。
与传统的合成方法相比，如研磨和热压，自组装技术具有很多优点。
比如，自组装可以形成高度复杂的结构，很难通过传统的化学合成方法产生，而这些结构在功能化学、药物传递、生物感应材料和纳米器件方面具有广泛的应用。
超分子组装概述超分子组装，也称为“分子自组装”，是指通过物理化学方法将单分子基元以明确方式组装成具有指定功能和性能的分子结构的过程。
分子有机化合物，尤其是具有手性结构的大分子，通过超分子组装被广泛应用于生物化学、纳米科技、表面物理学、催化科学等领域，发展出了许多新的应用。
根据组装的形状和结构，这些聚集物可以被用作高阶晶体、液晶、磁性材料、二维纳米层、三维胶体、催化剂载体等方面。
超分子组装的作用超分子组装是一种可以在空间上预定位和控制功能化学基元的方式，所产生的结构具有规律性和预定的功能。
在这方面，超分子组装和无机纳米结构和构像技术有很大的相似性。
然而，超分子组装正在引起越来越多的关注，因为它能够促进新型的分子、功能材料、纳米芯片和生物活性物质的探索和发展。
超分子组装的一个好处是样品可以通过结晶、薄膜和胶体等多种方式制备。
并且，超分子组装所制备的结构在生物学、材料学、化学和物理学上都可以得到应用。
超分子组装的应用超分子组装作为一种新型材料的制备方法，已被应用于化学、生物、医学和材料科学。
浅谈超分子自组装ppt课件
18
Gel 5 canbe regarded as a degradable material, because it changed into a sol by adding TEA,but was difficult to recover to its gel state by TFA addition, because once the mechanically interlocked structures (rotaxanes) in gel 5 were destroyed, rethreading could not be achieved in a short time.
12
the four distinct stimuli can be used as effective inputs to adjust the reversible gel–sol transitions of the supramolecular gel. and reflecting the dynamic and reversible nature of the supramolecular gel system
❖ 疏水效应 溶液中疏水基团或油滴的相互聚集，将添加 ❖ 溶液中水分子间的氢键数量。
4
非共价键力属于弱相互作用，怎样自组装成稳定有序实体？
自组装发 生条件
超分子自组装
施雷庭老师小组内部交流
3
Supramolecular Amphiphiles
超分子两亲分子
主--客体 相互作用
电荷转移 相互作用
氢键 配位键
施雷庭老师小组内部交流
4
Supramolecular Amphiphiles
偶氮苯与α-环糊精的主-客体相互作用
反式，低能态
顺式，高能态
施雷庭老师小组内部交流
施雷庭老师小组内部交流
8
Self-assembled Monolayers
自组装膜（ Self-assembled Monolayers ）
自组装膜是活性分子通过自发吸附在基底上生成的有序分子膜 具有取向性好、排列紧密、结构稳定等特点 广泛应用于金属防腐、材料科学、医学等领域
相对传统有lf-assembly
Apr，18, 2012
Outline
1 2 3
Supramolecular Amphiphiles Self-assembled Monolayers Layer-by-Layer Assembly
施雷庭老师小组内部交流
2
Supramolecular Amphiphiles
施雷庭老师小组内部交流
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Self-assembled Monolayers
软 刻 蚀 （ Soft lithography ）
制作刚性硬模板
浇铸预聚物 PDMS
Au/Ti
固化后剥离 PDMS
SAM
图 1 PDMS模板的加工
图 2 微接触印刷过程
软刻蚀是一类基于自组装和复制模塑等原理的非光刻微米和纳米加工方法 技术环节主要分为弹性模板/印章的制作、微接触印刷成膜等步骤 目前, 软刻蚀技术的研究还处于初步探索阶段, 发展前景非常广阔，能够应 用于微电子、微光学、生物技术等领域 施雷庭老师小组内部交流
超分子自组装研究进展
3
3. 超分子的分类
受体和底物在分子识别原则基础上, 分子间缔 合成分立的低聚分子物种Host-guest
数量多而不确定的组分缔合成超分子组装体 (Molecular assemblies)
a. 组成和结合形式不断变动的薄膜、囊泡、胶束、 介晶相等
包合，即主体与客体通过分子间的相互作用和相互识 别，使得客体分子部分或全部嵌入主体内部的现象
CH3
CH3
+
CH3
CH3
环糊精的结构和主要性质
环糊精与客体分子结合的机理
环糊精的疏水空腔平时被水分子所占据 当疏水性有机分子靠近环糊精的空腔边缘时，由于疏
水相互作用，空腔中的水分子就被排斥出来 这一过程对水分子而言是熵增加的过程，因此在热力
轮烷（rotaxane） 准轮烷（pseudorotaxane） 准聚轮烷（polypseudorotaxane） 聚轮烷（polyrotaxane）
自组装单层膜（self-assembled mono-layer membranes） 自组装多层膜（self-assembled multi-layer membranes）
电荷转移作用
亲疏水作用
π-π堆积
范德华力
••••••
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表1 分子间作用力的分类
• 类型 力的范围 吸引(-) 有加和性*(A)
•
排斥(+) 无加和性(NA)
• 重叠
短程 -／+ NA
• (库仑力及电子交换)
• 静电 较短程 - ／ + A
• 诱导
长程
超分子化学中的自组装现象研究
超分子化学中的自组装现象研究自组装现象是超分子化学中一个很重要的研究方向。
它是指在一定条件下，一些有机或无机分子，可以自发地自行组成有规律的结构或体系，而无需外界的作用或控制。
自组装现象在超分子化学中的应用非常广泛，例如在材料科学领域中，可以通过自组装来制作人工晶体或高分子薄膜；在纳米技术领域中，自组装可以用来制备纳米颗粒或纳米管；在生物医学领域中，自组装在药物传递和细胞成像等方面也有着很大的潜力。
自组装现象的研究始于20世纪60年代，当时学者们发现了一种叫做“micelle”（胶束）的结构。
这种结构由一些亲水分子和疏水分子组成，亲水分子会寻找周围的水分子形成包裹状，而疏水分子则会相互聚集形成核心区域，并在外层包裹着亲水分子。
这样的结构具有极强的溶解能力，因此在化学、医学和生物学等领域得到了广泛的应用。
随着研究的深入，人们逐渐意识到自组装现象不仅仅局限于胶束这种单一的结构，还可以表现出更加复杂的现象，例如纳米颗粒、纳米线和超分子聚集体等。
这些结构具有优异的物理和化学性质，因此在理论和实际应用中都备受关注。
自组装现象的研究涉及到很多方面的知识，例如物理、化学、生物学和材料科学等。
其中物理化学是自组装研究的重要学科，它着眼于探究自组装现象的物理和化学原理，并通过实验和模拟技术来验证和解释自组装现象的规律和机制。
物理化学中常常使用分子动力学（molecular dynamics, MD）等计算机模拟技术来模拟自组装现象中分子之间的相互作用。
这些模拟技术可以模拟出自组装体系的结构、动力学行为和力学性质等。
此外，各种表征技术，如X射线衍射、原子力显微镜和低角度散射等，也可以用来表征自组装体系的结构和性质。
除了实验和计算模拟技术外，理论也对自组装现象的研究起着关键的作用。
在理论方面，自组装现象的研究主要集中在热力学和动力学两个方面。
热力学方面的研究主要关注自组装体系的稳定性和相稳定性，而动力学方面的研究则关注自组装过程中粒子之间的运动和相互作用。
超分子化学及分子识别和分子自组装ppt课件.ppt
5.分子识别及自组装的应用—
手性识别和消旋体的手性分离
Crystal packing diagram of complex of Sphyenlalanine and S-mandelic acid viewed along
the b axis, dashed line shows H-bonding
分子间的三点作用类型包括氢键，偶极相互作用，位阻 排斥，疏水吸引等作用，这些作用都可以成为手性识别 的重要因素。在这个理论的指导下，已成功地合成了许
多拆分剂用于消旋体的手性拆分。
3．生物活性与手性识别
手性或不对称性物质是含有不对称碳原于的化合物，这类 化合物在化学及生命科学中普遍存在。自然界中，绝大多 数分子(如糖，氨基酸)和由它们组成的生物大分子(如蛋白 质、DNA等)在空间结构上都具有不对称性，使得生物体 能够高度地选择识别某一特定的手性分子，从而产生生物 作用。随着人们对手性物质的深入研究，发现有些物质的 D-异构体和L-异构体在生物体中的活性差异很大，而有的 所起的作用完全不同，甚至截然相反。 20世纪60年代， 欧洲和日本的孕妇因服用外消旋的镇静药“反应停” 而 引起千万个婴儿畸形，制造这一悲剧的正是“反应停”中 的L-型旋光体。这一悲剧提醒人们，对一种新药投入市场
图1
预组织原则是指受体与底物分子在识别之前将受体中 容纳底物的环境组织的愈好，其溶剂化能力愈低，则 它们的识别效果愈佳，形成的配合物愈稳定。图2表示 了这个过程。
图2
为了达到高度专一的识别效果，受体的设计也必须遵循互补 性和预组织原则。分子识别中，虽然刚性有序的受体可以达 到高度识别，但交换过程，调节，协同和改变构象要求一定 的柔性，以使受体对变化进行调整和响应。
表1 分子间作用力的分类
超分子化学中的自组装研究
超分子化学中的自组装研究超分子化学是研究分子之间相互作用以及由此导致的结构和功能的科学领域。
在超分子化学中，自组装是一种重要的现象，它指的是分子在无外界干预的情况下自发地组装成有序的结构。
自组装研究不仅可以帮助我们理解分子之间的相互作用，还可以为新材料的设计和制备提供指导。
一、自组装的基本概念自组装是分子和分子之间通过非共价键相互作用的过程，其中包括氢键、范德华力、电荷转移和π-π相互作用等。
这些相互作用通过调控分子的空间位置和取向，使其在适当的条件下形成有序的结构，如超分子聚集体、胶束和晶体等。
自组装的过程是自发的、可逆的，并且具有高度的灵活性。
通过合理设计分子的结构和功能基团的引入，可以调控自组装的动力学和热力学参数，实现对自组装结构和性质的精确控制。
二、自组装在超分子化学中的应用1. 超分子结构的构筑自组装是构筑超分子结构的基础。
通过选择合适的分子和相互作用方式，可以实现从二维薄膜到三维晶体的自组装过程。
例如，通过控制分子的取向和排列方式，可以构筑出具有特殊形状和功能的超分子结构，如纳米管、纳米片和纳米孔等。
2. 功能材料的设计与合成自组装技术可以用于设计和合成具有特殊功能的材料。
通过将具有特定性质的分子有序组装，可以获得具有特定光学、电学、磁学、生物学或化学性质的功能材料。
这些材料在光电子器件、传感器、催化剂和生物医学等领域中具有广泛的应用前景。
3. 药物传递系统的构建自组装可以用于构建高效的药物传递系统。
通过将药物与适当的载体分子进行自组装，可以实现药物的高效包封和控释。
这不仅可以提高药物的稳定性和生物利用度，还可以减少药物的毒副作用。
自组装药物传递系统在癌症治疗、基因治疗和细胞治疗等领域具有广泛的应用潜力。
三、自组装研究的挑战与展望尽管已经取得了很多重要的成果，但自组装研究仍然面临一些挑战。
首先，虽然自组装是自发的过程，但理解自组装动力学和热力学行为仍然是一个挑战。
其次，自组装结构的稳定性和可控性还需要进一步提高。
超分子组装汇总课件
超分子组装体可以作为生物传感器的信号转换元件，将生物 分子识别的信号转换为可检测的电信号或光信号，提高生物 传感器的灵敏度和选择性。
纳米材料与器件
纳米材料制备
超分子组装体可以用于纳米材料的制备，如量子点、纳米线、纳米管等，为纳米 材料的研究和应用提供新的途径。
纳米器件的构建
超分子组装体可以作为纳米器件的构建单元，如晶体管、存储器、传感器等，为 纳米电子学和纳米光子学的发展提供新的可能性。
支持。
分子自组装
分子自组装是超分子组装的一种重要方式，指分子在特定条件下自发形成有序结构 的过程。
分子自组装的驱动力主要包括熵驱动和能量最小化，通过合理设计分子的结构和性 质，可以调控自组装行为。
分子自组装的研究有助于发现新的超分子结构和功能，为超分子材料的发展提供新 的思路和途径。
分子间相互作用
05
超分子组装的挑战与前景
组装过程调控的挑战
组装单元的多样性
超分子组装涉及多种组装单元， 如小分子、大分子、纳米颗粒等，
如何实现这些组装单元的有效调 控是关键挑战之一。
组装结构的稳定性
超分子组装结构的稳定性是影响其 应用的重要因素，如何提高组装结 构的稳定性是另一个挑战。
动态调控
超分子组装过程通常涉及复杂的动 态变化，如何实现组装过程的实时 调控是一个具有挑战性的问题。
超分子组装汇总课件
• 超分子组装的基本原理 • 超分子组装的应用领域 • 超分子组装的实验技术 • 超分子组装的挑战与前景 • 超分子组装研究展望
01
超分子组装概述
定义与特点
定义
超分子组装是指通过非共价键相互作 用，将分子或分子聚集体自组装成有 序结构的过程。
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（c）疏水效应（空腔效应）
疏水空腔 相对有序水
无序水
10
5. 超分子的重要性
(1)物质结构中不可逾越的层次，承上启下 超分子化学的研究是从分子走向生命，从分子实现 器件，功能材料的必经之路。 (2)创造新物质的源泉
自然界存在和人工合成的元素百余种→近3000万 化合物→ 进一步组装，多少物质？
1.超分子的定义
基于共价键存在分子化学，基于分子有序体和分子 间价键而存在超分子化学
分子以上（层次）的化学 Chemistry beyond molecules
超分子是指由两种或两种以上分子依靠分子间相 互作用结合在一起组成的复杂的、有组织的实体， 保持一定的完整性，使它具有明确的微观结构和宏 观特性。
25 Questions by Science.
11
Molecular recognition
Life science
Molecular self-organization
E
Enzyme Biomembrane
function
Liposomes
2D Protein crystallization
典型的
Co(NH3)62+ 5.1
Ni(NH3)62+ 8.7
Co(en)32+ 13.8
Ni(en)32+ 18.6
8
（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
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。
（b）超分子自组装：分子之间依靠分子间相互作用， 自发的结合起来，形成分立的或伸展的超分子。
识别和自组装的根据是： 电子因素：各种分子间作用力得到发挥 几何因素：分子的几何形状和大小互相匹配
13
➢ 分子识别 （客体和主体，给体和受体，锁和钥匙）
局部的弱相互作用 加和、协同，形成 锁和钥匙间强的分 子间作用力，生成 稳定的、具有特定 结构的超分子。
分子识别是构筑 有序超分子结构
所必需的。
14
分子自组装
分子自组装（self-assembly）是指基本 结构单元自发形成有序结构。在自组装过 程中，基本结构单元在基于非共价键的相 互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、 具有一定规则几何外观的结构。
b. 组成确定，具有点阵结构－晶体研究这种超分子： 晶体工程
4
超分子的稳定性－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 正负基团
离子－偶极子作用 ＋
－+
偶极子－偶极子作用ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
－＋
－＋
5
（b）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
Micelles
+
Host/guest
超分子体系
systems
Monolayers
Surface functionalization
Multilayers
Liquid crystals
Function via
organization
Materials science
Order and mobility 12
Fischer 酶-底物->锁和钥匙
沃森/克里克 DNA双螺旋模型
1873年
1920年
1894年
1967年 1953年
分子机械 高度复杂的自组装结构 传感器和电子-生物接口
自我复制系统 分子信息处理设备
1980s
1990s
van der Waals 分子间力
Latimer/Rodebush 氢键
Charles J. Pedersen 冠醚
6
（c）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。
（d）···· 堆叠作用
面对面
边对面
（e）诱导偶极子－诱导偶极子的作用 即色散力：范德华力
7
超分子的稳定性－熵效应
（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。
logK logK
电荷转移作用
亲疏水作用
π-π堆积
范德华力
••••••
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表1 分子间作用力的分类
1
2. 超分子的特征
结构单元 结合力 结构的实现 结构
分子化学
超分子化学
原子或原子团，合成 具有组装能力的分子，构筑子
子synthon）
（tacton）
共价键
非共价键
合成化学
分子组装
分子结构
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
2
超分子的理解
汉语的构筑与超分子构筑
汉语 偏旁、部首 汉字 词组 句子
简介
Donald J. Cram Jean-Marie Lehn
Fritz Vogtle
形状和离子选择性受体
18
A
底物
B
合成
受体
共价键 C
D
分子化学
简介
相互作用 超分子
识别
自组织 自组装
转换
易位 功能组分
分子/超分子 器件
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2. 超分子自组装的驱动力
氢键
静电相互作用：静电自组装（离子自组装）
主客体相互作用：环糊精
在分子自组装的基础上，发展出了超 分子科学。
15
超分子自组装
超分子自组装是指在平衡条件下相同或 不同分子间通过非共价键弱互相作用自发 构成具有特种性能的长程有序的超分子聚 集体的过程。
在超分子科学领域“组装”的重要性就 如同分子化学中的“合成”一样。
16
分子化学
++
超分子化学
+
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简介
机械-互锁分子结构
文章
超分子构筑 原子、离子、原子团 分子：具有组装功能的分子 分子聚集体：微粒、超分子膜、螺旋体等 分子聚集体高级结构：多种结构域与亚基结合的 酶，聚集体板块结构功能化形成的分子器件 化学机器：多酶组装体、超分子微型机器
分子化学研究分子个体，超分子化学研究分子的集团，分子的社会，分 子形成的“国家”。
虽然，人们已经熟悉了分子的合成，但是对于分子集团的形成规律， 组织结构，功能实现的机理等还不是非常明确。
3
3. 超分子的分类
受体和底物在分子识别原则基础上, 分子间缔 合成分立的低聚分子物种Host-guest
数量多而不确定的组分缔合成超分子组装体 (Molecular assemblies)
a. 组成和结合形式不断变动的薄膜、囊泡、胶束、 介晶相等