超分子自组装研究进展ppt课件
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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。
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
+
17
简介
机械-互锁分子结构
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
－＋
－＋
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
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”。
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
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
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
Micelles
+
Host/guest
超分子体系
systems
Monolayers
Surface functionalization
Multilayers
Liquid crystals
Function via
organization
Materials science
Order and mobility 12
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。
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
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
25 Questions by Science.
11
Molecular recognition
Life science
Molecular self-organization
E
Enzyme Biomembrane
function
Liposomes
2D Protein crystallization
典型的
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
19
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
9
（c）疏水效应（空腔效应）
疏水空腔 相对有序水
wenku.baidu.com
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？
电荷转移作用
亲疏水作用
π-π堆积
范德华力
••••••
20
表1 分子间作用力的分类
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。
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
+
17
简介
机械-互锁分子结构
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
－＋
－＋
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（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
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”。
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
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
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。
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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
Micelles
+
Host/guest
超分子体系
systems
Monolayers
Surface functionalization
Multilayers
Liquid crystals
Function via
organization
Materials science
Order and mobility 12
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。
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
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
25 Questions by Science.
11
Molecular recognition
Life science
Molecular self-organization
E
Enzyme Biomembrane
function
Liposomes
2D Protein crystallization
典型的
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
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（c）疏水效应（空腔效应）
疏水空腔 相对有序水
wenku.baidu.com
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？
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