超分子自组装及其应用的研究进展

得分：_______ 南京林业大学

研究生课程论文2013 ～2014 学年第二学期

课程号：73421

课程名称：超分子化学

论文题目：超分子自组装及其应用的研究进展

学科专业：材料学

学号：*******

*名：***

任课教师：***

二○一四年六月

超分子自组装及其应用的研究进展

王礼建

（南京林业大学理学院，江苏南京210037）

摘要：分子自组装是近年来倍受重视的国际前沿课题，它将会极大促进信息、能源、生命、环境和材料科学等学科领域的发展，介绍了基于氢键、π键、配位键、双亲分子4种自组装体系，重点综述了这4种自组装体系在高分子合成领域中的最新进展，最后对超分子自组装的发展趋势做了展望。

关键字：超分子；自组装；应用；进展

Advances in supramolecular self-assembly and its applications

WANG Li-jian

(College of Science, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China) Abstract：Supramolecular self-assembly is a highly valued field in recent years, it will greatly promote the development of information, energy, life, environmental and materials science disciplines. This article describes four kinds of self-assembled system based on hydrogen bond, π bond, coordination bond and amphiphilic molecules. Mainly review its applications and research progress in the fields of supramolecular polymer synthesis. Finally make the prospects for its development.

Key words: Supramolecular; self-assembly; application; Progress

1 超分子化学的概念

超分子化学简言之是研究各个分子间通过非共价键作用形成具有特定功能体系的科学。从而使化学从分子层次扩展到超分子层次。这种分子间相互作用形成的超分子组装体，带给人们许多认识上的飞跃，认识到分子已不再是保持物性的最小单位。也称为超分子化学(supermolecular chemistry)。超分子化学主要研究超分子体系中基元结构的设计和合成体系中弱相互作用。体系的分子识别和组装体系组装体的结构和功能以及超分子材料和器件等等。它是化学和多门学科的交叉领域。它不仅与物理学、材料科学、信息科学、环境科学等相互渗透形成了超分子科学，而更具有重要理论意义和潜在前景的是在生命科学中的研究和应用。例如生物体内小分子和大分子之间高度特异的识别在生命过程中的调控等。

超分子化学研究的内容主要包括：分子识别，分为离子客体的受体和分子客体的受体；环糊精；生物有机体系和生物无机体系的超分子反应性及传输；固态超分子化学，分为晶体工程、二维和三维的无机网络；超分子化学中的物理方法；模板，自组装和自组织；超分子技术，分为分子器件和分子技术的应用。现代化学与18、19世纪的经典化学相比较，其显著特点是从宏观进入微观，从静态研究进入动态研究，从个别、细致研究发展到相互渗透、相互联系的研究，从分子内的原子排列发展到分子间的相互作用。从某种意义上讲，超分子化学淡化了有机化学、无机化学、生物化学和材料化学之间的界限，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）有机地融合为一个整体，从而为分子器件、材料科学和生命科学的发展开辟了一条崭新的道路，且为21世纪化学发展提供了一个重要方向。

2自组装简介[1]

分子自组装指分子自发地（在氢键、静电、疏水亲脂作用、范德华力等弱力推动下）构筑具有特殊结构和形状的稳定集合体的过程。在化学科学方面，超分子化学提供了新的观念、方法和途径，并用来设计和制造自组装构建元件，探索分子自组装手段，这样具有特定结构和基团的分子就按一定的方式自发地组装成所需的超分子。各种复杂生物结构形成的基础是分子自组装。分析生物分子自组装体系，结果显示较弱的、可逆的非共价相互作用（如氢键）驱动自组装，同时这些非共价相互作用又保持自组装体系的结构稳定性和完整性。而人工自组装体系形成的关键是分子间的非共价连接的理解和控制以及自组装过程中热力学上的不利因素的克服。超分子化学的重要目标就是研究分子自组装过程及组装体，通过分子自组装形成超分子功能体系。自然界中有2种类型的自组装：一种叫热力学自组装，像雨滴一样呈现出能量稳定性最大的形式；另一种叫编码自组装，是有机分子自组装成有一定功能的组织器官的过程，由生命体所体现。分子自组装在分子识别的基础上形成具有特殊功能的超分子体系。

2.1 自组装方法

自组装方法主要是接枝、旋涂、化学吸附、分子沉积、慢蒸发溶剂等成膜，近几年导向自组装、分子识别、模板自组装等纷纷涌现。这些方法各有优缺点，因而应用也有不同。

（1）导向自组装：一般在无机领域应用较多，近来在有机无机纳米杂化材料、碳纳米管以及高分子材料中都有一定的应用。

（2）模板自组装：模板自组装（TSA）将结构限制在平板表面，对自组装行为进行引导，促使空间相在较大范围内结构有序。自组装模板多种多样，有无机晶体、高分子、生物DNA 甚至活体病毒等等。

（3）分子识别：分子识别可以理解为在氢键、配位键、堆积效应、静电作用、疏水作用和手性作用等驱动力作用下某给定受体对作用物（或给体）选择性结合并产生某种特定功能的过程。

（4）形态学控制：自组形态学的控制，即按照发现的一些规律改变分子结构来影响组装过程，有意识地得到所需的形态。

2.2 组装体的形态

（1）自组装无限网络结构：通过有机化合物和金属离子间自发组装成具有高度规整的无限网络结构。

（2）自组装纳米管道：作为离子通道性能优于天然的通道，是通过分子间的多重氢键发生自组装形成的。

（3）自组装胶囊：由2个或2个以上的分子建筑单元通过可逆的非共价键相互作用而形成自组装胶囊，在很多方面如分子传感器、催化剂和药物传输等领域潜在着广阔的应用前景。

（4）LB膜：纪念其创始人ngmuir 和D.B.Blodgett命名为LB膜，是一种超薄有序膜。LB膜技术根据两亲分子在溶液表面的定向排列，进行二维分子组装或多层的排列组合，形成各种分子水平的器件，是在分子水平上制备有序的超分子薄膜的技术。

（5）索烃和轮烃：索烃是由2个或2个以上分立的亚单元（环）组成的内锁式结构，索烃分子中的环不是靠化学键连接的，它们的内聚力被称为机械成键，也称为拓扑键，索烃的制备过程就是典型的分子组装过程。冠醚的环状结构常被用作组装索烃的重要组成部分。轮烃是由环状分子和线状分子由非共价键组装成的超分子体系，线状分子两端用大基团封闭的称为轮烃，而当没有对线性分子进行封端时，所得的超分子体系称为准轮烷。

3 超分子自组装及其在高分子合成领域中的应用