第十章 次级键及超分子结构化学
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
化学的核心是合成，这是化学区别于所有其他学科的特色。美国著名
化学家 Stephen J. Lippard 1998在讨论化学的未来25年时有一段精彩的讲话：
“化学最重要的是制造新物质。化学不但研究自然界的本质，而且 创造出新分子、新催化剂以及具有特殊反应的新化合物。化学学 科通过合成优美而对称的分子，赋予人们创造的艺术；化学以新 方式重排原子的能力，赋予我们从事创造性劳动的机会，而这正 是其他学科所不能媲美的。”化学创造了一个人造世界”。
化学的内涵
化学是这样一门科学，茫茫宇宙中浩瀚的物质世界，在化学家看来，不过 是千百万种化合物的存在与组合，而且是由为数不多的几十种常见的元素所组 成。它们之间的差别仅在于元素的种类、原子的数目和原子构成分子或晶体时 方式的不同而已。
化学是这样一门科学，化学反应，其机理几乎是各有千秋，而且对反应条 件又极其敏感，以致对于一些化学现象，人们有时不免众说纷纭，莫衷一是。但 是化学反应所遵循的最基本的物质定律，却屈指可数，简单明了。
异 性 相 互 反 应 的 分 子， 而 共 获 得 1987 年 诺 贝
尔化学奖
Charles J. Pedersen (1904-1989, USA)
Charles J. Pedersen: Crown Ethers
“For their development and use of molecules with structurespecific interactions of high selectivity”
z 美 国 化 学 家克 拉 姆、佩 德 森与 法 国 化 学
家 莱 恩 因 开 发 和 使 用 具 高 选 择 性、 结 构 特
通过对分子间相互作用的精确调控，超分子化学已逐渐发展成为了一门 新兴的分子信息化学。它包括在分子水平和结构特征上的信息存储，以 及通过特异性分子识别过程，来实现的超分子尺寸上的修正、传输和处 理。未来超分子体系的特征应体现为：信息性和程序性的统一，流动性 和可逆性的统一，组合性和结构多样性的统一。
• 从微观分子到介观（纳米）分子，再到宏观尺度的分 子组装体
• 从单个化合物的合成、分离、分析及性能测试的手工 操作方法，发展到成千上万个化合物的同时合成的组 合化学方法
• 从合成、自组装到 make life • 合成化学的新方法：芯片化、组合化、模板化、定性
化、设计化、自组装化、手性化、原子经济化、绿色 化 • 更加注重国家目标 • 理论和实验更加密切结合
经过近20多年的快速发展，超分子化学已远远超越了原来有机化学主客 体体系的范畴，形成了自己的独特概念和体系：如分子识别、分子自组 装、超分子器件，超分子材料等，构成了化学大家族中一个颇具魅力的 新学科。同时，超分子的思想使得人们重新审视许多传统但仍具很大挑 战的已有学科分支，如配位化学、液晶化学、包合物化学等，并给它们 带来了新的研究空间。超分子化学的重要特征之一是它处于化学、生物 和物理学的交界处，体现在这些学科从不同角度都在致力于揭示分子组 装的推动力及调控规律。在与其它学科的交叉融合中，超分子化学已发 展成了超分子科学，被认为是二十一世纪新概念和高技术的一个重要源 头。
分子包括：各种单原子分子、各种气态原子或离子、以共价 键结合的传统意义的分子，离子晶体、原子晶体或金属晶体等的 单晶以及各种聚合度不同的高分子。
分子，本质上就是一个 核——电子体系。
比分子高一个层次的是 超分子（supramolecule)。
超分子是指若干个小分子以弱的相互作用力（即分子间作用力） 相互联系，并且通过所谓“自组装”（self –assembling)或“自组织” （self-organizing）构筑成的某种高级结构体系。
Chemistry is the study of the properties of materials and the changes that materials undergo
宏观看，化学物质构成了物体（气，液，固等）。
微观看，化学物质的最低层次是原子。 比原子更低的物质层 次，如电子、中子、质子和原子核 总称亚原子微粒subatomic particles，就不是化学研究对象了。比原子高一个层次的化学物质是 原子以强相互作用力（即化学键）相互结合形成的原子聚集体。所 有单独存在的原子和所有原子聚集体都可称为“分子”molecules.
首先，化学并不研究所有的物质。
如，电磁波，电磁场，引力场，电子，中子，原子核，夸克等
其次，化学也不在所有层次上研究物质。
物 宇观物质：宇宙，星云，星体，星际云等 质 层 宏观物质：地球，城市，亭台楼阁，红砖绿瓦等
次 划
介观物质：光学显微镜尺度、微米尺度、纳米尺度的物质
分 微观物质：分子，离子，原子，亚原子微粒等
---唐有棋---
化学在科学体系中的定位
1）数学是研究“数”“形”和“系统”的最根本的基础科学 2）物理学是研究自然界物质－能量系统的最普遍规律的科学
3）化学是一门承上启下的 中心科学 Central science 是创造和识别新物质最多的一门科学 数学和 物理学是上游的领头科学
化学是与资源、环境、能源、材料、信息、生命、地球、 空间和核科学等朝阳科学（Sun-rise sciences）都有紧密的联
• 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，组成复杂的、 有组织的聚集体，保持一定的完整性，使它具有明确的微观结构和宏观特性。
• 由分子到超分子和分子间相互作用的关系，正如由原子到分子和共价键的关系。 • 分子间相互作用 ≠ 非共价键
超分子化学溯源
在任何科学领域中，创新与传统总是相关联的。回溯历史，分 子的功能源自超分子作用的假说最早可以追溯到1894年，德国 E. Fischer基于“分子间选择性作用”的思想提出了“锁－钥匙”模 型，他的这一思想已形成了现代超分子科学理论的雏形。上个 世纪三十年代，当时是胶体化学的一个鼎盛时期，德国K. L. Wolf等创造了“超分子”一词，用来描述分子缔合而形成的有序 体系。但实际上，直到1978年，法国J. M. Lehn基于传统的植 根于有机化学中的主客体系研究才最终提出了“超分子化学”的 完整概念，他指出：“基于共价键存在着分子化学领域，基于分 子组装体和分子间键而存在着超分子化学”，这无疑是一次重大 的思想飞跃。
• Specific interaction between two species requires complementary shape & chemistry like a key fitting into a lock.
• This concept laid the basis for molecular recognition, the discrimination by a host between a number of guests.
2、超分子化学的定义及其发展历程
超分子化学
• 基于共价键存在着分子化学领域，基于分子组装体和分子间键而存在着超分子化 学 。超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学， 它主要研究分子之间的非共价键的弱相互作用，如氢键、 配位键、亲水/疏水相互 作用及它们之间的协同作用而生成的分子聚集体的组装、结构与功能 。
Supramolecular Chemistry: chemistry beyond the molecule, supramolecular chemistry aims at developing highly complex chemical systems from components interacting by noncovalent intermolecular forces ---Jean-Marie Lehn
化学是这样一门科学，它为其他学科和新技术的发展提供了必要的物质条 件，但在社会对新新技术成就的一片赞扬声中，它却甘于默默无闻。
化学是这样一门科学，它和其他学科的相互交叉与渗透日益深化，新的化 学分支学科层出不穷，但是化学的理论基础却离不开化学元素论、元素周期律、 化学键理论和物质结构理论。
---化学是一门理论和实验推动并驾齐驱的科学。
系、交叉和渗透的中心科学
如果把科学比拟为长江
各门学科可以按照研究从简单到复杂分为
上游
中游
下游
重庆
武汉
上海
数学物理 化学
生物学
领头学科 中心学科 前沿学科
化学要用数理、生物学要用数理化、医学要用数理 化生
化学与其它 学科的关系
生命科学
化学
材料科学
信息科学
什么是化学？
旧定义：化学是一门在原子、分子层次上研究 物质 的 组成、结构、性质与变化规律的科学。
化学是一门中心的、实用的、创造性的科 学。
化学为总管物质在分子层次上变化之学科， 人类之衣、食、住、行无不仰给于化学所掌管 之成百化学元素及其所组成之万千化合物和无 数制剂、材料。化学具有实验和理论并重之传 统，强于试验不言而喻，而其发展亦受惠于突 出理论之思维，…。在自然科学中，化学和物 理俨然为共管物质及其运动之核心科学，遂有 自然科学之轴心之称。
--- 徐光宪---
21世纪化学研究的对象：泛分子的十个层次
• 原子层次 • 分子片层次 • 结构单元层次 • 分子层次 • 超分子层次 • 高分子层次 • 生物分子层次
• 原子和分子的介观聚 集体层次（纳米层次）
• 原子和分子的宏观聚 集体层次
• 复杂分子体系及组装 体层次：分子器件、 分子芯片、分子机器
/cgi-bin/regreport.pl 2004,8,5: 23,707,657
21世纪化学的特点
• 19世纪：化学是原子的科学——恩格斯 • 20世纪：化学是分子的科学
• 认识分子及化合物 1900：55万种 1999,12,31：2340万种
• 21世纪： Pan molecules —— 徐光宪 (Pan pacific conference)
超分子不同与巨大分子macromolecule.
新定义：化学是研究分子层次以及以超分子为代表的分子以上层次 的化学物质的组成、结构、性质和变化及其内在联系和外 界变化条件的科学。
化学是一门研究分子和超分子层次的化学物种的组成、结构、 性质和变化的自然科学。化学的目的是认识世界、改造世界和保 护世界。
（1902 Nobel Prize）
Nobel Prizes --- Supramolecular Chemistry
Jean-Marie Lehn (1939- , France)
Donald J. Cram (1919- , USA)
Shared the Nobel Prize in Chemistry 1987
21世纪的化学是研究泛分子。详言之，化 学是研究原子、分子片、结构单元、分子、高 分子、原子分子团簇、原子分子的激发态、过 渡态、吸附态、超分子、生物大分子、分子和 原子的各种不同维数、不同尺度和不同复杂程 度的聚集态和组装态，直到分子材料、分子器 件和分子机器的合成和反应，制备、剪裁和组 装，分离和分析，结构和构象，粒度和形貌， 物理和化学性能，生理和生物活性及其输运和 调控的作用机制，以及上述各方面的规律，相 互关系和应用的自然科学。
Emil Fischer: The Lock & Key
• Emil Fischer proposed that an enzyme interacts with its substrate as a key does with its lock in 1894. Recognized even before molecular structure was well understood that shape matters.
21世纪化学研究的十个内容
• 合成和反应 • 组装、自组装（分子
剪裁、构筑及修饰）
• 分离和纯化 • 分析和表征 • 结构、构型、构象和
手性
• 粒度、形状和形貌
• 物理、化学性质及功 能，外场作用下的性 质及功能
• 关系
• 上述各方面的应用
21世纪化学研究的几个特点
化学家 Stephen J. Lippard 1998在讨论化学的未来25年时有一段精彩的讲话：
“化学最重要的是制造新物质。化学不但研究自然界的本质，而且 创造出新分子、新催化剂以及具有特殊反应的新化合物。化学学 科通过合成优美而对称的分子，赋予人们创造的艺术；化学以新 方式重排原子的能力，赋予我们从事创造性劳动的机会，而这正 是其他学科所不能媲美的。”化学创造了一个人造世界”。
化学的内涵
化学是这样一门科学，茫茫宇宙中浩瀚的物质世界，在化学家看来，不过 是千百万种化合物的存在与组合，而且是由为数不多的几十种常见的元素所组 成。它们之间的差别仅在于元素的种类、原子的数目和原子构成分子或晶体时 方式的不同而已。
化学是这样一门科学，化学反应，其机理几乎是各有千秋，而且对反应条 件又极其敏感，以致对于一些化学现象，人们有时不免众说纷纭，莫衷一是。但 是化学反应所遵循的最基本的物质定律，却屈指可数，简单明了。
异 性 相 互 反 应 的 分 子， 而 共 获 得 1987 年 诺 贝
尔化学奖
Charles J. Pedersen (1904-1989, USA)
Charles J. Pedersen: Crown Ethers
“For their development and use of molecules with structurespecific interactions of high selectivity”
z 美 国 化 学 家克 拉 姆、佩 德 森与 法 国 化 学
家 莱 恩 因 开 发 和 使 用 具 高 选 择 性、 结 构 特
通过对分子间相互作用的精确调控，超分子化学已逐渐发展成为了一门 新兴的分子信息化学。它包括在分子水平和结构特征上的信息存储，以 及通过特异性分子识别过程，来实现的超分子尺寸上的修正、传输和处 理。未来超分子体系的特征应体现为：信息性和程序性的统一，流动性 和可逆性的统一，组合性和结构多样性的统一。
• 从微观分子到介观（纳米）分子，再到宏观尺度的分 子组装体
• 从单个化合物的合成、分离、分析及性能测试的手工 操作方法，发展到成千上万个化合物的同时合成的组 合化学方法
• 从合成、自组装到 make life • 合成化学的新方法：芯片化、组合化、模板化、定性
化、设计化、自组装化、手性化、原子经济化、绿色 化 • 更加注重国家目标 • 理论和实验更加密切结合
经过近20多年的快速发展，超分子化学已远远超越了原来有机化学主客 体体系的范畴，形成了自己的独特概念和体系：如分子识别、分子自组 装、超分子器件，超分子材料等，构成了化学大家族中一个颇具魅力的 新学科。同时，超分子的思想使得人们重新审视许多传统但仍具很大挑 战的已有学科分支，如配位化学、液晶化学、包合物化学等，并给它们 带来了新的研究空间。超分子化学的重要特征之一是它处于化学、生物 和物理学的交界处，体现在这些学科从不同角度都在致力于揭示分子组 装的推动力及调控规律。在与其它学科的交叉融合中，超分子化学已发 展成了超分子科学，被认为是二十一世纪新概念和高技术的一个重要源 头。
分子包括：各种单原子分子、各种气态原子或离子、以共价 键结合的传统意义的分子，离子晶体、原子晶体或金属晶体等的 单晶以及各种聚合度不同的高分子。
分子，本质上就是一个 核——电子体系。
比分子高一个层次的是 超分子（supramolecule)。
超分子是指若干个小分子以弱的相互作用力（即分子间作用力） 相互联系，并且通过所谓“自组装”（self –assembling)或“自组织” （self-organizing）构筑成的某种高级结构体系。
Chemistry is the study of the properties of materials and the changes that materials undergo
宏观看，化学物质构成了物体（气，液，固等）。
微观看，化学物质的最低层次是原子。 比原子更低的物质层 次，如电子、中子、质子和原子核 总称亚原子微粒subatomic particles，就不是化学研究对象了。比原子高一个层次的化学物质是 原子以强相互作用力（即化学键）相互结合形成的原子聚集体。所 有单独存在的原子和所有原子聚集体都可称为“分子”molecules.
首先，化学并不研究所有的物质。
如，电磁波，电磁场，引力场，电子，中子，原子核，夸克等
其次，化学也不在所有层次上研究物质。
物 宇观物质：宇宙，星云，星体，星际云等 质 层 宏观物质：地球，城市，亭台楼阁，红砖绿瓦等
次 划
介观物质：光学显微镜尺度、微米尺度、纳米尺度的物质
分 微观物质：分子，离子，原子，亚原子微粒等
---唐有棋---
化学在科学体系中的定位
1）数学是研究“数”“形”和“系统”的最根本的基础科学 2）物理学是研究自然界物质－能量系统的最普遍规律的科学
3）化学是一门承上启下的 中心科学 Central science 是创造和识别新物质最多的一门科学 数学和 物理学是上游的领头科学
化学是与资源、环境、能源、材料、信息、生命、地球、 空间和核科学等朝阳科学（Sun-rise sciences）都有紧密的联
• 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，组成复杂的、 有组织的聚集体，保持一定的完整性，使它具有明确的微观结构和宏观特性。
• 由分子到超分子和分子间相互作用的关系，正如由原子到分子和共价键的关系。 • 分子间相互作用 ≠ 非共价键
超分子化学溯源
在任何科学领域中，创新与传统总是相关联的。回溯历史，分 子的功能源自超分子作用的假说最早可以追溯到1894年，德国 E. Fischer基于“分子间选择性作用”的思想提出了“锁－钥匙”模 型，他的这一思想已形成了现代超分子科学理论的雏形。上个 世纪三十年代，当时是胶体化学的一个鼎盛时期，德国K. L. Wolf等创造了“超分子”一词，用来描述分子缔合而形成的有序 体系。但实际上，直到1978年，法国J. M. Lehn基于传统的植 根于有机化学中的主客体系研究才最终提出了“超分子化学”的 完整概念，他指出：“基于共价键存在着分子化学领域，基于分 子组装体和分子间键而存在着超分子化学”，这无疑是一次重大 的思想飞跃。
• Specific interaction between two species requires complementary shape & chemistry like a key fitting into a lock.
• This concept laid the basis for molecular recognition, the discrimination by a host between a number of guests.
2、超分子化学的定义及其发展历程
超分子化学
• 基于共价键存在着分子化学领域，基于分子组装体和分子间键而存在着超分子化 学 。超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学， 它主要研究分子之间的非共价键的弱相互作用，如氢键、 配位键、亲水/疏水相互 作用及它们之间的协同作用而生成的分子聚集体的组装、结构与功能 。
Supramolecular Chemistry: chemistry beyond the molecule, supramolecular chemistry aims at developing highly complex chemical systems from components interacting by noncovalent intermolecular forces ---Jean-Marie Lehn
化学是这样一门科学，它为其他学科和新技术的发展提供了必要的物质条 件，但在社会对新新技术成就的一片赞扬声中，它却甘于默默无闻。
化学是这样一门科学，它和其他学科的相互交叉与渗透日益深化，新的化 学分支学科层出不穷，但是化学的理论基础却离不开化学元素论、元素周期律、 化学键理论和物质结构理论。
---化学是一门理论和实验推动并驾齐驱的科学。
系、交叉和渗透的中心科学
如果把科学比拟为长江
各门学科可以按照研究从简单到复杂分为
上游
中游
下游
重庆
武汉
上海
数学物理 化学
生物学
领头学科 中心学科 前沿学科
化学要用数理、生物学要用数理化、医学要用数理 化生
化学与其它 学科的关系
生命科学
化学
材料科学
信息科学
什么是化学？
旧定义：化学是一门在原子、分子层次上研究 物质 的 组成、结构、性质与变化规律的科学。
化学是一门中心的、实用的、创造性的科 学。
化学为总管物质在分子层次上变化之学科， 人类之衣、食、住、行无不仰给于化学所掌管 之成百化学元素及其所组成之万千化合物和无 数制剂、材料。化学具有实验和理论并重之传 统，强于试验不言而喻，而其发展亦受惠于突 出理论之思维，…。在自然科学中，化学和物 理俨然为共管物质及其运动之核心科学，遂有 自然科学之轴心之称。
--- 徐光宪---
21世纪化学研究的对象：泛分子的十个层次
• 原子层次 • 分子片层次 • 结构单元层次 • 分子层次 • 超分子层次 • 高分子层次 • 生物分子层次
• 原子和分子的介观聚 集体层次（纳米层次）
• 原子和分子的宏观聚 集体层次
• 复杂分子体系及组装 体层次：分子器件、 分子芯片、分子机器
/cgi-bin/regreport.pl 2004,8,5: 23,707,657
21世纪化学的特点
• 19世纪：化学是原子的科学——恩格斯 • 20世纪：化学是分子的科学
• 认识分子及化合物 1900：55万种 1999,12,31：2340万种
• 21世纪： Pan molecules —— 徐光宪 (Pan pacific conference)
超分子不同与巨大分子macromolecule.
新定义：化学是研究分子层次以及以超分子为代表的分子以上层次 的化学物质的组成、结构、性质和变化及其内在联系和外 界变化条件的科学。
化学是一门研究分子和超分子层次的化学物种的组成、结构、 性质和变化的自然科学。化学的目的是认识世界、改造世界和保 护世界。
（1902 Nobel Prize）
Nobel Prizes --- Supramolecular Chemistry
Jean-Marie Lehn (1939- , France)
Donald J. Cram (1919- , USA)
Shared the Nobel Prize in Chemistry 1987
21世纪的化学是研究泛分子。详言之，化 学是研究原子、分子片、结构单元、分子、高 分子、原子分子团簇、原子分子的激发态、过 渡态、吸附态、超分子、生物大分子、分子和 原子的各种不同维数、不同尺度和不同复杂程 度的聚集态和组装态，直到分子材料、分子器 件和分子机器的合成和反应，制备、剪裁和组 装，分离和分析，结构和构象，粒度和形貌， 物理和化学性能，生理和生物活性及其输运和 调控的作用机制，以及上述各方面的规律，相 互关系和应用的自然科学。
Emil Fischer: The Lock & Key
• Emil Fischer proposed that an enzyme interacts with its substrate as a key does with its lock in 1894. Recognized even before molecular structure was well understood that shape matters.
21世纪化学研究的十个内容
• 合成和反应 • 组装、自组装（分子
剪裁、构筑及修饰）
• 分离和纯化 • 分析和表征 • 结构、构型、构象和
手性
• 粒度、形状和形貌
• 物理、化学性质及功 能，外场作用下的性 质及功能
• 关系
• 上述各方面的应用
21世纪化学研究的几个特点