超分子化学介绍.pdf

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1、第一章从分子化学到超分子化学（2学时）第一节超分子化学的发展历程超分子化学（SupramolecularChemistry）根源于配位化学，有人称之为广义配位化学（generalizedcoordinationchemistry），是三十多年来迅猛发展起来的一门交叉学科，它与材料科学、信息科学、生命科学等学科紧密相关，是当代化学领域的前沿课题之一。这个领域起源于碱金属阳离子被天然和人工合成的大环和多环配体，即冠醚和穴醚的选择性结合。1967年C.J.Pederson报道了冠醚配位性能的发现，揭开了超分子化学发展的序幕；随后，J.-M.Lehn报道了穴醚的合成和配位性能，这种由双环

2、或三环构成的立体结构比平面冠醚具有更好的对金属离子配位能力；1973年，D.J.Cram报道了一系列具有光学活性的冠醚，可以识别伯胺盐形成的配合物；分子识别的出现为这一新的化学领域注入了强大的生命力，之后它进一步延伸到分子间相互识别和作用，并广泛扩展到其它领域，从此诞生了超分子化学。超分子化学的概念和术语是在1978年引入的，作为对前人工作的总结和发展。1987年，Nobel化学奖授予了C.J.Pederson、D.J.Cram和J.-M.Lehn，标志着超分子化学的发展进入了一个新的时代，超分子化学的重要意义也因此被人们更多的理解。化学分子化学超分子化学A自组装B自组织合成多分

3、子有序体受体共价键相互作用识别C转换分子和超分超分子子器件D分子间价键异位底物功能组分从分子化学到超分子化学：分子、超分子、分子和超分子器件第二节超分子化学的定义和分类方法分子化学是基于原子间的共价键，而超分子化学则基于分子间的非共价键相互作用，即两个或两个以上的物质依靠分子间键缔合。图1.1中简介了从分子化学到超分子化学的基本特征。1987年，当年的诺贝尔化学奖获得者之一，法国的J.M.Lehn教授在获奖演说中曾为超分子化学作出了如下解释：超分子化学是研究两种以上的化学物种，通过分子间相互作用缔结而成的、具有特定结构和功能的超分子体系的科学。简而言之，超分子化学是研究多个分子通

4、过非共价键作用而形成的功能体系的科学。超分子化学研究包括分子识别（molecularrecognition）、分子自主装（selfassembly）、分子自组织（selforganization）和超分子器件(supermoleculardevice)等。分子识别是超分子化学的一个核心研究内容之一。所谓分子识别即是指主体（受体）对客体（底物）选择结合并产生某种特定功能的过程。有人把这一过程形容为锁和钥匙的关系。在生物体系中存在着广泛的分子识别。酶和底物之间、基因密码的转录和翻译、细胞膜的选择性吸收等等都涉及到分子识别。分子识别中的主体主要有冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、卟啉等大环主

5、体化合物。对以非共价键弱相互作用力键合起来的复杂有序且具有特定功能的分子集合体，即超分子化学的研究，可以说是共价键分子化学的一次升华，一次质的超越，被称为是“超出分子范围的化学”。分子识别不是依赖于传统的共价键力，而是靠非共价键力，即分子间的作用力，如范德华力（VanderWaals）（包括离子-偶极，偶极-偶极和偶极-诱导偶极相互作用）、疏水作用和氢键等。通过多个超分子的亚单元自组织或自主装能够得到稳定的、具有特异空间结构和功能的大分子聚集体，可以潜在地作为分子器件或超分子器件。第三节超分子化学发展现状欧洲、日本领先，中国等随后跟踪。美国未有此提法。第二章分子识别和分子自组装（

6、4学时）第一节识别、信息、互补原则和分子受体的设计（2学时）识别和信息以前用于生物相关体系中，直到20世纪70年代初，冠醚选择性地结合金属离子，开始进入化学领域。2.1.1分子识别的定义分子识别是通过一个给顶的受体分子结合和选择底物过程中的能量和信息来定义的，此过程中也可能包括一特殊的功能。识别就是结合对中几何尺寸和相互作用间的互补性，即受体相对于一给定底物的最佳信息量。这相当于一双互补原理扩展到能量特征和几何特征，后者由“锁和钥匙”体现。受体与底物的识别受以下几个因素影响：（1）底物和受体间的立体互补，即在适当位置上有凹或凸区域（2）作用力互补，即在底物和受体适当位置上有互补结

7、合点（如正/负静电力，电荷/偶极，氢键给/受体，等）（3）在底物和受体间有较大的接触区域（4）多个相互作用位点（5）大区域强结合（6）介质效应2.1.2分子受体的设计分子受体定义：通过共价键结合的有机结构，这种结构有能力通过分子间各种相互作用力选择性地结合离子和分子底物，从而形成两个或更多物种有序体，即超分子。分子受体设计就是在有机分子中表达分子识别原理。受体化学，即人工受体分子化学，代表的是一种广义的配位化学，不仅过渡金属，而且：阳离子、阴历子或中性有机物种，无机物或生物种类。