第7章-超分子化学的相关概念.pptVIP

两方面从不同方向走到同一层次上来了, 都认识到有序高级结构是这个层次的重要结构特征,化学和生命科学正通过对超分子的研究而相互融合. 超分子化学 2) 与物理学交叉 在物理学中, 三维材料的不断分割到纳米尺度的微粒, 产生了量子限域效应和介电限域效应, 从而发展了一系列新概念, 产生宏观与微观之间的介观物理, 介观物理研究的对象是分子聚集体, 在这个层次上, 化学与物理学相互融合. 3) 与材料科学交叉 材料科学和化学都充分认识到有序高级结构是高级功能材料的灵魂. 纳米材料的研究如火如萘, 化学研究这种高级结构如何形成, 怎样调控才能制备高级功能材料, 化学和材料科学在超分子层次上相互交叉. 4) 与信息科学交叉 分子电子器件、分子电子学正在为信息科学带来一场革命，分子电子学的载体是分子聚集体，当属于超分子科学的研究范畴，在这个层次上，信息科学和化学紧密相连。 5) 与环境科学交叉 环境科学最初从原子或分子层次对有害物质进行分析检测，很少研究分子以上层次的问题。事实上，土壤、天然水等等环境系统无不包含高级结构，甚至是有序高级结构。 由于超分子化学具有广阔的应用前景和重要的理论意义，近十年来超分子科学的研究在国际上取得巨大进展，据估计，现在已有40%的化学家要用超分子的知识来解决所面临的科学问题，超分子科学已成为21世纪新思想、新概念和高技术的一个重要源头。 不难看出，在超分子层次上，化学与生命科学、物理学、材料科学、信息科学、环境科学相互交叉渗透形成了超分子科学。 7.2 超分子中的主-客体化学（ host guest chemistry) 7.2.1 主-客体化学 ： 1、超分子化学简单地看作是含有某种（非共价）键合或络合的概念，我们就必须搞清楚这些键合的作用 2、一个主体分子键合了另一个客体分子就生成了一个“主-客体”化合物或超分子 3、 主体、客体、主-客体化合物 How do you tell which is a host which is a guest? 7.2.1 主-客体化学 ：主体？客体？ 主体(host):具有汇集的键合位点的分子实体。 （binding sites face inward, or converge） 通常，主体是一个大分子或聚集体，如酶或合成的环状化合物 ，路易斯碱性的给体原子、氢键给体等。 客体(guest):具有发散键合位点的任何分子或离子 。 （binding sites face outward） 客体可以是一个单原子阳离子，简单的无机阴离子，如路易斯酸性的球形金属阳离子或氢键受体卤素阴离子，也可以是如激素、信息素等更复杂的分子， 7.2.1 主-客体化学 ：主-客体化合物（complex） 复合物（complex）：是由两个或多个分子或离子通过不同于完全共价键的静电作用，按照特定的结构关系聚在一起的化合物。（Two or more molecules held together in a unique structural relationship by non-covalent (weak) forces） D.J.Cram基于在大环配体与金属或有机分子的络合化学方面的研究，在1986提出了以配体（受体）为主体，被络合物（底物）为客体的主-客体化合物的定义： 7.2.1 主-客体化学 ：主-客体间的作用力 复合物中主-客体间的作用力：分子复合物通常利用氢键、离子配对、金属-配体间的键合、范德华力、容剂重组等作用力来形成。分子复合物的高级结构组成只有通过多重键合位点作用来实现。一个高级结构的分子联合体至少由一个主体和一个客体组成，主-客体间的关系包括主体部分与客体部分键合位点之间互补的立体电子效应组合。 主-客体间的键合作用就像拿在手里的球与手的关系。手相当于主题，把球包裹在内，球脱离手则要克服一个物理的立体的能垒。由于手和球之间并没有真正的吸引力，因此这一类比并不适用于电子水平。这个类比引出了“inclusion chemistry (包结化学)”的概念，也就是一个分子包含于另一个分子之中。 7.2.2 超分子中主-客体化合物的分类 I、包合物的提出 1948年，牛津大学的H. M. Powell最早提出了一个超分子笼状主-客体结构的正式定义。它选择了“Clathrate (包合物)”这个词，并定义这是一种包合物（inclusion compound）。和由两个或多个组分通过化学基团连接在一起的传统化合物不同，包合物是分子中的一个组分被完全包裹在另一组分形成的合适的结构里面。 II、拓扑关系分类法