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超分子化学杨杰第1页/共26页 2OutlineIntroduction to supramolecular chemistry The main theories Application第2页/共26页 3IntroductionSupermolecules: the aggregates combined by two or more kinds of molecules, through interaction (intermolecular bonds) rather than covalent bondsSupermolecules chemistry: About the properties of the aggregates, and the intermolecular interaction原子原子共价键合成分子分子分子聚集体自组装非共价键分 子 层 次分 子 以 上 层 次超分子科学的研究对象是分子聚集体，分子聚集体形成的本质是分子间相互作用，分子自组装是构筑各种各样分子聚集体的有效手段。第3页/共26页 4Introduction超分子化学的研究范围环状配体组成的主客体体系 （Host –guest system) 有序的分子聚集体 ，如酶，L-B膜，细胞膜等大环类穴状配体的形成定向排列的链霉亲和素维生素-H由两个或两个以上基团用柔性链或刚性链连接而成的超分子化合物 ，如聚合物的聚集体第4页/共26页 5IntroductionThe Nobel Prize in Chemistry 1987C. Pedersen 于1967年发现冠醚（crown ether）类物质，为大环类物质特殊性能的研究做出了开拓性贡献J.M. Lehn 从各角度对冠醚进行了研究，发现穴醚化合物，提出了超分子概念C.J. Cram 主客体化学的先驱者 此后十多年，超分子化学获得很大发展，并在功能材料设计、生物医学、仿生材料、光电化学等多个领域得到广泛应用第5页/共26页 6The main theories超分子稳定形成的因素 ?G = ?H - T?S能量因素熵因素钥匙和锁原理分子识别（Molecular recognition ）超分子自组装 （Self-assembly ）第6页/共26页 7The main theories能量因素：分子间键的形成，使得体系能量降低静电作用：正负离子，基团，偶极子之间的盐键、相互作用氢键：常规氢键 X-H····Y （X, Y = F, O, N, C, Cl） 非常规氢键 X-H····?； X-H····MM-L配位键：金属原子和配位体间形成的共价配键为主 第7页/共26页 8The main theories能量因素：分子间键的形成，使得体系能量降低疏水效应：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?····? 堆叠作用其他，如色散力（范德华力） 面-面边-面强度的递增顺序： π-π堆积作用，氢键，金属离子配位键第8页/共26页 9The main theories熵增加的因素螯合效应：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疏水效应（空腔效应）疏水空腔无序水相对有序水第9页/共26页 10The main theories钥匙和锁原理能量效应和熵效应共同配合形成稳定的超分子超分子体系识别记忆功能和专一选择功能的结构基础锁和钥匙间每一局部是弱的相互作用，但各个局部之间相互的加和作用、协同作用形成强的分子间作用力，形成稳定的超分子第10页/共26页 11The main theories分子识别与自组装分子识别：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分子识别和自组装的依据电子因素：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第11页/共26页 12The main theories冠醚和穴状配体的识别和组装（大环效应）紫外光可见光K+左上：冠醚对钾离子的识别右图：杂冠醚中N原子的四面体分布，对同样大小的K+和NH4+，倾向和NH4+结合实质是孤对电子