超分子化學介紹.pdf

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1、第一章從分子化學到超分子化學(2學時)第一節(jié)超分子化學的發(fā)展歷程超分子化學(SupramolecularChemistry)根源于配位化學,有人稱之為廣義配位化學(generalizedcoordinationchemistry),是三十多年來迅猛發(fā)展起來的一門交叉學科,它與材料科學、信息科學、生命科學等學科緊密相關,是當代化學領域的前沿課題之一。這個領域起源于堿金屬陽離子被天然和人工合成的大環(huán)和多環(huán)配體,即冠醚和穴醚的選擇性結合。1967年C.J.Pederson報道了冠醚配位性能的發(fā)現,揭開了超分子化學發(fā)展的序幕;隨后,J.-M.Lehn報道了穴醚的合成和配位性能,這種由雙環(huán)

2、或三環(huán)構成的立體結構比平面冠醚具有更好的對金屬離子配位能力;1973年,D.J.Cram報道了一系列具有光學活性的冠醚,可以識別伯胺鹽形成的配合物;分子識別的出現為這一新的化學領域注入了強大的生命力,之后它進一步延伸到分子間相互識別和作用,并廣泛擴展到其它領域,從此誕生了超分子化學。超分子化學的概念和術語是在1978年引入的,作為對前人工作的總結和發(fā)展。1987年,Nobel化學獎授予了C.J.Pederson、D.J.Cram和J.-M.Lehn,標志著超分子化學的發(fā)展進入了一個新的時代,超分子化學的重要意義也因此被人們更多的理解。化學分子化學超分子化學A自組裝B自組織合成多分

3、子有序體受體共價鍵相互作用識別C轉換分子和超分超分子子器件D分子間價鍵異位底物功能組分從分子化學到超分子化學:分子、超分子、分子和超分子器件第二節(jié)超分子化學的定義和分類方法分子化學是基于原子間的共價鍵,而超分子化學則基于分子間的非共價鍵相互作用,即兩個或兩個以上的物質依靠分子間鍵締合。圖1.1中簡介了從分子化學到超分子化學的基本特征。1987年,當年的諾貝爾化學獎獲得者之一,法國的J.M.Lehn教授在獲獎演說中曾為超分子化學作出了如下解釋:超分子化學是研究兩種以上的化學物種,通過分子間相互作用締結而成的、具有特定結構和功能的超分子體系的科學。簡而言之,超分子化學是研究多個分子通

4、過非共價鍵作用而形成的功能體系的科學。超分子化學研究包括分子識別(molecularrecognition)、分子自主裝(selfassembly)、分子自組織(selforganization)和超分子器件(supermoleculardevice)等。分子識別是超分子化學的一個核心研究內容之一。所謂分子識別即是指主體(受體)對客體(底物)選擇結合并產生某種特定功能的過程。有人把這一過程形容為鎖和鑰匙的關系。在生物體系中存在著廣泛的分子識別。酶和底物之間、基因密碼的轉錄和翻譯、細胞膜的選擇性吸收等等都涉及到分子識別。分子識別中的主體主要有冠醚、穴醚、環(huán)糊精、杯芳烴、卟啉等大環(huán)主

5、體化合物。對以非共價鍵弱相互作用力鍵合起來的復雜有序且具有特定功能的分子集合體,即超分子化學的研究,可以說是共價鍵分子化學的一次升華,一次質的超越,被稱為是“超出分子范圍的化學”。分子識別不是依賴于傳統(tǒng)的共價鍵力,而是靠非共價鍵力,即分子間的作用力,如范德華力(VanderWaals)(包括離子-偶極,偶極-偶極和偶極-誘導偶極相互作用)、疏水作用和氫鍵等。通過多個超分子的亞單元自組織或自主裝能夠得到穩(wěn)定的、具有特異空間結構和功能的大分子聚集體,可以潛在地作為分子器件或超分子器件。第三節(jié)超分子化學發(fā)展現狀歐洲、日本領先,中國等隨后跟蹤。美國未有此提法。第二章分子識別和分子自組裝(

6、4學時)第一節(jié)識別、信息、互補原則和分子受體的設計(2學時)識別和信息以前用于生物相關體系中,直到20世紀70年代初,冠醚選擇性地結合金屬離子,開始進入化學領域。2.1.1分子識別的定義分子識別是通過一個給頂的受體分子結合和選擇底物過程中的能量和信息來定義的,此過程中也可能包括一特殊的功能。識別就是結合對中幾何尺寸和相互作用間的互補性,即受體相對于一給定底物的最佳信息量。這相當于一雙互補原理擴展到能量特征和幾何特征,后者由“鎖和鑰匙”體現。受體與底物的識別受以下幾個因素影響:(1)底物和受體間的立體互補,即在適當位置上有凹或凸區(qū)域(2)作用力互補,即在底物和受體適當位置上有互補結

7、合點(如正/負靜電力,電荷/偶極,氫鍵給/受體,等)(3)在底物和受體間有較大的接觸區(qū)域(4)多個相互作用位點(5)大區(qū)域強結合(6)介質效應2.1.2分子受體的設計分子受體定義:通過共價鍵結合的有機結構,這種結構有能力通過分子間各種相互作用力選擇性地結合離子和分子底物,從而形成兩個或更多物種有序體,即超分子。分子受體設計就是在有機分子中表達分子識別原理。受體化學,即人工受體分子化學,代表的是一種廣義的配位化學,不僅過渡金屬,而且:陽離子、陰歷子或中性有機物種,無機物或生物種類。

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