第七章-超分子化学简介

第七章超分子化学简介Introductiontosupermolucularchemistry7.1超分子的概念7.2超分子稳定形成的因素7.2.1能量因素7.2.2熵增加因素7.2.3锁和钥匙原理7.3分子识别和自组装7.3.1两个概念7.3.2冠醚和穴状配体的识别和组装7.3.3氢键识别和自组装第7章目录7.3.4配位键的自组装7.3.5疏水作用的识别和组装7.4晶体工程7.4.1概念和特点7.4.2晶体工程的谋略7.4.3晶体工程构筑示例7.5应用和展望第7章目录超分子化学起源于碱金属阳离子能被冠醚和穴醚选择性结合，它拓展后导致了分子识别的出现并证明为一新的化学领域，进一步延伸到分子相互作用和过程，并广泛扩展到其他领域后诞生了超分子化学。超分子化学定义的表述：正如基于共价键存在着分子化学领域，基于分子有序体和分子间价键而存在这超分子化学7.1超分子的概念超分子化学是超越分子之上的化学，超分子是由两个或者更多的化学物种通过分子间力缔合在一起而形成的具有更高复杂性的有组织实体。7.1超分子的概念受体底物超分子相互作用转换识别易位自组织自组装供能组分分子/超分子器件合成共价键ABCD分子化学超分子化学一个化学物种是通过其组分、通过把这些组分连在一起的价键的性质，及由此产生的空间（几何、拓扑）特征而被定义7.1超分子的概念超分子物种是由其组分、建筑或超结构的空间排列、连接组分的分子间价键的性质来表征。具有确定的结构、构象、化学热力学、动力学和分子动力学性质。不同类型的相互作用力是可以区分的，代表不同程度的强度、取向及对距离和角度的依赖性。作用力：金属离子配位键、静电引力、氢键、范德华相互作用、给体-受体相互作用。强度分布：氢键的弱到中等（如酶-底物），到金属离子配位键的强或非常强（其强度可达到包含很多独立相互作用的抗原抗体作用强度范围，或更强些）。超分子物种的热力学稳定性不如分子，但动力学上更易变，具有动态柔顺性。超分子化学涉及的是软化学键，代表一门“软化学”。超分子化学研究对象是：超分子实体（supramolecularentities),即具有分子本身的特征并由这些特征来定义的超分子（supermolecule）。分子与原子和共价键的关系如同超分子与分子和分子间价键。超分子代表了继基本粒子、原子核、原子和分子之后的下一个层次的物质的复杂性。化学术语中的原子、分子、超分子相当于字母、单词和句子。7.1超分子的概念超分子化合物中的组分被命名为受体（ρ）和底物（σ），底物通常指被结合的较小部分。一个特定的底物与受体选择性结合后产生了超分子（ρσ）。如果受体除又结合位点外，还有反应功能，则它可能在被束缚的底物上产生一化学变化而引起超分子试剂作用。亲油的膜溶性受体可作为载体使被束缚的底物易位。超分子物种基本功能：分子识别、转换、易位。结合组织化的多分子有序体和相（层结构、膜、囊泡、液晶等），功能超分子可以导致分子和分子器件的发展。近期的研究方向涉及到自发过程（自组装、自组织、复制）和程序化高分子设计。7.1超分子的概念超分子化学分成部分交叉的两大领域⑴超分子指几个组分（一个受体及一个或多个底物）在分子识别原理的基础上按照内装的构造方案通过分子间缔合而形成的含义明确的、分立的寡聚分子物种⑵超分子有序体指数目不定的大量组分自发缔合产生某个特定的相而形成得多分子实体。这里，特定的相（薄膜、层结构、膜结构、囊泡、胶束、液晶相、固态结构等）或多或少具有确定的微观组织和取决于本性的宏观性质。域自身所表明的，从分子化学到超分子化学的过渡导致了对象和目标从结构和性质变成了体系和功能。7.1超分子的概念超分子命名描述被结合底物与受体间的相对空间位置也需要一些方式。外部加合复合物可以表示成[A，B]或[A//B],σ∈ρ表示σ与ρ的包合；σ∩ρ，表示σ与ρ部分交叠目前，超分子化学的术语正在形成之中，一个有概念、术语和琐碎的名词组成的体系正在产生之中。超分子化学概念的凝聚力和学科交叉的特性，吸引了不同化学领域的研究者。7.1超分子的概念7.2超分子稳定形成的因素7.2超分子稳定形成的因素G=H-TS能量因素熵因素是远程相互作用能。Kesoon、Debye和London等人的研究分别揭示了其中静电能、诱导能和色散能的性质。静电作用两种极性分子的永久偶极矩μ1与μ2之间产生的相互作用能属于静电能，亦称Kesoon能，平均能量为7.2.1能量因素7.2.1能量因素能量因素：降低能量在于分子间键的形成。1.vanderWaals作用能诱导作用极性分子的永久偶极矩μ1，会使极化率为α2的邻近分子发生电荷位移，出现诱导偶极矩。永久偶极矩和诱导偶极矩之间的相互作用能称为诱导能，亦称Debye能。平均值为色散作用非极性分子虽没有永久偶极矩，却有瞬间偶极矩，使邻近分子产生诱导偶极矩，瞬间偶极矩与诱导偶极矩间的相互作用能称为色散能，亦称London能。近似表达式为7.2.1能量因素在超分子中，vanderWaals作用能对包合物的形成非常重要，但这种作用能通常没有方向性和饱和性，因而在超分子化学中设计主-客体的选择性配合时应用有限。7.2.1能量因素常规氢键的一般形式是D-H---A。D是氢键给体，A是氢键受体。也可以是对称氢键X-H-X。按其作用能大小，可分为强氢键、中等氢键、弱氢键3类。（1）强氢键、中等氢键和弱氢键氢键性质强中等弱D-H---A相互作用共价作用为主静电作用为主静电作用键能/（kJ·mol-1）120~6060~1612键长/pmD---A220~250250~320320~400H---A120~150150~220220~320键角/（º）175~180130~18090~1507.2.1能量因素2.氢键作用（2）．常规氢键和非常规氢键常规氢键常规氢键的一般形式是D-H---A由常规氢键形成的分立形结构由常规氢键形成的链状结构7.2.1能量因素由常规氢键形成的层状结构7.2.1能量因素由常规氢键形成的三维网状结构水分子之间通过O-H---O氢键形成三维网状结构的冰7.2.1能量因素DNA的碱基T（胸腺嘧啶）与A（腺嘌呤）之间有一个N-H---O和一个N-H---N氢键C（胞嘧啶）与G（鸟嘌呤）之间有一个N-H---N和两个N-H---O氢键7.2.2氢键α-螺旋是一种典型的蛋白质二级结构，主要稳定因素是第i个氨基酸残基的肽键氧与第i+4个氨基酸残基的肽键氮氢之间形成的N-H---O氢键。7.2.2氢键我相信，当结构化学方法进一步被应用到生理问题上时，人们将会发现氢键在生理学上的意义比其他任何一个结构特点都大。———Pauling《化学键的本质》7.2.1能量因素Cl在一定条件下也能参与形成氢键，例如，顺式邻氯苯酚分子内有O-H---Cl氢键；C附近存在电负性较大的原子时也能形成氢键，例如，(HCN)2、(HCN)3中的C-H---N，冠醚和硝基甲烷之间的C-H---N和C-H---O，这种氢键正在引起超分子化学研究者的兴趣。7.2.1能量因素非常规氢键(i)X-H---π氢键:炔基作为质子受体形成的Cl-H…π氢键7.2.1能量因素(ii)X-H---M氢键:具有充满电子d轨道的过渡金属作为质子受体，与X-H基团形成3c-4e氢键体系。7.2.1能量因素(iii)X-H---H-Y二氢键二氢键X-H---H-Y也可以存在于分子间或分子内。分子间二氢键7.2.1能量因素分子内二氢键7.2.1能量因素分子间氢键和分子内氢键分子间氢键最为常见。分子内形成的氢键称为分子内氢键，六元环的邻位取代基之间若有适合的质子给体与受体时，形成分子内氢键优先于分子间氢键。通常，分子间氢键使物质的熔点和沸点升高，分子内氢键则使熔点和沸点降低。非常规氢键也有分子间氢键和分子内氢键。分子内氢键7.2.1能量因素不对称氢键和对称氢键按H距离电负性原子X和Y的远近可分为不对称氢键和对称氢键。多数氢键是不对称的，X-H较H---Y短一些，如F-H---F、O-H---O、O-H---F、N-H---F、N-H---O、N-H---N等。对称氢键有F-H-F，O-H-O等。7.2.1能量因素3.M-L配位键金属原子和配位体间形成的共价配键为主7.2.1能量因素4.π-π堆积作用π-π堆积作用是一种弱静电相互作用，通常发生于芳环之间或石墨层分子的六元环之间，强度在1~50kJ·mol-1。7.2.1能量因素实例：石墨层状分子之间的面对面堆积，一层六元环的中心对着另一层六元环的顶；DNA的同一条链的相邻碱基之间也有类似的堆积：芳环之间的π-π堆积有面对面和边对面两种形式苯晶体中分子的堆积采取边对面的方式7.2.1能量因素面对面边对面5.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。7.2.1能量因素疏水作用不是一种单独的作用，只是由于水分子或极性基团与水分子之间可以生成氢键，而非极性基团不能与水形成氢键，作用力较弱。结果，极性基团倾向于聚集，使碳氢链表现出逃离水而自相缔合的趋势。1、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。Co(NH3)62+Co(en)32+logK5.113.8Ni(NH3)62+Ni(en)32+logK8.718.67.2.2熵增加因素7.2.2熵增加因素2、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。LogK11.2415.34-H/kJ·mol-144.461.9S/J·k-1·mol-166.585.87.2.2熵增加因素3、疏水效应（空腔效应）疏水空腔相对有序水无序水7.2.2熵增加因素7.2.3.锁和钥匙原理是能量效应和熵效应共同配合形成稳定的超分子原理。是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。7.2.3锁和钥匙原理7.3、分子识别和自组装7.3.1.两个概念（a）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。（b）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。识别和自组装的根据是：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7.4、分子识别和自组装7.3分子识别和自组装7.3.2.冠醚和穴状配体的识别和组装（a）球形离子大小识别冠醚空腔直径/pm适合的离子（直径/pm）[12]C4120~150Li+(152)[15]C5170~220Na+(204)[18]C6260~320K+(276),Rb+(304)[21]C7340~430Cs+(334)7.3分子识别和自组装（b）四面体识别三环氮杂冠醚中N原子的四面体分布，对同样大小的K+和NH4+，倾向于和NH4+结合。7.3分子识别和自组装7.3.3.氢键识别和自组装（a）DNADNA中的碱基对就是依靠形成最多的氢键、几何上的匹配。在生命体系中是最重要的一种氢键识别。DNA的氢键识别和自组装是20世纪自然科学最伟大的发现之一。7.3分子识别和自组装（b）超分子合成子合成子：用已知的或想象的，合成操作所能形成或组装出来的分子中的结构单位。超分子合成子：用已知的或想像的、包含分子间相互作用的，合成操作所能形成的超分子中的结构单位。利用氢键的识别，设计超分子合成子是超分子化学的重要内容。下面列出一些有代表性的超分子合成子。7.3分子识别和自组装（c）实例中性分子识别7.3分子识别和自组装氢键识别自组装成分子网球7.3分子识别和自组装氢键识别组装成分子饼7.3分子识别和自组装氢键识别和···堆叠联合作用7.3分子识别和自组装7.3.4.配位键的自组装过渡金属的配位几何学和配位体相互作用位置的方向性特征，提供了合理地组装成各类超分子的蓝图。（a）大环超分子（Mo-O配位键）[Mo176O496(OH)32(H2O)80]·(6