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1、Supramolecular Chemistry,超分子化学,程晓红 Xiaohong Cheng ,教材: Supramolecular Chemistry J.W.Steed; J.L.Atwood参考书: 超分子化学导论孙小强等编超分子化学-合成受体的分子识别与组装 刘育等编著,Outline in Internet , divided into Nine chapter,第一章 绪 论 1.1超分子化学的定义及发展史 1.2超分子化学研究的对象、任务 1.3. 实例 1.4超分子化学体系的划分,Chapte One: Perface 1.1 Definition and Develop
2、ment of Supramolecular Chemistry1.2. The study object and task of Supramolecular Chemistry1.3. Some examples1.4. Supramolecular System,1.1. Definition and Development of Supramolecular Chemistry,-Most popular and fastest growing areas of experimental chemistry -Everybody is doing it-Reasons: aetheti
3、cally appealling, readily visualised,translation of everyday concepts to molecular level-Interdisciplinary in nature: chemists, biochemists, biologists, enviromental scientists, engineers, physicists, mathematiciants a whole host of other researchers.-Everything seems to be supramolecular these days
4、- chemistry beyond the molecule-Reminiscent inorganic chemistry-Backgrouds in other disciplines and are ofte selfteaching,超分子化学并非高不可攀， 有许多超分子结构都出自于我们的日常生活， 如西方把轮烯（Rotaxane) 比为东方的算盘(abacus)，索烃(Catenane) 是舞池中的一对舞伴( dancing partner)， C60的结构类似于圆弓建筑物， 环糊精(Cyclodextrins) 和当今的激光唱盘一样有同样的功能储存和释放信息， DNA 双螺旋则与
5、早餐的麻花形状类似。,轮烯,索烃,Calixarene( David Getsche: Greek vase called “calix crater”),1.1.1 What is supramolecular chemistry,-The chemistry of molecular assemblier and of the intermolecular bond -The chemistry of the noncovalent bond, nonmolecular chemistry,超分子化学,1987年Nobel 化学奖授予了C.J.Pedersen（冠醚）、 J.-M.Lehn
6、（穴醚）和 D.J.Cram（球形大环， 手性冠醚）标志着化学的发展进入了一个新时代. Lehn 教授在获奖演说中说: 超分子是研究两种以上的化学物种通过分子间力作用而成为具有特定结构和功能的超分子体系的科学.也就是研究多个分子通过非共价键作用而形成的功能体系的科学. 超分子化学是研究分子社会行为和分子间键的化学. 经典化学中分子中的键是共价键(或配位键). 从某种意义上来讲, 超分子化学淡化了有机化学、无机化学、生物化学,催化科学,材料科学相互之间的界限,着重强调了具有特定结构和功能的超分子体系,将四大基础化学(有机化学,无机化学,分析化学和物理化学)有机的合为一个整体,融会贯通.从而为分子
7、器件、材料学和生命科学的发展开辟了一条崭新的道路, 并提出了二十一世纪化学发展的一个重要方向.,1.1.2超分子化学发展史,1.1.2. The developemnt of supramolecular chemistry,1.2超分子化学研究的对象、任务,1.2. The study object and task of Supramolecular Chemistry,超分子化学广泛存在于基本的生物过程中:如受体上的吸附健,酶反应,蛋白质的折叠和与高级蛋白质间的相互作用,免疫学中的抗体和反抗体间的作用.细胞细胞的识别-细胞粘合,基因密码的破译,生物信息的传递等. 在技术方面也有广泛的应用
8、:(功能超分子器件): 如传感器,催化剂,显示器,分子电子和信息器件,纳米技术.,受体 供体,分子整流器(MolecularRectifiers),分子导线 (Molecular wire),超分子化学的发展不仅与大环化学（冠醚， 穴醚， 环糊精，杯芳烃，C60等）的发展密切相连， 而且与分子自组装（双分子膜，胶束， DAN双螺旋等，分子器件和新颖有机材料的研究息息相关,Crown ether,Cryptands,Cyclodextrins,Catenanes,Flurene,Membrane transport Ion channel,如果说二十世纪是共价键的世纪， 那么二十一世纪必将是研究
9、分子间非共价键相互作用的超分子化学世纪。 超分子化学广泛存在于基本的生物过程中:如受体上的吸附健,酶反应,蛋白质的折叠和与高级蛋白质间的相互作用,免疫学中的抗体和反抗体间的作用.细胞细胞的识别-细胞粘合,基因密码的破译,生物信息的传递等. 在技术方面也有广泛的应用:(功能超分子器件): 如传感器,催化剂,显示器,分子电子和信息器件,纳米技术.,1.3. Some examples,1.3. 实例,烟草马赛克病毒 蛋白质折叠过程:2130个特定的亚结构进行自组过程，形成双碟状积聚体2双碟状积聚体与RNA结合(100个碱基配对) 3 螺旋状传播 相同和不同亚结构间的自组作用.,化学体系:三联双吡啶
10、(DNA)在动力学控制下能形成环状三螺旋结构识别Ni离子；在热力学控制下形成线性的螺旋结构能识别铁离子.,聚二甲基环硅氧醚碟状物(黑色)在全氟暌烷和水的界面处进行自组排列.用毛细管吸附作用的合成:面上带有亲水或亲油官能团,超分子化学特定分子间进行积聚(特定基元间的相互作用),也可以是两个或多个不同的片段间的相互作用.,1.4 超分子化学体系的划分,Interaction (Aggregation) between two or more components,特定分子间进行积聚(特定基元间的相互作用),二聚体,积聚态物质,主客体化学: 主体=(大的分子,积聚体,酶)收敛体(键-受体 客体=离子
11、,分子,激素,性激素)发散体(键) 主体+客体=具有特定性质和功能的主客体化合物, 可用为分子识别, 催话和运输=超分子(复合物)有序度,亚单元间的相互作用,组装的对称性,分子间的作用.,两个或多个不同的片段间的相互作用.,超分子化学与主客体化学,主客体化学,天然的大环配体-离子载体，离子隧道 环糊精 冠醚 杯芳烃,天然的大环配体,环糊精,冠醚,杯芳烃,第二章 超分子化学与主客体化学 第一节 超分子主客体化合物的分类 第二节 受体，配位及钥匙及锁的规律 第三节 螯合及成环作用 第四节 互补及预构型 第五节 分子自组的分子间非共价键力的分类,Chapter Two: Supramolecular
12、 Host-Guest Chemistry2.1. Classification of Supramolecular Host-Guest Compounds 2.2. Receptors, Coordination and the Lock and Key Analogy 2.3. The Chelate and Macrocyclic Effects 2.4. Preorganisation and Complementarity 2.5. Nature of Supramolecular Interactions,主体+客体:a 分子内包容(分子内孔穴)在固态和液态时都很稳定b 嵌合物(
13、分子外孔穴)仅在晶态时稳定.(晶格包容),2.1. Classification of Supramolecular Host-Guest Compounds,第一节 超分子主客体化合物的分类,主客体体系,主客体体系 复合物: 主客体是通过静电吸引力而成(离子偶极作用,偶极-偶极作用,氢键作用) 分子内包容和嵌合物: 主客体是通过非特殊的不定向的引力而成(疏水作用,范德华力,晶体组装),表1.2中性主体常见主客体化合物的分类,主体：冠醚，星形冠醚，环糊精，杯芳烃,客体：金属阳离子，烷基氨阳离子，有机分子,内受体: 胶囊型, 落剿型, 三明治型,包裹型(夹子型) 外受体: 舾木型, 非极性表面作
14、用(坐落在表面上),Descriptive terms used to illustrate spatial relationships betweem host and guest.,2.2. Receptors, Coordination and the Lock and Key Analogy,第二节 受体，配位及钥匙及锁的关系,主客体化学的基本意义来源于酶和底物间的相互作用， 这种作用常被理解为琐和钥匙之间的匹配关系.客体的分子构型必须与底物的相配,是主体分子和客体分子间的结构互补和分子识别关系 Alfred Werner 1893年:配位化学(金属离子与配体形成的外壳配位)对键的选择
15、性促使主体和客体间的活性作用超分子化学:是泛配位化学.,1. The recognition by Paul Ehrlich in 1906 that molecules do not act if they do not bind, in this way he introduce the concept of biological receptor,2.The recognition in 1894 by Emil Fischer that binding must be selective, as part of the study of receptor and substracte
16、binding by enzymes. He described this by a “lock and key ”image of steric fit in which the guest has a geometric size or shape complementarity to the receptor or host . This concept laid the basis for molecular recognition, the discriminiation by a host between a number of number of different guests.,3. The fact that selective binding must involve attraction or mutual affinity between host and guest . This is in effect , a generalization of Alfred Werner” 1893 theory of coordination chemistry, in which metal ions are coordinated by a sphere or ligand.,
