超分子化学的相关概念

MaterialsChemistryII课程特点：1、内容较新；（80年代初），而无机有机则为19世纪初2、偏重材料；3、开设该课程内容院校少；(教材，教课体系)4、较多内容和现在研究热点相关5、内容多，无法涉入很深MaterialsChemistryII考试形式(闭卷)题目类型：选择填空名词解释化合物命名简答综合题无计算题，重在大家对相关知识的了解，理解MaterialsChemistryII第七章超分子化学的相关概念MaterialsChemistryII参考书目：1）《超分子化学》，[英]J.W.斯蒂德，J.L.阿特伍德著，赵耀鹏等译，化学工业出版社，2006年2）《超分子化学:概论和展望》，Jean-MarieLehn著，沈兴海等译，北京大学出版社，2002年3）《超分子层状结构：组装与功能》沈家骢等著，科学出版社，北京，2004MaterialsChemistryII基本要求：1、超分子化学的基本概念，特点以及其所包含的研究内容；2、理解超分子化学和普通化学之间的关系；3、重点理解超分子化学中的各种作用力与普通化学中存在的作用力的异同。MaterialsChemistryII生命中的超分子化学的几个典型例子MaterialsChemistryII1、DNA中碱基对氢键作用腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞核嘧啶没有别的结合方式存在腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞核嘧啶MaterialsChemistryII（2）膜电位人体从食物中获得的能量以三磷酸腺苷（ATP）化学键能的形式储存起来，人体能量存储和释放均和碱金属-（三磷酸腺苷）ATP酶有关H2PO4-+Mg2+ΔG0=-35KJ/molATPADP图示ATP释放能量脱磷酸化生成ADP和磷酸二氢根，Mg2+起催化作用MaterialsChemistryII细胞内外碱金属离子梯度Na+/K+-ATP酶是一种膜传输酶，Na+/K+-ATP酶非常有效地将Na+从细胞内提取出来，传输到细胞外，同时，K+被传输到细胞内。因此，细胞内流质有着高的K+浓度，而细胞外流质有着高的Na+浓度。细胞膜内外碱金属离子的不均衡分布是非常重要和必要的特征，将导致跨膜电位，神经细胞的信息传递就是利用跨细胞电位差。分离膜两侧的Na+和Cl-得到电位差？MaterialsChemistryII（3）离子载体缬氨霉素对K+有选择性是因为它们能够自己折叠产生一个刚性的近似八面体的羧基氧原子序列，作为受体恰好和K+大小相配。亲水的碳基氧原子和中心K+相互作用，引起亲脂的异丙基指向外侧，形成一个主要由烷烃构成的外壳。剩下的酰胺基就像拉链一样，利用分子内氢键将壳关闭，确保K+通过细胞膜时，封闭在亲脂的壳内。MaterialsChemistryII（4）血红蛋白吸收和运载氧血红蛋白包含4个肌红蛋白单元。肌红蛋白单元包括一个称作Fe-原卟啉Ⅸ的铁卟啉络合物，铁中心键合O2的可逆性对生生命体系至关重要。MaterialsChemistryIIWhatissupramolecularchemistry?Wherediditcomefrom?Whydoesitdeservetobeafieldofstudy?ThreeQuestions:MaterialsChemistryIISuperStarsMaterialsChemistryIISuperGirlsMaterialsChemistryII7.1超分子化学的诞生与发展7.1.1超分子化学的定义①从分子化学到超分子化学(Frommolecularchemistrytosupramolecularchemistry)Ⅰ、化学是关于物质及其变化的一门科学，而生命是其最高且最复杂的表现形式；II、以往的化学多是以共价键为基础,以分子为研究对象,可称为分子化学(molecularchemistry);原子+原子→分子（共价键结合）MaterialsChemistryII化学合成：通过化学键的断裂和重生来创造新的物质。分子化学：分子是由原子或原子团通过共价键连接而成的，分子化学主要研究原子和原子团、化学键、化合物的合成、结构、性能和用途；化学创造了许多自然界本来就没有的物质，并且改造了原有的物质世界，为现代文明的发展做出了重大贡献。迄今化学家们已经拥有（主要通过合成）超过2000万个化合物，分子知识的高度积累，新功能的持续研究，不可避免地向分子聚集体（或称高级结构）领域迈进。①从分子化学到超分子化学MaterialsChemistryII②超分子化学的定义1978年，法国的J.M.Lehn教授模拟蛋白质螺旋结构的自组装体的研究内容，在一定程度上超越了大环与主客体化学而进入了所谓“分子工程”的领域，并进一步提出了超分子化学即“超越分子的化学”的概念。（answertoquestionII:inspiredfrombiologyandbuiltontheshouldersoftraditionalsyntheticorganicchemistry）IIIJ.M.Lehn教授对超分子化学的定义如下：超分子化学是研究两种或两种以上的化学物种通过分子间的弱相互作用所形成的复杂有序而且具有特定功能体系的化学(answertoquestionI)thestudyonnon-covalent&intermolecularforcesandthestructurescreatedbytheseforces:“chemistrybeyondthemolecule”分子+分子→超分子（非共价键结合）MaterialsChemistryIILehn提出的超分子化学和分子化学的范畴从结构和功能两方面阐述了分子化学和超分子化学之间的关系MaterialsChemistryII分子化学和超分子化学的对应关系项目分子化学超分子化学结构单元原子或原子团合成子(synthon)具有组装能力的分子构筑子(tacton)结合力共价键非共价键结构的实现合成化学分子组装结构分子结构超分子结构性能物理和化学性能物质、能量和信息传输功能MaterialsChemistryII1、三位超分子化学研究方面的科学家获得1987年的Nobel化学奖美国的C.J.Pederson、D.J.Cram教授；法国的J.M.Lehn教授.“fortheirdevelopmentanduseofmoleculeswithstructure-specificinteractionsofhighselectivity”7.1.2超分子化学的发展史MaterialsChemistryII1967年C.J.Pedersen发表了关于冠醚的合成和选择性络合碱金属离子的报告，揭示了分子和分子聚集体的形态对化学反应的选择性起着重要的作用CharlesJ.Pedersen:CrownEthersOOOOOODibenzo-18-Crown-6MaterialsChemistryIIOOOOOOOOOOOOOOOOOOOxygenatomsdonateafractionoftheirelectrondensitytoelectrondeficientspeciessuchasalkalications:Li+,Na+,K+Q:Whydidhegetselectivityfordifferentions?CharlesJ.Pedersen:CrownEthersMaterialsChemistryIIORROROOROROR“Spherand”-preorganizedbindingsiteSelectivityforLi+Na+K+DonaldJ.Cram:Pre-organizationMaterialsChemistryIIDonaldJ.Cram：Pre-organization•Synthesizedahugeseriesofincreasinglycomplicatedhost-guestsystemsthatbindmoleculesinsteadofjustionsandeventuallytriestoemulateanenzymecatalyticsite.•Introducestheideaofa“carcerand”-syntheticmolecular(jail)cells.（分子外空穴主体）•Primarycontributionistoshowhowimportantpreorganizationistobindingstrength.•Showstheapplicationofsomehostsforpracticalapplication:resolutionofracemic（外消旋）mixturesMaterialsChemistryIIJean-MarieLehnNOOOONOOJML’sfamous[2.2.2]Cryptand(穴醚)MaterialsChemistryIIJean-MarieLehn:Self-AssemblyNNONNONN3Cu(I)2MolecularSelf-Assembly“Super-Molecule”Doublehelicalmetalcomplexesformedbyspontaneousorganizationoftwolinearpolybipyridineligandsofsuitablestructureintoadoublebybindingofspecificmetalionsdisplayingrespectivelytetrahedral[Cu(I)]coordinationgeometryMaterialsChemistryIIJean-MarieLehn•Introduced“Cryptands”-bicyclichostsforbindingions•Hostswithmultiplebindingsites•Popularizedtheideaofself-assemblyandproducedsomeofthefirstgoodsyntheticexamples•Broadenedpeoplesperspectivesonwhatsupramolecularchemistryisandtowhatitmayleadtheway•Theflagbearerofsupramolecularchemistry-inmanywaysheearnedhisNobelPrizeafterthefactMaterialsChemistryIIAnswertoQuestion3thenextlogicalstepinsyntheticchemistry;understandingandinterfacingwiththebiologicalworld;nanotechnologyMaterialsChemistryII超分子化学是化学和多门学科的交叉领域1)化学和生命学科的交叉•在生物学中,生命的最小单位是细胞,而与生命现象有关的功能的基本单位是超分子体系.•这些超分子体系是具有多种纳米尺寸结构域的生物大分子与含有多个纳米尺度亚基的酶构建而成.•这种体系常常具有很强的自组装性质.在超分子水平上的生物学称为超分子生物学.MaterialsChemistryII原子分子分子聚集体整体生物细胞生物学家化学家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MaterialsChemistryII2)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