超分子化学的相关概念PPT课件

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,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,第七章超分子化学的相关概念,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，北京，2004,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。,生命中的超分子化学的几个典型例子,1、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,（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,ATP,ADP,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,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？,（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。,（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。,Whatissupramolecularchemistry?Wherediditcomefrom?Whydoesitdeservetobeafieldofstudy?,ThreeQuestions:,SuperStars,SuperGirls,7.1超分子化学的诞生与发展,7.1.1超分子化学的定义从分子化学到超分子化学(Frommolecularchemistrytosupramolecularchemistry)、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）,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。,从分子化学到超分子化学,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-covalentunderstandingandinterfacingwiththebiologicalworld;nanotechnology,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.,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,2)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层次上相互交叉.,4)与信息科学交叉分子电子器件、分子电子学正在为信息科学带来一场革命，分子电子学的载体是分子聚集体，当属于超分子科学的研究范畴，在这个层次上，信息科学和化学紧密相连。5)与环境科学交叉环境科学最初从原子或分子层次对有害物质进行分析检测，很少研究分子以上层次的问题。事实上，土壤、天然水等等环境系统无不包含高级结构，甚至是有序高级结构。,由于超分子化学具有广阔的应用前景和重要的理论意义，近十年来超分子科学的研究在国际上取得巨大进展，据估计，现在已有40%的化学家要用超分子的知识来解决所面临的科学问题，超分子科学已成为21世纪新思想、新概念和高技术的一个重要源头。,不难看出，在超分子层次上，化学与生命科学、物理学、材料科学、信息科学、环境科学相互交叉渗透形成了超分子科学。,7.2超分子中的主-客体化学（host这种弱相互作用力的实质是永久偶极矩、瞬间偶极矩、诱导偶极矩三者之间相互作用;这些弱相互作用包括疏水亲脂作用力、氢键力、离子键力、-堆集力等;这些弱相互作用具有一定的方向性和选择性，其总的结合力不亚于化学键的强度;这种弱相互作用的协同性、方向性和选择性决定着分子与位点的识别。,（a）离子-偶极相互作用（50200KJ/mol）,DirectionalforcesCanbeattractiveorrepulsiveMediumrange(1/r2)Significantlyweakerthenion-ioninteractions,（a）离子-偶极相互作用（50200KJ/mol）,离子-偶极相互作用在固态和溶液里都存在。例如：1、一个离子（如Na+或H+）和一个极性分子（如水分子）的键合就是离子-偶极相互作用。2、大环醚（冠醚）与碱金属离子的络合物结构很明显就以这样的超分子类似物存在，在络合物中冠醚的氧原子与水的氧原子起着同样的作用。氧原子的孤对电子被阳离子正电荷吸引。3、离子-偶极相互作用也包括配位键，在非极性的金属离子和强碱的配位作用中，其本质是静电作用。,Ru(bpy)3也常用于超分子组装，bpy=2,2-bipyridyl，在该分子中，具有明显的共价成分的配位键，使得超分子和分子间的界限越来越模糊。,（b）偶极-偶极相互作用（550kJ/mol）,两个偶极分子的排列可以导致明显的相互吸引作用，形成邻近的分子上一对单个偶极的排列（类型）或者两个偶极分子相对的排列(类型)。有机羰基化合物在固态时存在明显的这种互补作用。,（c）氢键（4120KJ/mol）,氢键可以看作是一种特殊的偶极-偶极相互作用，与电负性（或拉电子基团）相连的氢原子被邻近的分子或官能团的偶极吸引着。由于其相对较强及方向性好的本质，通常把氢键称作“超分子中的万能作用”。在超分子化学中氢键是非常独特的。尤其在许多蛋白质的整体构型、许多酶的识别以及DNA的双螺旋结构中，氢键起到非常重要的作用。,图氢键连接的羧酸二聚体和氢键连接的DNA中的碱基对氢键在长度、强度和几何构型上是变化多样的。每一个分子中的一个强氢键足以决定固态结构，并且很大程度地影响其液态和气态存在。弱氢键在稳定结构中起到一定的作用，当有很多氢键协同作用时效果可以变得很显著。,过渡度金属阳离子如Fe2+、Pt2+等，可以与烯烃以及芳香化合物形成络合物，例如二茂铁Fe(C5H5)2和Zeise盐PtCl3(C2H4)-。此类化合物中键非常强，绝对不能看成是非共价键，因为它与金属的部分填充的d-轨道紧密相连。然而，碱金属和碱土金属与碳碳双键间的相互作用是更加多的非共价成分的“弱”相互作用，这种相互作用在生物体系中起着重要的作用。,（d）阳离子-相互作用（580KJ/mol）,这种弱静电相互作用发生于芳香环之间，通常存在于相对富电子和缺电子的两