超分子氢键自组装单重双重三重多重氢键

超分子氢键自组装单重双重三重多重氢键第一页，共33页。

超分子化学：研究两种以上的化学物种通过分子间相互作用缔合而成,具有特定结构和功能的超分子体系的科学。即是研究各个分子通过非共价键作用而形成的功能体系的科学。

第二页，共33页。超分子的概念

超分子通常是指由两种或两种以上分子依靠分子间相互作用结合在一起，组成复杂的、有组织的聚集体，并保持一定的完整性使其具有明确的微观结构和宏观特性。超分子结构示意图第三页，共33页。超分子自组装超分子自组装是指在平衡条件下，分子间通过非共价键弱互相作用，自发构成具有特定性能的有序的超分子聚集体的过程。理解：为由非共价键相互作用驱动的高度收敛的合成行为。在超分子科学领域“组装”的重要性就如同分子化学中的“合成”一样。第四页，共33页。与由共价键形成的体系相比:(1)在自组装过程中,由于有缺陷的亚单元的排斥作用,减少了组装体中的结构缺陷(2)组装体易于制备(3)组装体制备经济方便优点第五页，共33页。超分子自组装的驱动力氢键配位作用π-π堆积作用供体-受体相互作用作用较强、涉及面极广第六页，共33页。

氢键自组装

利用氢键相互作用将分子亚单元组装成具有二维或三维长程有序的超分子。

为什么氢键可以？？？第七页，共33页。1.氢键具有稳定性、方向性和饱和性2.而氢键具有动态可逆的特点,对外部环境的刺激具有独特的响应特性。

这点不同于共价键，共价键很稳定,只有在提供足够能量的条件下才能裂开。第八页，共33页。氢键的两种作用单独氢键作用氢键与其他非共价键协同作用第九页，共33页。单纯氢键作用及氢键聚集体第十页，共33页。分类基于单重氢键的超分子体系第十一页，共33页。氢键侧链将液晶基元通过氢键连接于高分子主链上优点：制备方便,通过改变二元组成的配比可实现复合物液晶性的可控调节。氢键主链刚性液晶基元位于主链之中,通过氢键连接起来的超分子。Griffin等人利用联吡啶和羧酸基之间的氢键制备了主链型液晶高分子。1∶1复合物表现近晶A相。第十二页，共33页。Kato等人利用聚丙烯酸和带双咪唑基的联苯构造块组装成了网络超分子液晶。这种液晶高分子呈现近晶A相.氢键网络第十三页，共33页。基于二重氢键的超分子体系分类第十四页，共33页。二重氢键超分子缔合

AD-DA：Steinke等利用2-氨基吡啶和丙烯酰氯为初始材料设计并合成了2-丙烯酰胺吡啶。

在CDCl3中,300K时缔合常数为K=13.4M-1

AA-DD：Hortala等利用8-甲氧基2-馔唑基喹啉和苄胺,合成了具有AADD缔合形成的二重氢键化合物,K=80M-1

根据AD排布不同有两种缔合方式:A：质子受体D：质子给体第十五页，共33页。用乙炔基将两个2-吡啶酮连接有两种方式:对称连接(a)和非对称连接(b)。Wuest研究了(a)和(b)的聚集行为：

在质子溶剂中(a)和(b)都以单体形式存在;在非质子溶剂中(a)以二聚体形式(c)存在,(b)仍以单体形式存在。在本体状态下,(a)形成分散的二聚体,(b)形成了平面的线性超分子聚合物(d)。二重氢键线性超分子复合物二重线性超分子复合物第十六页，共33页。羧酸在疏质子溶剂中表现出很强的形成二聚体的倾向。因此,羧酸功能基可以被用来驱动各种超分子复合物的组装。二重氢键网络第十七页，共33页。基于三重氢键的超分子体系分类第十八页，共33页。

在CDCl3

中Ka=78M-1<104M-1<105M-1(最稳定)三重氢键超分子缔合三种缔合方式：DAD-ADA,AAD-DDA,AAA-DDD。Jorgensen次静电作用模型：研究了氢键的排布方式对复合物稳定性的影响。DAD-ADA四个互相排斥AAD-DDA零个相互作用AAA-DDD四个互相吸引通过三重氢键形成的鸟嘌呤和胞核嘧啶复合物—核酸的核心成分第十九页，共33页。Lehn通过在含手性碳的酒石酸的两端分别引入2,6-二乙酰胺基吡啶和脲嘧啶基,二者组装形成线性超分子复合物。三重氢键线性超分子复合物三重氢键网络Whitesides等深入研究了三聚氰酸和三聚氰胺复合体系。三聚氰酸(CA)和三聚氰胺(M)反应形成稳定的、不溶的络合物CA·M。这是建立在CA·M的氢键模型基础上的三维超分子自组装体系中的第一个复合物。第二十页，共33页。基于四重氢键的超分子体系四重与三重区别：三重——只能有不同的互补分子来完成四重——不同分子二聚作用+两种自组织方式四重氢键缔合第二十一页，共33页。四重氢键的两种自组织形式ADAD-DADA缔合形式Meijer和同事们通过二氨基三嗪和二氨基嘧啶的酰化作用合成具有ADAD排布的四重氢键体系。AADD-DDAA缔合形式根据Jorgensen等的解释,更有效的自组装四重氢键应该是AADD-DDAA排布。氢键相互作用+次静电相互作用ADAD-DADA：有六个相互排斥,AADD-DDAA：

两个排斥,四个吸引KAADD-DDAA>KADAD-DADA第二十二页，共33页。Meijer等人在2-酰脲基-4-嘧啶酮基础上设计了这种AADD-DDAA缔合形式的分子。酰脲基嘧啶酮存在三种不同的形式：

3a是最稳定的。

3b的二聚体具有期望的AADD-DDAA缔合形式,

3c表现出较不稳定的ADAD-DADA排布。第二十三页，共33页。四重氢键线性超分子聚合物AADD-DDAA缔合形式是四重氢键体系中最有效的自组织方式,。如果把多个这样的缔合形式连接到低聚物或高聚物链上,在氯仿溶液中可以广泛地自组织，导致超分子线性聚合。第二十四页，共33页。4是由烷链连接两个酰脲基嘧啶酮。在氯仿溶液中,4的关联数超过500。第二十五页，共33页。四重氢键网络两个以上自补充的酰胺嘧啶酮也可以构成一个单一的分子,这样就产生了这种超分子3D网络。第二十六页，共33页。基于多重氢键的超分子体系多重氢键作用形成的聚集体合成策略：把三重、四重氢键单元配对，分别形成六重和八重的氢键二聚体。考虑：费用、合成难易程度第二十七页，共33页。氢键与其他非共价键协同作用形成超分子聚集体氢键和π－π堆积作用氢键和配位作用氢键和供体－受体互相作用第二十八页，共33页。氢键与π－π堆积作用OPVs体系的螺旋型自组装结构Meijer小组通过氢键和π-π堆积作用，利用手性的OPVs体系得到了螺旋和玫瑰型的特殊自组装结构第二十九页，共33页。氢键与配位作用金属-配体间的配位作用是组装无机超分子聚集体的最常用手段。近年来，利用氢键和配位作用组装有机超分子的研究取得很多成果第三十页，共33页。氢键与供体-受体相互作用富电芳环和缺电芳环间的供体-受体互相作用本质上是一类较弱的静电作用在轮烷、索烃和分子束等相互锁链的超分子自组装体系以及分子器件研究中得到了广泛应用。第三十一页，共33页。氢键自组装应用1、在纳米材料中的应用