《超分子化学》课件

超分子化学超分子化学是化学的一个分支，研究分子间非共价键相互作用形成的超分子体系超分子化学研究领域包括超分子组装、分子识别、主客体化学、超分子催化等什么是超分子化学？非共价相互作用自组装过程超分子化学研究的是由非共价相这些相互作用包括氢键、范德华互作用组成的超分子体系力、静电作用和疏水相互作用分子识别与组装超分子化学关注的是这些分子之间的相互作用，以及它们如何通过自组装形成复杂的超分子体系历史发展超分子化学的起源可以追溯到世纪年代2060年代19601超分子化学的概念首次提出年代19702冠醚等超分子化合物的合成与研究年代19803环糊精等超分子体系的应用发展年代至今19904超分子化学迅速发展，研究领域不断扩展超分子化学的发展推动了材料科学、生命科学等多个领域超分子体系的形成与自组装机制非共价键1弱相互作用自组装2自发过程超分子体系3复杂结构功能材料4新材料超分子体系通过非共价键的弱相互作用，例如氢键、静电相互作用等，自发组装形成复杂的结构这些结构可以是多样的，例如纳米管、纳米线、超分子液晶等氢键在超分子中的作用氢键的形成双螺旋结构蛋白质的二级结构DNA氢键是一种弱的非共价键，在超分子体系双螺旋结构的稳定性很大程度上依蛋白质的二级结构，例如螺旋和折DNAα-β-的形成中起着至关重要的作用赖于碱基对之间的氢键叠，也依靠氢键来维持静电相互作用与离子偶极作-用静电相互作用离子偶极作用-12静电相互作用是超分子体系中离子偶极作用发生在离子与-最常见的相互作用之一，它发极性分子之间，极性分子中带生在带相反电荷的分子或离子正电的一端会吸引带负电的离之间子，反之亦然影响因素超分子化学中的应用34静电相互作用和离子偶极作这两种作用力在超分子化学中-用的强度受距离、电荷大小和广泛应用，例如主客体识别、介电常数等因素影响配位自组装和超分子催化等领域范德华力和堆积作用π-π范德华力堆积作用π-π范德华力是分子间的一种弱相互作用力，由瞬堆积作用是指两个或多个芳香环之间由于π-π时偶极瞬时偶极相互作用引起，是所有分子电子云相互作用而产生的吸引力，它是一种-π间都存在的吸引力重要的超分子相互作用，在超分子体系的形成中起着重要的作用疏水相互作用在超分子中的应用自组装疏水相互作用促使非极性分子或基团聚集在一起，形成有序的超分子结构例如，在水溶液中，疏水性分子倾向于自组装成球形或层状结构，以最大限度地减少其与水的接触金属配体配位作用-配位键的形成配位数与几何构型金属离子与配体之间通过配位键金属离子的配位数取决于其电子结合形成配位化合物，这是一种构型和配体的性质，不同的配位重要的超分子相互作用数对应不同的几何构型，例如四面体、平面正方形、八面体等金属配体相互作用的类在超分子化学中的应用-型金属配体配位作用在超分子化-金属离子与配体之间的相互作用学中被广泛应用于构建各种超分可以是静电吸引、氢键、范德华子体系，例如金属有机框架、金力等，不同的相互作用类型导致属配合物等不同的配位强度和稳定性机械结合作用及其在超分子中的应用机械结合作用超分子机器应用领域机械结合作用是指分子间通过机械连接形超分子机器是指由多个分子组成的、能够•药物传递成超分子体系，实现特定功能执行特定任务的超分子体系，其结构和功•纳米材料组装能可通过机械结合实现•分子传感器主客体识别与配位自组装主客体识别应用主客体识别是超分子化学的核心概念，指主体分子识别并结合特定客体分主客体识别和配位自组装广泛应用于超分子材料、催化剂和传感器等领域子，形成稳定的超分子复合物123配位自组装配位自组装是利用金属离子与配体之间的配位作用，构建复杂超分子体系，实现自组装过程冠醚和冠醚化合物冠醚是一类具有环状结构的有机化合物，其分子中含有多个醚键，形成一个环状结构冠醚可以与金属离子形成稳定的络合物，其络合作用取决于冠醚环的大小和金属离子的尺寸冠醚化合物广泛应用于超分子化学领域，包括金属离子识别、催化剂和药物载体等方面例如，冠可以与钾离子形成稳定的络合物，其络合物可以18--6用来分离和纯化钾离子环糊精及其化合物环糊精是一种由个葡萄糖分子通过糖苷键连接而6-8α-1,4-成的环状寡糖它们具有独特的杯状结构，具有疏水空腔，可与各种分子形成包合物环糊精及其衍生物在食品、医药、化妆品等领域有着广泛的应用它们可以用于改善药物的溶解度和稳定性，提高食品的风味和香气，以及制造新型功能性材料卡利克斯芳烃[n]卡利克斯芳烃是一类由苯环连接而成的杯状大环化合物，其分子结构类似[n]于酒杯，拥有独特的空腔结构和化学性质，可作为主客体化学、超分子组装和仿生材料等领域的重要研究对象卡利克斯芳烃可通过改变环的大小和取代基来调控其空腔尺寸和化学性[n]质，使其在超分子化学中发挥多种作用，例如，用于识别和包络各种客体分子，构建自组装超分子体系以及开发功能性材料杯芳烃及其衍生物杯芳烃是一种由多个苯环连接而成的环状分子，具有独特的结构和性质，广泛应用于超分子化学领域杯芳烃的结构类似于杯子，因此得名由于其独特的结构，杯芳烃可以与各种客体分子形成超分子复合物，并表现出独特的识别、催化和传感功能杯芳烃的衍生物种类繁多，可以通过对杯芳烃的结构进行修饰来改变其性质，从而赋予其更强的识别能力和更广泛的应用范围例如，通过引入不同的官能团，可以改变杯芳烃的疏水性、极性和尺寸，从而使其能够识别不同的客体分子柱芳烃及其超分子体系柱芳烃是一种具有独特结构的环状有机分子，由多个芳香环通过亚甲基桥连接而成柱芳烃的结构特点使其能够与各种分子形成稳定的超分子体系，并具有广泛的应用价值富勒烯及其超分子体系富勒烯是一种由碳原子组成的球状分子，其结构类似于足球富勒烯的超分子体系是指由富勒烯分子与其他分子通过非共价相互作用形成的复合体这些复合体具有独特的性质，例如光电性质、催化性质和生物活性，在材料科学、纳米技术和药物研发等领域具有广泛的应用潜力金属有机框架及其应用MOFs结构MOFs金属有机框架（）是由金属离子或金属簇与有机配体通过MOFs配位键自组装形成的具有三维结构的晶态材料具有高孔隙率、高比表面积和可调节的孔径等特点，使其MOFs在气体吸附、催化、药物递送和传感等领域具有广泛的应用前景自组装纳米管和纳米线纳米管纳米线纳米管是具有管状结构的纳米材料纳米线是具有线状结构的纳米材料，它们可以由多种材料制成，例如碳纳通常由金属或半导体材料组成米管、氧化物纳米管和聚合物纳米管自组装应用自组装是一个过程，其中纳米材料通自组装纳米管和纳米线在电子学、光过弱相互作用自发地组装成有序结学和生物医学等领域具有广泛的应构用超分子液晶及其应用超分子液晶的定义超分子液晶的优势12超分子液晶是由超分子组装形成的液晶超分子液晶具有可控自组装、多功能性材料，其具有液晶的流动性、取向性和和生物相容性等优点，在光学材料、电有序性子材料和生物医药领域具有广泛的应用前景超分子液晶的应用超分子液晶的发展34超分子液晶可用于制造液晶显示器、光超分子液晶领域是超分子化学的重要研学传感器、生物传感器和药物载体等究方向，其未来发展将会更加注重功能化和生物医药应用超分子凝胶及其应用定义与性质超分子凝胶是由超分子相互作用形成的三维网络结构自组装通过非共价键形成网络，具备自修复和刺激响应性应用领域生物医药、材料科学、环境保护等生物大分子的超分子结构蛋白质的超分子结构核酸的超分子结构12蛋白质可以通过各种相互作用核酸的超分子结构包括DNA组装成复杂的超分子结构，例的双螺旋结构和的复杂RNA如酶、抗体和受体三维结构多糖的超分子结构脂质的超分子结构34多糖可以通过氢键和范德华力脂质通过疏水相互作用形成细组装成各种超分子结构，例如胞膜，并参与细胞信号传导和纤维素和淀粉能量代谢和的超分子组装DNA RNA碱基配对和的超分子组装主要依赖于碱基配对，包括腺嘌呤（）与胸腺嘧啶（）或尿嘧啶（）DNA RNAA TU的配对，以及鸟嘌呤（）与胞嘧啶（）的配对G C双螺旋结构通过碱基配对，和形成双螺旋结构，提供了核酸稳定性和遗传信息的存储DNA RNA三级结构和的三级结构在超分子组装中发挥重要作用，如的折叠形成染色体，以及的折DNA RNADNA RNA叠形成各种功能性结构超分子自组装和可以通过自组装形成各种复杂的超分子结构，例如纳米结构、折纸和核酸生物传DNA RNADNA感器蛋白质的超分子结构与功能蛋白质的超分子结构折叠与组装相互作用功能多样蛋白质通过非共价相互作用形蛋白质的超分子结构是在折叠蛋白质之间的相互作用包括氢蛋白质超分子结构可以形成各成复杂的超分子结构这些结和组装过程中形成的，该过程键、疏水相互作用、静电相互种复杂的复合物，例如核糖构赋予蛋白质独特的功能，例受到多种因素的影响，包括蛋作用和范德华力，这些相互作体、染色体和细胞膜，执行特如酶催化、信号传导和物质转白质序列、环境条件和分子伴用共同决定了蛋白质复合物的定的生物学功能运侣的参与稳定性和功能细胞膜的超分子结构脂质双分子层膜蛋白细胞膜的核心结构是脂质双分子膜蛋白嵌入或附着在脂质双分子层磷脂分子通过疏水作用排列层中，参与多种细胞功能，如物成双层结构，疏水头部朝向细胞质运输、信号传导和细胞识别内外，疏水尾部朝向内部胆固醇糖衣胆固醇嵌入脂质双分子层，调节细胞膜的外侧覆盖着糖衣，由糖膜的流动性和刚性，维持细胞膜蛋白和糖脂组成，参与细胞间的的稳定性识别和相互作用仿生超分子材料仿生蜘蛛丝利用超分子化学原理合成类似蜘蛛丝的材料拥有高强度、高韧性、可生物降解等优点，可用于制造轻质、高性能材料仿生贝壳材料超分子光电子器件超分子光电子器件有机太阳能电池超分子发光器件光电传感器超分子光电子器件利用超分子利用超分子自组装构建高效的通过超分子组装，构建具有特超分子组装可构建高灵敏度、自组装构建光电功能材料，将电子给体和受体材料，提高有定光电特性的发光材料，实现高选择性的光电传感器，应用超分子化学与光电子学有机结机太阳能电池的光电转换效不同颜色和亮度的发光效果于生物传感、环境监测等领合，实现器件的高效性和可调率域性超分子药物载体靶向递送缓释控释超分子药物载体能将药物特异性超分子药物载体能控制药物释放地递送至靶部位，提高治疗效速率，延长药物作用时间，提高果，降低副作用疗效提高生物利用度超分子药物载体能保护药物免受体内环境降解，提高药物的生物利用度，增强疗效超分子催化与反应催化剂设计新型反应

1.

2.12超分子催化剂通过分子识别和超分子化学为开发新型反应提组装，可以模拟酶的催化作供了新的思路，例如超分子催用，提高反应速率和选择性化氧化、还原、环化等反应催化剂循环环境友好

3.

4.34超分子催化剂可以通过自组装超分子催化通常在温和条件下和解组装，实现催化剂的循环进行，减少了污染物排放，具利用，提高催化效率有环境友好性超分子传感与检测超分子识别与信号放大利用超分子相互作用构建传感元件，实现对特定分析物的选择性识别和灵超分子体系能够与目标分子发生特异敏检测性结合，并通过信号放大策略，实现高灵敏度检测荧光传感生物传感基于荧光淬灭、增强或转移等现象，利用超分子体系模拟生物体系，实现实现对目标分子的定量分析对生物分子，如、蛋白质等的DNA检测超分子化学的未来展望超分子化学领域不断发展，未来将迎来更多机遇和挑战新材料、新技术、新应用，超分子化学必将在更广阔的领域发挥重要作用。