超分子组装

超分子组装与超分子手性

胶体、界面与化学热力学实验室

刘鸣华liumh@

提

纲

1.物质世界的层次特征 2.超分子 2.1 超分子的定义 2.2 超分子的特征 2.3 超分子的分类 2.4 超分子的稳定性 2.5 超分子的重要性 3. 几种典型的超分子体系 3.1 分子膜体系 自组装膜， LBL LB膜 3.2 小分子有机凝胶

1. 物质世界的层次特征

Supermolecule 10-7 mMolecule 10-9 m

Universe Galaxy

Solar system EarthHuman organs 10-2 m

Atom

10-10 m

Nucleus Proton Neutron Quark Electron

10-14 m 10-15 m

< 10-18 m Cell 10-5 m

超分子的提出

1987年诺贝尔化学奖授予C. Pedersen J-M. Lehn 发现冠醚化合物 发现穴醚化合物并提出 超分子概念 主客体化学先驱者

D. Cram

此后二十年, 超分子化学获得很大发展

2.1 超分子的定义基于共价键存在分子化学，基于分子有序体和分子 间价键而存在超分子化学 分子以上(层次)的化学 Chemistry beyond molecules 超分子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的复杂的、有组织的实体， 保持一定的完整性，使它具有明确的微观结构和宏 观特性。

2.2 超分子的特征分子化学结构单元 结合力 原子或原子团，合成 子synthon) 共价键

超分子化学具有组装能力的分子，构筑子 (tacton) 非共价键

结构的实现 结构性能

合成化学 分子结构物理和化学性能

分子组装 超分子结构物质、能量和信息传输功能

超分子的理解汉语的构筑与超分子构筑 汉语 超分子构筑 偏旁、部首 原子、离子、原子团 汉字 分子：具有组装功能的分子 词组 分子聚集体：微粒、超分子膜、螺旋体等 句子 分子聚集体高级结构：多种结构域与亚基结合的 酶，聚集体板块结构功能化形成的分子器件 文章 化学机器：多酶组装体、超分子微型机器分子化学研究分子个体，超分子化学研究分子的集团，分子的社会，分 子形成的“国家”。 虽然，人们已经熟悉了分子的合成，但是对于分子集团的形成规律， 组织结构，功能实现的机理等还不是非常明确。

2.3 超分子的分类 受体和底物在分子识别原则基础上, 分子间 缔合成分立的低聚分子物种Host-guest 数量多而不确定的组分缔合成超分子组装体 (Molecular assemblies)a. 组成和结合形式不断变动的薄膜、囊泡、胶束、 介晶相等 b. 组成确定，具有点阵结构-晶体研究这种超分子： 晶体工程

2.4 超分子的稳定性

G = H - T S 能量因素 熵因素

(a)静电作用 盐键 超分子的稳定性-能量因素 正负离子

正负基团 离子-偶极子作用 偶极子-偶极子作用++

R-COO-· · · ·+H3N-R-

-

+

- +

- +

(b)氢键 常规氢键

X-H· · · · Y X, Y = F, O

, N, C, Cl 非常规氢键 X-H· · · · X-H· · · · M X-H· · · · H-Y

(c)M-L配位键 金属原子和配位体间形成的共价配键为主

(d) 疏水效应：溶液中疏水基团或油滴互相聚 集，增加水分子间氢键的数量。(e) · · · · 堆叠作用

面对面

边对面

(f)诱导偶极子-诱导偶极子的作用 即色散力：范德华力

超分子的稳定性-熵效应(a)螯合效应：由螯合配位体形成的配合物比相 同配位数和相同配位原子的单啮配位体形成的 配合物稳定的效应。 (b)大环效应：和螯合效应有关，在能量因素和 熵因素上增进体系稳定性。 (c)更加有序化

2.5 超分子的重要性1。物质结构中不可逾越的层次，承上启下， 超分子化学的研究是从分子走向生命，从分子实 现器件，功能材料的必经之路。

2。创造新物质的源泉 自然界存在和人工合成的元素百余种→近3000 万化合物→ 进一步组装，多少物质？25 Questions by Science.

Life science Molecular recognition Molecular self-organization

E

Enzyme function 2D Protein crystallization

Biomembrane

Liposomes

+

Host/guest systems

典型的 超分子体系Liquid crystals

Micelles

Monolayers Multilayers

Surface functionalization

Function via organization

Materials science

Order and mobility

3.1 几种典型的超分子体系

自组装单分子膜 层层组装(Layer-by-layer)薄膜

Langmuir and Langmuir-Blodgett (LB膜)

3.1.1 基于化学吸附的自组装单层膜浸泡： 固体基板 紧密堆积的有序SAM (自组装单层膜)

将基板提出晾干含有表面活性 剂的溶液

界面功能基团分子间作用 烷基链 表面化学吸附 表面活性基团 基底

自组装过程利用Au-S键

共价自组装共价自组装

=NO2

Au 基片SH

Synthesis

Solution

Assembly

Si-O

自组装多层膜

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3anj.html