第七章 次级键及超分子结构化学

结构化学基础知识点结构化学课程是高等学校化学专业的主干课程之一,也是应用化学、材料化学等专业的基础理论课。

接下来店铺为你整理了结构化学基础知识点，一起来看看吧。

结构化学基础知识点：量子力学经典物理学是由Newton(牛顿)的力学，Maxwell(麦克斯韦)的电磁场理论，Gibbs(吉布斯)的热力学和Boltzmann(玻耳兹曼)的统计物理学等组成，而经典物理学却无法解释黑体辐射，光电效应，电子波性等微观的现象。

黑体：是一种可以全部吸收照射到它上面的各种波长辐射的物体，带一个微孔的空心金属球，非常接近黑体，进入金属球小孔的辐射，经多次吸收，反射使射入的辐射实际全被吸收，当空腔受热，空腔壁会发出辐射，极少数从小孔逸出，它是理想的吸收体也是理想的放射体，若把几种金属物体加热到同一温度，黑体放热最多，用棱镜把黑体发出的辐射分开就可测出指定狭窄的频率范围的黑体的能量。

规律：频率相同下黑体的能量随温度的升高而增大，温度相同下黑体的能量呈峰型，峰植大致出现在频率范围是0.6-1.0/10-14S-1。

且随着温度的升高，能量最大值向高频移动.加热金属块时，开始发红光，后依次为橙，白，蓝白。

黑体辐射频率为v的能量是hv的整数倍.光电效应和光子学说：Planck能量量子化提出标志量子理论的诞生。

光电效应是光照在金属表面上使金属放出电子的现象，实验证实：1.只有当照射光的频率超过金属最小频率(临阈频率)时，金属才能发出电子，不同金属的最小频率不同，大多金属的最小频率位于紫外区。

2.增强光照而不改变照射光频率，则只能使发射的光电子数增多，不影响动能。

3.照射光的频率增强，逸出电子动能增强。

光是一束光子流，每一种频率的光的能量都有一个最小单位光子，其能量和光子的频率成正比，即 E=hv光子还有质量，但是光子的静止质量是0，按相对论质能定律光子的质量是m=hv/c2光子的动量：p=mc=hv/c=h/波长光的强度取决于单位体积内光子的数目，即光子密度。

浅析蛋白质结构的基石——次级键蛋白质是生命活动的重要物质基础，其结构和功能息息相关。

在蛋白质结构的四级结构中，次级键是维持蛋白质二级结构稳定性的关键因素。

一、概念次级键是指除肽键以外，在蛋白质分子中形成的化学键或物理作用力。

它们作用于相邻氨基酸残基之间，决定了蛋白质链的折叠方式，进而影响蛋白质的三级和四级结构。

二、类型及作用常见的次级键包括1.氢键由肽链上的羰基氧和氨基氢之间形成的电性吸引力，是蛋白质中最常见的次级键。

氢键具有较强的方向性，能够稳定蛋白质的α螺旋和β折叠等二级结构。

2.疏水键由非极性氨基酸残基侧链聚集在一起形成的相互作用力。

疏水键是蛋白质内部疏水环境形成的关键因素，可以帮助蛋白质维持其结构完整性。

3.离子键由带相反电荷的氨基酸残基侧链之间形成的静电吸引力。

离子键具有较强的作用力，可以稳定蛋白质的结构，并参与蛋白质的许多功能活动。

4.范德华力由相邻原子或基团之间的偶极-偶极相互作用、诱导偶极相互作用和色散力等弱相互作用力统称为范德华力。

范德华力虽然作用力较弱，但当它们的数量累积起来时，也能对蛋白质结构的稳定性产生显著影响。

此外，还有一些其他次级键，例如二硫键、金属离子螯合等，它们在特定条件下也会影响蛋白质结构。

三、意义次级键的类型和数量决定了蛋白质二级结构的多样性。

α螺旋和β折叠是两种最常见的蛋白质二级结构，它们由不同的氢键模式形成。

α螺旋是一种紧密的螺旋结构，由肽链上的氢键将氨基酸残基连接在一起。

β折叠是由多个β链平行排列形成的片层结构，β链之间通过氢键相互连接。

次级键不仅影响蛋白质的结构，还对其功能有着重要影响。

例如，酶的活性位点通常位于蛋白质的三级结构表面，而该结构的形成依赖于二级结构的稳定性。

因此，次级键的破坏会导致酶活性的降低甚至丧失。

总之，次级键是维持蛋白质结构稳定性的重要因素，它们对于蛋白质的功能发挥至关重要。

了解次级键的性质和作用，对于我们理解蛋白质的结构和功能具有重要意义。

1. 量子效应：（1）粒子可以存在多种状态，它们可由υ1 ，υ2，···，υn 等描述；（2）能量量子化；（3）存在零点能；（4）没有经典运动轨道，只有概率分布；（5）存在节点，节点多，能量高。

上述这些微观粒子的特性，统称量子效应。

2. 次级键：强相互作用的化学键和范德华力之间的种种键力统称为次级键。

3. 超分子：由两种或两种以上分子依靠分子间相互作用结合在一起，组装成复杂的、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。

4. 超共轭效应：指C—H等σ键轨道和相邻原子的π键轨道或其他轨道互相叠加，扩大σ电子的活动范围所产生的离域效应。

5. 前线轨道：分子中有一系列能及从低到高排列的分子轨道，电子只填充了其中能量较低的一部分，已填电子的能量最高轨道称为最高占据轨道（HOMO），能量最低的空轨道称为最低空轨道（LUMO），这些轨道统称前线轨道。

6. 成键轨道、反键轨道、非键轨道：两个能级相近的原子轨道组合成分子轨道时，能级低于原子轨道能级的称为成键轨道，高于原子轨道能级的称为反键轨道，等于原子轨道能级的称为非键轨道。

7. 群：群是按照一定规律相互联系的一些元（又称元素）的集合，这些元可以是操作、数字、矩阵或算符等。

8. 对称操作：能不改变物体内部任何两点间的距离而使物体复原的操作叫对称操作。

9. 对称元素：对称操作所据以进行的旋转轴、镜面和对称中心等几何元素称为对称元素。

10. 点阵能/晶格能：指在0 K时，1mol离子化合物中的正负离子，由相互远离的气态，结合成离子晶体时所释放出的能量。

11. 化学键：在分子或晶体中两个或多个原子间的强烈相互作用，导致形成相对稳定的分子和晶体。

（广义：化学键是将原子结合成物质世界的作用力。

）12. 黑体：一种能全部吸收照射到它上面的各种波长辐射的物体。

13. 能量量子化：频率为v的能量，其数值是不连续的，只能为hv的整数倍，称为能量量子化。

超分子知识点总结超分子化学的基本概念：超分子化学的核心概念是“超分子”。

超分子可以理解为分子的超级集合体，是大于分子大小的非共价聚集体。

这些非共价荷电相互作用包括氢键，范德华力、静电相互作用等，这些是分子间相互作用主要形式。

超分子系统不仅包括简单的由两个分子组成的复合物，还包括由一系列分子组成的大规模结构。

超分子化学的研究内容：1. 分子识别和分子识别性质：超分子化学最基本的研究内容是分子识别和分子识别性质。

分子之间的特殊相互作用可以使得它们在一定的条件下能够识别、绑定特定的分子。

这对于生物体系的正常功能以及药物的研究和设计具有非常重要的意义。

2. 超分子组装：超分子组装是超分子化学的一个重要方面，它研究的是一系列分子间的特殊相互作用如何自组装形成有序结构和功能。

3. 超分子结构：超分子化学的研究还包括超分子结构，也就是超分子组装后形成的各种形态的结构。

4. 超分子材料：超分子化学研究也涉及超分子材料，这是利用超分子结构构建的具有特殊性能的材料，比如光电材料、传感材料、晶体材料等。

超分子化学的应用：超分子化学在材料科学、有机化学、生物化学、医学、纳米科学等领域都有着广泛的应用。

其中最典型的应用之一是在药物设计和生物医学领域。

超分子化合物的自组装特性被广泛地应用在药物的传递和释放、药物靶向以及生物成像等方面。

另外，超分子化合物的自组装也为纳米材料的制备提供了新的思路和方法。

总之，超分子化学是分子化学的延伸和发展，是非常具有前沿性和挑战性的研究领域。

随着纳米科学和材料科学的快速发展，超分子化学的理论和应用将会得到更深入的发展和应用。

超分子体系的自组装、分子识别和分子识别性质、超分子结构和超分子材料等方面的研究将会带来更多新的发现和应用。

专题4.范德华力Van der Waals' force一、次级键secondary bond1.concept次级键，除了典型的强化学键(共价键、离子键和金属键)等，依靠氢键以及弱的共价键和范德华 作用力相结合的各种分子内和分子间作用力的总称；2.次级键可根据原子间的距离、核磁共振谱和光谱等实验数据来确定；化学反应过程中形成的过渡态正是以次级键为特征的中间体或活化络合体； 次级键在物质的结构和性质的研究以及生物体系和超分子化学中起重大作用；3.反映在分子结构上，当原子间距离小于或接近相应的离子半径、共价半径或金属半径之和时， 可以认为原子间形成了化学键；当不同分子中的原子间距离范德华半径之和时，可以认为分子间存在着范德华力； 当原子间距离介于化学键与范德华力范围之间时，可以认为原子间生成次级键；4.次级键普遍客观存在，且化学键、次级键和范德华力三者之间的界限是很难明确划分；5.次级键中有相当一部分是有氢原子参与的；氢键(hydrogen bond )是次级键的一个典型，也是最早发现和研究的次级键；二、范德华半径V an der Waals radius1.concept:非金属元素有一种半径，叫范德华半径；原子的范德华半径是指当分子中两个相邻但不成键的原子靠近至一定距离时，可设想原子本身 的排斥力范围为一刚性球体，这一球体的半径称为范德华半径；2.如图表示出2个Cl 2，在同一个Cl 2里，2个Cl 核间距的一半是共价半径共r ； 在不同的2个Cl 2间，2个Cl 的核间距的一半是范氏半径范r ，显而易见共r <范r ；3.区别与联系①一般来说，对于金属元素，只有共价半径和金属半径； ②非金属元素(稀有气体除外)有共价半径和范德华半径； ③稀有气体元素只有范德华半径；④高中教材上原子半径全部用的是共价半径，所以稀有气体元素与同周期其它元素没有可比性；三、偶极dipole1.concept ：偶极---表示分子的极性；2.偶极可以分为三类：①固有偶极：极性分子中由于组成元素不同，其吸引电子的能力各有差异(元素周期律)，这就使 得分子中有电子偏移的现象，这样就产生了极性，并且偶极持续存在，称为固有偶极；-+δδCl H —②诱导偶极：是指非极性分子在电场中或者有其他极性分子在较近距离的情况下，由于电子带 负电，核带正电，它们会发生偏移，这种现象称为诱导偶极；③瞬时偶极：一切分子中，不管是极性分子还是非极性分子，原子核时刻在震动，电子时刻在 运动、跃迁，在它们运动的时候，偶尔离开平衡位置而产生极性，只不过这个过程持续时间 很短，故称瞬时偶极；四、偶极矩dipole moment1.concept正、负电荷中心间的距离和电荷中心所带电量的乘积，它是一个矢量，方向规定为从正电中心 指向负电中心，用符号μ表示，单位为库伦·米(C·m )； ①当一个电量(C e 19106022.1-⨯=)的正、负电荷相距m 1010-，则其偶极矩为： m C ⋅⨯=-29106022.1μ；②在静电制中，上述偶极矩为deb esu cm 8.4108.418=⋅⨯=-μ；③德拜是偶极矩的另一种单位，两者之间的换算为：m C deb ⋅⨯=-3010336.31； 2.偶极矩的数学表达式为μ=qd ；3.应用：①衡量键的极性强弱⎪⎩⎪⎨⎧≠=越大，键的极性越强，极性共价键，非极性共价键μμμ00【键的偶极矩简称键矩】A -B 键矩/deb A -B 键矩/debA -B 键矩/deb H -C 0.4 C -C 0 N -F 0.17 H -N 1.31 C -N 0.22 C =C 0 H -O 1.51 C -O 0.74 C =N 0.9 H -S 0.68 C -S 0.9 C =O 2.3 H -Cl 1.08 C -F 1.41 C =S 2.6 H -Br 0.78 C -Cl 1.46 N =O 2.0 H -I 0.38 C -Br 1.38 P =O 2.7 H -P 0.36 N -O 0.3 S =O 3.0②判断多原子分子极性强弱⎪⎩⎪⎨⎧≠=越大，分子的极性越强，分子是极性分子，分子是非极性分子μμμ00分子 μ/(m C ⋅-3010))10/(10m r - )10/(30m C er ⋅- er /μ CO 0.39 1.1283 18.08 0.02 HF 6.37 0.9168 14.69 0.43 HCl 3.50 1.2744 20.42 0.18 HBr 2.64 1.4145 22.66 0.12 HI1.271.6090 25.780.05五、范德华力V an der Waals' force1.concept范德华力(又称分子作用力)产生于分子或原子之间的静电相互作用；范德华力偶极子电荷位移近邻原子相互作用电偶极矩的感应作用−−−−−→−→→)(dipoles 2.范德华力又可以分为三种作用力：诱导力、色散力和取向力；①色散力dispersion force 【非极性分子间形成】※色散力(也称“伦敦力”，London force )是指非极性分子相互靠拢时，它们的瞬时偶极矩之间 产生的很弱的吸引力，所有分子或原子间都存在；※是分子的瞬时偶极间的作用力，即由于电子的运动，瞬间电子的位置对原子核是不对称的， 也就是说正电荷重心和负电荷重心发生瞬时的不重合，从而产生瞬时偶极；※色散力和相互作用分子的变形性有关，变形性越大(分子量愈大，变形性愈大)色散力越大； ※色散力和相互作用分子的电离势(即为电离能)有关，分子的电离势越低(分子内所含的电子数 愈多)，色散力越大；※色散力的相互作用随着61r 而变化；其公式为：I 1和I 2 分别是两个相互作用分子的电离能，α1和α2 是它们的极化率；206212121d )4(123E πεααr I I I I +-= ※色散力是菲列兹·伦敦(Fritz London )于1930年根据近代量子力学方法证明的，由于从量子 力学导出的理论公式与光色散公式相似，因此把这种作用称为色散力，又叫做伦敦力； ②诱导力induction force 【极性与非极性分子间或极性分子间形成】※诱导力在极性分子和非极性分子之间或极性分子和极性分子之间都存在诱导力； ※由于极性分子偶极所产生的电场对非极性分子发生影响，使非极性分子电子云变形(即电子云 被吸向极性分子偶极的正电的一极)，结果使非极性分子的电子云与原子核发生相对位移，本 来非极性分子中的正、负电荷重心是重合的，相对位移后就不再重合，使非极性分子产生了 偶极；※这种电荷重心的相对位移叫做“变形”，因变形而产生的偶极，叫做诱导偶极，以区别于极 性分子中原有的固有偶极；※诱导偶极和固有偶极就相互吸引，这种由于诱导偶极而产生的作用力，叫做诱导力；※在极性分子和极性分子之间，除了取向力外，由于极性分子的相互影响，每个分子也会发生 变形，产生诱导偶极；其结果使分子的偶极距增大，既具有取向力又具有诱导力； ※在阳离子和阴离子之间也会出现诱导力； ※诱导力与极性分子偶极矩的平方成正比；※诱导力与被诱导分子的变形性成正比，通常分子中各原子核的外层电子壳越大(含重原子越多)它在外来静电力作用下越容易变形；相互作用随着61r而变化，诱导力与温度无关；其公式：α为极化率；620212)4(rE πεμα-=诱 ③取向力dipole-dipole force 【极性分子间形成】 ※取向力发生在极性分子与极性分子之间；※由于极性分子的电性分布不均匀，一端带正电，一端带负电，形成偶极；因此，当两个极性 分子相互接近时，由于它们偶极的同极相斥，异极相吸，两个分子必将发生相对转动；这种 偶极子的互相转动，就使偶极子的相反的极相对，叫做“取向”；这时由于相反的极相距较 近，同极相距较远，结果引力大于斥力，两个分子靠近，当接近到一定距离之后，斥力与引 力达到相对平衡；这种由于极性分子的取向而产生的分子间的作用力，叫做取向力； ※取向力与分子的偶极矩平方(μ)成正比，即分子的极性越大，取向力越大； ※温度越高，极性分子运动越活跃，越不容易取向，取向力越弱；其公式为：0622214132E πεμμkTr -=取 μ1，μ2为两个分子的偶极矩；r 为分子质心间的距离，k 为Boltzmann 常数，T 为热力学温度， 负值表示能量降低； ④三种力的关系※极性分子与极性分子之间，取向力、诱导力、色散力都存在； ※极性分子与非极性分子之间，则存在诱导力和色散力； ※非极性分子与非极性分子之间，则只存在色散力；※这三种类型的力的比例大小，决定于相互作用分子的极性和变形性； ※极性越大，取向力的作用越重要；变形性越大，色散力就越重要；※诱导力则与这两种因素都有关；但对大多数分子来说，色散力是主要的； ※只有偶极矩很大的分子(如水)，取向力才是主要的；而诱导力通常是很小的； ※极化率α反映分子中的电子云是否容易变形；※虽然范德华力只有0.4~4.0kJ/mol ，但是在大量大分子间的相互作用则会变得十分稳固；。