超分子知识

识别和自组装的根据是： 电子因素：各种分子间作用力得到发挥 电子因素 几何因素：分子的几何形状和大小互相匹配 几何因素
2. 冠醚和穴状配体的识别和组装
（a）球形离子大小识别
空腔直径 / pm [12]C4 120~150 [15]C5 170~220 [18]C6 260~320 [21]C7 340~430 冠醚 适合的离子 （直径 / pm） Li+(152) Na+(204) K+(276), + Rb (304) + Cs (334)
二维层状
三维骨架
（c）多组份的配置 利用各组份相互作用的性能，构筑起多组份晶体。
(C2H5)4N+·HCO3-·(NH2)2CO·2H2O 晶体中 [HCO3-·(NH2)2CO·2H2O] 的层型结构（麦松威、李奇的研究成果），同层间以分子间氢键组 合，不同层以静电力组合
四、应用
1. 相转移
KF不溶于有机溶剂，但溶于冠醚的乙腈溶液，放出F－， 使F－置换Cl－反应进行。
logK logK
（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。
LogK -∆Hθ/kJ·mol-1 ∆ Sθ/J·k-1·mol-1
11.24 44.4 66.5
15.34 61.9 85.8
（c）疏水效应（空腔效应）
疏水空腔 相对有序水 疏水客体分子 无序水
3. 锁和钥匙原理
表2所列的是人们已证实的一些手性药物对映体不同的 所列的是人们已证实的一些手性药物对映体不同的 药理活性。 药理活性。这些不同手性药物对映体药理活性差异的 主要原因是： 主要原因是：生命机体本身就是由具有高度不对称性 的生物大分子组成。 的生物大分子组成。这种不对称性赋予生物大分子受 体（酶、血浆蛋白及组织蛋白），通过一定的信息去 血浆蛋白及组织蛋白），通过一定的信息去 ）， 识别不同的对映体。与之契合者，才能发生相互作用， 识别不同的对映体。与之契合者，才能发生相互作用， 从而产生生理活性。 从而产生生理活性。这种对映有择性的生物作用现象 是自然界的一种普遍现象， 是自然界的一种普遍现象，在农药香料等方面也同样 存在。 存在。

超分子的特征
1.稳定性：超分子结构具有较高的稳定性，能够在一定条件下保持结构稳定性。

2. 动态性：超分子结构中的分子之间具有一定的动态性，能够在一定条件下发生结构变化。

3. 多样性：超分子结构具有多样性，可以根据不同的分子间相互作用形成不同的结构。

4. 可逆性：超分子结构的形成和破坏是可逆的，能够通过改变条件来实现结构的转化。

5. 自组装性：超分子结构的形成是通过分子自组装实现的，具有自组装性。

6. 功能性：超分子结构具有一定的功能性，能够实现分子识别、分离、催化等功能。

超分子的特征使其在材料科学、生物医学、纳米科技等领域中具有广泛的应用前景。

- 1 -。

有机化学基础知识超分子化学和自组装反应有机化学基础知识：超分子化学和自组装反应超分子化学是有机化学中的一门重要分支，研究的是分子之间通过非共价作用力相互作用和组装的过程。

其中自组装反应是超分子化学的关键概念之一，指的是分子自发地通过非共价作用力在适当条件下组装成特定的结构。

本文将介绍超分子化学和自组装反应的基本原理和应用。

一、超分子化学的基本概念超分子化学是20世纪70年代兴起的一门学科，以研究分子之间的非共价作用力相互作用和组装为核心内容。

超分子化学主要关注以下几个方面：1.1 非共价作用力超分子化学中的非共价作用力包括氢键、疏水作用、范德华力、离子间相互作用等。

这些作用力通常较弱，但在合适的条件下可以产生较强的相互作用。

非共价作用力是超分子化学中分子相互作用的基础。

1.2 超分子超分子是由分子通过非共价作用力相互作用而形成的由多个成分组成的结构单元。

超分子结构具有自我识别、自我组装和自我修复的特性，表现出许多复杂的功能。

二、超分子的自组装反应自组装反应是超分子化学的核心概念之一，指的是在一定条件下，分子通过非共价作用力自发组装为有序的结构。

自组装反应可以分为静态自组装和动态自组装两种形式。

2.1 静态自组装静态自组装是指分子通过非共价作用力，如氢键、疏水作用等，形成稳定的超分子结构。

常见的静态自组装形式包括自组装聚合物、自组装胶体、自组装纳米粒子等。

静态自组装结构具有良好的稳定性和特定的功能性，被广泛应用于材料科学、生物医学等领域。

2.2 动态自组装动态自组装是指分子通过非共价作用力，在适当的条件下，形成可逆的超分子结构。

动态自组装过程中，分子组装和解组装的速率比较快，可以实现自组装结构的动态变化。

动态自组装反应在药物传递、分子传感、催化等领域具有重要的应用价值。

三、超分子化学的应用超分子化学作为一门交叉学科，具有广泛的应用前景。

以下是超分子化学在一些领域的应用示例：3.1 药物传递系统通过设计和构建特定的超分子结构，可以实现药物的包埋和释放，提高药物的疗效和降低毒副作用。

思考：碱金属离子或大或小，猜想冠醚是如何识别它们的？ 冠醚环的大小与金属离子匹配，才能识别
冠醚是皇冠状的分子，可有不同大小的空穴适配不同大小的碱金属离子
O
O
O
O
O
O
18-冠醚-6的结构
不同冠醚的空腔尺寸不同，与不同的阳离子相匹配，从而实 现选择性结合。
冠醚 12-冠-4 15-冠-5 18-冠-6
C70
这个例子反映出来的超分子的特性被称为“分子识别”。
（2）分子识别——冠醚识别碱金属离子(如K＋)。
冠醚是皇冠状的分子，有不同大小的空穴，能与正离子，尤其是碱金属 离子络合，并随环的大小不同而与不同的金属离子络合，利用此性质可以 识别碱金属离子
冠醚，是分子中含有多个-氧-亚甲基-结构单元的大环多醚。常见的冠醚 有15-冠-5、18-冠-6，冠醚的空穴结构对离子有选择作用，在有机反应中可 作催化剂。 猜想这些名称的含义
2. 微粒间作用力—非共价键，主要是 静电作用、范德华力和氢键、疏水作用 以及一些分子与金属离子形成的弱配位 键等。
3.结构特点：超分子是组成复杂的，有组织的分子聚集体，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。 【解析】电池正极材料主要含有LiCoO2及少量Al、Fe等,加入稀H2SO4溶解后铁、铝
Rb 应进速一率 步增分大析，(a)平图衡所向示气的体Li分Fe子PO数4减的小晶的胞方中向，移八动面，体即结平构衡和正四向面移体动结，构+平的衡数体目系均中为氨的质量分数增大，c项符合题意。
21-冠-7
Cs+
冠醚识别碱金属离子的应用
冠醚能与阳离子尤其是碱金属阳离子作用，并且随环的大 小不同而与不同的金属离子作用，将阳离子以及对应的阴离子 都带入有机溶剂，因而成为有机反应中很好的催化剂。

注意：超分子定义中的分子是广义的，包括离子。
2. 微粒间作用力 ——非共价键
主要是静电作用、范德华力、氢键、疏水作用 以及一些分子与金属离子形成的弱配位键等。
神奇的超分子，借分子间作 用力形成复杂的组织结构
二、超分子
3.分子聚集体大小：分子聚集体有的是有限的，有的是无限伸展的。
甲苯中 冠醚的浓度
褪色时间
30 g/L
5 min不褪色
60 g/L
5 min明显褪色
120 g/L
4.5 min明显褪色
甲苯
K+ MnO4
O
O
O
K+
O
O
O
MnO4-
冠醚能与阳离子尤其是碱金属阳离子作用，将阳离子以及对应的 阴离子都带入有机溶剂，因而成为有机反应中很好的催化剂。
➢ “杯酚”与冠醚形成的超分子，虽然识别的分子、离子不同，但环 状结构异曲同工，且尺寸可控。
小
子
分子识别 “杯酚”分离C60 和 C70
结
特征
自组装 冠醚识别碱金属离子
不同冠醚的空腔尺寸不同，与不同的阳离子相匹配，从而实现选择性结合。
超分子的实例
Li+
Na+
K+
➢ 冠醚识别碱金属离子的应用
应用举例：相转移催化剂
问题背景： 高锰酸钾溶液可以氧化甲苯， 从而褪色。
但是高锰酸钾易溶于水，难溶于 甲苯，难以和甲苯充分接触。
甲苯
K+ MnO4
资料卡片
溶有18-冠-6的甲苯与高锰酸钾水溶液反应
A 行分离的过程，下列对该过程的说法错误的是( )
A．C70能溶于甲苯，C60不溶于甲苯 B．C60能与“杯酚”形成超分子 C．C70不能与“杯酚”形成超分子 D．“杯酚”能够循环使用

几十个原子分子或成千个原子分子组合在一起时表现出既不同于单个原子分子的性质也不同于大块物体的性质这种组合被称为超分子或人工分子
什么是超分子
分类:教育/学业/考试 >> 高考
问题描述:
什么是supra-molecular assemblies?
解析:
几十个原子、分子或成千个原子、分子"组合"在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质，这种"组合"被称为"超分子"或"人工分子"。"超分子"的性质，如它的熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和颜色及水溶性都有重大变化。当"超分子"继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时，奇特的性又会失去。

7.3.4 配位键的自组装 7.3.5 疏水作用的识别和组装 7.4 晶体工程 7.4.1 概念和特点 7.4.2 晶体工程的谋略 7.4.3 晶体工程构筑例如 7.5 应用和展望
第三页，共70页。
7.1 超分子的概念
超分子化学起源于碱金属阳离子能被冠醚和穴醚选择 性结合，它拓展后导致了分子识别的出现并证明为一 新的化学领域，进一步延伸到分子相互作用和过程， 并广泛扩展到其他领域后诞生了超分子化学。
子内氢键，六元环的邻位取代基之间假设有适合的质子
给体与受体时，形成分子内氢键优先于分子间氢键。
通常，分子间氢键使
分
物质的熔点和沸点升
子
高，分子内氢键那么
内
氢
使熔点和沸点降低。
键
非常规氢键也有分子
间氢键和分子内氢键
。
第二十七页，共70页。
7.2.1 能量因素
➢ 不对称氢键和对称氢键
按H距离电负性原子X和Y的远近可分为不对称氢键和对称氢 键。多数氢键是不对称的，X-H较H---Y短一些，如F-H---F、OH---O、O-H---F、N-H---F、N-H---O、N-H---N等。对称氢键有FH-F，O-H-O等。
第三十二页，共70页。
7.2.2 熵增加因素
7.2.2 熵增加因素
1、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。
logK
logK
Co(NH3)62+
Ni(NH3)62+
Co(en)32+ Ni(en)32+
第三十三页，共70页。
7.2.2 熵增加因素
第二十八页，共70页。
7.2.1 能量因素

超分子1．了解超分子的概念、结构、性质。

2．了解超过分子的存在与应用，能举例说明物质在超分子等不同尺度上的结构特点对物质性质的影响。

一、超分子1.定义由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体。

2.存在形式超分子定义中的分子是广义的，包括离子。

3.微粒间作用力—非共价键：超分子内部分子之间通过非共价键结合，主要是静电作用、范德华力和氢键、疏水作用以及一些分子与金属离子之间形成的弱配位键。

4.分子聚集体的大小：超分子这种分子聚集体，有的是有限的，有的是无限伸展的。

二、超分子特征1、分子识别：通过尺寸匹配实现分子识别。

2、自组装：超分子组装的过程称为分子自组装（Molecular self-assembly)，自组装过程（Self-organization)是使超分子产生高度有序的过程。

三、超分子的应用1、应用（1）在分子识别与人工酶、酶的功能、短肽和环核酸的组装体及其功能等领域有着广阔的应用前景。

（2）超分子化学的发展不仅与大环化学（冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、C60等）的发展密切相连，而且与分子自组装（双分子膜、胶束、DNA双螺旋等）、分子器件和新兴有机材料的研究息息相关。

2、应用实例(1) “杯酚”分离C60和C70：杯酚与C60通过范德华力相结合，通过尺寸匹配实现分子识别。

向C60和C70的混合物中加入一种空腔大小适配C60的“杯酚”,再加入甲苯溶剂，溶解未装入“杯酚”的C70，过滤后分离C70；再向不溶物中加入氯仿，溶解“杯酚”而将不溶解的C60释放出来并沉淀。

(2)冠醚识别碱金属离子：冠醚是皇冠状的分子，有不同大小的空穴，能与正离子，尤其是碱金属离子络合，并随环的大小不同而与不同的金属离子络合，利用此性质可以识别碱金属离子。

冠醚环的大小与金属离子匹配，将阳离子以及对应的阴离子都带入有机溶剂，因而成为有机反应中很好的催化剂。

(3)细胞和细胞器的双分子膜：细胞膜的两侧都是水溶液，水是极性分子，而构成膜的两性分子的头基是极性基团而尾基是非极性基团。

化学超分子知识点总结超分子化学是近年来发展迅速的一门新兴学科，它是化学的一支分支学科，在化学领域中扮演着越来越重要的角色。

超分子化学涉及的范围非常广泛，包括分子识别、自组装、功能性材料等多个方面。

在超分子化学中，化学家们研究的不再是单个分子的性质与反应，而是由多个分子间的非共价相互作用来组成的具有特定功能的超分子结构。

这些分子间的相互作用包括氢键、范德华力、π-π堆积等，并且这些非共价相互作用对于超分子结构的形成起着决定性的作用。

分子识别是超分子化学的一个重要概念，它指的是分子间的特异性相互作用，使得分子能够选择性地识别和结合其他分子。

分子识别的研究不仅对于生物学领域有着重要的意义，而且在材料科学、药物设计等领域也有着广泛的应用。

例如，生物体内的酶与底物之间的特异性相互作用，以及抗体与抗原之间的特异性结合，都是分子识别的典型例子。

超分子化学家们希望通过对分子间相互作用的深入研究，设计和制备出具有特定功能的分子识别体系，并且将其应用到具体领域中。

自组装是超分子化学中的另一个核心概念，它指的是分子在特定条件下由于其自身的特性而能够自行形成有序的结构。

自组装通常发生在溶液中或者固体表面上，由于分子间的非共价相互作用，分子能够自主地形成稳定的超分子结构。

自组装的特点在于其高度有序性和选择性，使得其在纳米材料的制备和功能性材料的设计中有着广泛的应用。

例如，超分子化学家们可以通过自组装的方法制备出纳米材料、生物传感器、光学材料等，从而拓展了现有材料的种类和功能。

功能性材料是超分子化学领域的又一重要研究方向，它指的是那些由超分子结构组成的具有特定功能的材料。

超分子结构的形成和性质决定了功能性材料的特性，因此超分子化学家们通过设计和合成特定结构的超分子体系，可以制备出具有特定功能的材料。

例如，超分子化学家们可以利用分子间相互作用来构筑具有特定光学、电学、磁学等性质的材料，这些具有特定功能的材料在电子器件、传感器、催化剂等领域都有着广泛的应用。

规模化生产技术的研发
针对规模化生产中的难题，未来将加大研发力度，寻求高 效的超分子化学规模化生产技术。
理论研究的突破
随着计算科学的不断发展，未来有望在超分子化学的理论 研究方面取得突破，建立更为精确的理论模型来指导实验 研究。
拓展应用领域
超分子化学在药物传输、生物成像、传感器等领域具有广 泛的应用前景，未来将进一步拓展其应用领域，为人类社 会的发展做出更大的贡献。
02
超分子的结构与组装
超分子的结构
分子识别
超分子通过分子间的弱相互作用 力（如氢键、π-π相互作用、范 德华力等）实现识别与组装，形
成有序的超分子结构。
动态性
超分子结构具有动态性，可以在一 定条件下进行可逆的组装与解组装， 实现结构的自适应与调控。
多样性
超分子可以由多种不同的单体分子 组成，形成具有丰富结构和功能的 超分子组装体。
超分子的组装
01
02
03
自组装
超分子通过分子间的弱相 互作用力自发地组装成有 序的结构，无需外界干预。
受控组装
通过外界条件的调控（如 温度、pH值、离子强度 等），实现对超分子组装 过程和结构的控制。
人工设计与构建
通过人工设计和合成特定 功能的单体分子，实现具 有预定结构和功能的超分 子组装体的构建。
详细描述
超分子化学突破了传统分子化学的界 限，将分子间的相互作用和自组装过 程作为研究对象，探索分子间的识别 、组装、传递和调控机制。
特性
总结词
超分子化学具有多样性、动态性和自组织性的特点。
详细描述
超分子体系由多种不同类型的分子组成，通过非共价键相互作用形成复杂的结构 和功能。同时，超分子体系具有动态性，可在外界刺激下发生结构和性质的改变 。此外，超分子体系还能通过自组织过程形成有序的结构和功能。

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。

24.62 34.57 30.35 25.33
12
冠醚对碱金属离子的识别
冠醚的空腔直径和碱金属离子的体积是否匹配有关
冠醚 12-c-4 15-c-5 18-c-6 21-c-7 24-c-8
内腔直径/pm 120~150 170~190 260~320 340~430 >400
阳离子 Li+
Na+ K+ Rb+ Cs+
28
通过氢键Dendrimer的自组装
29
通过静电作用Dendrimer的自组装
30
不规整、不完善分子的自组装
31
金属体系的自组装
1.金属离子和有机或无机物形成的超分子体系。 2.有机金属化合物自身形成的超分子体系。 3.有机金属化合物作为主体形成的超分子体系。 4.有机金属化合物作为客体形成的超分子体系。 5.含有金属的多组分自组装体系。
实际上超分子体系的研究已不限于化学的范畴, 而是与生物、物理、生命科学、材料、信息及 环境等学科交织在一起, 形成了“超分子科 学”。
8
分子识别（recognization)
识别：指给定受体与底物选择性结合并产生某些特定 功能的过程。（这种选择性是指分子间特殊、专一的 相互作用）
分子识别：发生在分子间的识别过程。 位点识别：发生在实体局部间的识别过程。
1
分子间作用力
组成超分子的分子间作用力：
氢键，范德华力，静电作用，配位键的作用，疏水亲脂 作用力，芳香堆积等. 正是通过以上分子间作用力的协同作用而形成了超分子
分子间作用力（非共价键力）属于弱相互作用，那怎么能 结合成这种稳定、有序的实体呢？
2
分子间作用力的协同作用

2．冠醚和穴醚配体的识别和自组装 以冠醚和穴醚配体为主客体的识别和自组装是 20世纪60～80年代创立的超分子化学的基础。 表 ７．６．１ 各种冠醚离子大小的识别
３．配位键识别和自组装
(a)Mo— O键组装成大环超分子[Mo176O496(OH)32(H2O)80] (b)Mo— C和Mo— N键组装成球碳超分子
超分子自组装 超分子自组装(supramolecular self-assembly) 是指一种或多种分子，依靠分子间相互作用，自 发地结合起来，形成分立的或伸展的超分子。由 分子组成的晶体，也可看作分子通过分子间作用 力组装成一种超分子。 超分子化学为化学科学提供新的观念、方法 和途径，设计和制造自组装构建元件，开拓分子 自组装途径，具有特定的结构和基团的分子自发 地按一定的方式组装成所需的超分子。
分子识别和超分子自组装的结构化学内涵， 体现在电子因素和几何因素两个方面，前者使分 子间的各种作用力得到充分发挥，后者适应于分 子的几何形状和大小能互相匹配，使在自组装时 不发生大的阻碍，分子识别和超分子自组装是超 分子化学的核心内容。
超分子合成子 合成子（synthon）一词是在有机合成中表示 “ 用已知的或想象的合成操作所能形成组装出来的 分子中的结构单位。” 将这个通用的、可变的定义 用于超分子，即得：“ 超分子合成子是用已知的或 想象的、包含分子间相互作用的合成操作所能形成 或组装出来的超分子中的结构单位。”
１． 几个概念 分子识别（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ） 是由于不同分子间的一种特殊的、专一的相 也满足分子间各种次级键力的匹配。
互作用，它即满足互相结合的分子间的空间要求，
在超分子中，一种接受体分子的特殊部位具 有某些基团，正适合与另一种底物分子的基团相 结合，体现出锁和钥匙原理，当接受体分子的底 物分子相遇时，相互选择对方，一起形成次级键； 或者接受体分子按底物分子的大小尺寸，通过次 级键构筑起适合底物分子居留的孔穴的结构，所 以分子识别的本质就是使接受体和底物分子间形 成次级键的最佳条件，互相选择对方结合在一起， 使体系趋于稳定。

8-3-2晶体工程中氢键的式样 在超分子化学、分子识别和晶体工程领域中，氢键是不可缺少的工具用以设计分子聚集 体。由于晶体的性质依赖于它的结构，利用具有某种特殊性能的原料设计出所 需的晶体 是可做到的。晶体工程已在许多领域有着丰富的成果，如生物分子底物的结合和识别， 反应活性和催化作用，石油化工，以及新的非线性光学材料和铁电材 料的合成等。 近年来，晶体工程为了设计出新式样的晶体，对于那些能形成较强的和稳定的分子间相 互作用的有机化合物，如碳水化合物、羧酸和酰胺以及无机化合物中相似的物 种产生很 大兴趣。通过研究，已在分子水平上，把识别的几何学与功能性和超分子式样的设计联 系在一起。反过来这些超分子式样又可以使晶体具有特定的物理性质 和化学性质。 有机合成和晶体工程都力求统一到固体的分子识别式样中去。这种情况已通过实验反 复地观察到，特定的构建基块或超分子合成子都清楚地显示出优选的式样。包含有这种 基块的分子趋于结晶出同时在能量上有利、在密堆积上有效的排列的物种。下图及图8-8 示出晶体工程中一些优选的式样：条状、带状、环状和层状的聚集体，其中三角形代表 相同的或不同的模版组分，虚线代表分子间相互作用。
变换功能是指超分子具有特定的反应性能和催化作用。 传输功能是指底物分子具有通过生物膜等功能，其机理是作用物分子和膜中的分子缔 合成超分子，再解离和扩散完成，见图。所以超分子的概念部分仍属于分子范畴，而部分 已超出传统化学的原子¾分子层次，上升到分子以上层次，即有序高级结构。
8-2-2晶体工程 超分子化学并不局限在溶液中。结构化学家和晶体学家很快地了解到有机晶体 是一个完美的超分子，是在一个惊人的准确水平上，数以百万计的分子互相识别、 自行排列。如果说分子是原子通过共价键构建而成，则固态的超分子(晶体)是分 子通过分子间的相互作用构建起来。 晶体工程定义为“通过分子堆积了解分子间的相互作用，用以设计具有特定的 物理性质和化学性质的新晶体。”晶体工程已成为一门开发利用分子或离子组分 间非共价键的相互作用，合理地设计晶体结构，使之得到有价值的晶体的学科。 晶 体工程和分子识别的概念非常相似，它们都是以分子间的相互作用操纵超分 子组装的技艺，结晶过程是一种高度精确的分子识别的实例。反而言之，晶体工 程的目的 是沿着分子识别指引的途径进行超分子的自发组装。晶体工程和分子 识别是超分子化学的孪生子，都是使分子组分间的功能得到多方面配合，优化分 子间不同强度 的、定向的和与距离有关的各种相互作用。晶体工程已由结构化 学家和物理化学家利用晶体学的知识加以发展，去设计新材料和固态反应。分子 识别已由物理有机化 学家利用生物的倾向和模拟生物合成过程加以发展。

超分子1 超分子的定义由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体称为超分子。

超分子定义中的分子是广义的，包括离子。

2 特性（1）分子间相互作用：通过非共价键结合，包括氢键、静电作用、疏水作用以及一些分子与金属离子形成的弱配位键等。

（2）分子聚集体大小：分子聚集体有的是有限的，有的是无限伸展的。

3 应用实例——分子识别（1）“杯酚”识别分子，如图3－4－1所示。

图3－4－1（2）冠醚识别碱金属离子。

不同大小的冠醚可以识别不同大小的碱金属离子，如图3－4－2所示。

图3－4－24 超分子化学（1）含义：研究超分子的化学叫超分子化学，是一门处于近代化学、材料化学和生命科学交汇点的新兴学科。

（2）研究领域：环状配体组成的主客体体系；有序的分子聚集体；由两个或两个以上基团用柔性链或刚性链连接而成的超分子化合物。

（3）应用：分子识别与人工酶、酶的功能、短肽和环核酸的组装体及其功能等领域有着广阔的应用前景。

超分子化学的发展不仅与大环化学（冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、C60等）的发展密切相连，而且与分子自组装（双分子膜、胶束、DNA双螺旋等）、分子器件和新兴有机材料的研究息息相关。

典例详析例2－10下列有关超分子的说法正确的是A．超分子是如蛋白质一样的大分子B．超分子是由小分子通过聚合得到的高分子C．超分子是由高分子通过非化学键作用形成的分子聚集体D．超分子是由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体解析◆超分子不同于蛋白质、淀粉等大分子，也不同于高分子，超分子是由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体，故选D。

答案◆D例2－11利用分子间作用力形成超分子进行“分子识别”，实现分子分离，是超分子化学的重要研究和应用领域。

如图3－4－3表示用“杯酚”对C60和C70进行分离的过程，下列对该过程的说法错误的是图3－4－3A．C70能溶于甲苯，C60不溶于甲苯B．C60能与“杯酚”形成超分子C．C70不能与“杯酚”形成超分子D．“杯酚”能够循环使用解析◆由题图可知，C60能够与“杯酚”通过分子间作用力形成超分子，而C70不能，C60与“杯酚”形成的超分子不能溶于甲苯，但不能证明C60是否能溶于甲苯，A项错误，B、C 项正确；通过溶剂氯仿的作用，破坏“杯酚”与C60形成的超分子，可实现将C60与C70分离，且“杯酚”能够循环使用，D项正确。

分子识别和位点识别：
HSP90与其抑制剂的对接图
6.3.2 自组装
自组装适用于分子，也适用于超分子。用于分子时是指原子或 原子团通过共价键自发结合成分子，用于超分子时是指分子通过分 子间作用自发地形成超分子。在超分子化学中当然主要关注后者。
磷脂分子自组织成细胞膜的双层结构，膜内埋有糖蛋白和糖脂
通过仿生，化学家在分子自组装的道路上正在取得明 显进步，一些新颖的超分子不断被制备出来，稍后将会介
的化合物”这一原始定义还没有达到协调一致。例如：
如果金属配位键属于化学键，则 通常认为是超分子的[Eubpy-
如果金属配位键属于分子间作用， 则通常认为是分子的[Ru(bpy)3]2+应 视为超分子：
bpy-bpy]3+就应视为分子：
自然界——尤其是生物界——
早就为人类展示了丰富多彩的超分
子体系。仿生学 (bionics) 中的格言
6.2.4 疏水效应
疏水作用不是一种单独的作用，只是由于水分子或极
性基团与水分子之间可以生成氢键，而非极性基团不能与
水形成氢键，作用力较弱。结果，极性基团倾向于聚集， 使碳氢链表现出逃离水而自相缔合的趋势。
6.3 分子识别与自组装
分子间的相互作用往往呈现加和性和协同性，进而产
生方向性和选择性，决定分子识别和位点识别，由此驱动
6.4.2 杯芳烃/球碳配合物
杯芳烃形如希腊圣杯。杯[n]芳烃中的n多为偶数，目前已合成 n=4~16的杯芳烃，但n为奇数的杯芳烃仍属少见，已知的只有杯[5]
芳烃和杯[7]芳烃：
对溴杯[4]芳烃和对溴杯[5]芳烃
杯芳烃具有大小可调的三维空腔，上下沿易于选择性
修饰。根据功能化程度的不同，可以络合阳离子、阴离子 或中性分子，发挥离子载体、分子识别和包合，酶催化等 作用, 可作为结构平台来合成具有预组织结构的大量主体分 子，被看作超分子化学中继冠醚、穴醚及环糊精之后更具

超分子的特征超分子是化学中一个重要的概念，指的是由多个分子通过非共价相互作用形成的大分子结构。

这种相互作用包括氢键、离子键、范德华力等。

超分子化学领域的研究对于理解生物体系中的相互作用、开发新型功能材料等具有重要意义。

在本篇文章中，我将深入探讨超分子的特征，包括其组成、结构和性质等，并分享我的观点和理解。

1. 组成超分子由两个或更多的分子通过非共价相互作用形成。

这种相互作用可以是化学键以外的其他弱相互作用力，如氢键、范德华力、离子键等。

这些相互作用力相对较弱，使得超分子可以在适当条件下被破坏和再组合。

超分子的组成分子可以是相同的，也可以是不同的。

2. 结构超分子的结构通常呈现出有序的、规则的排列方式。

DNA分子由两条互补链通过氢键相互结合形成双螺旋结构；蛋白质则通过氢键、离子键和范德华力等相互作用形成复杂的三维结构。

超分子的结构具有层次性，从较小的结构单元组装而成的更大的结构单元，最后形成整个超分子体系。

3. 性质超分子体系具有一系列特殊的性质，这些性质常常与组成超分子的分子及其相互作用方式密切相关。

超分子可以表现出选择性、可逆性、自组装性等特点。

选择性指超分子对特定分子的识别和结合能力，这种选择性是通过分子间的互相适应实现的。

超分子的非共价相互作用往往是可逆的，这使得超分子体系在适当条件下可以进行破坏和再组合。

超分子自组装是指分子通过非共价相互作用自发地形成有序的结构。

总结回顾：通过对超分子的特征进行深入探讨，我们可以发现超分子作为一种组成复杂大分子结构的手段在化学中具有重要的地位。

超分子的组成由多个分子通过非共价相互作用而成，其结构呈现出有序的、规则的排列方式。

超分子具有选择性、可逆性和自组装性等特点，这些性质使得超分子在诸多领域具有广泛的应用前景。

个人观点和理解：在我看来，超分子的研究对于理解生物体系中的相互作用机制具有重要意义。

通过研究超分子的结构和特性，我们可以更好地理解生物分子之间的相互作用，从而为药物设计、生物传感器等领域的应用提供理论基础。