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一、超分子化学的概述1973年，D.J.Cram报道了一系列具有光学活性的冠醚，可以识别伯胺盐形成的配合物；分子识别的出现为这一新的化学领域注入了强大的生命力，之后它进一步延伸到分子间相互识别和作用，并广泛扩展到其它领域，从此诞生了超分子化学。
超分子化学的概念和术语是在1978年引入的，作为对前人工作的总结和发展。
1987年，Nobel化学奖授予了C.J.Pederson、D.J.Cram和J.-M.Lehn，标志着超分子化学的发展进入了一个新的时代，超分子化学的重要意义也因此被人们更多的理解。
[1]超分子化学是关于若干化学物种通过分子间相互作用，包括氢键、主客体作用、疏水疏水作用、静电作用、堆积等作用结合在一起构筑的、具有高度复杂性和一定组织性的整体化学超分子化学的定义可由下图所示图一：从分子化学到超分子化学：分子、超分子、分子和超分子器件由上图所示分子化学是基于原子间的共价键，而超分子化学则基于分子间的非共价键相互作用，即两个或两个以上的物质依靠分子间键缔合，所以超分子化学也可以被定义为分子之外的化学。
图二：分子与超分子由弱相互作用加和形成强相互作用，由各向同性通过定向组合（选择性）形成各向异性，这是分子化学和超分子化学的分界线。
超分子化学不是靠传统的共价键力,而是靠非共价键的分子间作用力,如范德华力,即由分子内的永久偶极、瞬间偶极和诱导偶极在分子间产生的静电力、诱导力和色散力的相互作用,此外还包括氢键力、离子键力、阳离子一二和叮一二堆集力以及疏水亲脂作用力等。
一般情况下,它是几种力的协同、加和,并且还具有一定的方向性和选择性,其总的结合力强度不亚于化学键。
正是这些分子间弱相互作用的协调作用(协同性、方向性和选择性决定着分子与位点的识别。
[2] 超分子化学并非高不可攀，有许多超分子结构都处于我们的日常生活中，如的结构类似于圆弓西方把轮烯比为东方的算盘，索烃是舞池中的一对舞伴，C60建筑物，环糊精和当今的激光唱片一样有同样的功能--储存和释放信息，DNA双螺旋则与早餐的麻花形状相似。
什么是超分子化学
超分子化学是一门研究分子之间相互作用、组装和形成的复杂有序且具有特定功能的分子集合体的科学。
它超越了传统分子的概念，涵盖了多种化学物种通过分子间力相互作用缔结而成的具有特定结构和功能的超分子体系。
超分子化学被认为是21世纪化学发展的重要方向，与生命科学、材料科学等领域密切相关。
超分子化学的研究分为两个方向：超分子化学（主-客体化学）和超分子有序组装体化学。
其中，超分子化学主要研究两种或两种以上的分子通过分子间力相互作用结合而成的具有复杂结构和功能的超分子体系。
这种相互作用包括氢键、范德华力、疏水相互作用等。
超分子体系可以表现出独特的物理和化学性质，例如自组装、分子识别、催化等。
环糊精（cyclodextrins）和激光唱盘（CD）是超分子化学中的典型例子。
环糊精是一类具有环状结构的碳水化合物，能够与各种客体分子形成稳定的包合物，实现药物缓释、催化剂固定等功能。
激光唱盘（CD）则是利用分子间的相互作用来实现信息存储和读取的例子。
超分子化学在材料科学、生物学、环境科学等领域具有广泛的应用前景。
例如，在材料科学中，超分子体系可以用于制备具有特定性能的聚合物、液晶、纳米材料等。
在生物学中，超分子化学研究生物体内分子之间的相互作用，有助于揭示生命现象的本质。
在环境科学领域，超分子化学可以为污染治理提供新型方法和技术。
总之，超分子化学是一门跨学科的研究领域，旨在探索分子间的相互作用和组装规律，以实现具有特定结构和功能的超分子体系。
它不仅丰富了化学的基本理论，还为实际应用和创新提供了广阔的空间。
超分子化学及应用前景超分子化学是一种研究分子之间相互作用的学科。
它的研究对象是分子、离子或原子之间的相互作用。
超分子化学的基本理论是分子间相互作用，包括氢键、离子-电荷相互作用、范德华力、π-π相互作用等。
超分子化学的应用领域非常广泛，例如药物设计，纳米材料制备，生物分子识别等。
下面将从分子自组装、生物分子识别以及纳米材料制备几个方面来深入探讨超分子化学的研究内容和应用前景。
一、分子自组装分子自组装是超分子化学研究的重要领域之一。
分子自组装是指分子在一定条件下自发地组装成二维、三维超分子结构的过程。
分子自组装是一种特殊的超分子化学过程。
分子自组装的最大特点是能自我识别和自我组装。
分子自组装具有高效、低成本、低毒性、可控性和易复现等优点，因此在纳米材料设计、药物输送等领域具有广泛的应用前景。
近年来，分子自组装技术在纳米材料制备方面得到了广泛应用。
例如，通过分子自组装法可以制备出具有特殊性能的金属纳米粒子、二维纳米材料、三维立方体纳米晶体等。
这些纳米材料在电子学、催化剂、能源材料等领域有着广泛的应用前景。
二、生物分子识别超分子化学的另一个应用领域是生物分子识别。
生物分子识别是指分子通过相互作用识别和结合特定的生物分子。
生物分子识别在药物设计、疾病诊断、生物传感器以及基因识别等领域具有广泛的应用。
在药物研发方面，生物分子识别技术被广泛应用于药物分子的设计和发现。
利用分子自组装技术和生物分子识别技术，可以设计出特定结构和特定作用的药物分子，具有高效性、低毒性、良好的生物相容性等优点。
例如，利用共价键和非共价键相互作用，可以设计出智能型药物释放系统，具有对肿瘤局部性治疗的独特优势。
三、纳米材料制备纳米材料制备也是超分子化学的重要应用领域。
纳米材料是一种尺寸在纳米级别的材料，具有较大的表面积和量子效应等特殊性质。
纳米材料的制备方法非常多样，其中，超分子化学在制备纳米材料方面具有很大的优势。
利用分子自组装技术，可以制备出细胞膜样纳米结构、多层空心球体结构、纳米管结构等新型纳米材料。
超分子化学的分类、性质以及研究前景一、超分子的概述超分子化学由于与生命科学密切相关已成为一门新兴的化学学科，它是基于冠醚与穴状配体等太环配体的发展以及分子自组装的研究和有机半导体、导体的研究进展而迅速发展起来的。
Lehn给超分子化学起了这样一个定义：“超分子化学是超出单个分子以外的化学，它是有关超分子体系结构与功能的学科。
超分子体系是由两个或两个以上的分子通过分子间超分子作用联接起来具有一定结构和功能的实体或聚集体”。
超分子化学(Chemistry)是在分子和原子的水平上研究物质的性质、组成、结构及变化规律和其应用、制备，以及物质间相互作用关系的科学。
分子是保持物质性质的最小单位。
分子化学是基于原子间的价键，是共价键化学。
然而，分子并不是孤立存在的，而是处于分子问的相互作用中，如范德华(vander Waals)力(包括离子一偶极、偶极一偶极和偶极一诱导偶极相互作用)、静电力、疏水相互作用和氢键等，这些作用力统称为非共价键力。
这些非共价键力弱于共价键力，但是分子之间几种弱相互作用力协同作用的强度却不次于化学键，其在生命体系中起着非常重要的作用。
超分子化学(Supramolecular Chemistry)就是以非共价键弱相互作用力键合起来的复杂有序且具有特定功能的分子聚合体的化学。
可以说超分子化学是共价键分子化学的一次升华、一次质的超越，因此被称为是“超越分子概念的化学”。
打个形象的比喻，如果把超分子比作足球队的话，那么球队的每个成员就是一个分子，一个有组织的足球队的表现并不是单个球员表现的简单加和，而是作为一个有序的聚合体，具有远远超过单个成员简单加和的更特殊和更高级的功能。
超分子体系所具有的独特有序结构正是以其组分分子间非共价键若弱相互作用为基础的。
一般认为，超分子体系分子间的弱相互作用力主要指范德华力（包括静电力、诱导力、色散力和交换力）、氢键、堆砌作用力几种形式。
基于金属-有机配合物设计与合成具有特定结构和性质的新型配位聚合物及超分子化合物是晶体工程学的重要目标。
超分子化学概念
超分子化学是一门研究分子之间的相互作用以及这些相互作用所形成的稳定结构和功能的学科。
在超分子化学中，重点研究分子间的非共价相互作用，如氢键、范德华力、离子作用等，并利用这些相互作用来设计、合成和调控具有特定功能的超分子体系。
超分子化学的重要概念包括分子识别、自组装和分子承载。
分子识别是指分子之间通过非共价相互作用，如氢键和范德华力，实现对特定配体结构的识别和选择性结合。
自组装是指在适当的条件下，分子通过非共价相互作用自发地组装成稳定的超分子结构，如聚集体和晶体。
分子承载是指一种分子能够通过与其他分子的相互作用形成一种容器结构，使其他分子能够进入其中并被固定或释放出来。
超分子化学的研究内容涉及多个领域，如有机化学、物理化学、生物化学等，其应用范围也非常广泛。
超分子化学的研究成果已经在材料科学、药物设计、化学传感器、催化剂设计等领域产生了重要的应用价值。
有机化学中的超分子化学超分子化学是现代有机化学研究领域中的一个重要分支，涉及到由分子间相互作用所形成的结构、性质和功能。
超分子化学的出现，为我们揭示了分子间相互作用的重要性，也为有机化学带来了新的突破和进展。
本文将介绍有机化学中的超分子化学，包括其基本原理、研究方法和应用。
一、超分子化学的基本原理超分子化学的基本原理是基于分子间相互作用的研究，包括分子间的氢键、范德华力、电子转移等相互作用。
这些相互作用可以通过合适的分子设计和选择来实现特定结构的组装和稳定。
超分子化学研究的重点是在高度自组装的体系中设计和构筑功能材料、纳米结构和生物分子。
二、超分子化学的研究方法超分子化学的研究方法包括分子识别、自组装、化学传感和功能材料研究等。
其中，分子识别是超分子化学的基础，通过选择性结合和配位作用，实现对特定分子的识别和分离。
自组装是超分子化学的核心概念，指的是分子通过非共价键的相互作用形成有序结构，如聚集体、纤维等。
化学传感是超分子化学的重要应用之一，通过利用分子间相互作用的变化来实现对特定物质的检测和分析。
功能材料研究则将超分子化学应用于材料科学领域，设计和制备具有特定性能的新材料。
三、超分子化学在有机合成中的应用超分子化学在有机合成中有着广泛的应用。
例如，利用分子识别和自组装原理，可以设计和合成具有特定结构、性质和功能的分子，用于催化反应、分子识别和有机合成。
此外，在有机杂化材料和分子电子领域，超分子化学也发挥了重要作用。
通过有机分子的自组装，可以构筑出具有特定功能和性能的杂化材料，并用于光电器件、传感器和存储材料等方面。
四、超分子化学与生物学的交叉研究超分子化学与生物学之间存在着密切的联系和交叉研究。
例如，在生物大分子的识别、组装和功能等方面，超分子化学提供了重要的思路和方法。
通过设计和合成具有特定结构和功能的超分子化合物，可以模拟生物体系中的分子识别和自组装过程，从而实现对生物过程的理解和仿生研究。
―超分子‖(supramolecular)一词早在20世纪30年代已经出现,但在科学界受到重视却是50年之后了.超分子化学可定义为/超出分子的化学,是关于若干化学物种通过分子间相互作用结合在一起所构成的,具有较高复杂性和一定组织性的整体的化学.在这个整体中各组分还保持某些固有的物理和化学性质,同时又因彼此间的相互影响或扰动而表现出某些整体功能.超分子体系的微观单元是由若干乃至许许多多个不同化合物的分子或离子或其他可单独存在的具有一定化学性质的微粒聚集而成.聚集数可以确定或不确定,这与一分子中原子个数严格确定具有本质区别,把多个组分的基本微观单元聚集成超分子的凝聚力是一些(相对于共价键)较弱的作用力.如范氏力(含氢键)亲水或憎水作用等. 超分子化学的发展特别要提到三个人，Pederson C，Cram D J和Lehn J M，他们分享了1987 年诺贝尔化学奖。
1967 年Pederson 等第一次发现了冠醚。
他原先想合成的是一个非环聚醚(多元醚)，但在纯化过程中分离出极少量产率仅0.4%的丝状有纤维结构并不溶于羟基溶剂的白色晶体。
受好奇心驱使，他进行了深入研究，发现它是一种大环聚醚，即命名为冠醚，它是由于非环聚醚前体与碱金属离子配位结合，阳离子使配体预组织后更有利于环化而形成的。
这可以说是第一个在人工合成中的自组装作用。
Pederson 诺贝尔演说的题目就是―冠醚的发现‖，他提到要是当年忽略了这种并非期待的杂质，他可能就与冠醚失之交臂。
Cram 诺贝尔演说的题目是―分子主客体以及它们的配合物的设计‖。
他受到酶和核酸的晶体结构以及免疫系统专一性的启发，从1950 年代起就想设计和合成较简单的有机化合物，来模仿自然界存在的一些化合物的功能，他认识到高度结构化的配合物是中心，Pederson 的工作一发表，他就意识到这是一个入口，由此开展了系列的主客体化学的研究。
主客体也就是生物学中常采用的受体与基质，它们间的作用是典型的自组装作用。
第一章从分子化学到超分子化学（2学时）第一节超分子化学的发展历程超分子化学（Supramolecular Chemistry）根源于配位化学，有人称之为广义配位化学（generalized coordination chemistry），是三十多年来迅猛发展起来的一门交叉学科，它与材料科学、信息科学、生命科学等学科紧密相关，是当代化学领域的前沿课题之一。
这个领域起源于碱金属阳离子被天然和人工合成的大环和多环配体，即冠醚和穴醚的选择性结合。
1967年C.J. Pederson报道了冠醚配位性能的发现，揭开了超分子化学发展的序幕；随后，J.-M. Lehn报道了穴醚的合成和配位性能，这种由双环或三环构成的立体结构比平面冠醚具有更好的对金属离子配位能力；1973年，D. J. Cram报道了一系列具有光学活性的冠醚，可以识别伯胺盐形成的配合物；分子识别的出现为这一新的化学领域注入了强大的生命力，之后它进一步延伸到分子间相互识别和作用，并广泛扩展到其它领域，从此诞生了超分子化学。
超分子化学的概念和术语是在1978年引入的，作为对前人工作的总结和发展。
1987年，Nobel化学奖授予了C.J. Pederson、D. J. Cram和J.-M. Lehn，标志着超分子化学的发展进入了一个新的时代，超分子化学的重要意义也因此被人们更多的理解。
BC自组装自组织从分子化学到超分子化学：分子、超分子、分子和超分子器件第二节超分子化学的定义和分类方法分子化学是基于原子间的共价键，而超分子化学则基于分子间的非共价键相互作用，即两个或两个以上的物质依靠分子间键缔合。
图1.1中简介了从分子化学到超分子化学的基本特征。
1987年，当年的诺贝尔化学奖获得者之一，法国的J. M. Lehn教授在获奖演说中曾为超分子化学作出了如下解释：超分子化学是研究两种以上的化学物种，通过分子间相互作用缔结而成的、具有特定结构和功能的超分子体系的科学。
简而言之，超分子化学是研究多个分子通过非共价键作用而形成的功能体系的科学。
超分子化学研究包括分子识别（molecular recognition）、分子自主装（self assembly）、分子自组织（self organization）和超分子器件(supermolecular device)等。
分子识别是超分子化学的一个核心研究内容之一。
所谓分子识别即是指主体（受体）对客体（底物）选择结合并产生某种特定功能的过程。
有人把这一过程形容为锁和钥匙的关系。
在生物体系中存在着广泛的分子识别。
酶和底物之间、基因密码的转录和翻译、细胞膜的选择性吸收等等都涉及到分子识别。
分子识别中的主体主要有冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、卟啉等大环主体化合物。
对以非共价键弱相互作用力键合起来的复杂有序且具有特定功能的分子集合体，即超分子化学的研究，可以说是共价键分子化学的一次升华，一次质的超越，被称为是“超出分子范围的化学”。
分子识别不是依赖于传统的共价键力，而是靠非共价键力，即分子间的作用力，如范德华力（Van der Waals）（包括离子-偶极，偶极-偶极和偶极-诱导偶极相互作用）、疏水作用和氢键等。
通过多个超分子的亚单元自组织或自主装能够得到稳定的、具有特异空间结构和功能的大分子聚集体，可以潜在地作为分子器件或超分子器件。
第三节超分子化学发展现状欧洲、日本领先，中国等随后跟踪。
美国未有此提法。
第二章分子识别和分子自组装（4学时）第一节识别、信息、互补原则和分子受体的设计（2学时）识别和信息以前用于生物相关体系中，直到20世纪70年代初，冠醚选择性地结合金属离子，开始进入化学领域。
2.1.1分子识别的定义分子识别是通过一个给顶的受体分子结合和选择底物过程中的能量和信息来定义的，此过程中也可能包括一特殊的功能。
识别就是结合对中几何尺寸和相互作用间的互补性，即受体相对于一给定底物的最佳信息量。
这相当于一双互补原理扩展到能量特征和几何特征，后者由“锁和钥匙”体现。
受体与底物的识别受以下几个因素影响：（1）底物和受体间的立体互补，即在适当位置上有凹或凸区域（2）作用力互补，即在底物和受体适当位置上有互补结合点（如正/负静电力，电荷/偶极，氢键给/受体，等）（3）在底物和受体间有较大的接触区域（4）多个相互作用位点（5）大区域强结合（6）介质效应2.1.2分子受体的设计分子受体定义：通过共价键结合的有机结构，这种结构有能力通过分子间各种相互作用力选择性地结合离子和分子底物，从而形成两个或更多物种有序体，即超分子。
分子受体设计就是在有机分子中表达分子识别原理。
受体化学，即人工受体分子化学，代表的是一种广义的配位化学，不仅过渡金属，而且：阳离子、阴历子或中性有机物种，无机物或生物种类。
分子受体的设计的原则：（1）底物（ρ）与受体（σ）的互补性，三维结构，键合点的适当分布（2）底物（ρ）与受体（σ）大面积接触，如大多环结构（3）溶剂（4）刚性与柔性之间的平衡，刚性即锁和钥匙；柔性受体通过“诱导装配”过程，高度选择性，低的稳定性。
柔性受体通过交换、调节、协调性和变构效应实现2.1.3识别和多重识别1、球形识别——金属阳历子穴状配合物球形底物识别是最简单的识别：球形底物既可以是携带正电荷的金属阳离子(碱金属、碱土金属和镧系金属阳离子)，也可以是携带负电荷的卤阴离子。
三个主要环状穴状配合物：（1）天然大环，如缬氨霉素；（2）合成大环聚醚，冠醚；（合成大多环配体）。
多氮杂、多硫杂配体，过渡金属离子的识别：用氮、硫替代氧而产生的大环配体或穴醚不仅对过渡金属表现出极强的亲和性，对其它的高毒性重金属离子，如镉、铅、汞离子，也具有极高的选择性。
2、大三环穴醚配合物的四面体识别四面体底物的选择性结合需要构建一个带有四面体识别位点的受体分子。
3、中性分子的结合和识别中性分子的结合和识别要利用静电相互作用、给体-受体相互作用，特别是氢键相互作用。
4、阴离子底物的识别静电作用和结构效应多环聚胺第二节分子自组装和自组织(2学时)2.2.1分子自组装和自组织自组装和自组织的研究90年代初主要集中在生物和物理领域，而超分子化学的出现为化学在此领域的探索及应用其设计和控制的能力提供了途径和方法。
超分子化学为了实现识别、催化、传输过程和装配分子器件，都要借助于分子自组织和自组装。
从冠醚、穴醚和球状配体等的设计起就包含了分子自组织和自组装。
分子自组织可以认为是一组相互交叉的、有序的自组装。
有以下特点：（1）包括在空间上或时间上都表现出自发的有序性体系；（2）包括空间结构和平衡结构和非平衡的结构两者的瞬间动力学的有序性，结构的有序性，结合的非线性化学过程的有序性及能量流动和时间方向上的有序性；（3）仅仅限于非共价键的超分子层次；（4）多组分在分子组分间由分子识别或在动力学过程中产生特殊相互作用，表现出超分子的自组织和长程有序性，从而形成多分子有序体。
简而言之，就是越有序，就是组织性越好。
如分子层、膜、胶束、胶体、液晶、分子晶体等。
分子自组织和自组装都是多步骤过程，此过程包含着信息和一种或多种类型智能化的组分。
分子自组织和自组装也与纯粹的摸板效应想区别，为了逐步组装高度复杂的分子或超分子器件，使用暂时或永久性的、无机或有机的辅助性的物质。
自组装可能包含模板效应，而模板效应本身严格来讲却不包含自组装过程（可认为他是几个自组装步骤中的一个步骤）。
通过分子信息和设计的超分子结构和有序性的产生是一个不断进步的过程，摸板效应——自组装——自组织。
分子自组织和自组装要求分子组分含有两个或多个作用位点，这样就可能建立起多重连接。
变构效应——生物体；自组织——正协同效应分子自组织和自组装可能随识别而发生。
注意：寻找分子自组织和自组装的抑制剂。
2.2.2无机结构的分子自组装和自组织无机结构分子自组织和自组装包括由有机配体和金属离子自发形成的结构确定的金属-超分子结构。
金属离子一方面像结合剂一样把陪体结合在一起；另一方面，又作为中心把配体定位在特定的方位上。
金属离子提供：（1）一套配位几何构型；（2）从弱到强的某个范围的结合强度，及从不稳定到惰性的形成和解离动力学：（3）多种光化学、电化学和反应的性能：（4）允许超分子结构可逆的组装-反组装。
1、双链螺旋和三链螺旋金属复合物的自组装：螺旋复合物配体-联吡啶金属-铜双链二螺旋到五螺旋2、多组分的自组装至少包括两个配体或金属离子环形、三脚架、圆柱形3、金属离子的超分子阵列：书架结构、梯子结构和栅栏结构2.2.3有机结构的分子自组装和自组织1、通过氢键自组装Janus分子当两个亚单元结合成为一单个基团，将拥有两个识别面，可称作Janus分子，即是一个双面的氢键识别单元。
同位点异位点Watson-Crick模型2、2.2.4分子手性和自组装第三章主客体化学教学目的和要求：了解主客体化学的发展历程，掌握主客体化学的定义与分类，掌握冠醚、环糊精、杯芳烃的结构特征、制备方法和作用机理，了解主客体化学的发展趋势教学重点和难点：掌握主客体化学的定义与分类，掌握冠醚、环糊精、杯芳烃的结构特征、制备方法和作用机理一、主客体化学的发展历程自从20世纪60年代末Pedersen's合成并发现冠醚以来.人们对分子识别现象的兴趣与日俱增。
Pedersen.lehn和Cram二人提出的主一客体化学(host-guest chemistry).包合物化学(inclusion chemistry)和超分子化学(supramoleculechemistry)等越来越为人们所熟悉和重视。
超分子化学是两个或多个化学物种借分子间的弱相互作用力形成的实体或聚集体的化学.现己成为化学中发展迅速、极富挑战性的新领域之一。
超分子的结合都是建立在分子识别基础之上的.所谓分子识别就是主体(或受体)对客体(或底物)选择性结合并产生某种特定功能的过程.是组装及组装功能的基础.是酶和受体选择性的根基。
二、主客体化学的分类方法和发展现状互补性(complementarity)及预组织(preorga_nization)是决定分子识别过程的两个关键原则.前者决定识别过程的键合能力。
底物与受体的互补性包括空间结构及空间电学特性的互补性。
空间结构互补性即锁钥关系”和‘诱导契合"( induced fit)。
电学特性互补包括氢键形成、静电作用、П－ПStacking作用、阳离子－П作用、疏水相互作用等.这要求主体及客体的键合点和电荷分布能很好匹配。
1分子识别在主一客体体系中.主体有选择性地识别客体并以某种方式与客体配位形成化合物。
多数这种化合物属于超分子体系.因为它们与没有相互作用的主体和客体的混合物相比有不同的特性。
影响主体识别各种客体的因素主要有:主体空穴的大小、空穴的形状、配位数、配体种类等。
