超分子化学课堂

1

第一章超分子化学基础应用有机化学超分子化学

研究由两种以上的化学物质(分子、离子等)借分子间力相结合而形成的超分子实体，这种有一定组织构造的实体具有很好设定的性能。

分子化学

:共价键的化学

Wöhler合成尿素；Robert B. Woodward 和Albert

Eschenmoser在上百位合作者的参与下合成维他命B12超分子化学: 分子间键的化学，其目标是控制分子

间价键。

从分子化学到超分子化学：分子、超分子、分子和超分子器件

三位超分子化学研究方面的科学家

获得1987年的Nobel化学奖

󰂄美国的C. J. Pederson、D. J. Cram教授

󰂄法国的J. M. Lehn教授教授。。

1967 年Pederson等第一次发现了

冠醚。

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。

O

O

O

O

O

OIUPAC：

含-O(CH

2CH

2O)

n-结构的环状聚醚化合物

简称为（王）冠醚化合物（Crown ether）杯芳烃

󰂄杯芳烃杯芳烃：：苯酚衍生物与甲醛反应得到的一类环状缩合物苯酚衍生物与甲醛反应得到的一类环状缩合物。。

󰂄分子形状与希腊圣杯分子形状与希腊圣杯（（Calixcrater）相似

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”。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。Lehn诺贝尔演说的题目则是“超分子化学——范围与展望、分子、超分子和分子器件”直接地提出了超分子化学的命题，他建议将超分子化学定义为“超出分子的化学”(Chemistry beyond the molecule)。早在1966 年，对于神经系统中的过程的兴趣，促使他想到一个化学家如何为这种最高生物功能的研究作出贡献，由于神经细胞运作与跨越细胞膜的Na+和K+的分布变化有关，因而想设计合成环肽来监控膜间K+的传递。Pederson 工作发表后，Lehn意识到这种物质可以将大环抗菌素的配价能力与醚的化学稳定性结合起来，进一步考虑到具有三维球形空腔的物质，能够整体包围离子，将形成比平面大环更强的配合物，由此设计了大双环配体、多重识别配体等，研究了它们的结构、催化性能、传递性能，并进一步进行分子器件的设计。

第三章 晶体结构与性质

第四节 配合物与超分子

第2课时 超分子

一、选择题

1．（2023·吉林高二吉林一中校考期末）下列物质不属于超分子的是

A．“杯酚”B．C60C．(Al13K3O)6D．21－冠－7

2．（2022·山东聊城高二校考阶段练习）如图1表示某种含氮有机化合物的结构简式，能识别某些离子或

分子而形成超分子。该分子内4个氮原子分别位于正四面体的4个顶点(见图2)。分子内存在空腔，能嵌入某

种离子或分子而形成4个氢键并予以识别。下列分子或离子中，能被该含氮有机化合物识别的是

A．CF4B．NH＋4C．CH4D．H2O

3．（2022·黑龙江哈尔滨高二哈尔滨三中校考期中）下列关于超分子的说法中，不正确的是

A．超分子是由两种或两种以上的分子必须通过氢键相互作用形成的分子聚集体

B．将C60加入一种空腔大小适配C60的“杯酚”中会形成超分子

C．碱金属离子虽然不是分子，但冠醚在识别碱金属离子时，形成的也是超分子

D．超分子的重要特征是自组装和分子识别

4．（2022·山东临沂高二统考期中）超分子化学已逐渐扩展到化学的各个分支，还扩展到生命科学和物理

学等领域。由Mo将2个C60分子、2个p－甲酸丁酯吡啶及2个CO分子利用配位键自组装的超分子结构如图

所示，该超分子中存在的化学键类型有

A．σ键、π键、离子键B．σ键、π键、氢键

C．σ键、π键D．σ键、π键、离子键、氢键

5．（2022·天津和平高二天津市第二十一中学校考期中）下列关于超分子和配合物的叙述不正确的是

A．利用超分子的分子识别特征，可以分离C60和C70B．配合物中只含配位键

C．[Cu(H2O)4] 2＋中Cu2＋提供空轨道，H2O中氧原子提供孤对电子，从而形成配位键

D．配合物在半导体等尖端技术、医学科学、催化反应和材料化学等领域都有广泛应用

6．（2023·山东烟台市高二上学期期末）下列说法正确的是

A．CaC2和CaCl2均为含有共价键的离子化合物

B．XeF4是共价化合物，空间构型为正四面体形

第一章 超分子化学概述

1.1 从分子化学到超分子化学

1987年Nobel化学奖授予了C. J. Pedersen、 J.-M. Lehn和D. J. Cram标志着化学的发展进入了

一个新的时代，发轫于Pedersen对冠醚的基本性发现[1]而分别由Cram、Lehn发展起来的主-客体化

学[2]、超分子化学[3]的重要意义也因此才被人们真正认识到。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“超越分子概念的化学”，它不仅在材料科学和信息科学，而且在生命

科学中也均具有重要的理论意义和潜在的广阔应用前景。例如，小分子和生物大分子之间高度特异

的识别在生命过程中的调控、生物体内反应、输送和生物体中受体—底物相互作用等，从化学角度

看，其基本现象都是分子间的相互作用。

超分子化学的产生、发展是历史的必然，是符合人类的认识规律的，是应人类认识自然的需要

而产生的。化学发展的历史告诉我们：早期的化学研究的是天然存在的具体的物质(多数为混合物)，

实验方法的引入与实验技术的发展使化学的研究对象逐渐演变成单一的物质，进一步的研究表明物

质是由分子构成的，分子是物质保持化学性质的最小单位。一百五十多年来，尤其是有机化学研究

对象是分子通过共价键的断裂与形成而发生转变，而始终没有重视分子间的非共价键的相互作用。

这正如在物理学上没有发现万有引力之前，认为星球、甚至任何物体之间彼此独立，没有相互作用；

也正如物理化学中抽象出来的基于以下两条基本假设的理想气体模型：(1) 气体分子的体积忽略不

计；(2) 不考虑分子间的相互作用力。由此理想模型得出了很多科学原理，如气体状态方程等，然后

再对这些原理或公式进行一定的修正以解释各种各样的实际情况。只有当人们对理想情况研究比较

透彻时，才有能力去解决实际的情况。超分子化学的产生与发展正是在共价键分子化学的研究进行

第17卷󰀁第5期大学化学2002年10月

今日化学

超分子结构化学

周公度

(北京大学化学学院󰀁北京100871)

󰀁󰀁超分子(supramolecule)通常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。由分子到超分子和分子间相互作用的关系,正如由原子到分子和共价键的关系一样。

󰀁󰀁1987年,诺贝尔化学奖授予C.Pedersen(佩德森)、J󰀁M.Lehn(莱恩)和D.Cram(克拉姆)等

在超分子化学领域中的奠基工作:佩德森发现冠醚化合物,莱恩发现穴醚化合物并提出超分子

概念,克拉姆是主客体化学的先驱者[1~3]。此后,作为化学的前沿领域,超分子化学引起了人

们的广泛关注,近10多年来获得了很大的发展。研究超分子的形成、作用、结构和性能的超分

子化学,已扩展到化学的各个分支,还扩展到生命科学和物理学等许多其他学科,并形成新的

学科领域[4~11]。

󰀁󰀁超分子和超分子化学通常包括以下两个范围较广而部分交叠的领域。

󰀁󰀁(1)将超分子定义为由确定的少数组分(受体和底物)在分子识别原则基础上经过分子间

缔合形成的分立的低聚分子物种。

󰀁󰀁(2)由大量不确定数目的组分按其性质自发缔合成超分子聚集体(supramolecularassem󰀁

blies)。它又可分为两类:󰀁薄膜、囊泡、胶束、介晶相等,它的组成和结合形式在不断变动,但

具有或多或少确定的微小组织,按其性质,可以宏观表征的体系;󰀁由分子组成的晶体,它组

成确定,并且具有整齐排列的点阵结构,研究这种超分子的工作常称为晶体工程。

󰀁󰀁下面首先根据结构化学的原理和观点,探讨促使超分子体系稳定形成的因素;其次讨论各

种分子间的相互作用,使分子相互识别和自组装;然后再讨论晶体工程的特点;最后讨论超分

子结构化学原理的应用。在讨论中辅以实例,使内容丰富生动。

1󰀁超分子稳定形成的因素