資源簡介

(共32張PPT)
第四節 配合物與超分子
第三章 晶體結構和性質
第2課時
超分子
在1987年，由于合成了穴狀配體，唐納德·克拉姆（Donald Cram）讓·瑪麗·萊恩和查爾斯·佩德森（Charles Pedersen）共享了諾貝爾化學獎。
1987年諾貝爾化學獎授予了超分子化學研究方面的三位科學家
克拉姆(美國)
佩德森(美國)
萊恩(法國)
超分子長什么樣子？
是如何形成的？
氫鍵是最強的分子間相互作用，很多分子可以通過氫鍵相互結合，形成具有固定組成的一個分子簇，這就是所謂的超分子。
核酸的雙螺旋結構是靠氫鍵來保持的
生命體中超分子體系：
葉綠體中的光系統I蛋白
一、超分子
1、定義
由兩種或兩種以上的分子通過分子間相互作用形成的分子聚集體稱為超分子。分子是廣義的，包括離子
2、超分子結構特點
分子層
分子團簇
分子長鏈
超分子是組成復雜的，有組織的分子聚集體，并保持一定的完整性使其具有明確的微觀結構和宏觀特性。
3、特性:
(1)分子間相互作用：通過非共價鍵結合，包括氫鍵、靜電作用、疏水作用以及一些分子與金屬離子形成的弱配位鍵等。
(2)分子聚集體大小:
有的是有限的 有的是無限伸展的
4、重要特征及其應用——分子識別：分離C60與C70
“杯酚”分離C60和C70：
向C60和C70的混合物中加入一種空腔大小適配C60的“杯酚”,再加入甲苯溶劑，溶解未裝入“杯酚”的C70，過濾后分離C70；再向不溶物中加入氯仿，溶解“杯酚”而將不溶解的C60釋放出來并沉淀。
杯酚與C60通過范德華力相結合，通過尺寸匹配實現分子識別
4、重要特征及其應用——分子識別：分離C60與C70
C60
C70
這個例子反映出來的超分子的特性被稱為“分子識別”。
O
O
O
O
O
O
O
O
O
15-冠-5 填充模型
15-冠-5 鍵線式
12-冠-4 球棍模型
14-冠-4 鍵線式
C 原子：2×4 = 8
O 原子：4
8 + 4 = 12
C 原子：2×5 = 10
O 原子：5
10 + 5 = 15
4、重要特征及其應用——分子識別：
b. 冠醚識別堿金屬離子
冠醚是皇冠狀的分子，可有不同大小的空穴適配不同大小的堿金屬離子
冠醚 冠醚空腔直徑/pm 合適的粒子（直徑/pm）
12-冠-4 120～150 Li+（152） 15-冠-5 170～220 Na+（204） 18-冠-6 260～320 K+（276）、Rb+（304） 21-冠-7 340～430 Cs+（334） 表3-6 冠醚識別鉀離子
18-冠-6–K+超分子
冠醚與金屬陽離子通過配位作用相結合，不同大小的冠醚可以識別不同大小的堿金屬離子。
思考： K+ 直徑為276 pm，應該選擇哪種冠醚呢？
18-冠-6
冠醚識別堿金屬離子的應用
冠醚能與陽離子尤其是堿金屬陽離子作用，并且隨環的大小不同而與不同的金屬離子作用，將陽離子以及對應的陰離子都帶入有機溶劑，因而成為有機反應中很好的催化劑。
1.冠醚靠什么原子吸引陽離子？
C 原子是環的骨架，穩定了整個冠醚
O原子吸引陽離子
思考· 討論
3.冠醚與堿金屬離子形成配合物得到的晶體里還有什么粒子，這類晶體是離子晶體、共價晶體還是分子晶體？
陰離子
離子晶體
思考· 討論
問題背景：
高錳酸鉀溶液可以氧化甲苯，從而褪色。
但是高錳酸鉀溶解在水中，難溶于甲苯，難以和甲苯充分接觸。實驗時需要不斷振蕩，二者才能充分反應，溶液褪色
探究· 拓展
實例分析：相轉移催化劑
示例實驗：甲苯與高錳酸鉀溶液的反應
實驗數據：溶有18-冠-6的甲苯與高錳酸鉀水溶液反應
甲苯中冠醚的濃度 褪色時間
30 g/L 5 min不褪色
60 g/L 5 min明顯褪色
120 g/L 4.5 min明顯褪色
實驗改進：做上述實驗時，加入冠醚(18-冠-6)
實驗數據：冠醚可以催化這個反應
二、超分子
應用：相催化反應
4.超分子的重要特征及其應用：
MnO4－
二、超分子
4.超分子的重要特征及其應用：
18-冠-6的大小與金屬K+離子匹配，將K+以及對應的陰離子(MnO4－)都帶入有機溶劑，使游離的高錳酸根反應活性很高，從而快速發生反應。
MnO4－
KMnO4 ＋
K+ MnO4－
甲苯
需振蕩，且很長時間才能反應
反應加快
應用：相催化反應
自組裝定義:
超分子組裝的過程稱為分子自組裝，自組裝過程是使超分子產生高度有序的過程。
細胞和細胞器的雙分子膜
細胞膜兩側為水溶液，水是極性分子，而構成膜的兩性分子的頭基是極性基團而尾基是非極性基團。頭基為親水基團，頭部會朝向水溶液一側，從而實現自組裝。
（2）自組裝示例1
超分子的自組裝
二、超分子
(2) 分子自組裝
4.超分子的重要特征及其應用：
純水 洗滌靈 膠束
表面活性劑
表面活性劑
“兩親分子”：一端為親水基團，另一端為疏水基團
低濃度時，優先在溶液表面形成單分子層
高濃度時，在溶液中形成膠束
（2）自組裝示例2
2016年索瓦日、斯托達特、費林加，因其在分子機器方面的貢獻獲得超分子領域的第二次諾貝爾化學獎
2020年，我國博士后王振元：
潛心創新，成功開發出超分子生物
催化技術，打破了國外巨頭在化妝
品高端原料市場的壟斷地位。
【工匠精神】
通過對超分子研究，人們可以模擬生物系統，復制出一些新材料，如：新催化劑、新藥物、分子器件、生物傳感器等功能材料。
超分子的未來發展
超分子
概 念
作用力
特征
分子識別
自組裝
冠醚識別堿金屬離子
“杯酚”分離C60 和 C70
由兩種或兩種以上的分子通過分子間相互作用形成的分子聚集體稱為超分子。
通過非共價鍵結合，包括氫鍵、靜電作用、疏水作用以及一些分子與金屬離子形成的弱配位鍵等。
課堂小結
配合物的性質————溶解性、顏色、穩定性
配合物應用————生命體、醫藥及生產生活等領域
1．超分子化學已逐漸擴展到化學的各個分支，還擴展到生命科學和物理學等領域。由Mo將2個C60分子、2個p-甲酸丁酯吡啶及2個CO分子利用配位鍵自組裝的超分子結構如圖所示，該超分子中存在的化學鍵類型有
A．σ鍵、π鍵、離子鍵
B．σ鍵、π鍵、氫鍵
C．σ鍵、π鍵
D．σ鍵、π鍵、離子鍵、氫鍵
C
課堂練習
2、冠醚(皇冠狀分子)因具有分子識別能力,成為超分子化學中重要一員。18-冠-6 是其中的一種,結構如圖。下列說法正確的是(　　)。
A.該分子是CH3OCH3的同系物
B.該分子中所有原子可能共平面
C.該分子含有σ鍵、極性鍵、非極性鍵
D.該有機物的最簡式與甲醛的分子式相同
C
3、冠醚能與陽離子,尤其是與堿金屬離子作用,并且隨環的大小不同而與不同的金屬離子作用。12-冠-4與鋰離子作用而不與鈉離子、鉀離子作用;18-冠-6與鉀離子作用(如圖),還可與重氮鹽作用,但不與鋰離子或鈉離子作用。下列說法錯誤的是(　　)
A.18-冠-6中C和O的雜化軌道類型相同
B.18-冠-6與鉀離子作用,不與鋰離子或鈉離子作用,這反映了超分子的“分子識別”的特征
C.18-冠-6與鉀離子作用反映了超分子的自組裝的特征
D.冠醚與堿金屬離子作用的原理與其可作相轉移催化劑的原理有關
C
4.圖1表示某種含氮有機化合物的結構，其分子內4個氮原子分別位于正四面體的4個頂點(見圖2)，分子內存在空腔，能嵌入某種離子或分子并形成4個氫鍵予以識別。
下列分子或離子中，能被該有機化合物識別的是____(填字母)。
a.CF4 b.CH4 c.NH4+ d.H2O
c
5、超分子化學已逐漸擴展到化學的各個分支，還擴展到生命科學和物理學等領域。由Mo將2個C60分子、2個p-甲酸丁酯吡啶及2個CO分子利用配位鍵自組裝的超分子結構如圖所示：(1)Mo處于第五周期第ⅥB族，價電子排布與Cr相似，它的基態價電子排布式是　　　；核外未成對電子數是___個。 (2)該超分子中存在的化學鍵類型有　　　　。
A. σ鍵 B. π鍵 C. 離子鍵 D. 氫鍵
(3)該超分子中配體CO提供孤電子對的原子是　　　(填元素符號)，p-甲酸丁酯吡啶配體中C原子的雜化方式有　　　　。
p-甲酸丁酯吡啶配體
4d55s1
6
AB
C
sp2和sp3
4．堿金屬氯化物是典型的離子化合物，NaCl和CsCl的晶胞結構如圖所示。其中的堿金屬離子能夠與冠醚形成超分子。下列說法不正確的是
A．在NaCl晶體中，距Na+最近的Na+有12個
B．CsCl晶體中Cs+周圍緊鄰8個Cl-
C．堿金屬離子與冠醚通過離子鍵形成超分子
D．不同空穴尺寸的冠醚可以對不同堿金屬離子進行識別
C
課堂練習
5．利用超分子可分離C60和C70，將C60、C70混合物加入一種空腔大小適配C60的“杯酚”中進行分離的流程如圖。下列說法正確的是
A．杯酚與C60形成氫鍵
B．C60與C70晶體類型不同
C．該分離過程利用的是超分子的分子識別特征
D．一個C60晶胞中含有8個C60分子
C
課堂練習

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