資源簡介

(共33張PPT)
第三章 晶體結構與性質
第四節 配合物與超分子
第2課時 超分子
1.了解超分子的結構特點和性質
3.了解從原子、分子、超分子等不同尺度認識物質結構的意義。通過不同聚集狀態物質的重要應用,認識化學技術和社會之間的相互關系,培養科學態度和社會責任的核心素養。
2.了解超分子識別與組裝等的應用
學習目標
觀看視頻：蛋白質自組裝形成的超分子
結合視頻，觀察DNA雙螺旋分子鏈，判斷DNA雙螺旋結構包含有幾個分子？分子之間依靠什么作用結合？
神奇的超分子，借分子間作用力形成復雜的組織結構
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
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。
超分子
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)
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
超分子長什么樣子？
是如何形成的？
1. 定義： 由兩種或兩種以上的分子（或離子）通過分子間相互作用（或非共價鍵）形成的分子聚集體。
3. 大小：
有的是有限的
2. 作用力：非共價鍵，主要是范德華力和氫鍵等。
一、超分子
有的是無限伸展的
注意：超分子定義中的分子是廣義的，包括離子。
(1)超分子的特性
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：分子聚集體有的是有限的，有的是無限伸展的。
（2)結構特點：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)范圍：已報道的超分子大環主體有：DNA,冠醚，環糊精，杯芳烴，杯吡咯，杯咔唑，瓜環胡葫蘆脲，柱芳烴等。
分子層
分子團簇
分子長鏈
注意：
思考與討論：超分子有何特征及應用？
化合物2與LiCl的晶體結構（左）及 化合物3與LiCl的晶體結構（右）
鋰元素回收方法最新探索
——利用超分子相互作用從固體、液體中提取鋰
離子受體的結構式
化合物2能容納LiCl、NaCl、KCl及CsCl分子，而化合物3則只能容納LiCl分子。
在過去20年里，全世界對鋰的需求呈爆炸性增長，這主要是因為鋰元素在鋰離子電池等現代材料中扮演者不可或缺的角色。然而，地球上鋰元素的含量是有限的。有學者預測，以現有的趨勢消耗下去，鋰元素的供給平衡將在2023年被打破，到時便會出現全球性的鋰短缺現象。與鋰元素消耗的趨勢相比，鋰資源的回收則顯得微不足道。據統計，每年回收的鋰還不到消耗的1%。
二、超分子的重要特征
1.分子識別
（1)分離 C60 和 C70
“杯酚”
分離 C60 和 C70
C60
C70
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
觀察與思考
冠
醚
是分子中含有多個“氧-亞甲基”-結構單元的大環多醚
皇冠狀的分子
冠醚的命名
15-冠-5
12-冠-4
C 原子：2×5 = 10 O 原子：5
10 + 5 = 15
把環上所含C、O原子的總數標注在“冠”字之前，把其中所含氧原子數標注在“冠”之后。
冠醚是皇冠狀的分子，有不同大小的空穴，能與正離子，尤其是堿金屬離子絡合，并隨環的大小不同而與不同的金屬離子絡合，利用此性質可以識別堿金屬離子，從而實現選擇性結合，在有機反應中可作催化劑。
冠醚的空穴結構對離子有選擇作用
資料在線：
冠醚靠什么原子吸引陽離子？
思考﹒ 討論
C 原子是環的骨架，穩定了整個冠醚
O原子吸引陽離子
冠醚 冠醚空腔直徑/pm 適合的粒子(直徑/pm)
12-冠-4 15-冠-5 18-冠-6 21-冠-7 120~150 170~220 260~320 340~430 Li＋（152） Na＋（204） K＋（276） Rb＋（304） Cs＋（334） 表3-6 冠醚識別鉀離子
(2) “冠醚”識別堿金屬離子
不同冠醚的空腔尺寸不同，與不同的陽離子相匹配，從而實現選擇性結合。
思考與討論
1.冠醚與堿金屬離子之間的配位鍵屬于離子鍵、共價鍵、氫鍵還是分子間作用力？
提示　共價鍵。
2.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？
提示　陰離子，離子晶體。
應用：相轉移催化劑
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。
冠醚環的大小與金屬離子匹配，將陽離子以及對應的陰離子(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 ＋
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
溶有18-冠-6的甲苯與高錳酸鉀水溶液反應
K+ MnO4－
甲苯
MnO4－
觀看視頻：超分子的自組裝
自組裝
2.超分子的自組裝
參與形成超分子的主客體分子，能夠自發地形成有序結構，這一特性被稱為“自組裝”。
K+
K+
純水 洗滌靈 膠束
超分子自組裝的應用
表面活性劑
1.烷基磺酸根離子在水中自組裝為膠束
2.表面活性劑在水中自組裝為單分層
細胞外部
磷脂分子
雙分子層
細胞質
疏水端
親水端
親水端
3.細胞和細胞器的雙分子膜的自組裝
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。
超分子的未來發展：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。
【超分子化學】
含義：研究超分子的化學叫超分子化學，是一門處于近代化學、材料化學和生命科學交匯點的新興學科。
研究領域：環狀配體組成的主客體體系；有序的分子聚集體；由兩個或兩個以上基團用柔性鏈或剛性鏈連接而成的超分子化合物。
應用：在分子識別與人工酶、酶的功能、短肽和環核酸的組裝體及其功能等領域有著廣闊的應用前景。
資料卡片
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
[課堂練習1]下列關于超分子的敘述正確的是( )
超分子就是高分子
超分子都是無限伸展的
形成超分子的微粒都是分子
超分子具有分子識別和自自組裝的特征
D
[課堂練習2]已知圖1所示為冠醚18-冠-6。氯化鉀可以較好的溶解在其中，得到的物質結構如圖2所示。根據以上信息，下列說法不正確的是（ ）
A．陽離子被冠醚固定在空穴中依靠的主要是靜電相互作用
B．如果要溶解NaCl，用圖3所示的冠醚比圖4所示的冠醚效果更好
C．圖中所示的幾種冠醚互為同系物
D．冠醚的化學式通式為(CH2CH2O)n
C
[課堂練習3]利用分子間作用力形成超分子進行“分子識別”，實現分子分離，是超分子化學的重要研究和應用領域。如圖表示用“杯酚”對C60和C70進行分離的過程，下列對該過程的說法錯誤的是(　 　)
A
A．C70能溶于甲苯，C60不溶于甲苯
B．C60能與“杯酚”形成超分子
C．C70不能與“杯酚”形成超分子
D．“杯酚”能夠循環使用
[課堂練習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

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