超分子组装：结构与功能下载 mobi epub pdf 电子书 2024

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陈传峰著

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发表于2024-11-24

图书介绍

出版社：科学出版社

ISBN：9787030416544

版次：1

商品编码：11545509

包装：精装

丛书名：纳米科学与技术

开本：32开

出版时间：2014-09-01

用纸：胶版纸

页数：500

正文语种：中文

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图书描述

内容简介

《超分子组装: 结构与功能》首先介绍超分子化学的一些基本概念，在此基础上，结合作者课题组的研究工作，选择目前超分子化学领域研究比较热门的几个专题———自组装超分子胶囊、自组装分子笼、自组装有机纳米管、轮烷与索烃、超分子聚合物、芳酰胺螺旋折叠体、多氢键自组装、分子机器、多孔材料与气体吸附，向读者介绍这些领域的较新研究进展。

作者简介

　　1965年出生于安徽长丰。1994年毕业于南京大学化学系，获博士学位；1994～1996年为中国科学院化学研究所博士后，之后留所工作，任职副研究员；1998～2001年为美国新墨西哥大学化学系访问学者：2001年至今工作于中国科学院化学研究所，任职研究员、博士生导师。2000年入选中国科学院”“百人计划”，2006年获国家杰出青年科学基金。现任《有机化学》、《中国化学快报》、Mini―Reviews in Organic Chemistry、current Organocatalysis及Current Microwave chemistry等杂志编委。主要从事超分子化学、有机合成化学及有机功能材料化学研究工作，发表学术论文200余篇。

目　　录
.纳米科学与技术 .丛书序前言第１章　超分子化学 :从分子识别到自组装１
１１　超分子化学的基本概念１　　１１１　从分子化学到超分子化学１　　１１２　超分子化学概念的提出１１２　分子识别３　　１２１　分子识别的定义３　　１２２　互补性和预组织４　　１２３　协同效应５１３　自组装５　　１３１　自组装的定义５　　１３２　自组装的特点６１４　超分子化学的未来７参考文献７第２章　自组装超分子胶囊１１２１　引言１１２２　基于甘脲结构的超分子胶囊１２　　２２１　引入两个甘脲结构的超分子胶囊１２　　２２２　引入三个甘脲结构的超分子胶囊１５　　２２３　引入四个甘脲结构的超分子胶囊１６　　２２４　引入甘脲和磺酰脲结构的超分子胶囊１８２３　基于四脲基杯[４]芳烃的超分子胶囊２０　　２３１　基于四脲基杯[４]芳烃的超分子胶囊的发现和结构确认２０　　２３２　基于四脲基杯[４]芳烃和四磺酰脲基杯[４]芳烃的异体超分子胶囊２１　　２３３　基于四脲基杯[４]芳烃的超分子胶囊的高级互锁结构２１　　２３４　基于四脲基杯[４]吡咯的超分子胶囊２１２４　Ｒｅｂｅｋ的柱形超分子胶囊２３　　２４１　柱形超分子胶囊的形成和结构２４
　　２４２　柱形超分子胶囊对客体的包结和调控２４　　２４３　空腔可拓展的柱形超分子胶囊２７　　２４４　柱形超分子胶囊作为化学反应的容器３３２５　基于雷琐酚杯[４]芳烃和焦酚杯[４]芳烃的六聚体胶囊３６　　２５１　基于雷琐酚杯[４]芳烃和焦酚杯[４]芳烃的六聚体胶囊的发现３６　　２５２　六聚体胶囊形成过程中的自分类现象３８　　２５３　基于雷琐酚杯[４]芳烃和焦酚杯[４]芳烃的六聚体胶囊对多环芳烃
类客体的包结３９　　２５４　基于雷琐酚杯[４]芳烃类似物的六聚体胶囊４１２６　疏水作用驱动的超分子胶囊４２　　２６１　疏水超分子胶囊的构建和对客体的络合４２　　２６２　疏水超分子胶囊作为分子反应容器的应用４４　　２６３　疏水超分子胶囊的改性４６２７　其他类型的超分子胶囊４７　　２７１　基于静电作用的胶囊４７　　２７２　基于ＵＰｙ四氢键作用的胶囊４９　　２７３　基于酰肼单元及其类似结构的超分子胶囊４９　　２７４　基于动态硼酸酯键形成与断裂的超分子胶囊５１　　２７５　基于多重单氢键作用的超分子胶囊５２２８　结语５６参考文献５６
第３章　自组装分子笼６５３１　引言６５３２　金属键连分子笼６５　　３２１　基于Ｌ６“ＰｄＬ２(ＰｔＬ２)”构筑基块的纳米分子笼６５　　３２２　Ｍ４(Ｍ＝Ｇａ.Ｆｅ.Ａｌ)型分子笼７６　　３２３　基于金属钌(Ｒｕ)的分子笼８８３３　共价键连分子笼９１　　３３１　基于酰胺键的分子笼９１　　３３２　醛胺缩合形成的分子笼９３　　３３３　炔－炔偶联形成的分子笼９８　　３３４　其他类型的共价键连分子笼９９
３４　其他自组装分子笼１０１３５　结语１０６
参考文献１０６
第４章　自组装有机纳米管１１１４１　引言１１１４２　基于螺旋折叠体的有机纳米管１１２　　４２１　基于胆酸低聚体折叠的纳米管１１２　　４２２　基于间苯乙炔低聚体折叠的纳米管１１２　　４２３　基于高分子折叠的纳米管１１４４３　基于大环分子堆叠的自组装纳米管１１４　　４３１　基于环肽的有机纳米管１１５　　４３２　基于环脲的有机纳米管１１７　　４３３　基于形状固定的刚性大环的有机纳米管１２１　　４３４　基于自组装的大环堆叠的有机纳米管１２４４４　基于杯芳烃家族大环的自组装纳米管１２５　　４４１　基于杯芳烃的自组装纳米管１２６　　４４２　基于雷琐酚杯[４]芳烃的自组装纳米管１２８　　４４３　基于柱芳烃的自组装纳米管１２９４５　基于其他大环分子的自组装纳米管１３１４６　基于有机小分子的自组装纳米管１３２　　４６１　基于酰亚胺的纳米管１３２　　４６２　基于六苯并蔻的自组装纳米管１３３　　４６３　基于酰胺的自组装纳米管１３５　　４６４　基于其他有机小分子的自组装纳米管１３６４７　结语１３８参考文献１３８
第５章　轮烷与索烃１４６５１　引言１４６５２　金属配位模板合成法１４８　　５２１　传统金属模板合成１４８　　５２２　活性金属催化模板合成１５１５３　π￣π堆积模板合成法１５６５４　氢键模板合成法１６４　　５４１　内酰胺大环与客体１６５　　５４２　冠醚与铵盐１６９　　５４３　Ｃ—Ｈ π氢键模板１７８
　　５４４　其他氢键模板１８０５５　疏水作用模板合成法１８１　　５５１　环糊精主客体识别体系１８２　　５５２　葫芦脲主客体识别体系１８５５６　阴离子模板合成法１８７５７　自由基模板合成法１９１５８　结语１９３参考文献１９３第６章　超分子聚合物２０４６１　引言２０４６２　基于氢键作用的超分子聚合物２０５　　６２１　基于三氢键的超分子聚合物２０５　　６２２　基于四氢键的超分子聚合物２０８　　６２３　基于多氢键的超分子聚合物２１４６３　基于金属配位的超分子聚合物２１６　　６３１　线形超分子聚合物２１７　　６３２　支链和交联型超分子聚合物２１９　　６３３　双螺旋结构超分子聚合物２２４６４　基于π￣π堆积作用的超分子聚合物２２６　　６４１　线形超分子聚合物２２７　　６４２　交联型超分子聚合物２３２６５　基于主客体相互作用的超分子聚合物２３４　　６５１　基于冠醚的超分子聚合物２３４　　６５２　基于环糊精的超分子聚合物２４０　　６５３　基于葫芦脲的超分子聚合物２４４　　６５４　基于杯芳烃的超分子聚合物２４９６６　结语２５４参考文献２５５第７章　芳酰胺螺旋折叠体２６２７１　引言２６２７２　螺旋折叠体概述２６２７３　芳酰胺螺旋折叠体的构筑２６３　　７３１　基于邻氨基苯甲酰胺的螺旋折叠体２６５　　７３２　基于间氨基苯甲酰胺的螺旋折叠体２６６　　７３３　基于２.６￣吡啶二甲酰胺的螺旋折叠体２６７　　７３４　基于喹啉甲酰胺的螺旋折叠体２７１　　７３５　基于萘啶甲酰胺的螺旋折叠体２７４　　７３６　基于邻菲罗啉二酰胺的螺旋折叠体２７５７４　芳酰胺螺旋折叠体的手性诱导和手性控制２８０７５　芳酰胺螺旋折叠体的功能２８６　　７５１　折叠体螺旋空腔的构筑及识别性能２８６　　７５２　基于芳酰胺螺旋折叠体的反应性能２９１　　７５３　基于芳酰胺螺旋折叠体的分子机器２９３７６　结语２９５参考文献２９５第８章　多氢键自组装３００８１　引言３００８２　关于氢键的一些基本问题３００　　８２１　氢键的历史３００　　８２２　氢键的定义３００　　８２３　氢键的键能与二级静电作用３０３　　８２４　氢键的方向性３０５　　８２５　分子内氢键和分子间氢键３０５　　８２６　氢键的图集表示３０５　　８２７　生命体系中的氢键３０７　　８２８　研究氢键的物理方法３０７８３　三氢键组装体系及其应用３０８　　８３１　ＡＤＡＤＡＤ三氢键体系３０９　　８３２　ＤＤＡＡＡＤ三氢键体系３１２　　８３３　ＤＤＤＡＡＡ三氢键体系３１５８４　四氢键组装体系及其应用３１７　　８４１　氢键键合单元分离的四氢键体系３１７　　８４２　具有ＤＡＤＡＡＤＡＤ氢键位点的自补偿四氢键体系３１８　　８４３　具有ＤＤＡＡＡＡＤＤ氢键位点的自补偿四氢键体系３２３　　８４４　具有ＤＡＡＤＡＤＤＡ氢键位点的异体四氢键体系３３２　　８４５　具有ＡＡＡＡＤＤＤＤ氢键位点的四氢键体系３３６　　８４６　其他四氢键体系３３８８５　多氢键双分子带３４０　　８５１　基于芳酰胺低聚体的多氢键双分子带３４０　　８５２　基于 “共价浇铸 ”策略的多氢键双分子带３４３　　８５３　基于酰肼低聚体的多氢键双分子带３４５　　８５４　其他体系３４７８６　多氢键环形组装体３５２　　８６１　生命体系中环形组装体３５２　　８６２　基于三氢键单元的环形组装体３５２　　８６３　基于四氢键键合单元ＵＰｙ和ＤｅＡＰ的环形组装体３５５　　８６４　基于酰肼的环形组装体３５８８７　结语３６１参考文献３６１第９章　分子机器３７４９１　分子水平的机器３７４　　９１１　概念、定义及特征３７４　　９１２　基于自组装的分子机器３７５　　９１３　分子机器的分类３７６９２　化学驱动的分子机器３７６　　９２１　ｐＨ驱动的分子机器３７７　　９２２　离子驱动的分子机器３８３　　９２３　溶剂驱动的分子机器３９０　　９２４　其他化学驱动的分子机器３９４９３　电化学驱动的分子机器３９７　　９３１　无机离子氧化还原作为驱动源的分子机器３９７　　９３２　有机分子氧化还原作为驱动源的分子机器４００　　９３３　其他电化学驱动的分子机器４０８９４　光驱动的分子机器４０９　　９４１　基于偶氮苯的分子机器４１０　　９４２　基于二芳基乙烯的分子机器４１５　　９４３　基于酰胺的分子机器４１６　　９４４　基于钌复合物的分子机器４１８　　９４５　其他光驱动的分子机器４２２９５　其他形式驱动的分子机器４２６９６　分子机器的应用４３０　　９６１　逻辑门与分子电子器件４３０　　９６２　负载的运输和释放４３４　　９６３　材料表面性质的转换４３６９７　结语４３８参考文献４３８第１０章　多孔材料与气体吸附４４７１０１　引言４４７１０２　有机微孔聚合物４４７　　１０２１　超交联聚合物４４７　　１０２２　固有微孔聚合物４５０　　１０２３　共轭微孔聚合物４５５　　１０２４　共价有机框架４５８１０３　多孔有机分子材料４６３　　１０３１　具有离散空穴结晶的多孔有机分子４６５　　１０３２　具有一维孔道的多孔有机分子晶体４６５　　１０３３　具有三维孔道的多孔有机分子晶体４６７　　１０３４　非晶态多孔有机分子材料４６８１０４　结语４７０参考文献４７０索引４７９

精彩书摘

第１章　超分子化学 :从分子识别到自组装
１１　超分子化学的基本概念
１１１　从分子化学到超分子化学
传统的分子化学以共价键、离子键、金属键三大经典化学键为基础.化学反应以旧化学键的断裂和新化学键的形成为标志.并且认为 “分子是保持物质化学性质的最小微粒”.然而随着认知的深入.人们发现传统意义上的分子并不能承载或实现许多特定、高级或复杂的功能.而需要一个有组织的多分子体系来协同完成.我们有必要在分子以上层次来研究化学.研究分子之间的相互作用.超分子化学应运而生.它以分子之间的相互作用包括离子－离子相互作用(１００ ~３５０ｋＪｍｏｌ－１)、离子－偶极相互作用(５０ ~２００ｋＪｍｏｌ－１)、偶极－偶极相互作用(５ ~５０ｋＪｍｏｌ－１)、范德华作用力 (小于５ｋＪｍｏｌ－１)、固体中的紧密堆积、疏水效应、氢键(４ ~１２０ｋＪｍｏｌ－１ )[１]、芳环的π￣π堆积(０ ~５０ｋＪｍｏｌ－１ )[２]、阳离子￣π相互作用(５~８０ｋＪｍｏｌ－１ )[３]、阴离子￣π相互作用 (小于４ｋＪｍｏｌ－１ )[４]等为研究对象.
徐光宪教授认为.随着学科的发展.化学概念的内涵和外延也在不断拓展:２１世纪的化学是研究泛分子(ｐａｎｍｏｌｅｃｕｌｅ)的科学.是研究分子层次以及以超分子为代表的分子以上层次的化学物质的组成、结构、性质和变化及其内在联系和外界变化条件的科学[５].现代超分子化学处在化学、物理学、生物学、材料科学、纳米科学等学科的前沿交叉领域.并已成为化学学科领域的一个重要拓展和分支.Ｄｉｅｄｅｒｉｃｈ估计在ＪＡｍＣｈｅｍＳｏｃＡｎｇｅｗＣｈｅｍＩｎｔＥｄＣｈｅｍＣｏｍｍｕｎＣｈｅｍＥｕｒＪ等顶级化学刊物上发表的有关超分子化学的研究论文.甚至占到了２０％ ~３０％[６].
１１２　超分子化学概念的提出
现代超分子化学研究发轫于１９６７年Ｐｅｄｅｒｓｅｎ有关冠醚的合成及其对于碱金属离子络合特性的报道[７.８].在随后的十多年间.以ＤＪＣｒａｍ和ＪＭＬｅｈｎ为杰
出代表的化学家通过复杂的有机合成策略.构筑了各种各样对特定客体有高度选择性识别功能的大环主体分子 :冠醚、穴醚、球醚、环蕃、环糊精、杯芳烃、卟啉、葫芦脲等[９.１０].在此基础上.Ｌｅｈｎ[１１]于１９７８年明确提出了超分子化学的概念:超分子化学是关于分子组装体和分子间键的化学(ｔｈｅｃｈｅｍｉｓｔｒｙｏｆｍｏｌｅｃｕｌａｒａｓｓｅｍｂｌｉｅｓａｎｄｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｏｎｄ).随后.Ｌｅｈｎ[１２]在其诺贝尔奖获奖演说中又将超分子化学定义为 “超越分子的化学”.是研究两个或多个化学物种通过分子间作用力键合起来的更复杂的有组织的聚集体的化学(“ｃｈｅｍｉｓｔｒｙｂｅｙｏｎｄｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌｅ”ｂｅａｒｉｎｇｏｎｔｈｅｏｒｇａｎｉｚｅｄｅｎｔｉｔｉｅｓｏｆｈｉｇｈｅｒｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｔｈａｔｒｅｓｕｌｔｆｒｏｍｔｈｅａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｏｆｔｗｏｏｒｍｏｒｅｃｈｅｍｉｃａｌｓｐｅｃｉｅｓｈｅｌｄｔｏｇｅｔｈｅｒｂｙｉｎｔｅｒｍｏｌｅｃｕｌａｒｆｏｒｃｅｓ).他认为从分子到超分子与分子间相互作用的关系.正如从原子到分子与共价键的关系[１３￣１９].他用图１￣１来描述分子化学与超分子化学的差异 :分子化学的任务.是从结构相对简单的分子出发通过各种合成策略.以共价键的形式生成比较复杂的分子.而超分子化学的研究范畴.则是这个相对复杂的分子与其他分子之间的相互作用.

图１￣１　ＪＭＬｅｈｎ表述的分子化学与超分子化学概念的差别[１４]
从这个概念可以看出.只要涉及分子间相互作用.都可以归结为超分子化学的研究范畴.值得指出的是.这个概念也有其局限性 :在超分子光化学领域.往往只涉及同一个分子内部两部分之间的相互作用.如生色团和氧化还原中心之间光吸收和氧化还原态交换[２０].但显然.这属于超分子化学的研究范畴.
我们说原子之间以共价键连接形成分子.实际上.原子之间并没有一个真实的 “键”.只是电子云在两个原子核之间的分布相对集中.共价键的断裂.并不是像剪刀一样剪开这个 “键”.只是电子云的流动和重新分布.两个分子通过非共价相互作用形成超分子体系时.所涉及的依然是电子云的流动和重新分布.例如.在Ａ—ＨＢ氢键作用中.电子云从完全局限于Ａ和Ｈ之间.部分流向Ｂ和Ｈ之间.从这个层面上说.分子化学所关注的共价键断裂与生成.与超分子化学所关注的非共价键的断裂与生成.两者在本质上是一致的.都是电子云的流动与重新分布.
１２　分子识别
１２１　分子识别的定义
分子识别(ｍｏｌｅｃｕｌａｒｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ)是特定主体 (受体 )分子选择性键合客体 (底物 )并产生某种特定功能的过程[２１].单纯的键合不是分子识别.识别是有目的的键合.这个过程伴随着能量的变化和信息的处理.分子识别不依赖传统的共价键.这个过程所需的能量来自于非共价相互作用.受体的几何结构、电子特性和化学反应等信息存储于其结构中.识别过程意味着超分子化学水平上的信息处理.受体和底物信息达到最佳匹配.因此分子识别既是在超分子水平上进行信息处理的基础.又是组装高级结构的重要途径之一.
从以上的定义可以看出.分子识别的概念是与主客体化学[２２.２３]紧密联系的.主体(ｈｏｓｔ)通常指具有收敛的键合位点、一定大小的空腔.像酶和人工合成大环之类的分子或者聚集体[２４].冠醚[２５].环糊精[２６.２７].杯芳烃家族[２８] (包括雷
琐酚杯芳烃[２９]、环三藜芦烃[３０.３１]、杂杯杂芳烃[３２￣３４]、柱芳烃[３５.３６]等).葫芦
脲[３７.３８]等大环化合物.由于它们优异的性能和广泛的应用.被誉为超分子化学领域的四代主体分子.近年来.Ｃｈｅｎ等[３９.４０]成功地把具有独特三维刚性结构的蝶烯基元引入到大环主体分子的构建中.发展了一类具有丰富分子识别性能的新型大环主体分子体系.
客体(ｇｕｅｓｔ)通常指具有发散键合位点的阳离子、简单的无机阴离子、离子对或者像荷尔蒙、信息素和神经递质等结构复杂的分子[２４].一些结构新颖、具有特殊性质的分子.如富勒烯、金刚烷、二茂铁、铵盐、百草枯 (紫精 )等.是超分子化学领域的明星客体分子.
１２２　互补性和预组织
互补性(ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｉｔｙ)和预组织(ｐｒｅｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ)是决定分子识别过程的两个关键原则.前者决定主体能否键合客体以及键合过程中的选择性.而后者则决定分子识别过程中的键合能力[４１].
底物与受体的互补性包括空间结构互补性及空间电学特性的互补性.Ｆｉｓｃｈｅｒ１８９４年提出用 “锁和钥匙 ”(ｌｏｃｋａｎｄｋｅｙ)关系来描述酶和底物作用过程中的专一性结合.就是指主客体识别过程中的空间结构互补性 :主体的空腔必须与客体在形状、大小方面相匹配 [图１￣２ (ａ)][４２.４３].对于刚性分子.主客体必须严格满足 “锁和钥匙 ”关系才能获得高的识别选择性和键合稳定性.另一种互补性指电性互补性 :主体和客体上的键合位点及电荷分布能很好地匹配.

图１￣２　 (ａ)酶和底物作用过程中 “锁和钥匙 ”机理.
(ｂ)酶和底物作用过程中 “诱导契合 ”机理[４１]
“锁和钥匙 ”学说把受体和底物的结合看成是固定不变的.因而具有一定的局限性.１９５８年Ｋｏｓｈｌａｎｄ[４４]在研究酶和底物相互作用时提出了另一种机理 ——— “诱导契合 ”(ｉｎｄｕｃｅｄｆｉｔ)机理.他指出 :受体并不是事先就以一种与底物互补的形状存在.受体在受到底物诱导之后改变成与底物互补的构象.同底物达到最佳结合 [图１￣２ (ｂ)].这个过程也被称为识别过程的构象重组织(ｒｅｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ)或者受体的变构调节 (又称别构调节.ａｌｌｏｓｔｅｒｉｃｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ).
主客体的结合使体系变得更加有序.是个熵减的过程.根据 ΔＧ＝ ΔＨ－Ｔ ΔＳ＝－ＲＴｌｎＫ.要使主客体复合物更加稳定.除了使主客体在空间结构和电性上更加互补外 (增加 ΔＨ的贡献).另一个措施是尽可能减小主客体结合过程中的熵变 (ΔＳ).达到这一目的的途径.是尽可能预组织(ｐｒｅｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ)主体[４５.４６].使其络合前后的构象变化最小.预组织的最典型例子来自大环化合物对客体的包结作用[４７].大环结构的形成.预组织了大环与客体相互作用的键合位点.这个过程所造成的熵损失在大环合成过程中得到补偿.相对于具有相同键合位点的开链主体.大环与客体的结合过程不需要构象重排 (熵不利).因而与客体的结合更加牢靠.
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