《超分子插层组装化学》复习题
1.超分子化学的定义及其研究范畴
Supramolecular Chemistry is the chemistry of the intermolecular bond, covering the structures and functions of the entities formed by associasion of two or more chemical species。
超分子化学是关于分子间相互作用和分子聚集体的化学。
研究范畴:超分子化学作为化学的一个独立分支,已经得到普遍认同;
它是一个交叉学科,涉及无机与配位化学、有机化学、高分子化学、生物化学和物理化学;由于能够模仿自然界已存在物质的许多特殊功能,形成分子器件,因此它也构成了纳米技术、材料科学和生命科学的重要组成部分
超分子科学体系研究范畴:以分子识别为基础、分子自组装为手段、组装体功能为目标。
2.分子识别
分子识别(molecular recognition)是由于不同分子间的一种特殊的、专一的相互作用,它既满足相互结合的分子间的空间要求,也满足分子间各种次级键力的匹配,体现锁(lock)和钥匙(key)原理,即能量特征和几何特征的互补。
3.简述三位超分子化学奠基者对超分子化学的发展所做的贡献
1.C.J.Pederson (彼得森)
1967年在本想合成非环聚醚(多元醚)的实验中,第一次发现了冠醚。
大环聚醚——冠醚合成;选择性络合碱金属;揭示了分子和分子聚集体的形态对化学反应选择性起着重要的作用;人工合成中的第一个自组装作用。
2. D. J. Cram(克拉姆)
以Pederson工作为入口,进行了系列的主客体化学的研究。
基于大环配体与金属或有机分子的络合化学方面的研究;创立和提出了以配体(受体)为主体、以络合物(底物)为客体的主-客体化学(host-guest chemistry)理论;
3.J. M. Lehn(莱恩)1969年合成第一个大双环穴状配体,研究了其结构和性能,并进一步进行了分子器件的设计。
模拟蛋白质的螺旋结构,超越了大环与主客体化学研究范畴;首次提出了“超分子化学”的概念;
4.简述非共价键力的类型
(非共价键力属于弱相互作用,包括范德华力、静电引力、氢键力、π相互作用力、偶极/偶极相互作用、亲水/疏水相互作用等等)
各种弱相互作用的本质:范德华作用力(诱导偶极-诱导偶极相互作用等等);静电作用(带电基团间作用);螯合、络合作用(离子-离子等等);氢键;配位键,堆叠作用;疏水效应;离子-离子相互作用、离子-偶极相互作用、偶极-偶极相互作用、氢键作用、离子-π相互作用、π-π堆积、范德华作用力、固体中紧密堆积、疏水效应
5.简述氢键在超分子识别和自组装领域的重要作用及其原因
氢键是超分子识别和自组装中最重要的一种分子间相互作用,由于它的作用较强,涉及面极广,在生命科学和材料科学中都极为重要。
例如,DNA的碱基配对,互相识别,将两条长链自组装成双螺旋体。
4-120kJ/mol;
高度取向性;实质:特殊的偶极-偶极相互作用。
丰富的形成形式氢键在长度、强度和几何构型上是变化多样的,每一个分子中的一个强氢键足以决定固态结构
6.冠醚作为相转移催化剂的原理
相转移催化剂就是将客体物种从一相转移到另外一相。
通常两相(液-液相转移)是互不相溶的,使用合适的主体分子可以提高无机盐在非极性介质中的溶解度。
s例,固体氰化钾与
卤代烃反应时,因氰化钾不溶于卤代烃使反应难以在固液两相中进行。
当加入18—冠—6后,它与K+生成配离子而溶于卤代烃,反应在均相系统中很易完成。
冠醚具有亲油性的亚甲基排列在环的外侧,可使盐溶于有机溶剂,或使其由水相转移至有机相中。
7.第一代、第二代和第三代超分子主体化合物分别是什么?他们各自主要识别
什么客体?
第一代:主体化合物为冠醚,主要识别金属离子,第二代:主体化合物为环糊精:主要识别非极性客体分子,单环芳烃(苯,苯酚等)、萘环、蒽、菲等三环芳烃,第三代:主体化合物杯芳烃:主要识别离子和中性分子、有机小分子、氯仿、甲苯、苯、对二甲苯和茴香醚。
8.螯合、大环和大二环效应与冠醚主客体络合物稳定性之间的关系
螯合<大环<大二环效应
9.分子自组装
分子自组装涉及的是在特殊合成过程中共价键的形成,组装体受反应中间体的立体化学和构造特性的控制。
10.超分子自组装;严格自组装
超分子自组装是指在分子间形成的相对易变的、非共价键相互作用(如配位作用,氢键和偶极相互作用)控制下的,有限数量的构造子的定向识别的、自发可逆的结合。
在严格自组装过程中,当各组分在给定的反应条件下按照一定的比例混合在一起时,最终产物是完全自发产生的。
产物的形成必须是可逆的,代表体系的最小热力学性质。
11.超分子识别和自组装有哪些途径?
①通过配位键进行识别和自组装
②通过次级键的识别和自组装
③通过氢键的识别和自组装
④通过π相互作用进行识别和自组装
⑤离子间相互作用的识别和自组装
12.分子器件
分子器件可以被定义为有许多不连续的分子元件组装起来,用以体现一特定功能的组装体。
它的运作需经由电子和(或)核的重排,与宏观的机器一样,它需要能量进行操作,用信号与操作者进行交流。
13.简述分子器件与传统化学的不同之处
传统化学的目标是分子构造。
如果你能构造分子,那么你就能构造新的物质和材料。
机器或器件是一个功能实体,有别于化学物质,它的作用在于它能做什么,而不是它是什么。
近年来,在电子工业界已生产出微型机器(微米尺度的组分组成的器件)。
与它们的巨大的祖先相比,它们的效率要大得多,且能承担的任务更加精细。
再进一步的目标是纳米机器—独立分子大小的机器,它可能会更快更精细
14.论述:分子器件的发展现状和未来发展趋势(结合实例或数据)。
超分子器件研究已成为世界性前沿课题,新型光控分子水平机器的研究具有独特的吸引力,并取得了一定的进展:
人工光合成ATP,人工分子机器的药物运送,人工分子开关执行逻辑运算
分子与超分子器件仍还处在基础研究阶段,要实现宏观实际应用还有很多问题要解决,如分子器件固态环境下应用是个难题
但随着该领域研究范围不断扩大,新型超分子器件将在生命科学、材料科学、环境科学和信息技术方面发挥巨大作用。