[超分子晶体工程的研究]-分子晶体.docx

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1、超分子晶体工程的研究 分子晶体 摘要：“超分子”一词早在20世纪30年代已经出现，但在科学界受到重视却是50年之后了。超分子化学可定义为“超出分子的化学”，是关于若干化学物种通过分子间相互作用结合在一起所构成的，具有较高复杂性和一定组织性的整体的化学。在这个整体中各组分还保持某些固有的物理和化学性质，同时又因彼此间的相互影响或扰动而表现出某些整体功能。超分子体系的微观单元是由若干乃至许许多多个不同化合物的分子或离子或其他可单独存在的具有一定化学性质的微粒聚集而成。聚集数可以确定或不确定，这与一分子中原子个数严格确定具有本质区别，把多个组分的基本微观单元聚集成“超分子”的凝聚力是一些(相对于共价

2、键)较弱的作用力。如范氏力(含氢键)、亲水或憎水作用等。 关键词：超分子晶体 经典理论认为：分子是保持物质性质的最小单位，然而分子一经形成，就处于分子问力的相互作用之中，这种力场不仅制约着分子的空间结构，也影响物质性质。近年来，逐渐发现一些传统分子理论难以解释的现象，如DNA合成等形成的有序组合、绿色植物的光合作用、酶的催化作用、神经系统的信息传递等，均有特异的物质识别、输送及能量传递和转换功能。随着冠醚化学的发展，分子问作用力协同作用的重要性逐渐为人们所认识，超分子化学应而生。在超分子体系中，分子与分子问力的关系就如同在分子中原子和共价键的关系一样。l5O多年来，有机化学家的兴趣主要集中有机

3、分子的共价键方面，现在这一兴趣中心已开始向非共价键作用方向转移。 1967年C.J.Pederson发表了关于冠醚合成和选择性络合碱金属的报告，揭示了分子和分子聚集体的形态对化学反应的选择性起着重要作用；xxxx基于在大环配体与金属或有机分子的络合化学方面的研究，提出了以配体(受体)为客体，以络合物(底物)为主体的主客体化学；J.M.Lehn模拟蛋白质螺旋结构的自组装体的研究内容，在一定程度上超越了大环与主客体化学而进入了所谓“分子程”领域，即在分子水平上，制造有一定结构的分子聚集体而起到一定特殊性质的L程，并进一步提出了超分子化学的概念。以共价键为基础，以分子为研究对象的化学，可称为分子化学

4、(molecularchemistry)；以多种弱相互作用力(或称次级键)为基础，以2个以上分子通过这种弱相互作用高层次组装为研究对象的化学，可定义为“超越分子概念的化学”，也称为超分子化学(supermolecularchemistry)。与原子间由化学键作用而形成分子的分子化学不同，超分子化学是研究分子问相互作用缔结而形成复杂有序且具有特定功能的分子聚集体的科学，这种分子聚集体简称超分子。换言之，超分子化学是研究通过非共价键作用形成功能体系的科学。超分子作用是一种具有分子识别能力的分子间相互作用，通过对分子间相互作用的精确调控，超分子化学逐渐发展成为一门新兴的分子信息化学，它包括在分子水平

5、和结构特征上的信息存储，以及通过特异性相互作用的分子识别过程，实现在超分子尺寸上的修正、传输和处理。它是化学和多门学科的交叉领域，它不仅与物理学、材料科学、信息科学、环境科学等相互渗透形成了超分子科学。而更具有重要理论意义和潜在前景的是在生命科学中的研究和应用。例如生物体内小分子和大分子之间高度特异的识别在生命过程中的调控，生物体内的信息输送(电子转移、能量传递、物质传输和化学转换)和生物体中受体。底物相互作用等，其基本现象都离不开超分子化学范畴。未来超分子体系化合物的特征应为：信息性和程序性的统一；流动性和可逆性的统一；组合性和结构多样性的统一。所有这些特性便构成了“自适应化学”这一概念的基

6、本要素。考虑到超分子化学涉及到的物理和生物领域，超分子化学便成为一门研究集信息化、组织性、适应性和复合性于一体的物质的学科。 金属有机配体类配位聚合物和合成及其应用是国际上近年来的热门前沿研究领域。该类配位聚合物具有许多特殊的功能性，在新功能材料如选择性催化、分子识别、可逆性主客体分子（离子）交换、超高纯度分离、生物传导材料、分子器件和芯片等新材料研发中显示出可喜的应用前景。影响金属有机配位聚合物结构性能的因素很多，如有机配体的拓扑结构，金属离子的配位模式平衡阴离子，金属有机组分的配比及反应条件等，有机配体是合成具有新奇物化性质的复合超分子聚集体的关键。 在现已合成的配体中，根据配位角度的可变

7、性为两类，即刚性配体和柔性配体。柔性配体的配位方式较多，易形成网状，片状，梯状等自组装结构。柔性配体金属聚合物还可以构成其它笼状，螺旋等拓扑结构。由于这类双齿配体中含有柔性集团，可以绕单间旋转，在与金属配位时可以随不同配位几何要求，以不同的构型（如以顺式或反式构型）与金属配位，且它们的齿距不同，使得其与金属的配位更灵活性，变化多样。另外，由于中间刚性取代基不但可以增加分子的长度，使得整个分子的自由度增加，故与金属配位的过程中形成各类不同配位聚合结构丰富多彩，这对于研究分子内和分子间存在的各种弱相互作用具有一定的指导作用。就目前来说，对于分子间含有亚甲基的柔性配体，由于可控性相对困难，不易预测最

8、终结构，因而使用这种配体形成的结构比较有限。但是，这类配体能够参与形成结构新颖的组装体，所以又很有吸引力。而且，含咪唑配体的间隔基的柔韧性对组装分子结构的影响非常大，同时如果选择了合适的金属离子就可能得到拓扑结构截然不同的配合物。同时通过研究这类聚合物中金属间相互作用、金属配体间电荷传递、聚合态中弱相互作用，还可为超分子化学研究理论提供实验基础，研究它们的光电性质，又可为光电材料发展带来新的生长点，这方面的研究有着重要意义，具有开拓性和创新性。 笼状配合物由于其结构的特殊性及其所形成的空腔对客体分子的选择性，引起了化学家们的关注。合成这种多聚配合物的主要策略是运用一个刚性的多官能团配体桥连的金属离子，扩张成多核聚合结构，它已导致了大量种类各异的多核框架的多聚配合物的构建。刚性配体的成键部位间夹角较为固定，其构型变化小，在以氢键或配位键的方式生成配合物的时候会大大减少生成多种结构的可能性，如果控制好反应物的计量比，在适当条件下就可以生成预期形状的分子组装体。到目前为止，得到单晶结构的笼状化合物大都是由刚性或柔性的三脚架配体同过渡金属离子所组装的，而且是六金属配体型的。 第 5 页 共 5 页