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第三章 晶体结构与性质
第四节 配合物与超分子
第2课时 超分子
1.了解超分子的结构特点和性质
3.了解从原子、分子、超分子等不同尺度认识物质结构的意义。通过不同聚集状态物质的重要应用,认识化学技术和社会之间的相互关系,培养科学态度和社会责任的核心素养。
2.了解超分子识别与组装等的应用
学习目标
观看视频：蛋白质自组装形成的超分子
结合视频，观察DNA双螺旋分子链，判断DNA双螺旋结构包含有几个分子？分子之间依靠什么作用结合？
神奇的超分子，借分子间作用力形成复杂的组织结构
氢键是最强的分子间相互作用，很多分子可以通过氢键相互结合，形成具有固定组成的一个分子簇，这就是所谓的超分子。
核酸的双螺旋结构是靠氢键来保持的
在1987年，由于合成了穴状配体，唐纳德·克拉姆（Donald Cram）让·玛丽·莱恩和查尔斯·佩德森（Charles Pedersen）共享了诺贝尔化学奖。
超分子
1987年诺贝尔化学奖授予了超分子化学研究方面的三位科学家
克拉姆(美国)
佩德森(美国)
莱恩(法国)
2016年索瓦日、斯托达特、费林加，因其在分子机器方面的贡献获得超分子领域的第二次诺贝尔化学奖
超分子长什么样子？
是如何形成的？
1. 定义： 由两种或两种以上的分子（或离子）通过分子间相互作用（或非共价键）形成的分子聚集体。
3. 大小：
有的是有限的
2. 作用力：非共价键，主要是范德华力和氢键等。
一、超分子
有的是无限伸展的
注意：超分子定义中的分子是广义的，包括离子。
(1)超分子的特性
①分子间相互作用：通过非共价键结合，包括氢键、静电作用、疏水作用以及一些分子与金属离子形成的弱配位键等。
②分子聚集体大小：分子聚集体有的是有限的，有的是无限伸展的。
（2)结构特点：超分子是组成复杂的，有组织的分子聚集体，并保持一定的完整性使其具有明确的微观结构和宏观特性。
(3)范围：已报道的超分子大环主体有：DNA,冠醚，环糊精，杯芳烃，杯吡咯，杯咔唑，瓜环胡葫芦脲，柱芳烃等。
分子层
分子团簇
分子长链
注意：
思考与讨论：超分子有何特征及应用？
化合物2与LiCl的晶体结构（左）及 化合物3与LiCl的晶体结构（右）
锂元素回收方法最新探索
——利用超分子相互作用从固体、液体中提取锂
离子受体的结构式
化合物2能容纳LiCl、NaCl、KCl及CsCl分子，而化合物3则只能容纳LiCl分子。
在过去20年里，全世界对锂的需求呈爆炸性增长，这主要是因为锂元素在锂离子电池等现代材料中扮演者不可或缺的角色。然而，地球上锂元素的含量是有限的。有学者预测，以现有的趋势消耗下去，锂元素的供给平衡将在2023年被打破，到时便会出现全球性的锂短缺现象。与锂元素消耗的趋势相比，锂资源的回收则显得微不足道。据统计，每年回收的锂还不到消耗的1%。
二、超分子的重要特征
1.分子识别
（1)分离 C60 和 C70
“杯酚”
分离 C60 和 C70
C60
C70
杯酚与C60通过范德华力相结合，通过尺寸匹配实现分子识别
观察与思考
冠
醚
是分子中含有多个“氧-亚甲基”-结构单元的大环多醚
皇冠状的分子
冠醚的命名
15-冠-5
12-冠-4
C 原子：2×5 = 10 O 原子：5
10 + 5 = 15
把环上所含C、O原子的总数标注在“冠”字之前，把其中所含氧原子数标注在“冠”之后。
冠醚是皇冠状的分子，有不同大小的空穴，能与正离子，尤其是碱金属离子络合，并随环的大小不同而与不同的金属离子络合，利用此性质可以识别碱金属离子，从而实现选择性结合，在有机反应中可作催化剂。
冠醚的空穴结构对离子有选择作用
资料在线：
冠醚靠什么原子吸引阳离子？
思考﹒ 讨论
C 原子是环的骨架，稳定了整个冠醚
O原子吸引阳离子
冠醚 冠醚空腔直径/pm 适合的粒子(直径/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 冠醚识别钾离子
(2) “冠醚”识别碱金属离子
不同冠醚的空腔尺寸不同，与不同的阳离子相匹配，从而实现选择性结合。
思考与讨论
1.冠醚与碱金属离子之间的配位键属于离子键、共价键、氢键还是分子间作用力？
提示　共价键。
2.冠醚与碱金属离子形成配合物得到的晶体里还有什么粒子，这类晶体是离子晶体、共价晶体还是分子晶体？
提示　阴离子，离子晶体。
应用：相转移催化剂
问题背景：
高锰酸钾溶液可以氧化甲苯，从而褪色。
但是高锰酸钾溶解在水中，难溶于甲苯，难以和甲苯充分接触。
冠醚环的大小与金属离子匹配，将阳离子以及对应的阴离子(MnO4－)都带入有机溶剂，使游离的高锰酸根反应活性很高，从而快速发生反应。
MnO4－
KMnO4 ＋
甲苯中冠醚的浓度 褪色时间
30 g/L 5 min不褪色
60 g/L 5 min明显褪色
120 g/L 4.5 min明显褪色
溶有18-冠-6的甲苯与高锰酸钾水溶液反应
K+ MnO4－
甲苯
MnO4－
观看视频：超分子的自组装
自组装
2.超分子的自组装
参与形成超分子的主客体分子，能够自发地形成有序结构，这一特性被称为“自组装”。
K+
K+
纯水 洗涤灵 胶束
超分子自组装的应用
表面活性剂
1.烷基磺酸根离子在水中自组装为胶束
2.表面活性剂在水中自组装为单分层
细胞外部
磷脂分子
双分子层
细胞质
疏水端
亲水端
亲水端
3.细胞和细胞器的双分子膜的自组装
2020年，我国博士后王振元：潜心创新，成功开发出超分子生物催化技术，打破了国外巨头在化妆品高端原料市场的垄断地位。
超分子的未来发展：通过对超分子研究，人们可以模拟生物系统，复制出一些新材料，如：新催化剂、新药物、分子器件、生物传感器等功能材料。
【超分子化学】
含义：研究超分子的化学叫超分子化学，是一门处于近代化学、材料化学和生命科学交汇点的新兴学科。
研究领域：环状配体组成的主客体体系；有序的分子聚集体；由两个或两个以上基团用柔性链或刚性链连接而成的超分子化合物。
应用：在分子识别与人工酶、酶的功能、短肽和环核酸的组装体及其功能等领域有着广阔的应用前景。
资料卡片
超分子
概 念
作用力
特征
分子识别
自组装
冠醚识别碱金属离子
“杯酚”分离C60 和 C70
由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体称为超分子。
通过非共价键结合，包括氢键、静电作用、疏水作用以及一些分子与金属离子形成的弱配位键等。
课堂小结
[课堂练习1]下列关于超分子的叙述正确的是( )
超分子就是高分子
超分子都是无限伸展的
形成超分子的微粒都是分子
超分子具有分子识别和自自组装的特征
D
[课堂练习2]已知图1所示为冠醚18-冠-6。氯化钾可以较好的溶解在其中，得到的物质结构如图2所示。根据以上信息，下列说法不正确的是（ ）
A．阳离子被冠醚固定在空穴中依靠的主要是静电相互作用
B．如果要溶解NaCl，用图3所示的冠醚比图4所示的冠醚效果更好
C．图中所示的几种冠醚互为同系物
D．冠醚的化学式通式为(CH2CH2O)n
C
[课堂练习3]利用分子间作用力形成超分子进行“分子识别”，实现分子分离，是超分子化学的重要研究和应用领域。如图表示用“杯酚”对C60和C70进行分离的过程，下列对该过程的说法错误的是(　 　)
A
A．C70能溶于甲苯，C60不溶于甲苯
B．C60能与“杯酚”形成超分子
C．C70不能与“杯酚”形成超分子
D．“杯酚”能够循环使用
[课堂练习4]图1表示某种含氮有机化合物的结构，其分子内4个氮原子分别位于正四面体的4个顶点(见图2)，分子内存在空腔，能嵌入某种离子或分子并形成4个氢键予以识别。
下列分子或离子中，能被该有机化合物识别的是____(填字母)。
a.CF4 b.CH4 c. NH4+ d.H2O
c

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