3.4.2 超分子-【核心素养新教学】2025-2026学年高二化学同步优质教学课件（人教版选择性必修2）

第一章 化学反应的热效应 第三章 晶体结构与性质 第四节配合物与超分子 本节重点 超分子的结构特点及其物质性质的影响。 第2课时 超分子 1 配合物在生命体中大量存在，对生命活动具有重要意义。另外，配合物尖端技术、医药科学等有着广泛的应用。 对生命活动、尖端技术等有着广泛的应用前景的还有超分子等物质 【科技前沿展望】 什么是超分子呢？ 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 生命体中超分子体系： 叶绿体中的光系统I蛋白 A T 氢键 由两种或两种以上的分子(或离子)通过分子间相互作用形成的分子聚集体 超分子 概念 主题1:超分子及其机构特点 注意：超分子定义中的分子是广义的，包括离子。 有的是有限的 有的是无限伸展的 特性 微粒间作用力 ——非共价键 有人则将其概括为非共价键，有人则将其限于分子间作用力，主要是静电作用、范德华力、氢键、疏水作用以及一些分子与金属离子形成的弱配位键等。 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。 主题1:超分子及其机构特点 特征 （1）分子识别： ①“杯酚”分离 C60 和 C70 原理：C60 、C70可溶于甲苯， 不溶于氯仿，而“杯酚”溶于氯仿，不溶于甲苯， 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 这个例子反映出来的超分子的特性被称为“分子识别”。 主题1:超分子及其机构特点 1）冠醚定义：分子中含有多个-氧-亚甲基(CH2)-结构单元的大环多醚。 15-冠-5 12-冠-4 C 原子：2×4=8 O 原子：4 环上总原子数：8 + 4 = 12 C 原子：2×5=10 O 原子：5 环上总原子数：10 + 5 = 15 ②冠醚识别碱金属离子 主题1:超分子及其机构特点 常见的冠醚有12-冠-4、15-冠-5、18-冠-6 等 7 ②冠醚识别碱金属离子 思考：冠醚靠什么原子吸引阳离子？ O 原子吸引阳离子。 C 原子是环的骨架，稳定了整个冠醚， 2）冠醚特点：冠醚是皇冠状的分子，有不同大小的空穴适配不同大小的碱金属离子，利用此性质可以识别碱金属离子,从而实现选择性结合。 冠醚与金属阳离子通过配位作用相结合形成超分子 主题1:超分子及其机构特点 常见的冠醚有12-冠-4、15-冠-5、18-冠-6 等 8 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） Rb+（304） Cs+（334） 思考： K+ 直径为276 pm，应该选择哪种冠醚呢？ 18-冠-6 3）冠醚应用： 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都带入有机溶剂，因而成为有机反应中很好的催化剂。 冠醚是皇冠状的分子，可有不同大小的空穴适配不同大小的碱金属离子 冠醚识别碱金属离子。不同大小的冠醚可以识别不同大小的碱金属离子。 主题1:超分子及其机构特点 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。 【深度思考】 主题1:超分子及其机构特点 特征 （1）分子识别： ①“杯酚”分离 C60 和 C70 ②冠醚识别碱金属离子 （2）自组装 自组装示例1 自组装定义: 超分子组装的过程称为分子自组装，自组装过程是使超分子产生高度有序的过程。 细胞和细胞器的双分子膜 细胞膜两侧为水溶液，水是极性分子，而构成膜的两性分子的头基是极性基团而尾基是非极性基团。头基为亲水基团，头部会朝向水溶液一侧，从而实现自组装。 主题1:超分子及其机构特点 表面活性剂 “两亲分子”：一端为亲水基团，另一端为疏水基团 低浓度时，优先在溶液表面形成单分子层 高浓度时，在溶液中形成胶束 （2）自组装示例2 主题1:超分子及其机构特点 课堂检测 2．下列有关超分子的说法错误的是 A．超分子是由两种或多种分子形成的聚集体 B．分子形成超分子的作用可能是分子间作用力 C．超分子具有分子识别的特性 D．分子以共价键聚合形成超分子 【详解】A．超分子是由两个或多个分子相互“组合”在一起形成具有特定结构和功能的聚集体，A正确； B．超分子内部分子之间可以通过氢键、静电作用等分子间作用力结合在一起，B正确； C．分子识别和自组装是超分子形成的两个重要方面，C正确； D．超分子内部分子之间通过非共价键相结合，可以通过氢键、静电作用、堆积作用等结合在一起，D错误；综上所述答案为D。 D 1、判断正误 (1)超分子的性质与组成超分子的单个分子的性质相同。( ) (2)超分子是相对分子质量很大的有机化合物。(　　) (3)超分子内部分子可以通过非共价键结合。(　　) × × √ 　　 3．下列关于超分子的说法不正确的是(　　) A．超分子是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 B．超分子都是无限伸展的 C．冠醚是一种超分子，可以识别碱金属离子 D．细胞和细胞器的双分子膜具有自组装特征 4．已知冠醚15-冠-5空腔直径为170-220pm，Li+、Na+、K+、Rb+离子直径分别为152 pm、204 pm、276 pm、304 pm，下列适合冠醚15-冠-5识别的是( ) A．Li+ B．Na+ C．K+ D．Rb+ B B 课堂检测 5．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. C70能溶于甲苯，C60也溶于甲苯 B. C60能与“杯酚”形成超分子 C. C70不能与“杯酚”形成超分子 D． D. “杯酚”能够循环使用 C 课堂检测 6.我国科学家制得了SiO2超分子纳米管，结构如图所示。下列叙述正确的是 A.SiO2与干冰的晶体结构相似 B.SiO2耐腐蚀，不与任何酸反应 C.该SiO2超分子纳米管具有分子识别和自组装的特征 D.光纤的主要成分是SiO2，具有导电性 C 课堂检测 “杯酚” 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 C60 C70 C60 C70 C70 C60 C60 超分子 循环使用 溶于氯仿 甲苯，过滤 不溶于氯仿 超分子不溶于甲苯 溶于甲苯 氯仿 重要特征及其应用——分子识别 主题2:超分子的应用 超分子方面的诺贝尔奖 资料卡片 “杯酚”与冠醚形成的超分子，虽然识别的分子、离子不同，但环状结构异曲同工，且尺寸可控。 1987年，诺贝尔化学奖授予三位化学家，以表彰他们在超分子化学理论方面的开创性工作，这是人类在操控分子方面迈出的重要一步。 主题2:超分子的应用 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。 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 主题2:超分子的应用 冠醚识别碱金属离子(如K＋) 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 重要特征及其应用——分子识别 主题2:超分子的应用 冠醚，是分子中含有多个-氧-亚甲基-结构单元的大环多醚。冠醚的空穴结构对离子有选择作用，不同冠醚的空腔尺寸不同，与不同的阳离子相匹配(配位作用)，从而实现选择性结合(识别不同大小的碱金属离子)，在有机反应中可作催化剂。 冠醚 冠醚空腔直径/pm 合适的粒子(直径/pm) 12-冠-4 120～150 Li+(152) 15-冠-5 170～220 Na+(204) 18-冠-6 260～320 K+(276)Rb+(304) 21-冠-7 340～430 Cs+(334) 冠醚识别碱金属离子(如K＋) 重要特征及其应用——分子识别 主题2:超分子的应用 问题1 冠醚靠什么原子吸引阳离子？ C 原子是环的骨架，稳定了整个冠醚 O 原子吸引阳离子 问题2 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？ 共价键 问题3 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？ 阴离子，离子晶体 课堂检测 冠醚识别碱金属离子的应用 应用举例：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。 甲苯 K+ MnO4 但是高锰酸钾易溶于水，难溶于甲苯，难以和甲苯充分接触。 溶有18-冠-6的甲苯与高锰酸钾水溶液反应 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 K+ MnO4 水层 MnO4 K+ 主题2:超分子的应用 甲苯 K+ MnO4 KMnO4水溶液对烯烃氧化效果差，在烯烃中加入冠醚时，冠醚通过与K+结合而将高锰酸根也带入烯烃中；而冠醚不与高锰酸根结合，使游离的高锰酸根反应活性很高，从而快速发生反应。 实例分析：KMnO4氧化烯烃 主题2:超分子的应用 超分子有序体 相似相溶 亲水端倾向于与水相接触 疏水端倾向于不与水接触，彼此聚集 纯水 洗涤灵 胶束 主题2:超分子的应用 超分子组装的过程称为分子自组装（Molecular self-assembly)，自组装过程（Self-organization)是使超分子产生高度有序的过程。 细胞外部 磷脂分子 双分子层 细胞质 疏水端 亲水端 亲水端 重要特征及其应用——分子自组装 主题2:超分子的应用 a.烷基磺酸根离子在水中自组装为胶束 c.细胞和细胞器的双分子膜的自组装 极性基团(亲水) 非极性基团(疏水) b.表面活性剂在水中自组装为单分层 极性基团 极性基团(亲水) 极性基团(亲水) 非极性基团(疏水) 非极性基团(疏水) 细胞膜的两侧都是水溶液，水是极性分子，而构成膜的两性分子的头基是极性基团而尾基是非极性基团。头基为亲水基团，头部会朝向水溶液一侧，从而实现自组装。 主题2:超分子的应用 课堂检测 1.下列关于超分子和配合物的叙述不正确的是 A.利用超分子的分子识别特征，可以分离C60和C70 B.配合物中只含配位键 C.[Cu(H2O)4]2＋中Cu2＋提供空轨道，H2O中的氧原子提供孤电子对，从 而形成配位键 D.配合物在半导体等尖端技术、医药科学、催化反应和材料化学等领域 都有广泛应用 B 课堂检测 2．超分子化学已逐渐扩展到化学的各个分支，还扩展到生命科学和物理学等领域。由Mo将2个C60分子、2个p-甲酸丁酯吡啶及2个CO分子利用配位键自组装的超分子结构如图所示，该超分子中存在的化学键类型有 A．σ键、π键、离子键 B．σ键、π键、氢键 C．σ键、π键 D．σ键、π键、离子键、氢键 C 【详解】根据题意可知，Mo与2个C60分子、2个p-甲酸丁酯吡啶及2个CO分子之间均为配位键，且为单键，即σ键，双键、三键中存在π键，不存在离子键，氢键不是化学键； 故答案为C。 课堂小结 超分子 超分子定义和作用力 超分子的特征 分子识别 自组装 Thank you for watching $