3.4.2超分子 课件 2025-2026学年高二下学期化学人教版选择性必修2

第三章 晶体结构与性质 第4节 配合物与超分子 第2课时 超分子 1 本节课内容知识点结构图位于下页PPT Superman Super-molecular Super-: 强大、有力量、巨大，等等。 超：越过、超过、赶上；大于、高于、远于。 分子：10-9 m(纳米)，非常小的尺度。 超分子：在分子这一物质结构层次之上去观察物质的结构。 两者有何关联？ 什么是超分子？ 超分子是指由两种或两种以上分子依靠分子间相互作用结合在一起，形成复杂的、有组织的聚集体，保持一定的完整性，使它具有明确的微观结构和宏观特性。 物质结构的层次 Supermolecule 10-7 m Atom 10-10 m Nucleus 10-14 m Proton 10-15 m Neutron Quark < 10-18 m Electron Molecule 10-9 m Cell 10-5 m organs 10-2 m Universe Galaxy Solar system Earth Human 物 质 世 界 的 层 次 特 征 超分子处于分子与细胞之间的层次，对于生命非常重要 6 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 一、超分子 1.定义： 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.注意： （1）超分子定义中的分子是广义的，包括离子。 （2）超分子有的是有限的，有的是无限伸展的。 有限的超分子 无限伸展的超分子 7 例1：分离C60和C70 C60 C70 C70比C60更大一点 3、超分子的特征——(1)分子识别 下面我们来认识一下“杯酚”。杯酚一般是由亚甲基桥联苯酚单元所构成的大环化合物，因其结构像一个酒杯而被称为杯芳烃或杯酚。杯酚具有大小可调节的空腔，可盛装不同尺寸的分子或离子。 1942年，奥利地人金克在研究酚醛树脂的过程中，由对叔丁基苯酚与甲醛溶液的反应，意外合成了杯酚。 混合 空腔大小适配C60 杯酚与C60通过分子间力形成的分子聚集体即为超分子 例2：冠醚识别碱金属离子 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。是皇冠状分子。 15-冠-5 12-冠-4 3、超分子的特征——(1)分子识别 观察这两个冠醚的球棍模型和结构简式，猜想名称的含义；画出18-冠-6、 21-冠-7的结构简式示意图 11 思考：冠醚靠什么原子吸引阳离子？碱金属离子或大或小，猜想冠醚是如何识别它们的？ O 原子吸引阳离子，C 原子是环的骨架，稳定了整个冠醚；环的大小与金属离子匹配 （2） 18-冠-6识别碱金属离子(如K＋) 18-冠-6 冠醚与金属阳离子通过配位作用相结合形成超分子,通俗理解氧原子电负性大，带部分负电，而阳离子带正电，相互吸引 12 思考1：KMnO4水溶液对烯烃氧化效果差，在烯烃中加入冠醚时，氧化能力变强，原因是什么呢？ 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。 阴离子，离子晶体。 思考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？ 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。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 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 4、超分子的特征——(2)自组装 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 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。 15 亲 水 头 疏 水 尾 来源， 16 表面活性剂：从分子结构上说，也可以叫“两亲分子”，一端为亲水基团，另一端为疏水基团。 硬脂酸根（传统肥皂的有效成分之一） 十二烷基苯磺酸根 （合成洗涤剂中常用的表面活性剂） 18 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 极性基团(亲水) 非极性基团(疏水) 超分子自组装的一些实例 氢键识别组装成分子饼 三聚氰胺 氰尿酸 小分子的超分子 氢键识别、-堆叠和冠醚-阳离子识别的协同 小分子的超分子 Zn-N配位键形成的分子盒 锌-卟啉 小分子的超分子 Fe-N配位键组装成的超分子 联吡啶 小分子的超分子 疏水作用 环糊精接上一个疏水基团（如Ph-C4H9），这个基团通过识别环糊精疏水性的内腔，自组装成长链。 分子导线 分子二极管 分子电阻 当一个小型脂肪族官能团被插入一个导电的聚亚苯基链中间时，它切断了导电通道并形成一个电子传输的“阻碍”。 分子开关 们将它构建到脂质体膜上，形成一个人工创造的可控药物载体模型。当紫外光照射时，阀门关闭，药物分子被包容在脂质体中;一旦照射可见光，阀门打开，脂质体中的药物分子被释放，利用开关的可逆特性可实现药物的多次可逆装载与释放。 分子马达 通过更为精细地设计，目前最新分子马达 的转速己能达到令人惊异的每秒50万转。 超分子的重要性 1 物质结构中不可逾越的层次，承上启下， 超分子化学的研究是从分子走向生命，从分子实现器件，功能材料的必经之路。 2 创造新物质的源泉 自然界存在和人工合成的元素百余种→近3000万化合物→ 进一步组装，多少物质？ 25 Questions by Science. 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。 1. 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4所示的冠醚比图3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 BC 课 堂 练 习 2．利用超分子可分离C60和C70，将C60、C70混合物加入一种空腔大小适配C60的“杯酚”中进行分离的流程如图。下列说法正确的是( ) A．杯酚与C60形成氢键 B．C60与C70晶体类型不同 C．该分离过程利用的是超分子的分子识别特征 D．一个C60晶胞中含有8个C60分子 C 3.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 4．下列不能看作超分子的是(　　) A．两个DNA分子链通过氢键结合在一起 B．细胞膜中的磷脂分子的双层膜结构 C．冠醚与金属离子的聚集体 D．所有以氢键结合在一起的分子 D 本节课到此结束 $