3.3.2超分子讲义2026-2027学年高二上学期化学人教版选择性必修2

本讲义聚焦高中化学超分子核心知识点，从定义（分子间相互作用形成的聚集体）出发，系统梳理分子识别（如冠醚、杯芳烃的选择性结合）和自组装特性（如胶束、囊泡的有序结构），并延伸至生物医药、材料科学等实际应用，构建完整学习支架。 资料通过DNA双螺旋、杯酚分离C60/C70等实例解析概念，结合“对点练习”和“课后作业”强化理解，培养科学思维与探究能力。课中辅助教师清晰讲授分子作用机制，课后助力学生巩固知识、查漏补缺，提升解决实际问题的能力。

3.3.2 超分子 一、超分子 超分子是由两种或两种以上的分子（或离子）通过分子间相互作用（如氢键、范德华力、疏水作用、π-π堆积作用等）结合在一起，形成具有一定结构和功能的聚集体。与传统的共价化合物不同，超分子的形成依赖的是非共价键的相互作用，这些作用虽然强度远低于共价键，但具有方向性和选择性，使得超分子能够像精密组装的机器一样，展现出独特的性质和功能。 比如我们熟悉的DNA双螺旋结构，就是通过碱基之间的氢键互补配对形成的超分子体系；而酶与底物的结合，也是依靠酶分子和底物分子之间的多种分子间作用力构建的超分子复合物，从而实现高效的催化功能。 二、超分子的核心作用——分子识别 分子识别是超分子的核心特性之一，指的是主体分子对客体分子选择性结合并产生特定功能的过程。这种识别就像一把钥匙开一把锁，主体分子的空间结构和电子分布能够精准匹配客体分子，从而实现选择性结合。 冠醚是典型的主体分子，它具有环状的结构，内部有特定大小的空腔，可以选择性地结合不同半径的金属离子。比如18-冠-6，它的空腔大小恰好适合钾离子，能够与钾离子形成稳定的超分子配合物，而对半径较小的钠离子或较大的铷离子结合能力就弱很多，这就是典型的分子识别。 杯芳烃也是一类常见的主体分子，它的结构像一个杯子，不仅可以通过杯口的官能团与客体分子作用，杯的空腔还能容纳合适大小的分子，实现对特定客体的识别和结合。 三、超分子的自组装特性 超分子自组装是指分子在没有外界干预的情况下，通过分子间相互作用自发形成有序结构的过程。自组装是超分子形成的重要方式，它可以从简单的分子构建出复杂的、具有特定功能的超分子体系。 最常见的例子就是表面活性剂形成的胶束。表面活性剂分子一端是亲水的极性基团，另一端是疏水的非极性基团，当它们在水中达到一定浓度时，会自发聚集，疏水基团向内，亲水基团向外，形成球状的胶束。这种自组装结构可以用来包裹疏水性的药物分子，提高药物在水中的溶解度和稳定性。 另外，一些两亲性的嵌段共聚物，在不同的溶剂环境中，还能自组装形成囊泡、纳米纤维、片状结构等多种不同形态的超分子聚集体，这些结构在材料科学、生物医药等领域有着广泛的应用前景。 【对点练习】 1.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性质 【答案】B 【解析】A．超分子通常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，组成复杂的、有组织的聚集体，故A正确；B．超分子有的是有限的，有的是无限伸展的，故B错误；C．冠醚与某些金属的包合物都是超分子，可以识别碱金属离子，故C正确；D．细胞和细胞器的双分子膜具有自组装性质，生物体的细胞即是由各种生物分子自组装而成，故D正确；选B。 2.环糊精是由多个葡萄糖单元键连成环的超分子主体分子，环糊精的结构如下图所示，存在分子内氢键。等多酸阴离子能填充环糊精的空穴形成超分子复合物。下列叙述正确的是    A．葡萄糖单元通过范德华力键连成环 B．环糊精在强酸的环境下能稳定存在 C．环糊精具有分子识别功能 D．环糊精在水中溶解度非常大 【答案】C 【解析】A．葡萄糖单元通过糖苷键结合的，不是范德华力，故A错误；B．强酸条件下，环糊精会水解为单糖，故B错误；C．等多酸阴离子能填充环糊精的空穴形成超分子复合物，环糊精能识别多酸阴离子，有分子识别功能，故C正确；D．环糊精存在分子内氢键，与水分子形成氢键的数量减少，且分子中烃基较大，在水中溶解度不大，故D错误；选C。 3.下列关于超分子的说法中，不正确的是 A．超分子是由两种或两种以上的分子必须通过氢键相互作用形成的分子聚集体 B．将加入一种空腔大小适配的“杯酚”中会形成超分子 C．碱金属离子虽然不是分子，但冠醚在识别碱金属离子时，形成的也是超分子 D．超分子的重要特征是自组装和分子识别 【答案】A 【解析】A．超分子是由两种或两种以上的分子通过分子间作用力形成的分子聚集体，不一定是氢键，A错误；B．将C60加入一种空腔大小适配C60的“杯酚”中，两分子间的作用力为分子间作用力，能形成超分子，B正确；C．冠醚是皇冠状的分子，有不同大小的空穴，会与合适的碱金属离子形成超分子，C正确；D．超分子的两大特征为：分子识别和自组装，D正确；答案选A。 4、 超分子在实际中的应用 （一）生物医药领域 1.药物递送：利用超分子自组装形成的胶束、囊泡等结构，可以将药物包裹在其中，实现药物的靶向递送。比如将抗癌药物包裹在pH响应型的超分子囊泡中，由于肿瘤组织的pH值比正常组织低，囊泡在肿瘤部位会破裂释放药物，提高药物的疗效，同时减少对正常组织的副作用。 2.生物传感器：基于超分子的分子识别特性，可以构建生物传感器。比如利用冠醚对金属离子的特异性识别，制作检测重金属离子的传感器；或者利用酶与底物的超分子作用，制作检测特定生物分子的传感器，实现对疾病标志物的快速检测。 （二）材料科学领域 1.超分子液晶：传统液晶依赖分子的刚性结构，而超分子液晶通过分子间的氢键等作用形成有序结构，具有更好的柔韧性和可调控性。超分子液晶可以用于制作显示器件、智能材料等，比如可以通过外界刺激（如温度、pH值）改变液晶的状态，实现材料的响应性变化。 2.超分子聚合物：超分子聚合物是由单体通过非共价键相互作用连接形成的聚合物，与传统共价聚合物相比，它具有可降解、可修复的特性。比如含有氢键作用的超分子聚合物，当材料受到损伤时，断裂的非共价键可以重新结合，实现材料的自修复，这种材料在航空航天、汽车制造等领域有重要应用。 （三）环境科学领域 超分子材料可以用于环境污染物的吸附和分离。比如杯芳烃类超分子材料，能够选择性地吸附水体中的重金属离子和有机污染物，通过分子识别作用将污染物从环境中分离出来，达到净化环境的目的。另外，一些超分子吸附剂还可以重复利用，降低处理成本。 （四）应用实例 (1) “杯酚”分离C60和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。向C60和C70的混合物中加入一种空腔大小适配C60的“杯酚”,再加入甲苯溶剂，溶解未装入“杯酚”的C70，过滤后分离C70；再向不溶物中加入氯仿，溶解“杯酚”而将不溶解的C60释放出来并沉淀。 (2)冠醚识别碱金属离子：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。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。 (3)细胞和细胞器的双分子膜：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。 (4)DNA分子：核酸的双螺旋结构是靠氢键来保持的。 五、超分子化学的发展前景 超分子化学是化学与生物学、材料科学、物理学等多学科交叉的领域，随着研究的深入，超分子体系的设计和构建将更加精准和复杂。未来，我们可以设计出具有更高级功能的超分子机器，比如能够在细胞内进行药物释放、生物信号传递的超分子装置；也可以开发出更多基于超分子的智能材料，用于柔性电子、仿生器件等领域。同时，超分子在生命科学领域的研究也将帮助我们更好地理解生命过程中的分子相互作用，为疾病治疗和生物工程提供新的思路和方法。 【对点练习】 1.利用“杯酚”从和的混合物中纯化的过程如图所示。    关于上述过程及涉及的物质的说法不正确的是（    ） A．和“杯酚”之间的相互作用是键 B．和被“杯酚”识别是利用了二者的分子体积大小不同 C．“杯酚”分子内官能团之间通过氢键作用形成“杯底” D．若“杯酚”中氧原子数目为n，则“杯酚”的分子式可表示为 【答案】A 【解析】A．由图可知，和“杯酚”之间的相互作用是分子间作用力，故A错误；B．“杯酚”的空腔大小只适配C60，和被“杯酚”识别是利用了二者的分子体积大小不同，故B正确；C．“杯酚”分子内含有多个羟基，可形成分子内氢键，从而形成“杯底”，故C正确；D．由“杯酚”的结构简式可知，其中C、H、O原子个数比为14:14:1，若“杯酚”中氧原子数目为n，则“杯酚”的分子式可表示为，故D正确。 2.冠醚是一种超分子，它能否适配碱金属离子与其空腔直径和离子直径有关。二苯并-18-冠-6与K+形成的螯合离子的结构如图所示。下列说法错误的是 A．含有该螯合离子的物质所形成的晶体是离子晶体 B．二苯并-18-冠-6也可以识别Li+ C．该螯合离子的中心离子的配位数为6 D．该螯合离子中6个O原子与K+有可能在同一平面上 【答案】B 【解析】A．该物质是含有K+离子螯合阳离子，与阴离子可以形成离子化合物，含有该螯合离子的物质所形成的晶体是离子晶体，故A正确；B．二苯并-18-冠-6空腔直径直径大，不能适配半径小的Li+离子,不能识别Li+离子，故B错误；C．中心离子K+离子与6个氧原子形成6个配位键，配位数为6，故C正确；D．该螯合离子中6个O原子与K+有可能在同一平面上，故D正确。 3.不同空腔尺寸的葫芦可以通过形成超分子从气体或溶液中识别不同分子并选择性吸附，对位取代的苯的衍生物恰好可以进入葫芦［6］脲(结构如图所示)的空腔。下列说法正确的是 A．葫芦脲可以吸附进入空腔的所有分子 B．葫芦［6］脲是超分子且能发生丁达尔效应 C．葫芦［6］脲形成的超分子中分子间存在范德华力、氢键 D．可装入对甲基苯甲酸体现了超分子的“分子识别”功能 【答案】D 【解析】A．由题给信息可知，只有对位取代的苯的衍生物恰好可以进入葫芦［6］脲的空腔，故A错误；B．葫芦［6］脲是超分子，属于纯净物，不能发生丁达尔效应，故B错误；C．氢键是电负性大的原子与氢原子形成共价键，这个氢原子与另外电负性大的原子形成，葫芦［6］脲形成的超分子间不存在氢键，故C错误；D．由题给信息可知，对位取代的苯的衍生物恰好可以进入葫芦［6］脲的空腔，则可装入对甲基苯甲酸，体现了超分子的“分子识别”功能，故D正确。 【课后作业】 1．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 【答案】D 【解析】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。 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 【答案】C 【解析】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。 3．我国科学家制得了SiO2超分子纳米管，微观结构如图。下列叙述正确的是    A．SiO2与干冰的物理性质相似 B．SiO2耐腐蚀，不与任何酸反应 C．工业上用SiO2制备粗硅 D．光纤主要成分是SiO2，具有导电性 【答案】C 【解析】A．SiO2超分子纳米管主要由二氧化硅构成，SiO2是共价晶体而干冰是分子晶体，结构不相似，故A错误；B．SiO2耐腐蚀，但能与氢氟酸反应，故B错误；C．工业上用SiO2与焦炭反应生成一氧化碳和粗硅，故C正确；D．光纤主要成分是SiO2，晶体硅具有导电性，而二氧化硅不导电，故D错误。故选C。 4．冠醚能与阳离子尤其是与碱金属离子作用，并随环的大小不同而与不同碱金属离子作用，12-冠-4与作用而不与、作用，18-冠-6不与或作用，但与作用如图所示。下列说法错误的是    A．18-冠-6中和6个氧原子不可能共面 B．18-冠-6与作用不与和作用反映了超分子“分子识别”的特征 C．不同冠醚与不同碱金属作用，中心碱金属离子的配位数是不变的 D．冠醚与碱金属离子形成配合物得到的晶体里还有阴离子，这类晶体属于离子晶体 【答案】C 【解析】A．18-冠-6分子中，氧原子采用杂化，有1对孤电子对，VSEPR模型为四面体形，所以6个氧原子与不可能在同一平面上，A正确；B．18-冠-6与钾离子作用，但不与锂离子或钠离子作用说明超分子具有分子识别的特征，B正确；C．中心碱金属离子的配位数是随着空穴大小不同而改变的，C错误；D．碱金属离子带正电，形成的晶体中还有阴离子，因此为离子晶体，D正确；故选C。 5．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，可以分离和 B．1mol 分子中含5个配位键 C．提供空轨道，中氧原子提供孤对电子，从而形成配位键 D．配合物在半导体等尖端技术、医学科学、催化反应和材料化学等领域都有广泛应用 【答案】B 【解析】A．利用超分子的分子识别特征，能够区分识别C60和C70，故可以分离C60和C70，A正确；B．CO分子存在1个配位键，中存在5个FeC配位键，故1mol 分子中含10个配位键，B错误；C．配离子中中心原子提供空轨道，配体提供孤电子对，所以[Cu(H2O)6]2+中的Cu2+提供空轨道，H2O中的O原子提供孤对电子，两者结合形成配位键，C正确；D．配合物的应用：①生命体中，许多酶与金属离子的配合物有关；②科学研究和生产实践：进行溶解、沉淀或萃取等操作来达到分离提纯、分析检测等目的，D正确；故选B。 6．“超分子”已经在很多领域广泛应用。下列关于超分子说法正确的是    A．冠醚的空穴结构对离子有选择作用，在有机反应中可作催化剂，图甲中K+与冠醚形成离子键 B．杯酚具有“分子识别”特征，图乙中杯酚与C60形成氢键 C．可燃冰(图丙)可看作由水和甲烷等分子通过非共价键形成的超分子，硫化氢分子间也能通过与水分子间类似的相互作用形成分子笼 D．烷基磺酸钠在水中聚集形成的胶束(图丁)，这反映了超分子的“自组装”特征 【答案】D 【解析】A．冠醚的空穴有固定的结构，对离子有选择作用，在有机反应中可作催化剂；离子键为离子间的强相互作用力，图甲中K+与冠醚没有形成离子键，A错误；B．当氢原子连接在电负性大且原子半径小的原子（例如氟、氧、氮）上时，可以形成氢键；杯酚具有“分子识别”特征，但是图乙中杯酚与C60没有形成氢键，B错误；C．水分子间能形成氢键，可燃冰(图丙)可看作由水和甲烷等分子通过非共价键形成的超分子；硫化氢分子间不能形成氢键，故不能通过与水分子间类似的相互作用形成分子笼，C错误；D．超分子自组装是分子通过分子间相互作用形成具有有序结构的聚集体，烷基磺酸钠在水中聚集形成的胶束(图丁)，这反映了超分子的“自组装”特征，D正确；故选D。 7．卟啉锌超分子在现代农业、科技和国防建设中有着许多独特的用途，其分子结构如图所示。下列关于卟啉锌超分子的说法正确的是 A．基态原子的核外有7种不同空间运动状态的电子 B．图中①②③④处的化学键属于配位键的是①② C．该超分子中的碳原子采取的杂化方式为 D．该超分子含有的第二周期元素中，第一电离能最大的是O元素 【答案】C 【解析】A．Zn是30号元素，基态Zn原子核外电子排布式是1s22s22p63s23p63d104s2，核外有1+1+3+1+3+5+1=15种不同空间运动状态的电子，A错误；B．图中所标四处中，③、④均为共价键，①处N原子形成3个键，N原子价电子数为5，所以3个键均为极性共价键，N原子还有一对孤电子对，②处N原子形成4个键，则与Zn原子形成的应是配位键，B错误；C．苯环、含氮杂环、碳碳双键中的碳原子均为sp2杂化，甲基中的碳原子为sp3杂化，C正确；D．同周期自左至右第一电离能呈增大趋势，但N原子的2p轨道半满，更稳定，第一电离能大于相邻元素，所以第二周期元素中，第一电离能最大的是N，D错误；故选C。 8．配位化学和超分子化学在生命科学领域有着广泛的应用，在生命体中扮演着举足轻重的角色。如下图甲表示血红蛋白中Fe(Ⅱ)结合氧气形成配合物的结构，图乙表示磷酸根与二脲基分子形成的超分子阴离子配合物。相关说法错误的是    A．图甲中，血红蛋白结合O2的作用力有两种，但强度不同，O2与Fe(Ⅱ)间作用力远强于与H间的作用力 B．图乙中，磷酸根和二脲基分子间形成超分子的相互作用属于强度较弱的化学键 C．亚硝酸钠是一种氧化剂，误服中毒会出现面色发青、口唇紫绀等典型缺氧症状，推测中毒机理是其将血红蛋白中Fe(Ⅱ)氧化，使其无法再与O2配位而丧失输氧能力 D．CO中毒的原因：因电负性C<O，故C相比O更易给出电子对与血红蛋白中Fe(Ⅱ)成配位键，当CO存在时，血红蛋白优先与CO结合而丧失输氧能力 【答案】B 【解析】A．血红蛋白中Fe(Ⅱ)结合氧气形成的是配位键，而O2与H之间的作用力为氢键，配位键的强度远高于氢键，A正确；B．图乙中，磷酸根和二脲基分子间形成超分子的相互作用力为配位键，属于强度较大的化学键，B错误；C，亚硝酸钠是一种氧化剂，而Fe(Ⅱ)容易被氧化，误服亚硝酸钠中毒会出现面色发青、口唇紫绀等典型缺氧症状，原因为亚硝酸钠将Fe(Ⅱ)氧化为Fe(Ⅲ)，血红蛋白中的Fe无法与氧气配位，从而无法输送氧气，C正确；D．CO中电负性C<O，C比O更容易给出电子对与血红蛋白中Fe(Ⅱ)形成配位键，因此CO和O2同时存在时，血红蛋白优先与CO结合而丧失了运输氧气的能力，D正确；故答案选B。 9．超分子有望带动我国生命、信息和材料产业的技术革命，分离和、冠醚识别碱金属离子及细胞与细胞器的双分子膜是超分子的应用实例。下列说法正确的是    A．上图中，用杯酚分离和的过程中，操作①是萃取 B．杯酚可由  与甲醛溶液发生加聚反应合成 C．杯酚、冠醚、双分子膜都是超分子，其原理反映出超分子的“分子识别”特征 D．冠醚利用环上的氧原子和不同大小的空穴识别碱金属离子 【答案】D 【解析】A．由于杯酚和结合后，不溶于甲苯，所以操作①为过滤，故A错误；B．杯酚可由  与甲醛溶液发生缩聚反应合成，不是加聚反应，故B错误；C．超分子化合物是指由两个或更多个分子通过分子间相互作用在一起形成的分子聚集体。而杯酚和冠醚是一种特殊的结构，它们由多个分子反应形成的一个稳定的结构，但它们不是超分子，故C错误；D．冠醚利用环上的氧原子和不同大小的空穴识别碱金属离子，故D正确；故选：D。 10．超分子定义中的分子是广义的，包括离子。一种羟甲基酚钠盐形成的含铁超分子的化学式可以表示为，羟甲基酚的结构通式如图所示：    下列推测合理的是 A．该超分子中的铁元素对应微粒为亚铁离子 B．羟甲基酚属于“杯酚”，不具有分子识别特征 C．该超分子可将过渡金属离子萃取到有机溶剂中 D．该超分子属于离子化合物，熔点低于NaCl 【答案】D 【解析】A．根据化合物化学式可知，Na[Fe(OC11H13)4]中Na为+1价，(OC11H13)—为—1价，则Fe的化合价为+3价，对应微粒是铁离子，不是亚铁离子，故A错误；B．从结构简式看羟甲基酚属于“杯酚”，具有分子识别特征，故B错误；C．该超分子可将过渡金属离子形成配位化合物，不可作为萃取剂，故C错误；D．该超分子属于离子化合物，阴离子[Fe(OC11H13)4]—的半径大于Cl—的半径，晶格能小，熔点低，故D正确；故本题选D。 11．冠醚能与阳离子作用，将阳离子以及对应的阴离子都带入有机溶剂，例如水溶液对烯烃的氧化效果较差，在烯烃中溶入冠醚，可使氧化反应迅速发生，原理如图。    下列说法错误的是 A．冠醚与可以通过弱配位键聚集成超分子 B．冠醚与结合后将带入烯烃中，与烯烃充分接触而迅速反应 C．冠醚中碳原子和氧原子杂化方式不同 D．超分子中“C—O—C”键角比冠醚中的键角大 【答案】C 【解析】A．冠醚提供孤对电子，K+提供空轨道，两者通过配位键形成超分子，故A正确；B．已知冠醚能与阳离子作用，将阳离子以及对应的阴离子都带入有机溶剂，则冠醚与结合后将带入烯烃中，与烯烃充分接触而迅速反应，故B正确；C．该冠醚中碳原子杂化类型为sp3杂化，冠醚分子中O原子形成2个σ键，根据氧原子的最外层电子数可知O原子价层还有2个孤电子对，所以O原子的价层电子对数为4，为sp3杂化，故C错误；D．冠醚分子中O原子杂化方式为sp3杂化，但氧原子有两个孤电子对，孤电子对之间的斥力＞孤电子对和成键电子对之间的斥力＞成键电子对之间的斥力，使键角变小，则超分子中“C—O—C”键角比冠醚中的键角大，故D正确；故选：C。 12．在超分子化学中，常用模板合成各种拓扑结构分子，图1为诺贝尔得主Auvage教授利用亚铜离子为模板合成的索烃结构。Cu也可与Zn、Sn及S构成四元半导体化合物的四方晶胞，结构如图2所示，下列说法错误的是      A．基态核外没有未成对电子 B．1mo1索烃中所含的配位键的数量为8 C．半导体化合物中Zn原子与Sn原子个数比为1∶2 D．在四方晶胞中Sn位于S原子组成的四面体空隙中 13．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: (1)Mo处于第五周期第ⅥB族,价电子排布与Cr相似,它的基态价电子排布图是 。 (2)该超分子中存在的化学键类型有 (填选项字母)。 A．离子键B．氢键C．σ键D．π键 (3)该超分子中配体CO提供孤电子对的原子是 (填元素符号),p-甲酸丁酯吡啶配体中C原子的杂化方式有 。 (4)从结构与性质之间的关系解释C60的熔点低于此超分子的原因是 【答案】(1) (2)CD (3) C sp2和sp3 (4)C60是分子晶体，该超分子是原子晶体，原子晶体熔化时破坏的共价键所需的能量远高于分子晶体熔化时破坏的分子间作用力 【解析】(1)Cr的基态价电子分布为3d54s1，而Mo与Cr同主族，但比Cr多了一周期，因而基态价电子分布为4d55s1，用轨道电子排布表示为，故答案：。 (2)观察该超分子结构有双键，说明有σ键和π键，分子中不存在离子键，根据信息Mo形成配位键，故答案：CD。 (3)CO做配体时是C做配位原子，氧把孤对电子给了碳，碳变成富电子中心，有提供电子对形成配位键的能力，p－甲酸丁酯吡啶中碳原子有形成双键，说明其杂化方式为sp2，在丁基中C原子形成四个单键为sp3杂化。故答案：C；sp2和sp3。 (4)根据不同晶体类型的性质不同来解释：C60是分子晶体，该超分子是原子晶体，原子晶体熔化时破坏的共价键所需的能量远高于分子晶体熔化时破坏的分子间作用力。故答案：C60是分子晶体，该超分子是原子晶体，原子晶体熔化时破坏的共价键所需的能量远高于分子晶体熔化时破坏的分子间作用力。 页 学科网（北京）股份有限公司 $ 3.3.2 超分子 一、超分子 超分子是由两种或两种以上的分子（或离子）通过分子间相互作用（如氢键、范德华力、疏水作用、π-π堆积作用等）结合在一起，形成具有一定结构和功能的聚集体。与传统的共价化合物不同，超分子的形成依赖的是非共价键的相互作用，这些作用虽然强度远低于共价键，但具有方向性和选择性，使得超分子能够像精密组装的机器一样，展现出独特的性质和功能。 比如我们熟悉的DNA双螺旋结构，就是通过碱基之间的氢键互补配对形成的超分子体系；而酶与底物的结合，也是依靠酶分子和底物分子之间的多种分子间作用力构建的超分子复合物，从而实现高效的催化功能。 二、超分子的核心作用——分子识别 分子识别是超分子的核心特性之一，指的是主体分子对客体分子选择性结合并产生特定功能的过程。这种识别就像一把钥匙开一把锁，主体分子的空间结构和电子分布能够精准匹配客体分子，从而实现选择性结合。 冠醚是典型的主体分子，它具有环状的结构，内部有特定大小的空腔，可以选择性地结合不同半径的金属离子。比如18-冠-6，它的空腔大小恰好适合钾离子，能够与钾离子形成稳定的超分子配合物，而对半径较小的钠离子或较大的铷离子结合能力就弱很多，这就是典型的分子识别。 杯芳烃也是一类常见的主体分子，它的结构像一个杯子，不仅可以通过杯口的官能团与客体分子作用，杯的空腔还能容纳合适大小的分子，实现对特定客体的识别和结合。 三、超分子的自组装特性 超分子自组装是指分子在没有外界干预的情况下，通过分子间相互作用自发形成有序结构的过程。自组装是超分子形成的重要方式，它可以从简单的分子构建出复杂的、具有特定功能的超分子体系。 最常见的例子就是表面活性剂形成的胶束。表面活性剂分子一端是亲水的极性基团，另一端是疏水的非极性基团，当它们在水中达到一定浓度时，会自发聚集，疏水基团向内，亲水基团向外，形成球状的胶束。这种自组装结构可以用来包裹疏水性的药物分子，提高药物在水中的溶解度和稳定性。 另外，一些两亲性的嵌段共聚物，在不同的溶剂环境中，还能自组装形成囊泡、纳米纤维、片状结构等多种不同形态的超分子聚集体，这些结构在材料科学、生物医药等领域有着广泛的应用前景。 【对点练习】 1.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性质 2.环糊精是由多个葡萄糖单元键连成环的超分子主体分子，环糊精的结构如下图所示，存在分子内氢键。等多酸阴离子能填充环糊精的空穴形成超分子复合物。下列叙述正确的是    A．葡萄糖单元通过范德华力键连成环 B．环糊精在强酸的环境下能稳定存在 C．环糊精具有分子识别功能 D．环糊精在水中溶解度非常大 3.下列关于超分子的说法中，不正确的是 A．超分子是由两种或两种以上的分子必须通过氢键相互作用形成的分子聚集体 B．将加入一种空腔大小适配的“杯酚”中会形成超分子 C．碱金属离子虽然不是分子，但冠醚在识别碱金属离子时，形成的也是超分子 D．超分子的重要特征是自组装和分子识别 4、 超分子在实际中的应用 （一）生物医药领域 1.药物递送：利用超分子自组装形成的胶束、囊泡等结构，可以将药物包裹在其中，实现药物的靶向递送。比如将抗癌药物包裹在pH响应型的超分子囊泡中，由于肿瘤组织的pH值比正常组织低，囊泡在肿瘤部位会破裂释放药物，提高药物的疗效，同时减少对正常组织的副作用。 2.生物传感器：基于超分子的分子识别特性，可以构建生物传感器。比如利用冠醚对金属离子的特异性识别，制作检测重金属离子的传感器；或者利用酶与底物的超分子作用，制作检测特定生物分子的传感器，实现对疾病标志物的快速检测。 （二）材料科学领域 1.超分子液晶：传统液晶依赖分子的刚性结构，而超分子液晶通过分子间的氢键等作用形成有序结构，具有更好的柔韧性和可调控性。超分子液晶可以用于制作显示器件、智能材料等，比如可以通过外界刺激（如温度、pH值）改变液晶的状态，实现材料的响应性变化。 2.超分子聚合物：超分子聚合物是由单体通过非共价键相互作用连接形成的聚合物，与传统共价聚合物相比，它具有可降解、可修复的特性。比如含有氢键作用的超分子聚合物，当材料受到损伤时，断裂的非共价键可以重新结合，实现材料的自修复，这种材料在航空航天、汽车制造等领域有重要应用。 （三）环境科学领域 超分子材料可以用于环境污染物的吸附和分离。比如杯芳烃类超分子材料，能够选择性地吸附水体中的重金属离子和有机污染物，通过分子识别作用将污染物从环境中分离出来，达到净化环境的目的。另外，一些超分子吸附剂还可以重复利用，降低处理成本。 （四）应用实例 (1) “杯酚”分离C60和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。向C60和C70的混合物中加入一种空腔大小适配C60的“杯酚”,再加入甲苯溶剂，溶解未装入“杯酚”的C70，过滤后分离C70；再向不溶物中加入氯仿，溶解“杯酚”而将不溶解的C60释放出来并沉淀。 (2)冠醚识别碱金属离子：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。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。 (3)细胞和细胞器的双分子膜：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。 (4)DNA分子：核酸的双螺旋结构是靠氢键来保持的。 五、超分子化学的发展前景 超分子化学是化学与生物学、材料科学、物理学等多学科交叉的领域，随着研究的深入，超分子体系的设计和构建将更加精准和复杂。未来，我们可以设计出具有更高级功能的超分子机器，比如能够在细胞内进行药物释放、生物信号传递的超分子装置；也可以开发出更多基于超分子的智能材料，用于柔性电子、仿生器件等领域。同时，超分子在生命科学领域的研究也将帮助我们更好地理解生命过程中的分子相互作用，为疾病治疗和生物工程提供新的思路和方法。 【对点练习】 1.利用“杯酚”从和的混合物中纯化的过程如图所示。    关于上述过程及涉及的物质的说法不正确的是（    ） A．和“杯酚”之间的相互作用是键 B．和被“杯酚”识别是利用了二者的分子体积大小不同 C．“杯酚”分子内官能团之间通过氢键作用形成“杯底” D．若“杯酚”中氧原子数目为n，则“杯酚”的分子式可表示为 2.冠醚是一种超分子，它能否适配碱金属离子与其空腔直径和离子直径有关。二苯并-18-冠-6与K+形成的螯合离子的结构如图所示。下列说法错误的是 A．含有该螯合离子的物质所形成的晶体是离子晶体 B．二苯并-18-冠-6也可以识别Li+ C．该螯合离子的中心离子的配位数为6 D．该螯合离子中6个O原子与K+有可能在同一平面上 3.不同空腔尺寸的葫芦可以通过形成超分子从气体或溶液中识别不同分子并选择性吸附，对位取代的苯的衍生物恰好可以进入葫芦［6］脲(结构如图所示)的空腔。下列说法正确的是 A．葫芦脲可以吸附进入空腔的所有分子 B．葫芦［6］脲是超分子且能发生丁达尔效应 C．葫芦［6］脲形成的超分子中分子间存在范德华力、氢键 D．可装入对甲基苯甲酸体现了超分子的“分子识别”功能 【课后作业】 1．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 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 3．我国科学家制得了SiO2超分子纳米管，微观结构如图。下列叙述正确的是    A．SiO2与干冰的物理性质相似 B．SiO2耐腐蚀，不与任何酸反应 C．工业上用SiO2制备粗硅 D．光纤主要成分是SiO2，具有导电性 4．冠醚能与阳离子尤其是与碱金属离子作用，并随环的大小不同而与不同碱金属离子作用，12-冠-4与作用而不与、作用，18-冠-6不与或作用，但与作用如图所示。下列说法错误的是    A．18-冠-6中和6个氧原子不可能共面 B．18-冠-6与作用不与和作用反映了超分子“分子识别”的特征 C．不同冠醚与不同碱金属作用，中心碱金属离子的配位数是不变的 D．冠醚与碱金属离子形成配合物得到的晶体里还有阴离子，这类晶体属于离子晶体 5．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，可以分离和 B．1mol 分子中含5个配位键 C．提供空轨道，中氧原子提供孤对电子，从而形成配位键 D．配合物在半导体等尖端技术、医学科学、催化反应和材料化学等领域都有广泛应用 6．“超分子”已经在很多领域广泛应用。下列关于超分子说法正确的是    A．冠醚的空穴结构对离子有选择作用，在有机反应中可作催化剂，图甲中K+与冠醚形成离子键 B．杯酚具有“分子识别”特征，图乙中杯酚与C60形成氢键 C．可燃冰(图丙)可看作由水和甲烷等分子通过非共价键形成的超分子，硫化氢分子间也能通过与水分子间类似的相互作用形成分子笼 D．烷基磺酸钠在水中聚集形成的胶束(图丁)，这反映了超分子的“自组装”特征 7．卟啉锌超分子在现代农业、科技和国防建设中有着许多独特的用途，其分子结构如图所示。下列关于卟啉锌超分子的说法正确的是 A．基态原子的核外有7种不同空间运动状态的电子 B．图中①②③④处的化学键属于配位键的是①② C．该超分子中的碳原子采取的杂化方式为 D．该超分子含有的第二周期元素中，第一电离能最大的是O元素 8．配位化学和超分子化学在生命科学领域有着广泛的应用，在生命体中扮演着举足轻重的角色。如下图甲表示血红蛋白中Fe(Ⅱ)结合氧气形成配合物的结构，图乙表示磷酸根与二脲基分子形成的超分子阴离子配合物。相关说法错误的是    A．图甲中，血红蛋白结合O2的作用力有两种，但强度不同，O2与Fe(Ⅱ)间作用力远强于与H间的作用力 B．图乙中，磷酸根和二脲基分子间形成超分子的相互作用属于强度较弱的化学键 C．亚硝酸钠是一种氧化剂，误服中毒会出现面色发青、口唇紫绀等典型缺氧症状，推测中毒机理是其将血红蛋白中Fe(Ⅱ)氧化，使其无法再与O2配位而丧失输氧能力 D．CO中毒的原因：因电负性C<O，故C相比O更易给出电子对与血红蛋白中Fe(Ⅱ)成配位键，当CO存在时，血红蛋白优先与CO结合而丧失输氧能力 9．超分子有望带动我国生命、信息和材料产业的技术革命，分离和、冠醚识别碱金属离子及细胞与细胞器的双分子膜是超分子的应用实例。下列说法正确的是    A．上图中，用杯酚分离和的过程中，操作①是萃取 B．杯酚可由  与甲醛溶液发生加聚反应合成 C．杯酚、冠醚、双分子膜都是超分子，其原理反映出超分子的“分子识别”特征 D．冠醚利用环上的氧原子和不同大小的空穴识别碱金属离子 10．超分子定义中的分子是广义的，包括离子。一种羟甲基酚钠盐形成的含铁超分子的化学式可以表示为，羟甲基酚的结构通式如图所示：    下列推测合理的是 A．该超分子中的铁元素对应微粒为亚铁离子 B．羟甲基酚属于“杯酚”，不具有分子识别特征 C．该超分子可将过渡金属离子萃取到有机溶剂中 D．该超分子属于离子化合物，熔点低于NaCl 11．冠醚能与阳离子作用，将阳离子以及对应的阴离子都带入有机溶剂，例如水溶液对烯烃的氧化效果较差，在烯烃中溶入冠醚，可使氧化反应迅速发生，原理如图。    下列说法错误的是 A．冠醚与可以通过弱配位键聚集成超分子 B．冠醚与结合后将带入烯烃中，与烯烃充分接触而迅速反应 C．冠醚中碳原子和氧原子杂化方式不同 D．超分子中“C—O—C”键角比冠醚中的键角大 12．在超分子化学中，常用模板合成各种拓扑结构分子，图1为诺贝尔得主Auvage教授利用亚铜离子为模板合成的索烃结构。Cu也可与Zn、Sn及S构成四元半导体化合物的四方晶胞，结构如图2所示，下列说法错误的是      A．基态核外没有未成对电子 B．1mo1索烃中所含的配位键的数量为8 C．半导体化合物中Zn原子与Sn原子个数比为1∶2 D．在四方晶胞中Sn位于S原子组成的四面体空隙中 13．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: (1)Mo处于第五周期第ⅥB族,价电子排布与Cr相似,它的基态价电子排布图是 。 (2)该超分子中存在的化学键类型有 (填选项字母)。 A．离子键B．氢键C．σ键D．π键 (3)该超分子中配体CO提供孤电子对的原子是 (填元素符号),p-甲酸丁酯吡啶配体中C原子的杂化方式有 。 (4)从结构与性质之间的关系解释C60的熔点低于此超分子的原因是 页 学科网（北京）股份有限公司 $