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超分子化学 - ［英］J.W.斯蒂德、J.L.阿特伍德著

上一篇 / 下一篇 2008-04-16 01:32:39

出版日期:2006年7月
超分子化学是当前乃至未来相当长时期内实验化学中最热门、发展最快的领域之一。夸张点说，几乎每个人都和它有关！其中的部分原因是因为超分子科学具有美学上的吸引力，易于形象化，而且可以通过它用分子水平解释日常的概念。甚至可以这么说，超分子化学是一门非常贪婪的学科。它与各门自然科学高度交叉，因此吸引了化学家、生化学家、生物学家、环境科学家、工程学家、物理学家、理论学家、数学家等，甚至可以说所有的研究学者们的兴趣。这些超分子科学家可以被描述成是一些跨越传统的学科界限，去对特定目标进行研究的人。正是这种广度，使得超分子化学具有巨大的吸引力，有时甚至会招致如斯的抱怨之辞：“怎么现在什么都是超分子？”。这一情形被另一种关于超分子化学的颇具吸引力但非正式的定义所推波助澜： “超分子化学就是超越分子之上的化学”，这句话意味着：除了一些共价作用外，化学家可以自由地研究他们喜欢的任何相互作用。这种状况不由使我们想起了一些无机化学家的傲慢，他们曾可笑地将无机化学定义为是“除了碳元素之外的所有元素的化学”。

关于超分子化学的一件有趣的事是，尽管大家都致力于超分子，但并没有多少人能教你。今天这个领域里大部分的实践者，包括本文的作者，都是出身于其他的学科并自学了超分子。确实，一些人就是自然而然地走到了这个领域里。作为大学的学术研究者，我们在各自的学院里分别为大学生和研究生开设了超分子化学的课程，发现很多人竟都非常愿意学习这门课。遗憾的是，除了大量的充满了专业和时髦的词汇的研究文献外，可以提供给他们的资料太少了。写这本书的想法始于1995年夏天在Missouri的一场谈话。那时只有很有限的几门超分子化学课，但很显然它将会迅速普及。而且同样明确的是，除了Fritz Vgtle在1991年写的一本研究水平的书之外，关于这个课题的教科书几乎没有。我们列出了内容提要，但随后就被一直搁置至1997年。每一个我们谈到的人都说确实需要这么一本书，其中的一些人甚至曾被邀请写这样一本书。最终在Wiley公司的Andy Slade的努力下本书经过1998年、1999两年的写作而完成。我们希望这本书对超分子化学作总体介绍，关于本领域的许多大学生和研究生水平的课程也因此能开展起来，而本书也能成为化学教育中的一个典范。同样令人高兴的是，Paul Beer、Phil Gale和David Smith最近也完成了一本关于超分子化学的初级读物，希望它能成为本书的一个补充。

在撰写本书的时候，我们牢牢不忘本书的主旨即以介绍为主。我们尽力提及所有重要的体系，并详细解释所有与本领域相关的术语、命名及概念。我们无意提供任何全面的文献综述（本书的作者之一已和他人一起合著了共计11卷的“Comprehensive Supramolecular Chemistry”）。书中的不妥之处主要是为了方便读者而过度简化那些复杂烦琐且不断快速更新发展的主题而造成的。也许我们对于一些优秀的超分子学家的精辟见解表述得过于平凡，对此我们表示诚挚的歉意。我们希望本书中占据绝对优势的优点可以使读者在学习这门化学中十分深奥的部分甚至全部方面感到兴奋，不管它是帮助您非常迅速地逐个击破，还是可以方便您一气呵成。超分子化学目录
第1章概念1

11超分子化学的定义与发展历史1

111什么是超分子化学1

112主客体化学2

113发展3

12超分子主客体化合物的分类4

13受体、配位和锁钥的类比6

14螯合和大环作用7

15预组织性和互补性10

16热力学和动力学选择性11

17超分子相互作用的本质15

171离子离子相互作用15

172离子偶极相互作用16

173偶极偶极相互作用17

174氢键17

175阳离子π相互作用18

176ππ堆积19

177范德华作用力20

178固体中的紧密堆积21

179疏水效应21

18超分子主体设计22

习题23

参考文献24

第2章生命中的超分子化学25

21生物化学中的碱金属阳离子25

211膜电位25

212膜传输27

213视紫红质：一种超分子光子器件32

22卟啉和四吡咯大环34

23植物光合作用中的超分子特征35

231四吡咯镁络合物的作用35

232由水到氧气的锰催化氧化39

24血红蛋白吸收和运载氧41

25辅酶B1246

26神经传递素和荷尔蒙49

27DNA50

271DNA的结构和功能50

272定点突变54

273聚合酶链反应54

274与DNA的结合55

28生物化学中的自组装58

29Viagra：Beyond the Hype59

习题61

参考文献61

第3章阳离子络合主体62

31冠醚62

311发现与展望62

312合成64

32套索醚和荚状醚65

321荚状醚65

322套索醚67

323双支链套索醚69

33穴醚69

34球醚72

35命名法74

36溶液性质76

361溶解性76

362溶液应用77

37阳离子络合的选择性80

371总则80

372冠醚81

373套索醚84

374穴醚85

38大环、大二环及模板效应87

381大环效应87

382模板效应88

383高度稀释合成法90

384［2+2］环缩合91

39预组织性和互补性93

391热力学效应93

392动力学和动态学效应97

310软金属离子对应的软配体99

3101杂冠醚100

3102杂化穴醚103

3103混合穴醚络合物104

3104席夫碱105

311有机阳离子的络合作用107

3111单环冠络合铵根阳离子107

3112三维主体分子对铵离子的络合109

3113双络合功能基受体109

3114手性识别113

3115两性受体115

3116个案研究：除草剂受体115

312碱金属阴离子和电子化物117

313杯芳烃118

3131杯芳烃络合阳离子121

3132相转移平衡124

3133杂杯芳烃络合阳离子125

314碳原子给体与π酸配体127

3141混合碳杂原子主体127

3142碳氢化合物主体129

315含铁细胞131

3151天然含铁细胞131

3152合成体系132

习题133

思考题134

参考文献135

第4章阴离子的键合138

41引言138

42生物阴离子受体140

421络合磷酸根和硫酸根的蛋白质140

422作为阴离子络合点的精氨酸141

423羧肽酶A142

43阴离子主体设计理念143

44从阳离子主体到阴离子主体——pH的简单变化145

441四面体受体145

442形状选择性146

443二维主体148

444环番主体153

45胍盐基受体154

46有机金属受体156

47中性受体161

471两性离子162

472氢键主体162

48氢负离子海绵和其他路易斯酸螯合剂164

49反冠166

410配位作用169

习题171

思考题172

参考文献172

第5章中性分子的络合175

51无机固态包合水合物175

511包合水合物175

512沸石180

513层状固体和插合物185

514Hoffman包合物和Werner包合物188

52有机主体的固态包合物189

521脲包合物(urea calthrates)189

522其他通道包结物193

523氢醌，苯酚和狄安宁化合物：六主体策略199

524三缩邻百里酸201

525cyclotriveratrylene205

526亚四苯基208

53中性分子的空穴内络合物：溶液和固态络合212

531本性曲率：空穴配体（cavitand）对客体的络合212

532环糊精223

533分子裂缝（cleft）和分子镊子232

534环番主体234

535从包合物构筑单元构造一个溶液主体：穴番246

536共价空穴：carcerands and hemicarcerands251

54富勒烯的超分子化学260

541客体富勒烯260

542主体富勒烯262

543富勒烯作为超导插合物（intercalation compound）264

习题266

思考题266

参考文献266

第6章晶体工程271

61概念271

611概述271

612分子间相互作用273

613氢键的特殊作用273

614图集分析277

615 晶体生长279

616晶体解析285

617晶体工程设计策略286

62晶体结构预测287

621计算方法287

622Etter’s规则289

63剑桥晶体结构数据库291

64钻石形晶格的晶体工程294

65氢键晶体工程297

651羧酸二聚体297

652酰胺298

653醇299

654醇胺共晶300

655胺胺共晶300

66一氧化碳参与的氢键301

67弱氢键302

68与金属和金属氢化物形成的氢键304

681与金属的直接作用304

682金属氢化物的相互作用305

69ππ堆积307

610其他作用308

611不规则形状和失配309

6111轮轴主体309

6112失配伙伴310

612配位聚合物311

613生物模拟结构314

614混晶：葫芦包合物317

习题321

思考题321

参考文献321

第7章模板和自组装324

71引言324

711范围和目标324

712术语学325

72生物化学自组装326

721烟草花叶病毒326

722严格自组装327

723共价修饰的自组装328

73合成体系中的自组装——热力学和动力学影响329

731合成中的模板效应329

732一个热力学模型——锌卟啉络合物自组装331

74自组装配位化合物334

741设计原理335

742超分子立方体336

743分子方和分子箱337

744金属阵列的自组装344

75闭合络合物的氢键自组装347

751网球与垒球347

752巨型自组装胶囊351

753莲座状分子355

76索烃和轮烷357

761总论358

762统计法合成索烃和轮烷359

763类轮烷361

764轮烷362

765ππ堆积相互作用形成的索烃363

766辅助连接体法合成索烃371

77螺旋状络合物378

771概述378

772合成事项380

773［4+4］螺旋状络合物381

774［6+6］螺旋状络合物382

775自识别和正协同性383

776纳米环386

777氢键螺旋体388

78分子纽结390

79催化和自复制体系394

习题398

思考题399

参考文献399

第8章分子器件402

81引言402

811分子器件指导原则402

812器件何时才是超分子？403

82超分子光化学404

821光化学基础404

822双金属体系与混合价态406

823联吡啶类化合物407

824基于联吡啶的光电化学器件409

825光转换器件413

826非共价键连的体系413

83信息和信号：信息化学416

831光化学传感器416

832荧光团419

833电化学传感器421

84分子电子器件：开关，导线和整流器423

841分子导线423

842分子整流器426

8431，2二噻吩基乙烯体系作为开关428

844电开关发光429

845开关络合429

846变构开关431

85基于索烃和轮烷的机器431

86非线性光学材料435

861非线性光学效应的起源435

862二阶非线性光学材料437

863三次谐波发生非线性光学材料440

87枝状体440

871枝状体的性质与制备441

872主客体枝状体化学443

873枝状体光化学器件445

习题447

参考文献447

第9章生物模拟450

91引言450

911超分子生物化学450

912生物模型的特征451

92酶的特征452

921定义与结构452

922酶催化机制453

93环糊精作为酶模拟体455

931使用人工主体框架的酶模型455

932模拟酯酶的环糊精457

933功能化环糊精458

94模拟ATP酶的单环冠459

95模拟转乙酰酶的阳离子键合主体462

951手性单环冠462

952结构和功能模拟464

96金属生物作用点466

961血蓝蛋白模拟物466

962含锌酶467

97血红素类似物469

971氧气的吸收与运输模型469

972细胞色素P450模型473

98维生素B12模型476

习题478

思考题478

参考文献478

第10章液相界面、液晶和液相包合物480

101液相中的有序性480

102表面活性剂和界面排序481

103液晶485

1031性质和结构485

1032液晶材料的设计492

1033液晶聚合物493

1034液晶显示器494

104液体包合物495

1041性质和发现495

1042液体包合物化学中的氧离子498

习题500

参考文献501

索引502 适合作为大学化学本科生和研究生教材，并可供从事化学。化工、材料领域的科研人员参考。超分子化学内容介绍:
《超分子化学》详细阐述了与超分子体系相关的概念、术语与命名，系统全面地介绍了几乎所有重要的超分子化学体系。适合作为大学化学本科生和研究生教材，并可供从事化学。化工、材料领域的科研人员参考。内容丰富，覆盖面广，作家权威、结构合理。深浅适中。可读性强。从超分子体系的功能角度出发，分别介绍了阳离子络合主体、阴离子络合主体、中性络合主体，晶体工程、自组装、分子器件、生命现象和生物模拟等分支领域。涉及的超分子主体有冠醚、环糊精。杯芳烃。索烃，轮烷、环番。树枝状大分子等。系统全面。除了介绍超分子化合物的组装和合成方法之夕卜，还介绍了超分子结构化学和超分子物理化学方法，有助于开拓研究思路。每章都附有重要的参考文献及习题和思考题，有利于学生领会和掌握超分子化学的精髓。

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