模板与自组装课件

第七章 模板和自组装管美丽第七章 模板和自组装管美丽17.1 术语7.2 生物化学自组装7.3 合成体系中的自组装-热力学和动力学影响7.4 自组装配位化合物7.5 闭合络合物的氢键自组装7.6 索烃和轮烷7.7 螺旋状络合物7.8 分子纽结7.9 催化和自复制体系7.1 术语27.1术语一、自组装过程中应区分分子自组装和超分子自组装。超分子自组装是指，在分子间形成的相对易变的、非共价键相互作用（如配位作用，氢键和偶极相互作用）控制下的有限数量的构造子的定向识别的、自发可逆的结合。其关键在于超分子自组装的可逆性。分子自组装是在特殊合成过程中共价键的形成，组装体受中间体的立体化学和构造特性的控制。7.1术语一、自组装过程中应区分分子自组装和超分子自组装。3二、模板效应 1.动态模板效应 18冠可以选择性地识别K+，K+离子将反应物组织在其周围产生反应中间体，该中间体可以预组织产生在环状产物。通过和钾离子络合，官能团-OH和Cl被拉近，很容易环合。K+离子被认为是反应的模板，大环化合物的形成称为“模板效应”，或者更严格地称为“动态学模板效应”。事实上，这是一种催化方式，其中金属阳离子用来稳定环状中间体，因此能显著提高环化产物的合成速率。因而模板效应是一种动态效应，大环化合物是动态学产物。2.热力学模板效应 是指金属离子从产物的平衡混合物中挑选与之互补的配体的能力，使得反应平衡向产物方向移动而稳定。二、模板效应 4四氮杂大环的热力学模板合成在18冠-6合成中产生环状和非环状产物的可能路径四氮杂大环的热力学模板合成在18冠-6合成中产生环状和非5 自组装可以包含或不包含一个实际的模板，如金属离子，因而，模板效应本身并不是严格意义上的自组装的例子。在一定程度上，可以将模板效应划分为“在单个操作中，包含几步自发反应的自组装过程的单位阶跃”。自组装可以包含或不包含一个实际的模板，如金属离67.2生物化学自组装 烟草花叶病毒最显著的的特点是，如果他被分解成各个组成部分，这些组分又通过物理方法混合在一起，那么该病毒颗粒能够很精确地被自组装，并恢复其所有的功能。整个自组装过程主要由氢键、静电作用、疏水作用以及其他弱相互作用的协同作用所驱动。烟草花叶病毒的自组装属于严格自组装。7.2生物化学自组装 烟草花叶病毒最显著的的特点7 严格自组装是与具有共价键修饰的自组装相对而言的。在严格自组装过程中，当各组分在给定的反应条件下按照一定得比例混合在一起时，最终产物是完全自发产生的。产物的形成必须是可逆的，代表体系的最小热力学性质。DNA双螺旋的形成是严格自组装的典范，是由核酸碱基对通过氢键自发组装而成的。共价修饰的自组装通常是指体系中共价键连接的生成是不可逆的。它的最终产物不要求具有热力学最小的结构。8 共价键修饰的自组装也可能会涉及到后组装过程，即共价修饰后得到的复合物前体通过非共价作用进行组装。共价修饰和自组装的组合自组装共价修饰 共价键修饰的自组装也可能会涉及到后组装过程，即97.3合成体系中的自组装-动力学和热力学的影响 共价修饰逐步自组装过程受动力学和热力学合成模板效应的共同影响。金属离子模板化合物通常被认为是共价修饰自组装的例子。金属离子作为动力学模板在合成体系中已被广泛应用。大环合成中的热力学模板效应，就是离子模板存在热力学稳定作用，或者是从平衡体系中通过沉淀等方法移去其中一个特殊产物，驱使平衡达到热力学最小值。非共价修饰的自组装过程也会受到动力学和热力学的影响。（氢键）7.3合成体系中的自组装-动力学和热力学的影响 107.4自组装配位化合物 任意种类的有方向性的相互作用（共价键、配位或氢键、离子-偶极、偶极-偶极相互作用等）自组装的超分子组装体大致可以被划分为两类：可以形成聚合物；形成分散的聚集体。在含过渡金属络合物的分子聚集体内，通过构筑单元的性质可以控制和预测要生成的聚集体的类型。分散的物种是通过任意发散/汇聚对的组合形成的。在双组份体系中，如果两个组分都是发散的，则必须产生聚合物。（P335）7.4自组装配位化合物 任意种类的有方向性的11胶囊和聚合自组装结构设计裸露的金属（发散型）汇聚金属被保护（汇聚型）裸露的金属（发散型）发散 发散胶囊胶囊聚合物胶囊和聚合自组装结构设计裸露的金属 汇聚金属被保护裸12 英国Shefield大学的Jim Thomas及其合作者在1998年着手利用线性间隔基的组合来制备超分子立方体，该立方体能够提供立方边缘，金字塔角。选择发散的桥联配体4,4/-二吡啶作为“边”，中等稳定度的Ru(2)的络合物Ru(9ane-S3)Cl2(DMSO)2+为“角”，构筑立方体结构。（P336）超分子立方体12+8立方体产物 英国Shefield大学的Jim Tho13分子方 像4,4/-联吡啶这样的刚性间隔基不允许三角形的生成，它们的复合物组装体因为在金属中心的键角必须至少90度（八面体或平面正方形配位几何构型）而受到限制。由此，Fujita等人制备出分子方，它可以作为一种溶液主体，识别像萘一样的芬香分子客体。与所有的敞开式产物不同，闭合式立方分子很明显更稳定，它的形成本质上是不可逆的，因为立方体的断裂需要扭转整个闭合结构，而不是单个键。分子方 像4,4/-联吡啶这样的刚性间隔基不允许14金属阵列的自组装 金属中心通过线性“刚性帮”多齿状桥连配体自组装产生了许多架子、梯子和格子状结构，同时，热力学驱动力导致了离散的低聚物实体的形成，而不是聚合物。在这些结构中组装体外围大的取代基的存在，抑制了类聚合物的簇集，有助于热力学控制的离散结构的自组装。金属阵列的自组装 金属中心通过线性“刚性帮15若由不同的配体组装则会得到不同的结构。（P345）“办公楼”的X衍射晶体结构2（三齿配体）36个四面体Cu+若由不同的配体组装则会得到不同的结构。（P345）“办公楼167.5闭合络合物的氢键自组装 用于自组装产生闭合的，在溶液中能络合客体物种的胶囊状体系的方法不仅仅是配体相互作用。多重氢键相互作用，由于其相对较弱但有定向的性质，是形成闭合球状分子和胶囊的严格自组装的一种理想方法。7.5闭合络合物的氢键自组装 用于自组装产生闭合17网球 有2个内部卷曲的通过基于1,2,4,5-四甲基苯基的间隔基连接的二苯基甘脲单元组成自发地自组装产生网球状二聚体 这种网球状二聚体主要特征是其弯曲率，这是甘脲构筑单元所特有的，也是自补性的。分子拥有一个确定的配比，即4个氢键给体和4个受体。能同时络合碱金属阳离子和中性客体分子。固态和溶液网球 有2个内部卷曲的通过基于1,2,4,5-四18 这些有空穴的物质的客体包封是熵驱动的，它是通过大的客体分子取代胶囊内的溶剂实现的。垒球状二聚体是以甘脲为主题设计的更大的自组装胶囊。能形成空穴，包封大的客体分子。垒球 这些有空穴的物质的客体包封是熵驱动的，它是通19 网球和垒球可以被设计成作为“反应器”的胶囊。垒球的空穴足够大，能同时包封对苯醌和1,3-环己二烯，经过一天的时间，能观察到包封加成产物的形成。但是对以催化方面的应用，加合物的形成往往受到自我抑制的困扰（加合产物作为客体有效的阻塞了空穴，阻止主体进一步催化反应）。垒球作为主体催化Diels-Alder反应 网球和垒球可以被设计成作为“反应器”的胶囊。20巨型自组装胶囊 Carcerand是一类闭合的分子容器或分子胶囊，没有一定尺寸的入口允许客体分子进入，除非主体内的共价键断裂，否则carcerand内的客体将被永久地被捕获或“监禁”在内部空穴内。Hemicarcerand是一类闭合的分子容器，但客体在一定的可测的活化能垒下能够进出此容器。以4resorcarene为构筑基元，构建共价相连的carcerand和hemicarcerand巨型自组装胶囊 Carcerand是一类闭合的分子21 由2个resorcarene半球通过8个2-丙醇分子组成的圆圈连接而成的。其中C60 也是整体结构的组成部分，把胶囊从其余部分分离出来。其作用可能是与resorcarene-2苯基乙基“足”的芳香环通过堆积而发生作用。由2个resorcarene半球通过8个2-丙22 Atwood和MacGillivray在1997年，基于古希腊数学家和哲学家的基本几何学，得到了一种通用的方法，通过自组装构筑大体积的hemicarcerand主体。如果三维空间等价于三维的镶嵌成花纹状的规则形状，则它们只通过“扁平的”基元围绕就可以得到三维结构。如果只用一个这样的基元，则得到的超分子必须等价于5个柏拉图主义固体之一。在连接性方面，“扁平的”基元必须等价于三角、正方形或五角形。四面体、立方体、八面体、十二面体、二十面体 Atwood和MacGillivray在1923 如果使用2个规则的不同的“扁平的”基元进行组合，则会产生13个阿基米德固体。如果使用2个规则的不同的“扁平的”基元进行组合24由6个4resorcarene和8个水分子组成的snub立方体的空间填充结构图Atwood等人已经遵循这些原则制备了一个巨型分子胶囊。由6个4resorcarene和8个水分子组成的snub25 圆盘状的分子三聚氰胺和三聚氰酸的互补对，在固态能形成氢键键合的环和链。莲座状分子 圆盘状的分子三聚氰胺和三聚氰酸的互补对，在固态26在三聚氰胺-三聚氰酸固体结构中的环和链图形在三聚氰胺-三聚氰酸固体结构中的环和链图形277.6索烃和轮烷 索烃是由2个或多个互锁在一起的环组成，它们之间没有任何化学作用。通常情况下，如果不破坏化学键，环就不能够分离开。索烃是根据互锁环的数目来命名的，例如2索烃有2个互锁环组成。2索烃2索烃3索烃7.6索烃和轮烷 索烃是由2个或多个互锁在一起的28 轮烷是由一个相当直的长分子穿线过大环组成，像棉线穿过针眼一样。再者，真正的轮烷，如果不断裂，化学键是不能分解成一个分立的环和链的。因而，分子的线性部分经常被庞大的基团终止（因体积太大不能穿越环状片段）2轮烷3轮烷 轮烷是由一个相当直的长分子穿线过大环组成，像棉29索烃和轮烷的主-客体化学合成2类轮烷 没有物理阻碍的轮烷（线状部分能穿过环状片段）被称为“类轮烷”。类轮烷往往是轮烷和索烃的必要前体。典型的合成步骤是有类轮烷的模板化自组装经由金属离子为媒介，通过静电或氢键作用，最后发生环闭合，或因一端或两端连接着大的集团而使其终止。索烃和轮烷的主-客体化学合成2类轮烷 没30索烃的合成1.统计法统计法 此法依赖于小概率，线性前体通过大环组分被穿线时，所发生的大环的环合，这种结果自发得到的连接产物的产率很低。长链二酯穿过氘代三十四环烷，环面环合生成2索烃，应用的是一种统计法，虽然连锁反应的总产率还不到1%，但确实有力地证明了索烃的存在。索烃的合成1.统计法 长链二酯穿过氘代三十四环烷，环面环合生312.堆积相互作用形成的索烃堆积相互作用形成的索烃 直接合成索烃和轮烷的很明显的的策略是，在环合或将队列共价地固定在一起的阻塞反应发生之前，促使反应物穿线的发生。如果反应物主要在溶液中以主-客体自组装络合物形式存在，则当反应发生时，它们以预期的模式存在的可能性更大。通常，预反应的主-客体络合物是类轮烷，组成自组装模板，来共价合成适当的索烃和轮烷。在合成体系中，客体是缺电子的，而主体是富电子的，由于芳香环之间的 堆积及电荷转移相互作用，致使缺电子客体在固态和溶液中都能插入单环冠醚环中，有效地生成了类轮烷。2.堆积相互作用形成的索烃32 参照电荷辅助的堆积相互作用在类轮烷合成中的应用，依照设定的模板方法制备了2索烃。制备过程包含有缺电子阳离子，其前体在关环之前，首先穿线过富电子冠醚，通过钳夹合并法产生2索烃。参照电荷辅助的堆积相互作用在类轮烷合成中33 下表给出了各种作为给体的不同大小的冠醚环制备的2索烃的产率。很显然，34元环是最理想的。小冠醚，由于其匹配性差，索烃产率急剧下降；对于较大的冠醚，由于构象自由度的增大，索烃产率也很低。下表给出了各种作为给体的不同大小的冠醚环制备的34 用大的受体基团取代环番，该受体又能够吧2个分立的冠醚环上的2个氢醌结合在一起，大环冠醚电子给体和大的环番阳离子的结合，能够产生更大的索烃.5索烃分子，由于其形状类似于国际奥运会的标志，被称为“奥林匹克烷”。首次合成的5索烃 用大的受体基团取代环番，该受体又能够吧2353.辅助连接体法辅助连接体法 索烃合成中的主客体概念可扩展为“辅助连接体”的观点，在最初的自组装络合物中，主-客体没有区别，而把它们连接在一起的作用也没有任何区别，它们可以是静电作用、共价作用、配位作用、氢键等。辅助连接体仅仅是一个组织器件，按照正确的方向或位置把反应物排列在一起，得到所需的套索式产物。辅助连接体辅助连接体法合成2索烃和3索烃3.辅助连接体法辅助连接体辅助连接体法合成2索烃和336使用负的模板化空间障碍作为辅助连接体直接合成2索烃（P372）使用负的模板化空间障碍作为辅助连接体直接合成2索烃（P337 研究的简单大环环合反应中的众多动力学模板合成法中，一种更明显易得的辅助连接体的例子是与金属阳离子配位。其中Sauvage法由研究结果确定：过渡金属离子，如Cu(1)，通常采用四面体几何配位构型，在两齿配体如1,10-邻二杂菲衍生物的存在下，能以相互直交的方式把这些配体组织起来。1,10-邻二杂菲衍生物与Cu(1)的2:1络合物及其卡通图 研究的简单大环环合反应中的众多动力学模板合成法38金属模板化合成索烃络合物金属模板化合成索烃络合物39 统计法也已经应用于轮烷的合成。轮烷的合成制备轮烷的方式有：钳夹合并法；穿线封端法；滑动塞入法。钳夹合并法穿线封端法滑动塞入法 统计法也已经应用于轮烷的合成。轮烷的合成制407.7螺旋状络合物 螺旋状络合物是指以金属离子为模板，组装有机线轴成多螺旋结构。螺旋状络合物几乎总是由分子“导线”组成，即广义的多齿桥连配体，有能螯合不同金属中心的多组给体原子。绝大数的螺旋状络合物是通过严格的自组装制备的，所形成螺旋的信息都必须预程序化于系统中，就像DNA的合成一样。这可以通过施于金属或配体的约束来获得。施于金属的约束指基本性质，如金属的最佳配位数和配位构型，以及其他方面的考虑，如优化的金属-配体之间的键距。Pt(2)是平面正方形金属，排除螺旋性，倾向给出单核非螺旋状络合物。7.7螺旋状络合物 螺旋状络合物是指以金属离子为41而四面体金属如Cu(1)给出双螺旋状络合物，因为配体螯合区之间的间隔基组分之间很少能灵活运动，允许两个区处于直交位置。施于配体的约束是由配体的螺旋预组织度组成。(p380)而四面体金属如Cu(1)给出双螺旋状络合物，因为配体螯合区之42n+m代表两个金属中心的配位数。4+4螺旋状络合物双螺旋状络合物的X衍射晶体结构和强调连接性的图解表达螺旋配体Cu(1)为金属中心n+m代表两个金属中心的配位数。4+4螺旋状络合物双43 绝大多数双螺旋状络合物包括四配位金属中心，部分是由于许多螺旋配体包含双齿螯合区。但是与六配位金属离子结合趋于给出三螺旋状络合物。但是如果使用三齿金属螯合区，6+6双螺旋状络合物的形成是可能的。一个六配位金属离子可能结合到每个螺旋配体的一个螯合区。三齿配体在各种各样的金属离子如：Co2+、Fe2+、Ni2+和Cu2+存在下，形成一个双螺旋2:2络合物。6+6螺旋状络合物 绝大多数双螺旋状络合物包括四配位金属中心，部分44三齿配体6+6双螺旋状络合物的X衍射晶体结构三齿配体6+6双螺旋状络合物的X衍射晶体结构45纳米环 三螺旋状络合物不是八面体中心和三（双齿）配体反应的唯一可能结果，在一个显著的例子中，Fe(2)与三齿（联吡啶）配体结合，给出一个五核螺旋状络合物，构筑成纳米环。纳米环 三螺旋状络合物不是八面体中心和三（双齿）46 配位作用也许是制备合成螺旋体最常用的方法。然而，DNA的例子说明，氢键也可以用在螺旋结构的形成中。氢键螺旋体氢键螺旋体477.8分子纽结 与索烃不同的是，分子纽结是基于一条单链环，是大环的拓扑异构体。纽结可以通过质谱和核磁分析来表征的。（a）经由辅助连接体方法合成2索烃的示意图（b）利用扩展的辅助连接体方法经由双金属双螺旋络合物形成三叶形纽结7.8分子纽结 与索烃不同的是，分子纽结是基于一48 最早的4个基本扭结。对于纽结状连环物种的制备有下列规律：如果金属中心的数目是偶数，则分子环的交叉数为奇数，2个金属中心给出三叶形扭结，3个金属中心给出五叶形扭结。另一方面，奇数个金属中心必将产生偶数个交叉。最早的4个基本扭结。497.9催化和自复制体系 自组装研究的最终目标之一是产生能够模拟天然酶的催化能力的体系，以及设计新的、能够实现天然体系不能实现的转换的人造酶。如何实现自组装催化？例子：对称催化剂能同时结合两个反应物，经由多重氢键形成三元络合物。在三元络合物中，两个反应物被紧紧拉一起，导致伯胺基团对溴代烷烃取代基的亲核进攻速度加快6倍。催化剂本身与底物和产物分子不相关，类似于生物酶催化。如果催化剂本身是反应物，那么体系变得可以自复制。7.9催化和自复制体系 自组装研究的最终目标之一50谢谢 谢谢谢 谢51