配位超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)與進展

前言

超分子化學(xué)是基于分子組裝體和分子間鍵的化學(xué)，被諾貝爾獎獲得者J.M.Lehn定義為“超越分子的化學(xué)”。它一方面引領(lǐng)著當代化學(xué)的前沿，另一方面也正在快速發(fā)展中逐漸完善自身的科學(xué)體系，并與材料科學(xué)、生命科學(xué)、信息科學(xué)、納米科學(xué)等學(xué)科交又融合，被認為是21世紀新概念和高新技術(shù)的重要源頭之一。超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)作為超分子化學(xué)的基本內(nèi)容，側(cè)重于超分子體系的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、理論與概念，涉及各類分子間作用力的本質(zhì)和分類，超分子體系的設(shè)計、合成策略與穩(wěn)定因素，以及超分子的結(jié)構(gòu)特征與功能之間的關(guān)系。超分子與無機化學(xué)的結(jié)合產(chǎn)生了超分子配位化學(xué)，這也被稱為配位超分子化學(xué)，可以看作是繼維爾納配位化學(xué)理論之后無機化學(xué)的又一次復(fù)興。作為一門新興的、發(fā)展中的科學(xué)，超分子化學(xué)顯示出蓬勃的生命力和強大的交叉融合能力，已形成多種分支學(xué)科并不斷涌現(xiàn)新的概念和術(shù)語。這一方面賦予化學(xué)家發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力的空間，另一方面也期盼著更加嚴謹?shù)?、系統(tǒng)的命名和專有名詞體系的建立。作者課題組多年來致力于超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)和超分子配位化學(xué)領(lǐng)域的研究和教學(xué)，深感超分子化學(xué)發(fā)展的迅速，也了解大量涌現(xiàn)的超分子相關(guān)概念、術(shù)語對初學(xué)者造成的困難。因此，作者認為有必要撰寫一部這方面的書籍，旨在介紹超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)和超分子配位化學(xué)的基礎(chǔ)知識和前沿進展。本書采取一種開放的態(tài)度，對超分子化學(xué)領(lǐng)域存在的一些爭議和非共識觀點盡量做客觀的介紹，并結(jié)合作者個人的認識，讓讀者對超分子化學(xué)的發(fā)展有一個較全面的了解。本書的前半部分側(cè)重介紹超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)的基礎(chǔ)知識，包括超分子的發(fā)展和概念、分子問弱相互作用，后半部分結(jié)合晶體工程、分子工程、網(wǎng)絡(luò)化學(xué)、拓撲結(jié)構(gòu)和穿插、分子器件和分子機器、螺旋結(jié)構(gòu)、超分子異構(gòu)等熱點專題介紹各領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與前沿進展。由于時間和篇幅所限，本書無法對超分子化學(xué)各個領(lǐng)域的重大進展進行全面的綜述，對一些重要的前沿領(lǐng)域，如配位超分子磁性、手性、光電性能、催化、多孔結(jié)構(gòu)、動態(tài)結(jié)構(gòu)等，也未能作專題詳細介紹。同時，由于文獻資料浩如煙海，本書的選材和資料引用存在諸多不盡如人意之處，懇請讀者多提寶貴意見。所有內(nèi)容均通過文字與圖例相結(jié)合的方式進行描述，力求使本書知識性和新穎性相結(jié)合，使我國化學(xué)科研工作者和高等院校的學(xué)生對超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)和超分子配位化學(xué)的基本原理和研究熱點有所了解，希望這能對從事該領(lǐng)域的科研工作者有一點參考價值。

內(nèi)容概要

本書主要介紹了超分子化學(xué)發(fā)展和概念及分子間弱相互作用等超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)的基礎(chǔ)知識，以及晶體工程、分子工程、網(wǎng)絡(luò)化學(xué)、拓撲結(jié)構(gòu)和穿插、分子器件和分子機器、螺旋結(jié)構(gòu)、超分子異構(gòu)等相關(guān)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與前沿進展。本書結(jié)合作者課題組和國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，介紹了配位超分子化學(xué)、超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)和超分子配位化學(xué)的研究熱點和最新動態(tài)，并提供了若干圖表、數(shù)據(jù)、實例和有關(guān)文獻資料。    本書可供涉及配位超分子領(lǐng)域的化學(xué)工作者，尤其是合成、材料、晶體工程和超分子化學(xué)等研究方向的研究生和科研工作者參考。

作者簡介

蘇成勇，博士，教授，1968年生于內(nèi)蒙古自治區(qū)，1996年在蘭州大學(xué)獲博士學(xué)位，1998年起任職中山大學(xué)，德國洪堡學(xué)者，曾在美國從事博士后研究工作，2008年被聘為教育部長江學(xué)者特聘教授，主要從事超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)與配位超分子化學(xué)領(lǐng)域的研究，發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，現(xiàn)任中國晶體學(xué)會理事?！秎norg，chem，Comm》亞太地區(qū)主編，《科學(xué)通報》、《物理化學(xué)學(xué)報》編委，曾獲教育部高?？茖W(xué)技術(shù)獎自然科學(xué)一等獎、中國化學(xué)會青年化學(xué)獎、廣東青年五四獎?wù)隆?005年獲國家杰出青年科學(xué)基金。潘梅，博士，副教授，1976年生于山東濟南。1998年畢業(yè)于山東大學(xué)化學(xué)院，2004年獲中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所博士學(xué)位，2006年起任職中山大學(xué)。主要研究領(lǐng)域為超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)與材料物理化學(xué)，在國內(nèi)外重要期刊雜志發(fā)表論文30余篇。

書籍目錄

前言?  第1章  概述?    1.1  超分子化學(xué)的發(fā)展?      1.1.1  從分子化學(xué)到超分子化學(xué)?      1.1.2  超分子化學(xué)概念的演化?      1.1.3  關(guān)于超分子化學(xué)的表述?      1.1.4  配位超分子化學(xué)    1.2  超分子體系穩(wěn)定因素?      1.2.1  能量效應(yīng)?      1.2.2  熵效應(yīng)      1.2.3  鎖和鑰匙原理?      1.2.4  協(xié)同效應(yīng)?      1.2.5  模板效應(yīng)?      1.2.6  熱力學(xué)和動力學(xué)影響?      1.2.7  晶體自組裝?    1.3  超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)展望      參考文獻  第2章  超分子體系中的弱相互作用——分子間鍵?    2.1  氫鍵?      2.1.1  氫鍵的幾何參數(shù)和形態(tài)      2.1.2  氫鍵的分類和強度      2.1.3  氫鍵的組裝形式?      2.1.4  超分子體系中的非常規(guī)氫鍵      2.1.5  氫鍵的研究方法      2.1.6  基于氫鍵組裝的超分子化合物    2.2  π-π堆積作用      2.2.1  π-π堆積作用的本質(zhì)?      2.2.2  稠環(huán)晶體中π-π堆積作用的常見構(gòu)型?      2.2.3  基于π-π堆積作用的超分子化合物?    2.3  其他次級鍵      2.3.1  范德華力?      2.3.2  離子-π相互作用      2.3.3  主客體相互作用（疏水作用、離子大環(huán)相互作用、主客體識別作用）?      2.3.4  非金屬原子間的次級鍵?      2.3.5  金屬原子與非金屬原子間的次級鍵?      2.3.6  金屬原子與金屬原子間的次級鍵?    2.4  分子間鍵的協(xié)同作用?      2.4.1  氫鍵和π-π堆積作用?      2.4.2  π-π堆積作用和靜電作用      2.4.3  氫鍵和配位作用85?      2.4.4  疏水作用和配位作用?    2.5  結(jié)語      參考文獻?  第3章  晶體工程    3.1  晶體工程的概念    3.2  晶體工程的策略?      3.2.1  結(jié)點連接棒方法      3.2.2  超分子合成子和反向合成方法?      3.2.3  分子組合工具方法      3.2.4  分子構(gòu)筑學(xué)?      3.2.5  次級結(jié)構(gòu)單元策略    3.3  無機晶體工程構(gòu)建實例      3.3.1  通過分子間弱相互作用連接的無機超分子晶體?      3.3.2  通過配位鍵作用連接的無機超分子晶體?    3.4  晶體工程的應(yīng)用?      3.4.1  多孔材料      3.4.2  磁性?      3.4.3  光學(xué)性質(zhì)?      3.4.4  導(dǎo)電性      3.4.5  自旋交叉配合物?    3.5  晶體生長與超分子異構(gòu)?      3.5.1  晶體生長?      3.5.2  超分子異構(gòu)?    3.6  晶體工程所用的工具?      3.6.1  單晶  X射線衍射分析技術(shù)?      3.6.2  粉末衍射法晶體結(jié)構(gòu)解析?      3.6.3  同步輻射X射線粉末衍射技術(shù)      3.6.4  高分辨率粉末中子衍射技術(shù)      3.6.5  核磁共振譜技術(shù)      3.6.6  晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫    3.7  晶體結(jié)構(gòu)的預(yù)測    3.8  晶體工程的前景和挑戰(zhàn)?      參考文獻?  第4章  分子工程?    4.1  分子多邊形和分子多面體的分類?      4.1.1  分子多邊形?      4.1.2  柏拉圖多面體?      4.1.3  阿基米德多面體?      4.1.4  棱柱體?      4.1.5  管狀體?    4.2  分子工程的策略?      4.2.1  對稱相互作用模型?      4.2.2  分子圖書館模型?      4.2.3  組裝描述符方法?      4.2.4  分子嵌板模型      4.2.5  分子夾模型?    4.3  分子工程的實例      4.3.1  分子多邊形?      4.3.2  分子多面體?    4.4  分子工程的應(yīng)用?      4.4.1  手性?      4.4.2  客體吸附?      4.4.3  空腔誘導(dǎo)反應(yīng)和催化?      4.4.4  水溶性分子籠?    4.5  分子工程的研究手段?    4.6  總結(jié)與展望      參考文獻 第5章網(wǎng)絡(luò)化學(xué)與拓撲結(jié)構(gòu)?    5.1  拓撲學(xué)的基本概念及表達法?      5.1.1  拓撲學(xué)的基本概念?      5.1.2  拓撲表達法?      5.1.3  高連接網(wǎng)絡(luò)的表達?    5.2  一維拓撲結(jié)構(gòu)    5.3  二維拓撲結(jié)構(gòu)?      5.3.1  單節(jié)點二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?      5.3.2  雙節(jié)點二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)    5.4  三維網(wǎng)絡(luò)      5.4.1  3-連接三維網(wǎng)絡(luò)      5.4.2  4-連接三維網(wǎng)絡(luò)?      5.4.3  5-連接三維網(wǎng)絡(luò)?      5.4.4  6-連接三維網(wǎng)絡(luò)      5.4.5  高連接網(wǎng)絡(luò)?      5.4.6  3,4-連接網(wǎng)絡(luò)?      5.4.7  3,5-連接hms三維網(wǎng)絡(luò)?      5.4.8  3,6-連接網(wǎng)絡(luò)?      5.4.9  4,6-連接cor三維網(wǎng)絡(luò)      5.4.10  4,8-連接flu三維網(wǎng)絡(luò)?    5.5  拓撲分析常用軟件?      5.5.1  OLEX?      5.5.2  TOPOS?      5.5.3  軟件使用小結(jié)?    5.6網(wǎng)絡(luò)化學(xué)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫      5.6.1  拼貼塊與拼貼模式      5.6.2周期性網(wǎng)絡(luò)與拼貼?      5.6.3  數(shù)據(jù)庫使用?    5.7  小結(jié)      參考文獻?  第6章  穿插與纏繞結(jié)構(gòu)?    6.1  基本概念?    6.2  標準穿插網(wǎng)絡(luò)2?      6.2.1  二維—二維網(wǎng)絡(luò)穿插?      6.2.2  三維三維網(wǎng)絡(luò)穿插    6.3  多聚聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)?      6.3.1  零維網(wǎng)絡(luò)基元的多聚聯(lián)鎖      6.3.2  一維網(wǎng)絡(luò)基元的多聚聯(lián)鎖      6.3.3  二維網(wǎng)絡(luò)基元的多聚聯(lián)鎖      6.3.4  不同維數(shù)或不同拓撲網(wǎng)絡(luò)基元之間的多聚聯(lián)鎖?    6.4  多聚穿套結(jié)構(gòu)      6.4.1  不可拆分體系?      6.4.2  可拆分體系?    6.5  多聚打結(jié)結(jié)構(gòu)?      6.5.1  配位鍵作用的自穿插網(wǎng)絡(luò)體系?      6.5.2  弱作用力交叉連接的自穿插網(wǎng)絡(luò)體系?    6.6  Borromean網(wǎng)絡(luò)?      6.6.1  磚墻型（6，3）網(wǎng)形成的二維Borromean網(wǎng)絡(luò)      6.6.2  蜂窩狀（6，3）網(wǎng)形成的二維Borromean網(wǎng)絡(luò)?      6.6.3  2D→3D型三維Borromean網(wǎng)絡(luò)?    6.7  一維鏈的交織網(wǎng)絡(luò)?      6.7.1  枕木式交織網(wǎng)絡(luò)?      6.7.2  織布式交織網(wǎng)絡(luò)?      6.7.3  鐵絲網(wǎng)式交織網(wǎng)絡(luò)?    6.8  特殊纏繞結(jié)構(gòu)      6.8.1  穿插和多聚穿套共存的結(jié)構(gòu)      6.8.2  多聚聯(lián)鎖和多重穿插共存的結(jié)構(gòu)?      6.8.3  多聚聯(lián)鎖和多聚穿套共存的結(jié)構(gòu)?      參考文獻?  第7章  輪烷和索烴——分子器件和分子機器    7.1  輪烷      7.1.1  輪烷的組裝原理及方法      7.1.2  金屬輪烷超分子自組裝的類型?      7.1.3  非金屬輪烷超分子自組裝的類型?      7.1.4  配位聚合物多聚輪烷超分子自組裝    7.2  索烴      7.2.1  金屬離子模板合成法      7.2.2  金屬離子直接參與成環(huán)法?      7.2.3  陰離子模板法合成索烴    7.3  輪烷和索烴結(jié)構(gòu)在分子器件和分子機器中的應(yīng)用      7.3.1  化學(xué)驅(qū)動      7.3.2  電化學(xué)驅(qū)動或電驅(qū)動?      7.3.3  pH驅(qū)動?      7.3.4  光驅(qū)動3    7.4  展望      參考文獻?  第8章  螺旋結(jié)構(gòu)    8.1  基本概念與分類    8.2  有限無機螺旋體      8.2.1  螺旋體的組裝      8.2.2  各類無機螺旋體的組裝實例?      8.2.3  無機螺旋體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化?      8.2.4  無機螺旋體的應(yīng)用      8.2.5  展望    8.3  無限螺旋配位聚合物?      8.3.1  螺旋配位聚合物的組裝?      8.3.2  各類螺旋配位聚合物的組裝實例?    8.4  內(nèi)消旋螺旋配合物      8.4.1  內(nèi)消旋螺旋體?      8.4.2  內(nèi)消旋螺旋配位聚合物    8.5  總結(jié)與展望      參考文獻 第9章  超分子異構(gòu)?    9.1  超分子異構(gòu)的概念?    9.2  超分子異構(gòu)的分類?      9.2.1  結(jié)構(gòu)超分子異構(gòu)?      9.2.2  構(gòu)象超分子異構(gòu)?      9.2.3  纏繞穿插超分子異構(gòu)?      9.2.4  包合超分子異構(gòu)?      9.2.5  拓撲超分子異構(gòu)?      9.2.6  光學(xué)超分子異構(gòu)?    9.3  開環(huán)超分子異構(gòu)?    9.4  單晶到單晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化中的超分子異構(gòu)  9.5  同一晶體中的超分子異構(gòu)      參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：從結(jié)構(gòu)化學(xué)的角度來說，化學(xué)是研究原子之間化合和分解的科學(xué)，是關(guān)于物質(zhì)相互作用、轉(zhuǎn)化、模擬的科學(xué)，以生命為其最高表現(xiàn)形式。傳統(tǒng)意義上認為分子是保持物質(zhì)特性的最小微粒，兩個或多個原子通過化學(xué)鍵，如共價鍵、離子鍵、金屬鍵三種極限鍵型，以一定次序和空間排列結(jié)合成相對獨立而穩(wěn)定的一個核一電子體系，并通過原子之間的化合和分解實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。因此，化學(xué)的經(jīng)典定義通常表述為：“化學(xué)是一門在原子、分子層次上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與變化規(guī)律的科學(xué)?！彪S著科學(xué)的發(fā)展，人們對自然界、生命活動的認識逐漸深入，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的分子并不能承載或?qū)崿F(xiàn)許多特定、高級或復(fù)雜的功能，而需要一個有組織的多分子體系來協(xié)同完成。如包含構(gòu)造生物體所必需的能攜帶所有遺傳信息的DNA分子，實際上是由兩條相同的脫氧核糖核酸鏈通過氫鍵形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。而DNA雙螺旋的自組裝是通過被稱為Watson Crick堿基對（腺嘌呤A和胸腺嘧啶T之間或胞核嘧啶C和鳥嘌呤G之間）所提供的高效、專一的氫鍵對形成特定、唯一的互補氫鍵來完成的。A～T和C-G氫鍵對的互補識別決定了DNA雙螺旋自組裝的唯一性，而儲存在DNA中的信息被用來編碼指導(dǎo)所有生物體中具有生理功能的蛋白質(zhì)的合成，如圖1.1所示。另外，生物體系中酶的催化反應(yīng)、免疫抗原一抗體的締合、神經(jīng)轉(zhuǎn)換信號的感應(yīng)、基因編碼的翻譯和轉(zhuǎn)錄等，也是依賴底物和受體之間的高度專一的分子識別來進行的。分子間的相互作用是形成高度專一的識別、反應(yīng)、傳輸、轉(zhuǎn)換、易位、調(diào)控和自組織等過程的基礎(chǔ)。

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《配位超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)與進展》是由科學(xué)出版社出版的。

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