超分子分离ppt课件.ppt

11 超分子化学在分离中的应用,11.1 超分子化学概述11.2 小分子聚集体包接配合物在分离中的应用11.2 冠醚、穴醚在分离中的应用11.3 杯芳烃及其衍生物在分离中的应用11.4 环糊精及其衍生物在分离中的应用11.5 分子印迹技术在分离中的应用,11.1 超分子化学Supramolecular Chemistry,超分子化学,是近代化学、材料和生命科学相交叉的一门前沿学科。与大环化学（冠穴醚、环糊精、杯芳烃、C60等）、分子自组装（双分子膜、胶束、DNA双螺旋等）、分子器件、新颖有机材料的研究密切相关。是分子材料、信息储存、拥有及转换、拟酶催化作用及反应性、分子囊包及稳定化等的基础。是化学的四大分支学科重新结合的载体。超分子化学已成为当前公认的化学理论与应用技术的前沿课题。,三位超分子化学家获得1987年Nobel化学奖,Pederson（USA）, Cram（USA）, Lehn （法国）,超分子化学的定义,研究两种以上化学物种通过分子间力相互作用（非共价键作用力），缔结而成为具有特定结构和功能的超分子体系。简而言之：超分子化学是研究多个分子通过非共价键作用而形成的功能体系的科学。上个世纪是共价键的世纪；本世纪将是研究非共价键相互作用的超分子化学的世纪。,超分子与普通分子的区别,不在于物种的大小，而在于是否能够把这个物种分裂为至少在原则上能独立存在的分子。 分子间以类似于原子结合形成分子的方式结合成超分子。超分子化学是分子水平以上的化学。,超分子配合物（主体-客体配合物）,1967年，C.J.Pedersen发现冠醚具有与金属离子及烷基伯铵阳离子配位的特殊性质。D.J.Cram将冠醚称为主体（Host），将与之形成配合物的金属离子称为客体（Guest）。超分子配合物：主体与客体通过非共价键相互作用形成的配合物。,分子识别与自组装,分子识别和自组装是超分子形成的两个重要方面。分子间弱相互作用力在一定条件下的加合和协同作用形成的具有一定方向性和选择性的强作用力，成为分子识别和自组装的主要动力。形成超分子时，分子间达到能量和空间结构的匹配，称之为识别。分子识别是受体（主体）选择性地与底物（客体）结合。因此，选择和结合是识别的两个方面。分子识别过程需遵循两个原则，即互补性和预组织原则。,分子识别的互补性,互补性是指分子间的空间结构和电学特性的互补性。空间结构的互补即“锁与钥匙”的相配，这种相配需要识别分子间达到刚性和柔性的统一。下图是18冠6在对K+的识别过程中，其构象发生了变化，形成了和K+相配的空腔及键合位置。而电学特性互补要求键合点和电荷分布满足非共价键的形成。,预组织原则：在与客体分子识别之前，受体先将其容纳客体的环境组织好，如降低溶剂化作用将有利于识别和形成稳定配合物。,分子识别的预组织原则,为了达到高度专一识别，主体的设计也必须遵循互补性和预组织原则。虽然刚性有序的主体可以达到高度识别，但交换过程、调节、协同和改变构象要求一定的柔性。,分子识别举例：手性识别,手性拆分剂与消旋体中的一个对映体最少同时有三个相互作用，其中至少一个是由立体化学决定的。这种手性识别机理认为，消旋体中只有一个对映体与手性拆分剂同时具有三个相互作用点。而另一个对映异构体则和拆分剂只发生二点作用。前者所形成的复合物较后者稳定，在许多物理性质上（如溶解性、熔点）存在差异。分子间的三点作用类型包括氢键、偶极相互作用、位阻排斥、疏水吸引等作用，这些作用都可以成为手性识别的重要因素。在这个理论的指导下，已成功地合成了许多拆分剂用于消旋体的手性拆分。,生物活性与手性识别,手性或不对称性物质是含有不对称碳原子的化合物。自然界中，绝大多数分子（如糖、氨基酸）和由它们组成的生物大分子（如蛋白质、DNA等）在空间结构上都具有不对称性，使得生物体能够高度选择性地识别特定手性分子，从而产生生物作用。随着人们对手性物质的深入研究，发现有些物质的D-异构体和L-异构体在生物体中的活性差异很大，而有的所起的作用完全不同，甚至截然相反。 20世纪60年代，欧洲和日本的孕妇因服用外消旋的镇静药“反应停” 而引起千万个婴儿畸形，制造这一悲剧的正是“反应停”中的L-型旋光体。,天然大环配体： 自然界存在着许多结构复杂、性能各异的大环配位化合物。如：维生素B12、叶绿素、血红蛋白。,主体分子的种类,缬氨霉素-钾配合物晶体结构,环糊精：淀粉在淀粉酶作用下生成的环状低聚糖。,a-,b-,g-,20世纪60年代，美国杜邦公司化学家Pederson 首先合成出冠醚化合物二苯并18-冠-6。,冠醚：含-O(CH2CH2O)n-结构的环状聚醚化合物。,杯芳烃：苯酚衍生物与甲醛反应得到的环状缩合物,新型超分子化合物,轮烷（Roxtaxane） 索烃（Catenane） 绳结（Knot） 双螺旋（Helix） 奥林匹克环（Olympic Ring）,索烃：一种具有连环套拓扑结构的超分子化合物,通常环与环之间没有共价键结合。,绳结,法国Sauvage小组利用双铜离子的三维模板效应，历时十余年，终于在九十年代初首次合成出了绳结分子。 Sauvage教授由此而荣获大环化学学术界的第一个Christensen奖。,绳结是一种拓扑结构。,奥林匹克环,螺旋状分子,轮烷：在链状分子穿越环状分子以后，再在链状分子的两端用大基团封住，使环状分子不能脱落。,准轮烷和轮烷,准轮烷（Pseudorotaxane）：由链状分子通过某种分子间识别或自组装穿越另一个环状分子形成的超分子结构。,准轮烷聚合物,环三黎芦烃（3,4-二甲氧苯甲基）,1. XYOCH32. XYOCH2O3. XOCH3，YOCD34. XH，YDCyclotriveratrylenes,穴芳烷：Craptophane,穴芳烷：Craptophane,syn,anti,生色醚（Chromoacerands）,星球爆炸状化合物,树枝状化合物,分子龛（Niches）,分子龛,客体,1985，Rebek等成功制备了非环状的螯状分子（分子龛），它与客体在尺寸上和形状上能够互补。,离子对（KCl）分子龛化学发光传感器,11.2 小分子聚集体超分子包接配合物在分离中的应用,1. 尿素、硫脲和硒尿素聚集体主体分子最早发现并被用于分离的主体分子由于分子结构中带孤对电子的NH2基和极化的双键相邻，共轭效应使分子的极化增强。,小分子聚合成环状分子,当两个极化的分子相遇时，可能会因为静电相互作用而形成环状二聚体。硒尿素二聚体如右所示。环状二聚体本身具有一定的大小。,环状分子聚集成筒状,二聚体的环上仍然带有极性氨基、Se（O、S）原子及双键。环状二聚体分子相互叠加或由多个分子形成螺旋状结构时，能形成笼状或筒状的空间网格结构。网格结构具有固定的空腔大小。 尿素聚集体空腔直径0.525nm 硫脲聚集体空腔直径0.61nm 硒尿素空腔更大,小分子聚集体的分子识别作用,具有一定空腔大小的聚集体对特定大小的分子具有选择性作用（分子识别）。尿素、硫脲和硒尿素的选择性 尿素：直链烷烃、烯烃（支链烷烃不能进入其空腔） 硫脲：支链烷烃、环烷烃 硒尿素：对几何异构体具有超常的分离能力，如只与1-t-丁基-4-新戊基环己烷的反式异构体形成包接物，而与其顺式异构体根本不反应。,小分子聚集体超分子包接配合物的稳定性,尿素包接物的稳定常数K稳（25C） 客体 K稳 正庚烷 1.75 正辛烷 3.57 正癸烷 111 正十六烷 476,硫脲包接物的稳定常数K稳（25C） 客体 K稳2,2-二甲基丁烷 10环己烷 45.5 甲基环己烷 2.33甲基环戊烷 3.85,小分子聚集体超分子体系中溶剂的作用,由于尿素和硫脲均为强极性固体，而烷烃为非极性液体，在分离体系中加入极性溶剂的作用： (1) 改善体系的动力学性质，即增加主体分子（尿素和硫脲）的溶解速度。 (2) 改善体系的热力学性质，即增加包接配合物的稳定性和选择性。 常用极性溶剂：甲醇、二氯甲烷、乙二醇单甲醚,2.苯酚、对苯二酚主体分子,对苯二酚的两个羟基可相互作用形成多分子氢键缔合物,苯酚、对苯二酚的筒状结构,对苯二酚的多分子氢键缔合物的缔合数达到一定长度后会发生卷折而形成筒状物。6个对苯二酚形成的筒状缔合分子（右图）筒状物的直径在0.42-0.52nm筒状聚集体对分子的大小与形状有很好的选择性。,11.3 冠醚、穴醚在分离中的应用,1.冠醚的诞生1967年美国杜邦公司的Pederson用四氢吡喃保护一个羟基的邻苯二酚与二氯乙醚在碱性介质中进行縮合反应，合成(双2-邻羟基苯氧基乙基)醚时，在主产物之外还意外地得到了极少量的大环多醚化合物（冠醚）。（反应见下页）此后Pederson又合成了几十种大环多醚化合物。,冠醚的发现,2.冠醚的特性与结构特点,冠醚对碱金属、碱土金属、NH4+、RNH3+、Ag+、Au+、Cd2+、Hg、Hg2、Tl、Pb2、La3、Ce3等具有选择性配位的能力。在大环多醚与金属离子的配合物中，疏水的碳氢链构成一个平面，而醚氧原子凸出于平面之上，其形状与古代王冠相似，因而得名“冠醚”。,3.穴醚,1969年Lehn发现一类以氮原子为桥头的双环配位体，并根据其分子结构图形命名为“穴醚”。,11.3 冠醚、穴醚在分离中的应用,4.冠（穴）醚化合物种类的丰富多彩大环中的杂原子除O、N外，还可以是S、P或As。大环中的C原子与杂原子的数目和孔穴尺寸可以改变。大环上还可引入其他芳香环或杂环取代基。5.与分离相关的冠醚化学领域 包接物化学、萃取化学、同位素分离化学、光学异构体拆分、分子识别、色谱、电泳。,11.3 冠醚、穴醚在分离中的应用,6.冠（穴）醚化合物的分类迄今已经研究过的冠（穴）醚有数千种。1978年日本学者小田良平根据环的数目，将冠醚分为单环和多环冠醚，再根据各类别中给电子原子的类型分为单一给电子原子和多给电子原子冠醚。按IUPAC原则的命名太复杂，通常多用俗称或符号表示。,11.3 冠醚、穴醚在分离中的应用,命名对照举例 縮称 符号 IUPAC命名18冠-6 18C-6 1,4,7,10,13,16-六氧杂-环十八烷二苯并18冠-6 DB18-C-6 2,5,8,15,18,21-六氧杂-三环20,4,0, 09,14 二十六-1(22),3,11,13,23,24-六-烯二环己基18冠-6 DCH18-C-6 2,5,8,15,18,21-六氧杂-三环20,4,0, 09,14二十六烷穴2,2,2 4,7,13,16, 21,24-六氧杂-1,10-二氮杂 双环-8,8,8二十六烷,7.冠醚化合物的配位特性,不同孔穴的冠醚能选择性地与尺寸相匹配的离子或中性分子形成配合物。配位作用方式有：与客体分子（或离子）间通过偶极离子，偶极偶极相互作用，形成具有一定稳定性的主客体配合物。如：冠醚与金属阳离子之间的配合物。与客体分子间通过氢键或电荷转移相互作用形成主客体配合物。如：冠醚与铵离子、有机胺、阴离子及中性有机分子的配合物。,11.3 冠醚、穴醚在分离中的应用,8.影响冠醚配合物稳定性和选择性的因素选择性（S） 冠醚对A、B两种离子的选择性为冠醚与该两种离子形成配合物的稳定常数之比。即： 冠醚结构、离子性质（半径、电荷密度）和溶剂极性是影响冠醚选择性和配合物稳定性的主要因素。,11.3 冠醚、穴醚在分离中的应用,冠醚环中给电子原子种类（软硬酸碱匹配） 如O原子为硬碱，易与为硬酸的碱金属、碱土金属、镧系稀土离子形成稳定的配合物； 如S、N原子为软碱，易与为软酸的Cu2+、Ag+、Co2+、Ni2+等形成稳定的配合物。,软硬酸碱匹配,18-C-6及含N、S类似物与K+、Ag+配位的稳定常数(lgK),冠醚中给电子原子数目的影响（配位数匹配）,阳离子与水配位时的最高配位数： Be2+ 4；碱金属 6；Mg2+ 6；Ca2+,Sr2+,Ba2+,Ag+,Tl+ 8冠醚(24)(27)的结构如右,11.3 冠醚、穴醚在分离中的应用,(24)和(25)孔穴相近，但(24)是八齿配体，与配位数是8的离子（Ba2）形成稳定配合物；(25)是六齿配体，与配位数是6的离子（碱金属）形成稳定配合物。(26)和(27)的R基不同，(27)与Ca2, Sr2和Ba2的稳定常数分别比(26)大85, 89和30倍，说明(27)的R基上的羟基参与了配位。,冠醚孔径的影响,离子体积与环孔径匹配：二环己基18C-6与一价和二价阳离子形成的配合物的稳定性与阳离子直径和冠醚孔径之比的关系图（右 ）可见：阳离子直径/冠醚孔径 越接近，生产的配合物越稳定。,金属离子直径、冠（穴）醚穴孔内径,11.4 杯芳烃及其衍生物在分离中的应用,杯芳烃（Calixarene）苯酚衍生物与甲醛反应得到的一类环状縮合物。通常命名为： R杯-n-酚 或 杯n芳烃对叔丁基杯芳烃的结构（右） 上部取代基R1为叔丁基 下部取代基R2为H,杯芳烃超分子配合物,该环状分子的形状呈现中心为一空腔的杯状结构，与古希腊一种名为“Calix”的宫廷奖杯相似而得名。18世纪后期和19世纪中期就有人发现类似化合物，但真正研究并应用杯芳烃是20世纪70年代Gutsche等人合成杯芳烃以后。杯芳烃被认为是继环糊精和冠醚之后的第三大类充满魅力的新型主体化合物。,11.4.1 杯芳烃的结构特点,1.杯芳烃下部取代基 不同下部取代基 的p-t-丁基杯-4-酚,11.4.1 杯芳烃的结构特点,-t-丁基杯-4-酚的下部酚羟基分别为不同取代基时，杯芳烃的空间几何形状发生了很大变化。 四酚基杯酚（1）呈规则的圆锥形状； 三甲基醚衍生物（2）呈偏圆锥形状； 四乙酸酯基衍生物（3）也呈偏圆锥形状，但有一个苯酚单元位置倒置； 四甲基醚衍生物（4）与（3）形状相似，但倒置的苯酚单元的转角略小。,11.4.1 杯芳烃的结构特点,2.杯芳烃上部取代基（R1） 固定下部取代基为H。当R1H时，不与客体分子形成络合物。p-t-丁基杯-4-酚和p-t-辛基杯-4-酚的上部取代基不同。它们与芳香化合物客体分子都可形成络合物，但络合物的晶型不同。 t-辛基链太长，其端部弯曲后进到分子的杯穴中，部分占据杯穴，使客体分子不能进入杯穴之中，因而对客体分子的选择性不高，难以用于分离。,11.4.1 杯芳烃的结构特点,-t-丁基杯-4-酚总是形成笼状包接物，客体分子包接在1个或2个主体分子的杯穴之中。,11.4.1 杯芳烃的结构特点,3.成环苯酚单元个数n改变成环苯酚单元的个数n，可以改变杯空腔大小；n=4,5,6的杯芳烃均呈圆锥体形状，但杯腔大小不同（n越大，杯腔越大），能分别与不同形状和大小的客体分子形成稳定的包接络合物。n=8的杯芳烃杯腔更大，有时为一个“褶驺”的“环圈”形状，其形状与孔隙是可变的。,11.4.1 杯芳烃的结构特点,具有不同杯腔大小的同系物对客体分子的大小与形状具有很高的选择性。如： p-t-丁基杯-4-酚只与三种二甲苯中的p-二甲苯形成稳定的包接络合物。 p-t-丁基杯-8-酚与C60形成稳定的包接络合物沉淀下来，而不与C70反应。用于C60和C70混合物的分离，只需进行1次沉淀反应，就可得到99.5%的C60纯品。,11.4.2 杯芳烃的优点与用途,杯芳烃的优点：易于一步合成，且原料价廉易得；可以制得一系列空腔大小不同的环状低聚体，满足不同体积和形状的客体分子；易于化学改性，利用母体杯芳烃可制备大量具有独特性能的杯芳烃衍生物；熔点高，热稳定性和化学稳定性好，难溶于绝大多数溶剂，毒性低，柔性好。,11.4.2 杯芳烃的优点与用途,杯芳烃的用途：分离科学：C60和C70的纯化，相转移试剂，酶模型催化反应，离子选择性电极，场效应晶体管，黏合剂，涂料，瓷器制造电子设备用离子消除剂，除臭剂，静电印刷着色剂，偶氮甲烷型液晶，细胞融合试剂。,11.4.3 杯芳烃的分离应用,1. K+,Na+的高选择性分离杯酚四酯（6）或四酰胺衍生物（7）在固态或溶液中均呈规则的圆锥形状。（见下页）。这两种化合物与离子形成络合物时，所有配位点都位于亚甲基桥平面的同一侧（底部）。在化合物物的底部，强给电子基团的汇聚对配位体的络合能力影响较大。（稳定常数与缔合自由能 下页）,化合物（6）和（7）,稳定常数与自由能,SNa,K(6)1860 SNa,K(7)360 可从Na、K混合物中选择性地分离Na,杯芳烃(6)和(7)对Na的选择性,将p-t-丁基杯-4-酚的相对的两个羟基用不同长度的多醚链连接之后，得到一系列冠醚杯芳烃化合物。,12ac化合物：,正圆锥形,1个酚羟基倒置,2个酚羟基倒置,冠醚链中含5个可配位的氧原子,12ac化合物：,12a、b、c为组成相同空间排列不同的异构体，a为正圆锥形；b有一个酚单元倒置；c中1，3两个酚单元倒置。此三化合物中，冠醚链中含5个可配位的氧原子，再加上两个酚醚氧原子，共7个氧原子可参加配位。12a的7个氧原子同处一侧，有效配位数为7；12b中有一个酚氧原子在平面的另一侧，配位数为6；同理，12c的配位数为5。12b的配位数正好与碱金属离子匹配，对碱金属离子有较高的选择性。,2.利用杯芳烃从核废料中回收铯,第1相：含铯的铀分裂降解产物的强酸性水溶液；第2相：溶于二氯甲烷/四氯化碳中的杯芳烃；第3相：纯水，作接受相。第1、2相接触时,Cs与杯芳烃形成中性络合物；该中性络合物与第3相接触发生离解，将Cs释放于纯水中,杯芳烃提取铯的过程简图 Cs 3 1 2,3.利用杯芳烃从海水中提取铀,改性的杯芳烃六元酸杯-6-芳烃是萃取铀的最佳萃取剂之一。以其为萃取剂，邻二氯苯为接收相，在pH8.1和10时的萃取率高达99.8%。修饰了对位磺化杯-6-芳烃的氯甲基化聚苯乙烯树脂可以用于分离富集海水中铀。一周内每克树脂可从海水中吸收1.08mg铀。这是从海水中提取铀的重大突破。,杯芳冠醚（杯芳烃衍生物）,杯芳冠醚分子同时含有杯芳烃单元和冠醚单元,二者之间以两个或多个原子相连。依据杯芳冠醚中冠醚环所含配位原子的种类分为杯芳全氧冠醚、杯芳氮杂、硫杂及硒杂冠醚等。 杯芳全氧冠醚根据其中杯芳烃单元和冠醚单元的个数又可分为杯芳单冠醚、杯芳双冠醚和双杯芳冠醚、双杯芳双冠醚等。,杯芳冠醚,由于同时含杯芳烃和冠醚两种主体分子的亚单元,它们之间的协同作用往往表现出与单个杯芳烃或冠醚不同的性质和对于某些客体更加优越的配位与识别能力。因而从它诞生之日起就受到了人们的重视。,杯芳单冠醚,双杯芳双冠醚,杯芳氮杂冠醚,杯芳双冠醚和双杯芳冠醚,杯芳冠醚的结构特点,同杯芳烃一样存在构象异构体。但由于冠醚单元的存在，其构象异构体的数目不同程度地减少。因冠醚单元的引入一般具有比较稳定的构象。不过,这种稳定性还受到其它取代基团的影响。分子中常常会包络溶剂分子,甚至空气中的CO2、H2O等成分。有人测定了冠醚环中含两个酯基的杯4冠-6的晶体结构,发现分子内和分子间均包合乙腈分子。,杯芳冠醚的优点,合成较简单。在杯芳烃基础上只需一两步反应,产率较高；而且，由于桥联限制了杯芳烃苯酚单元的转动,可获得构象稳定的化合物。分子中至少含有两个空腔,一个由苯环围成,具有亲脂性,可包合中性有机分子；另一个由冠醚链与杯芳烃共同围成,有可与金属离子配位的O、N、S等杂原子,能极大提高识别金属离子的能力。(既能配合阴阳离子,又能包合中性分子)第三，可在杯芳烃上沿及下沿剩余的酚羟基上进一步衍生化,扩大这类化合物的功能。而且，既可改变杯芳烃环大小,又可改变桥联单元的长短,从而可以设计出最适于识别特定客体化合物的主体分子。,杯芳冠醚的分离应用阳离子识别,与冠醚和杯芳烃相比,杯芳冠醚对碱金属离子的选择性提高了很多。如冠醚对Na/K+的选择性目前只有约102, 而1,3-二乙氧基杯4冠-4的Na/K+竟高达105.0105.3。杯芳杂冠醚识别阳离子的报道不多。对碱金属离子的识别较弱,而对过渡金属离子有较强的配位识别能力。大环杯芳冠醚对金属离子的选择性识别作用很强。如：对叔丁基杯5-1,3-冠-5-三甲醚的Cs+/Na+选择性达630。杯8双冠醚的Cs+/Na+选择性高达1410。,杯芳冠醚的分离应用 阴离子识别,右上图所示的酰胺型杯芳氮杂冠醚能与Cl-、HSO4和H2PO4等阴离子在溶液中形成1:1的配合物。,右下图所示的杯芳氮杂冠醚 (R=CH2COOC2H5) 具有双重识别作用，即可以同时识别阳离子和阴离子。,杯芳冠醚的分离应用中性分子识别,合成对中性分子具有配位和识别作用的主体分子是超分子化学中的一大热点。,如上图所示的杯芳氮杂冠醚对酚、胺和羧酸三类物质有不同程度的识别作用。与胺配位时,作为氢键供体；与羧酸和酚类配位时,作为氢键受体。此外，分子形状的相容性似乎起着更大的作用。,杯芳冠醚的分离应用中性分子识别,一种固定在金薄膜表面上的杯芳冠醚可以识别各种有机胺。,三杯芳6冠-4衍生物（上图）固定在金薄膜表面（下图），杯芳冠醚自聚形成一个固定空穴。可识别苯胺类，从而可以与烷基胺区分开。,杯芳冠醚的分离应用色谱固定相,杯芳冠醚聚有机硅氧烷(右图)将杯芳冠醚的环腔结构和聚有机硅氧烷的柔顺性和易成膜性结合在一起，较好地克服了杯芳冠醚化合物作为GC固定相使用时熔点高、成膜性差等缺点，具有良好的分离性能，为杯芳冠醚在毛细管GC中的应用开辟了道路。,11.5 环糊精及其衍生物在分离中的应用,环糊精（Cyclodextrin，CD）1891年，Villiers从淀粉降解产物中分离出了环糊精。环糊精淀粉在淀粉酶作用下生成的环状低聚糖的总称。从结构上看，含有612个D-(+)-吡喃葡萄糖单元，每个糖单元呈椅式构象，通过1,4-甙键首尾相连，形成大环分子（图见下页）。用希腊字母表示构成环的吡喃糖的数目： 如：6糖环 -CD；7糖环 -CD；8糖环 -CD,环糊精结构图,环糊精结构说明,经x衍射或中子衍射法测定，环糊精呈中间带孔的圆形状。 -，和-CD的空间结构相同，但内孔和外孔尺寸不同。每个单糖的C-6上有一个一级羟基（-CH2-OH），它位于环状圆台的开口较窄的一边，而C-2和C-3上的两个二级羟基侧处于环状圆台开口较宽的一边的圆周上。二级羟基具有一定的刚性，处于洞穴口上，因此，大口侧具有较好的亲水性。洞穴内部由两层CH键，中间夹一縮醛氧（醚氧）构成。相对而言，具有一定疏水性。,环糊精与客体分子形成包接络合物的关键是尺寸匹配,环糊精空腔大小与客体分子体积的关系 环糊精 葡萄糖 空腔内径 环大小 匹配的客体分子 单元数 (nm) (nm) -CD 6 0.5 30 苯，苯酚 -CD 7 0.65 35 萘，1-苯氨基-8-磺酸萘 -CD 8 0.85 40 蒽，冠醚，1-苯氨基-8-磺酸萘,如：-CD与12-冠-4形成包合物，同时，12-冠-4又与金属离子配位，形成“盆中盆”。,环糊精、冠醚混配络合物,- CD,12-冠-4,金属离子,配位相互作用力,由于溶剂及主客体类型的不同，配位化合物的形成一般与下列分子间相互作用有关：范德华力（色散力、偶极相互作用）电荷转移相互作用静电相互作用氢键亲水疏水作用力,环糊精的特殊结构，易溶于水，具有固定孔径等特点，使其成为超分子化学的一个重要研究内容。,环糊精酶模型：如环糊精上接入催化活性基团咪唑后，用于环磷酸酯的催化裂解。保护性包接与封闭：利用环糊精对光敏（氧敏）物质、香料、药物、毒物的包接作用。选择性有机合成色谱固定相：凝胶色谱固定相，手性固定相,环糊精配合物的形成,环糊精的选择性来自于：它具有一个固定大小的孔穴，同时，孔穴的不同空间位置含有给电子基团羟基或氧原子，可提供多个相互作用位点。在配合物形成过程中，如果客体分子进入到主体分子孔穴内部，则称包接络合物；如果客体分子只在主体分子孔穴入口处而未进入到孔穴内部，则称缔合络合物。环糊精分子在溶液中与客体分子形成不同结构的加合物 （见下页）,环糊精色谱固定相,通常以硅胶为载体（基质）环糊精修饰到载体上通常需要一个连接桥分子，其一端可与环糊精分子反应并连接，另一端可与硅胶表面的活性基团（OH）反应并连接。连接桥的长度（间隔臂）要适当，太短则由于CD分子体积大，空间位阻大，反应不易进行；间隔臂太长，则硅胶表面不易覆盖。通常，间隔臂的长度78个碳原子比较合适。,几种饱和烃及2-苯基丁烷的手性分离,11.6 分子印迹技术在分离中的应用,分子印迹技术（molecular imprinting technique, MIT）：又称分子烙印技术。它是合成对某种特定分子具有特异选择性结合的高分子聚合物的技术。是由高分子化学、生物化学和材料科学相互渗透与结合所形成的一门新型的交叉学科。分子印迹化学也属超分子化学。,分子印迹技术的发展,1894年，Fischers 提出“锁匙理论”。1940年，Pauling的“抗体合成”,1949年Dickey所设想的“特种吸附剂”。近代分子印迹理论始于1980年代,由Wilff和Mosbach确立。1993年，Mosbach等在Nature上发表分子印记的“塑料抗体”和仿生免疫分析。,分子印迹技术的理论基础抗原抗体理论,分子印迹技术的出现是受免疫学启示。 Pauling在1940年提出的抗原抗体理论认为：当外来抗原进入生物体内，则体内蛋白质或多肽链会以抗原为模板，通过分子自组装和折叠形成抗体。这预示着生物体所释放的物质与外来抗原之间有相应的作用基团或结合位点，而且它们在空间位置上是相互匹配的。,分子印迹技术研究论文发表情况,分子印迹聚合物（molecularly imprinted polymer, MIP）制备的三个基本步骤,第一步：使模板分子（印迹分子或目标分子）和具有适当功能基团，可以形成聚合物的功能单体分子形成单体-模板分子复合物。第二步：在单体-模板分子复合物体系中加入过量交联剂，在致孔剂的存在下，使功能单体与交联剂聚合形成高分子聚合物。于是，功能单体上的功能基团就会在特定的空间取向上被固定下来。第三步：除去模板分子。通过适当的物理或化学方法将模板分子从上述高分子聚合物中提取出来，得到分子印迹聚合物。,分子印迹过程示意图,预组装法,自组装法,预组装法（preorganization）的特点,印迹分子与功能单体以可逆的共价键结合，形成共价型的单体-印迹分子复合物。由于共价键比较牢固，需要采用化学方法才能将模板分子去除。共价型MIP优点是在聚合过程中功能基团能获得比较精确的空间构型。由于单体和印迹分子间的强相互作用，在印迹分子自组装或分子识别过程中的反应速度慢，难以达到热力学平衡，不利于快速识别，而且识别能力与生物识别相差较大。在有的分子印迹体系，即使自组装过程中印迹分子与单体之间是共价键结合，但在分子识别过程中，它们之间的相互作用也有可能是非共价键的分子间相互作用。,自组装法（self-assembling）的特点,在自组装法中，印迹分子与功能单体之间靠弱相互作用力（氢键、范德华力、静电力、螯合、电荷转移 ）自组织排列，形成具有多重作用位点的复合物，在交联聚合过程中，这种复合物的空间构型被固定下来。由于印迹分子与功能基团结合弱，所以，采用物理方法就可以将模板分子去除。如果在自组装和分子识别过程中只有静电相互作用力，则识别选择性较低。自组装法中常用的功能单体是甲基丙烯酸，它既可与胺基发生离子相互作用，也可与酰胺基或羧基发生氢键相互作用。,功能单体、交联剂和致孔剂,共价型分子烙印中常用的功能单体有含乙烯基的硼酸和二醇以及含有硼酸酯的硅烷混合物等。 非共价型分子烙印中常用单体是甲基丙烯酸(MAA) 等。交联剂的作用是使模板分子和单体形成高度交联、刚性的聚合物，将单体的功能基团“固定”在模板分子周围的特定位置。致孔剂多为乙腈、氯仿和甲苯等。,常用非共价型功能单体,常用交联剂,聚合反应的引发方式,热引发；光引发： 可稳定烙印分子和单体所形成的复合物； 可烙印热不稳定的化合物； 可以改变聚合物的物理性能以获得更好的选择性。,分子印迹技术用于色谱分离,分子印迹聚合物可以用来制备HPLC、CE和TLC的固定相，主要用来进行手性异构体的拆分。这种将分子印迹技术用于色谱分析的方法被称作分子印迹色谱法（molecular imprinting chromatography,MIC）。MIC是分子印迹聚合物在分离科学领域的最重要的应用。,分子印迹色谱固定相的制备方法1本体聚合,按分子印迹技术路线，先用模板分子与功能单体生成复合物，再将复合物与交联剂反应合成高交联度的聚合物整体，然后将聚合物研磨成微米级的固定相颗粒，最后再采用适当的方法将模板分子抽提出来，即可用作色谱填料。这种色谱固定相主要用作HPLC和TLC。本体聚合法简单，但研磨很难得到规则的固定相颗粒，所以，固定相的分离效率会受到影响。,分子印迹色谱固定相的制备方法2表面聚合,将MIP分子连接到合适的载体颗粒表面，或者将MIP膜包接到载体（如大孔硅胶）上。主要用作HPLC固定相。不过MIP膜会堵住载体颗粒表面的小孔，使固定相的有效相互作用表面降低。蛋白等生物大分子一般难以利用固定相表面的小孔，而只能进入大孔，所以表面MIP膜包覆固定相比较适合印迹生物大分子。表面涂层是在硅胶载体表面涂上分子印迹聚合物，与表面聚合得到的固定相类似，只是MIP分子是靠分子间相互作用吸附在载体表面。,分子印迹色谱固定相的制备方法3悬浮聚合,采用种子悬浮聚合技术可以合成粒径分布很窄的分子印迹的聚苯乙烯颗粒。由于在悬浮聚合过程中通常使用的水乳液干扰分子印迹，使得到的固定相颗粒的选择性下降。,分子印迹色谱固定相的制备方法4原位聚合,即通常所说的在线整体柱技术，是在色谱柱管内直接合成MIP固定相。原位聚合是一种新的色谱固定相技术，比较适合微柱和毛细管柱的制备。,分子印迹技术用于色谱分离的应用举例,固定相类型 印迹分子 被分离的物质多孔MIP整体柱CE (R)-萘心安(-受体阻滞药) -受体阻剂异构体MIP整体柱CEC L-苯丙氨酸酰替苯胺 氨基酸异构体MIP涂层CEC 丹磺酰-L-苯丙氨酸 丹磺酰苯丙氨酸异构体MIP整体柱CEC 4-氨基吡啶 4-氨基吡啶和 2-氨基吡啶单分散MIP填充柱HPLC N-苯甲氧羰基-L-色氨酸 印迹分子对映异构体MIP填充柱HPLC (S)-萘普生 萘普生外消旋混合物MIP整体毛细管 咖啡因 咖啡因与结构类似物微柱HPLC,分子印记技术用于固相萃取（SPE）分离,SPE通常使用C18、C8、硅胶和离子交换树酯等填料，它们对性质类似的物质的分离选择性不高。对于一些生物分析，有时需要选择性地将目标化合物分离或富集出来。MIP对模板分子的特异选择性可以从复杂基体中分离目标物。MIP固相萃取已用于：环境与农业样品中硝基酚、芳香硝基化合物、苯达松除草剂等；生物样品中的胆固醇、雌二醇和双酚A等；中药提取物中有效成分等。,分子印记技术用于膜分离,分离膜处理样品量大、工业放大容易。膜的这些特点与MIP的高选择性相结合，决定了MIP制备的分离膜在分离领域有应用前景。因为MIP的分子识别性质受酸、碱、有机溶剂和加热等影响小，所以MIP膜比生物膜机械强度更高，稳定性更好。例如以茶碱为模板分子的MIP膜对茶碱的吸附量远大于咖啡因，说明MIP膜对茶碱具有特殊的选择吸附。,作业,P262:,3. 超分子体系用于物质分离的最显著的特点是什么？从近两年的研究论文中查找一篇你觉得比较有价值的，并对其进行简要评述。,