顧波濤

(山東省博興第二中學(xué))

超分子是魯科版化學(xué)選擇性必修二第三章第三節(jié)新增加的知識(shí)點(diǎn).教材以冠醚、DNA、磷脂雙分子層、分子鉗以及葉綠素等為例介紹了超分子.在近幾年的高考中,超分子作為新的考點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn).本文例談超分子的考查形式,希望能幫助學(xué)生熟悉考點(diǎn),提高得分率.

1 超分子與超分子化學(xué)

超分子是指兩種及以上的分子通過分子間相互作用形成的分子聚集體(也包括某些離子).超分子內(nèi)部,分子之間通過非共價(jià)鍵結(jié)合,包括氫鍵、靜電作用、疏水作用以及一些分子與金屬離子形成的弱配位鍵等.分子聚集體有的是有限的,有的是無(wú)限伸展的.超分子既不同于蛋白質(zhì)、淀粉等大分子,也不同于高分子.超分子具有分子識(shí)別、自組裝兩個(gè)重要特征.超分子化學(xué)著重強(qiáng)調(diào)了具有特定結(jié)構(gòu)和功能的超分子體系,淡化生物化學(xué)、材料化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)等化學(xué)分支間的界限,并將其融合為一個(gè)有機(jī)整體.

2 超分子的考查角度

2.1 超分子特征的考查

例1不同空腔尺寸的葫蘆[n](n＝5,6,7,8,…)脲可以通過形成超分子從氣體或溶液中識(shí)別不同分子并選擇性吸附,對(duì)位取代的苯的衍生物恰好可以進(jìn)入葫蘆[6]脲(結(jié)構(gòu)如圖1所示)的空腔.下列說法正確的是( ).

圖1

A.葫蘆脲可以吸附進(jìn)入空腔的所有分子

B.葫蘆[6]脲是超分子且能發(fā)生丁達(dá)爾效應(yīng)

C.葫蘆[6]脲形成的超分子中分子間存在范德華力、氫鍵

D.可裝入對(duì)甲基苯甲酸體現(xiàn)了超分子的“分子識(shí)別”功能

由題給信息可知,只有對(duì)位取代的苯的衍生物恰好可以進(jìn)入葫蘆[6]脲的空腔,選項(xiàng)A錯(cuò)誤.葫蘆[6]脲是超分子,屬于純凈物,不是膠體,故不能發(fā)生丁達(dá)爾效應(yīng),選項(xiàng)B 錯(cuò)誤.氫鍵是電負(fù)性大的原子與氫原子形成的共價(jià)鍵,葫蘆[6]脲形成的超分子間不存在氫鍵,選項(xiàng)C 錯(cuò)誤.由題給信息可知,對(duì)位取代的苯的衍生物恰好可以進(jìn)入葫蘆[6]脲的空腔,則可裝入對(duì)甲基苯甲酸,體現(xiàn)了超分子的“分子識(shí)別”功能,選項(xiàng)D 正確.答案為D.

知識(shí)鏈接超分子聚集體是通過分子間的相互作用,包括分子間的氫鍵、靜電作用、疏水作用、堆積作用、金屬離子的配位鍵等形成的.超分子的兩個(gè)重要特征是分子識(shí)別、自組裝.分子識(shí)別是指化學(xué)反應(yīng)中的一種現(xiàn)象,當(dāng)兩個(gè)分子相遇時(shí),它們可能會(huì)認(rèn)出彼此并形成一個(gè)穩(wěn)定的配對(duì),這種配對(duì)可以被視為糾正達(dá)到一個(gè)平衡的力,如氫鍵或離子鍵.分子識(shí)別可以導(dǎo)致新的配對(duì)結(jié)構(gòu)的形成,這些結(jié)構(gòu)有很多用途,如生物分子中大分子的折疊、仿生材料的合成以及催化物質(zhì)的設(shè)計(jì)等.

2.2 元素推斷中融合超分子的考查

例2W、X、Y、Z是原子序數(shù)依次增大的短周期主族元素,其中Z元素基態(tài)原子L 層電子數(shù)是電子層數(shù)的3 倍.這4種元素組成的化合物(結(jié)構(gòu)如圖2)可用于合成超分子聚合物.下列說法錯(cuò)誤的是( ).

圖2

A.XZ2晶體屬于共價(jià)晶體

B.元素W、X、Y 都可以與Z形成多種化合物

C.電負(fù)性:Z＞Y＞X＞W(wǎng)

D.超分子具有自組裝和分子識(shí)別的特征

由Z 元素原子L 層電子數(shù)是電子層數(shù)的3倍可知Z為O 元素,再結(jié)合圖中結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式,可知W、X、Y 分別為H、C、N 元素.CO2晶體屬于分子晶體,選項(xiàng)A 說法錯(cuò)誤.H、C、N 元素分別能與O 元素形成H2O、H2O2,CO、CO2,NO、NO2等多種化合物,選項(xiàng)B說法正確.非金屬性越強(qiáng)其電負(fù)性越大,則電負(fù)性:O＞N＞C＞H,選項(xiàng)C 說法正確.超分子的兩大特性是具有自組裝和分子識(shí)別特征,選項(xiàng)D 說法正確.答案為A.

知識(shí)鏈接新組裝超分子聚合物,大幅度增加了化合物的種類,如果按照預(yù)期目標(biāo)控制自組裝過程,可以得到簡(jiǎn)單、可靠、具有特定結(jié)構(gòu)功能的超分子聚合物,使其具有單個(gè)分子所不具備的特有性質(zhì).高考中元素推斷題以合成超分子聚合物或合成超分子的單個(gè)分子的結(jié)構(gòu)示意圖為載體,實(shí)現(xiàn)元素周期律與超分子的融合考查,解題時(shí)準(zhǔn)確提取結(jié)構(gòu)示意圖中原子所形成的價(jià)鍵特征,是推斷相關(guān)元素的重要突破口,還要注意超分子與元素及其化合物性質(zhì)的綜合考查.

2.3 有機(jī)物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)融合超分子的考查

例3冠醚因分子結(jié)構(gòu)如皇冠而得名,某冠醚分子丙可識(shí)別K＋,其合成方法如圖3所示.下列說法正確的是( ).

圖3

A.丙可與K＋形成超分子

B.每個(gè)甲分子中有6個(gè)π鍵

C.丙的核磁共振氫譜有5組峰

D.該反應(yīng)有HCl生成,屬于縮聚反應(yīng)

超分子是有序、有組織的聚合體系,通過范德華力、氫鍵、靜電作用等較弱作用力而自動(dòng)結(jié)合成的.丙可以和K＋形成超分子,選項(xiàng)A 正確.甲分子有2個(gè)苯環(huán),每個(gè)甲分子中有2個(gè)大π鍵,選項(xiàng)B錯(cuò)誤.丙左右對(duì)稱和上下對(duì)稱,丙核磁共振氫譜有4組峰,選項(xiàng)C錯(cuò)誤.該反應(yīng)有HCl生成,屬于取代反應(yīng),選項(xiàng)D 錯(cuò)誤.答案為A.

知識(shí)鏈接冠醚是一種超分子,它能否適配堿金屬離子與其空腔直徑和離子直徑有關(guān).二苯并-18-冠-6與K＋形成的螯合離子的結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4

該超分子含有K＋螯合陽(yáng)離子,與陰離子可以形成離子化合物.含有該螯合離子的物質(zhì)所形成的晶體是離子晶體,二苯并-18-冠-6空腔直徑大,不能適配半徑小的Li＋,中心離子K＋與6個(gè)氧原子形成6個(gè)配位鍵,配位數(shù)為6,該螯合離子中6個(gè)O 原子與K＋有可能在同一平面上.

變式冠醚是一類皇冠狀的分子,可有不同大小的空穴適配不同大小的堿金屬離子.18-冠-6可以通過圖5所示方法制備.下列說法錯(cuò)誤的是( ).

圖5

A.18-冠-6分子中C、O 都采用sp3雜化

B.18-冠-6和堿金屬離子通過共價(jià)鍵形成超分子

C.冠醚的空穴結(jié)構(gòu)對(duì)離子有選擇作用,在有機(jī)反應(yīng)中可作催化劑

D.制取方法中(1)為取代反應(yīng),另一種產(chǎn)物為HCl

答案B.

超分子及超分子化學(xué)是未來化學(xué)研究的重要方向,會(huì)促進(jìn)材料科學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科發(fā)展,是利用分子的特殊性質(zhì)來構(gòu)建分子器件的研究載體.高考化學(xué)的選材關(guān)注最新的科研成果,因此在未來的高考中,超分子將會(huì)備受高考命題者的青睞,在備戰(zhàn)2024 年的新高考時(shí)要引起足夠的重視.

(完)