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出版者:

作者:Steed, Jonathan W./ Atwood, Jerry L.

出品人:

页数:990

译者:

出版时间:2009-3

价格:1621.00 元

装帧:

isbn号码:9780470512333

丛书系列:

图书标签:

• 超分子化学
• 自组装
• 分子识别
• 主客体化学
• 非共价键
• 分子机器
• 纳米科学
• 材料科学
• 化学
• 物理化学

《化学的边界：分子世界的奇妙交织》 在宏观世界的熟悉定律之下，隐藏着一个由微观粒子精密构建的秩序，它们以我们肉眼无法捕捉的方式相互作用、组装，并最终塑造着我们所见的一切。从生命的基础——DNA的双螺旋结构，到催化剂如何加速化学反应，再到新材料的涌现，这一切都指向了一个核心概念：分子间的非共价作用力，它们是宇宙中最普遍却又最微妙的“胶水”。《化学的边界：分子世界的奇妙交织》正是对这个迷人领域的深度探索。 本书并非简单地罗列枯燥的化学公式，而是带领读者踏上一段发现之旅，揭示分子如何通过“弱”但“强大”的相互作用，从个体走向集体，形成更复杂、更具功能的超分子结构。这些结构，有时像精密的锁与钥匙，遵循着特定的识别和选择规则；有时又像自发组装的乐高积木，遵循着简单的局部指令，却能构建出庞大而有序的体系。我们熟悉的自然界，早已是超分子化学的杰作：细胞膜的脂质双层、蛋白质的折叠、病毒的外壳，无不体现着分子协同工作的智慧。 第一篇：分子间的“呢喃”——非共价相互作用的奥秘 本书的开篇，我们将潜入分子相互作用的微观世界，探寻那些“看不见的手”如何引导着分子的行为。 范德华力：宇宙的温和拥抱 我们将从最基础的范德华力讲起，包括伦敦色散力、偶极-偶极相互作用以及偶极-诱导偶极相互作用。这些力虽然单个微弱，但当大量分子聚集时，其累积效应便不容小觑。我们会通过生动的例子，例如惰性气体的液化，来理解范德华力在分子凝聚中的关键作用。理解这些基本力，是理解更复杂超分子结构的基石。 氢键：分子间的“粘合剂” 氢键，作为一种特殊的偶极-偶极相互作用，在自然界和化学中扮演着至关重要的角色。本书将详细解析氢键的形成机制，从其本质上的静电吸引和一些轨道重叠的性质，到其在水（生命的溶剂）的异常性质、DNA双螺旋结构的稳定以及蛋白质二级和三级结构的形成中的关键作用。我们将探讨不同类型的氢键，例如分子内氢键和分子间氢键，以及它们在化学反应和分子识别中的重要性。 疏水相互作用：水的“排斥”与“聚集” 在充满水的环境中，非极性分子似乎总是有意避开水分子，而倾向于聚集在一起。这种看似简单的现象，被称为疏水效应，实则是驱动许多生物和化学过程的强大力量。我们将深入探讨疏水效应的根本原因，并非直接的分子间吸引，而是水分子为了最大化与自身形成氢键而对非极性溶质产生的“排斥”效应，从而导致非极性溶质的熵减小，为了恢复熵的平衡而聚集。这种效应在脂质双层的形成、蛋白质折叠的驱动以及药物分子的溶解度等方面有着深远的意义。 π-π堆积：芳香环的“亲密接触” 含有π电子的芳香环，如苯环，之间存在着一种特殊的吸引力，称为π-π堆积。这种相互作用在DNA的碱基堆积、石墨烯等二维材料的形成以及有机电子器件的设计中起着关键作用。我们将剖析π-π堆积的各种模式（面对面、边缘-面对面等），并探讨其能量贡献以及在特定分子识别过程中的应用。 金属配位：无机分子的“拥抱” 金属离子与配体之间的配位键，虽然是较强的化学键，但其在超分子化学中也扮演着构建复杂结构的桥梁角色。我们将介绍金属配位在金属有机框架（MOFs）等自组装材料中的应用，这些材料因其巨大的比表面积和可调控的孔道结构，在气体储存、分离和催化等领域展现出巨大的潜力。 第二篇：分子“合奏”——自组装的艺术 了解了分子间的基本吸引力后，我们将进入一个更具动态和策略性的领域：自组装。这意味着分子无需外部的“指导”，仅凭其内在的化学特性和环境条件，就能有组织地聚集形成有序的结构。 热力学驱动的自组装：趋向最低能量 自组装过程的核心是热力学原理，系统倾向于向能量最低的状态发展。我们将讨论如何通过设计分子结构，使其在特定溶剂或条件下，能够通过非共价相互作用形成稳定的自组装体。例如，两亲性分子（同时具有亲水和疏水部分）在水中自发形成胶束或脂质体，便是典型的热力学驱动自组装。 动力学控制的自组装：时间的智慧 有些自组装过程并非一步到位，而是需要时间来“优化”结构。我们将探讨动力学控制在自组装中的作用，以及如何利用动力学陷阱来获得特定的、可能并非绝对热力学最稳定但功能优越的结构。这在一些酶促反应和复杂生物过程的模拟中具有重要意义。 模板效应：引导与约束 在某些情况下，外部的“模板”可以显著影响自组装的过程和结果。本书将介绍如何利用预先存在的结构（如DNA链、聚合物链或纳米粒子）作为模板，引导其他分子在其周围组装，形成更复杂的超分子器件。这种方法在制造精确纳米结构和功能性材料方面具有巨大的潜力。 动态共价化学：可逆的连接 与形成不可逆共价键不同，动态共价化学利用可逆的共价键（如亚胺键、缩醛键）来实现自组装。这意味着形成的结构可以在一定条件下发生重排或解体，从而赋予其“响应性”和“修复性”。我们将探讨动态共价化学在自修复材料、形状记忆聚合物以及可编程材料中的应用。 第三篇：超分子结构的“功能王国”——应用与展望 在掌握了分子的相互作用和自组装的原理之后，我们将目光投向超分子化学在现实世界中的广阔应用，以及它为未来科技描绘的蓝图。 药物递送与靶向治疗：精准的“快递员” 超分子结构，如胶束、脂质体、聚合物纳米粒，能够有效地包裹和稳定药物分子，并可以通过表面修饰实现对病变组织的靶向递送。本书将深入探讨如何利用超分子策略来提高药物的生物利用度、降低毒副作用，实现更精准、更高效的治疗。 人工酶与催化：模仿自然的“催化剂” 生物体内的酶是高度特异性的超分子催化剂。超分子化学家致力于设计和合成具有类似功能的“人工酶”，它们可以模仿天然酶的催化活性，实现高效、选择性的化学转化。我们将讨论如何在人造催化剂的设计中整合分子识别、基底活化和过渡态稳定等策略。 传感与成像：捕捉微观世界的“信号” 超分子探针可以通过与特定分析物的选择性结合，产生可检测的信号（如荧光、颜色变化），从而实现对微量物质的灵敏检测。在医学成像领域，超分子造影剂也展现出巨大的潜力，能够提供更高分辨率、更富信息的医学影像。 新材料的涌现：超越传统的“构筑模块” 超分子化学为新材料的设计提供了全新的视角。通过自组装，我们可以构筑具有特定孔道结构（如MOFs）、自修复能力、形状记忆功能或独特电子/光学性质的材料。我们将探讨超分子策略在气体吸附与分离、能量存储与转换、传感器件以及智能材料等领域的应用。 分子机器与纳米技术：微观世界的“工程师” 将功能性的超分子结构组合起来，可以构建出能够执行特定机械运动的“分子机器”。这些微小的装置有望在药物输送、分子制造、信息存储等领域带来革命性的变革。本书将展望分子机器的发展前景，以及超分子化学在纳米技术中的核心地位。 《化学的边界：分子世界的奇妙交织》是一本为所有对物质世界深层运行机制充满好奇的读者量身打造的书籍。它将带领您跨越宏观与微观的界限，理解那些看不见的分子相互作用如何塑造了我们身边的一切，并激发您对未来科技的无限想象。通过本书，您将不仅仅是学习化学知识，更是领略化学的诗意与智慧，感受分子交织出的奇妙世界。

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