氫鍵是一類重要的非共價鍵作用力，它對分子和大分子的物理、化學、生物和材料性質可以產生很大的影響，它被廣泛地應用于解釋很多重要的物理、化學和生物現(xiàn)象，也被廣泛應用于設計新的分子和大分子體系，以使它們展示需要的性質和功能。 

     氫鍵具有方向性，其結合基元簡單、易于修飾和集成化，結合強度跨越幅度大，結合模式種類多樣，可以存在于所有分子和大分子體系中。 

     黎占亭教授長期開展氫鍵分子識別與自組裝研究，在氫鍵人工二級結構構筑及功能性組裝體研究方面取得了一系列重要研究成果，掌握了大量的一手資料，這本書就是他多年來在氫鍵超分子相互作用的研究成果的基礎上撰寫而成的。該書內容詳實、系統(tǒng)、全面，包括了基本原理和方法、重要氫鍵結合模式、主要氫鍵組裝體結構及功能和應用等，具有類似教科書的功能，同時又具有一定的前瞻性和新穎性，主要面向超分子化學領域的研究生和年輕科研人員，為年輕科研人員迅速了解和掌握氫鍵研究的原理和方法，基于氫鍵的分子識別現(xiàn)象，氫鍵驅動的自組裝結構和功能等提供了一個快速通道。

       氫鍵作為一類非共價鍵作用力，自從20世紀30年代被化學大師鮑林提出并確定以來，在化學、生物、物理及材料科學研究中一直處于非常重要的地位。由于絕大多數(shù)有機分子和大分子、水和大多數(shù)有機溶劑以及很多機化合物和離子等都含有氫原子，氫鍵幾乎可以說是處不在。從氫鍵的提出到現(xiàn)在，有關氫鍵的基礎理論研究一直受到化學家的重視。但對于大多數(shù)研究人員來說，氫鍵主要是一類廣泛存在的方向性較強的靜電作用力，對分子、離子和大分子的物理、化學、生物和材料性質都可以產生很大的影響，被廣泛地應用于解釋很多重要的物理、化學和生物現(xiàn)象，并被廣泛應用于設計新的分子和大分子體系，用于產生和提高需要的性質和功能等。

      超分子化學是研究分子以上層次的化學，研究分子聚集體的結構、組分間的相互作用、聚集體形成的過程和綜合性質等。分子識別和自組裝是超分子化學的主要研究內容，前者強調結合的過程，后者重視集合體的整體結構與性質。超分子化學研究可利用的非共價鍵作用力包括氫鍵、配位作用、疏溶劑作用、范德華力、供體-受體相互作用、偶極相互作用及離子對靜電作用等。這其中，氫鍵和配位作用具有較高的方向性，而氫鍵具有結合基元簡單、易于修飾和集成化，能存在于不同溶劑中、結合強度跨越幅度大、結合模式種類多樣、可以存在于所有分子和大分子體系中等特點。因此，在超分子化學研究中，以每年發(fā)表的論文數(shù)計算，以氫鍵為驅動力的研究約占三分之一，一直占據最大的比例�；�于氫鍵的超分子化學研究范圍之廣泛，氫鍵超分子體系功能之復雜多樣，應用之廣泛，也是其它非共價鍵作用力所不及的。 

       目前，國際上已經出版多本以氫鍵為主題的超分子化學方面的圖書，每年都有大量的涉及氫鍵的綜述性文章發(fā)表，但國內尚沒有專門論述基于氫鍵的超分子化學方面的著作。我國過去十年來超分子化學研究迅速發(fā)展，發(fā)表的涉及氫鍵的研究論文約占整個世界同期發(fā)表論文的32%（2016年底SciFinder數(shù)據）。出版一本面向中文讀者的關于氫鍵的分子識別和自組裝的專題圖書顯然是非常必要的。 

       本書編寫的主要出發(fā)點是面對超分子化學領域的年輕科研人員、研究生和高年級大學生。本書采用的文獻以最近十年發(fā)表的論文為主。每個章節(jié)都盡量簡述研究的背景及重要性，具體內容以代表性的工作為主，并盡量收錄我國學者發(fā)表的研究成果。重要的專題都給出近期發(fā)表的代表性綜述文章，以方便讀者迅速獲得更加詳細的文獻資料。我們希望提供一本類似教科書功能的參考書，為年輕科研人員迅速了解氫鍵研究的背景、原理和方法，基于氫鍵的分子識別現(xiàn)象，氫鍵驅動的自組裝結構和功能等提供一個快速通道。全書共包括13章，兼顧了氫鍵分子識別與自組裝研究的基礎和應用兩個方面，有助于其它領域的科研人員了解氫鍵控制分子及大分子性質與功能的原理和方法。 

黎占亭 張丹維 

2017年1月

     1966年出生于河南，1985年鄭州大學化學系畢業(yè)，1992年在中科院上海有機化學研究所獲博士學位，曾在University of South Denmark和美國University of Illinois at Urbana-Champaign化學系作博士后，曾任上海有機所副研究員和研究員（1995-2010），現(xiàn)為復旦大學化學系教授。2000年獲中國化學會青年化學獎，2004年獲國家杰出青年科學基金資助，2006年獲國務院特殊津貼，2007年入選人事部百千萬人才工程，2008年獲全國百篇博士論文指導教師獎。主要從事生物結構模擬、分子識別與自組裝、離子通道及氫鍵等弱相互作用力研究，近期提出并建立了溶液相超分子有機框架（Supramolecular Organic Frameworks, SOFs）概念。 

       已指導畢業(yè)博士生35名，指導博士生多人入選中科院百人計劃、中組部青年千人計劃、中組部拔尖人才計劃、獲全國百篇博士論文及國家青年基金等。已發(fā)表論文、論著200余篇，包括有關氫鍵超分子化學研究論文100余篇，編著英文圖書2本。先后兩次應邀在美國化學會Accounts of Chemical Research撰寫綜述，總結有關氫鍵分子識別與自組裝方面的研究成果。

第1章氫鍵概論/001 

1.1背景與定義/002 

1.2幾何參數(shù)和定義/003 

1.3能量參數(shù)與定義/005 

1.4氫鍵的能量標度和分類/006 

1.5強氫鍵和弱氫鍵的差異/007 

1.6影響氫鍵強度的因素/008 

1.6.1溶劑化效應/008 

1.6.2電負性效應/009 

1.6.3極化增強效應/009 

1.6.4共振協(xié)助效應/010 

1.6.5二級相互作用/012 

1.7氫鍵振動性與短-強氫鍵/013 

1.8氫鍵的研究方法/014 

1.9結合常數(shù)的測定/015 

1.9.1異體1∶1配合物/016 

1.9.2同體1∶1配合物/017 

1.9.3異體1∶2配合物/017 

1.9.4競爭實驗方法/018 

參考文獻/019 

第2章氫鍵結合模式/021 

2.1引言/022 

2.2氫鍵供體和受體/022 

2.3單官能團氫鍵/023 

2.3.1醇和酚/023 

2.3.2羧酸/024 

2.3.3酰胺/025 

2.3.4脲和硫脲/026 

2.3.5硝基化合物/028 

2.3.61,2,3-三氮唑/028 

2.4分子內氫鍵/029 

2.4.1醇、酚、羧酸O—H…O氫鍵/029 

2.4.2酰胺、脲和酰肼N—H…O和N—H…N氫鍵/030 

2.4.3酰胺、脲和酰肼N—H…X（X=F,Cl,Br,I）氫鍵/032 

2.4.4酰胺N—H…S氫鍵/037 

2.4.5三氮唑C—H…X（X==O,F,Cl,Br）氫鍵/038 

2.5雙氫鍵體系/039 

2.6三氫鍵體系/039 

2.6.1DAD·ADA型二聚體/039 

2.6.2DDA·AAD型二聚體/040 

2.6.3DDD·AAA型二聚體/041 

2.7四氫鍵體系/042 

2.7.1ADAD型同體二聚體/042 

2.7.2AADD型同體二聚體/043 

2.7.3DAAD·ADDA型異體二聚體/044 

2.7.4AADA·DDAD型異體二聚體/045 

2.7.5AAAA·DDDD型異體二聚體/046 

2.8六氫鍵體系/046 

2.9寡聚酰胺和酰肼氫鍵二聚體/047 

2.9.1人工b-折疊體二聚體/047 

2.9.2酰胺/脲雜交單體二聚體/048 

2.9.3基于脂肪/芳香酰胺和酰肼雜交骨架單體的二聚體/049 

2.9.4基于芳香酰胺骨架單體的二聚體/052 

2.10基于氨基氮雜環(huán)單體的二聚體/054 

參考文獻/055 

第3章生命體系中的氫鍵/059 

3.1引言/060 

3.2無機離子/060 

3.3有機分子/061 

3.4肽和蛋白質/062 

3.4.1氨基酸/063 

3.4.2二級結構/064 

3.4.3三級結構和四級結構/066 

3.5核酸/066 

3.6糖、寡糖和多糖/069 

3.7生物膜/070 

參考文獻/071 

第4章人工二級結構：單分子組裝體及其功能/073 

4.1引言/074 

4.2脂肪氨基酸序列/074 

4.3氨氧酸類肽模擬物/078 

4.4脂肪脲寡聚體/079 

4.5芳香酰胺寡聚體/079 

4.6其它芳香骨架寡聚體/082 

4.7脂肪-芳香酰胺雜交序列/084 

4.8折疊體樹枝狀分子/087 

4.9配位誘導的折疊與螺旋/088 

4.10氫鍵誘導的人工二級結構的功能與應用/089 

4.10.1生物功能和藥物設計/089 

4.10.2分子識別/090 

4.10.3自組裝/092 

4.10.4動態(tài)[2]索烴/094 

4.10.5調控分子內供體-受體相互作用/094 

4.10.6調控聚合物力學性能/095 

4.10.7調控分子梭動力學/096 

參考文獻/097 

第5章負離子識別/103 

5.1引言/104 

5.2酰胺和磺酰胺主體/104 

5.2.1非環(huán)主體/104 

5.2.2大環(huán)主體/107 

5.2.3穴型主體/109 

5.3脲及硫脲類主體/111 

5.3.1非環(huán)主體/111 

5.3.2大環(huán)和穴型主體/120 

5.4吡咯、吲哚及咔唑類主體/122 

5.4.1非環(huán)主體/122 

5.4.2大環(huán)主體/126 

5.5酚及醇類主體/134 

5.6中性C—H氫鍵類主體/136 

5.7正離子型主體/139 

5.7.1基于胍基正離子的主體/139 

5.7.2基于氮雜環(huán)正離子的主體/141 

5.8多胺類主體/146 

5.8.1中性多胺主體/146 

5.8.2非環(huán)質子化多胺主體/147 

5.8.3單環(huán)質子化多胺主體/147 

5.8.4雙環(huán)質子化多胺主體/148 

5.8.5多環(huán)質子化多胺主體/149 

5.9其它類型主體/149 

參考文獻/151 

第6章晶體工程/161 

6.1引言/162 

6.2強氫鍵和弱氫鍵驅動的一維堆積/164 

6.3二維結構、互穿及包結現(xiàn)象/168 

6.4三維及互穿結構/175 

6.5光致化學反應選擇性控制/178 

6.6氣體吸收與分離/184 

6.7藥物共晶/187 

參考文獻/191 

第7章水溶液中的分子識別與自組裝/195 

7.1引言/196 

7.2核酸堿基及模擬結構：配對與識別/196 

7.3氨基酸及短肽：識別與自組裝/205 

7.3.1氨基酸和短肽及其衍生物的識別/205 

7.3.2基于短肽及其衍生物的自組裝/206 

7.4糖的識別/209 

參考文獻/213 

第8章互鎖和纏結結構與分子機器：輪烷、索烴和分子結/215 

8.1引言/216 

8.2模板合成策略/217 

8.3酰胺和脲氫鍵模板/218 

8.3.1N—H…O氫鍵驅動制備輪烷/218 

8.3.2N—H…Cl-和N—H…Br-氫鍵驅動制備輪烷/221 

8.3.3N—H…O氫鍵驅動制備索烴/223 

8.3.4N—H…Cl-和N—H…O—SO32-氫鍵驅動制備索烴/224 

8.3.5N—H…O-（方酸）氫鍵驅動制備索烴/226 

8.4N+—H…O氫鍵模板制備輪烷和索烴/227 

8.5其它模板策略/231 

8.5.1二(吡啶)乙烷C—H…O氫鍵模板構筑輪烷/231 

8.5.2脒-羧酸N—H…O氫鍵（鹽橋）模板構筑輪烷/232 

8.5.3脲基嘧啶DDAA·AADD四重氫鍵驅動構筑動態(tài)[2]擬輪烷和[2]索烴/232 

8.6分子結/233 

8.7分子機器/235 

8.8輪烷和索烴分子梭/236 

8.9其它形式的分子機器/242 

參考文獻/245 

第9章自組裝有機納米管/249 

9.1引言/250 

9.2大環(huán)自組裝納米管/250 

9.2.1環(huán)肽自組裝/250 

9.2.2雙脲大環(huán)自組裝/254 

9.3自組裝多組分大環(huán)及其堆積形成納米管/257 

9.4箍桶型自組裝納米管/261 

9.5肽鏈修飾柱芳烴單分子管/262 

9.6分子和大分子螺旋納米管/264 

9.7兩親分子自組裝納米管/268 

參考文獻/269 

第10章超分子膠囊與客體包結/273 

10.1引言/274 

10.2膠囊結構與包結/274 

10.2.1網球型雙分子膠囊/274 

10.2.2半球型分子二聚體膠囊/275 

10.2.3柱型雙分子和擴展型多分子組裝體/280 

10.2.4擴展的柱型組裝體/281 

10.2.5排球型組裝體/282 

10.3客體進出機理與速率/284 

10.4分子間相互作用力放大/284 

10.5反應加速與催化/287 

10.6底物穩(wěn)定化及反應中間體捕集/288 

參考文獻/290 

第11章氫鍵超分子聚合物/293 

11.1引言/294 

11.2氫鍵結合模式/295 

11.3超分子聚合機理/296 

11.4主鏈超分子聚合物/297 

11.5堆積或簇集型超分子聚合物/299 

11.6基于多頭基單體構建超分子聚合物/301 

11.7交聯(lián)超分子聚合物/303 

11.8其它形式的超分子聚合物材料/306 

參考文獻/309 

第12章氫鍵促進及催化有機反應/313 

12.1引言/314 

12.2氫鍵促進大環(huán)合成/314 

12.2.1通過酰胺鍵形成大環(huán)/314 

12.2.2通過酰肼鍵和脲形成大環(huán)/319 

12.2.3基于1,3-偶極環(huán)加成反應合成大環(huán)/321 

12.2.4基于形成C—M鍵或配位鍵合成大環(huán)/322 

12.2.5通過亞胺鍵形成大環(huán)/323 

12.2.6通過腙鍵形成大環(huán)/325 

12.2.7通過雙硫鍵形成大環(huán)/326 

12.3氫鍵促進苯甲醚水解/326 

12.4氫鍵促進吡啶氧化/327 

12.5氫鍵促進喹啉氯代和溴代/327 

12.6氫鍵介質的自我復制/328 

12.6.1寡核苷酸及類似物自我復制/328 

12.6.2非核苷類底物反應的自我復制/330 

參考文獻/332 

第13章氫鍵介質的有機材料/335 

13.1引言/336 

13.2分子構象開關/336 

13.3超分子液晶/339 

13.3.1棒狀超分子液晶/339 

13.3.2柱狀超分子液晶/340 

13.3.3其它類型的超分子液晶/345 

13.4人工天線和光合作用體系/347 

13.5染料敏化太陽能電池/349 

13.6有機光伏（OPV）材料/351 

13.7有機發(fā)光二極管/355 

13.8有機場效應二極管/356 

參考文獻/361 

索引/368