超分子化學是域化學關于一個組成化學系統離散數量的分子。假設系統的電子耦合強度相對于組件的能量參數而言較小，則負責系統空間組織的力的強度范圍從分子間的弱力，靜電荷或氫鍵到強共價鍵。傳統化學集中于共價鍵，而超分子化學則研究分子之間較弱且可逆的非共價相互作用。這些力包括氫鍵、金屬配位、疏水力、范德華力、π-π相互作用和靜電效應。

超分子化學提出的重要概念包括分子自組裝、分子折疊、分子識別、客體化學、機械連鎖分子結構和動態共價化學。非共價相互作用的研究對于理解許多依賴于這些力的結構和功能的生物過程至關重要。生物系統通常是超分子研究的靈感。

超分子化學處理的是微妙的相互作用，因此對所涉及過程的控制可能需要很高的精度。特別地，非共價鍵具有低能量并且通常沒有用于形成的活化能。如Arrhenius方程所示，這意味著，與共價鍵形成化學不同，在更高的溫度下，鍵形成的速率不會增加。實際上，化學平衡方程表明，低鍵能導致在高溫下向超分子配合物的斷裂轉移。

然而，低溫對于超分子過程也可能是成問題的。超分子化學可能需要分子扭曲成熱力學上不利的構象（例如，在輪滑烷的“滑移”合成過程中），并且可能包括一些與超分子一起發生的共價化學。此外，許多系統（例如分子力學）都利用了超分子化學的動態特性，冷卻系統會減慢這些過程。

因此，熱力學是設計，控制和研究超分子化學的重要工具。也許最引人注目的例子是溫血生物系統，它在非常狹窄的溫度范圍內完全無法運行。

超分子系統周圍的分子環境對其操作和穩定性也至關重要。許多溶劑具有很強的氫鍵，靜電和電荷轉移能力，因此能夠參與系統的復雜平衡，甚至完全破壞復合物。因此，溶劑的選擇至關重要。

分子自組裝是系統的構建，沒有外部來源的指導或管理（除了提供合適的環境之外）。通過非共價相互作用指導分子組裝。自組裝可細分為分子間自組裝（以形成超分子組裝）和分子內自組裝（或折疊，如折疊子和多肽所示）。分子自組裝還允許構建更大的結構，例如膠束、膜、囊泡、液晶，這對于晶體工程很重要。

分子識別是客體分子與互補宿主分子的特異性結合，形成宿主-客體復合體。通常，對哪個物種是“寄主”和哪個物種是“來賓”的定義是任意的。分子能夠使用非共價相互作用相互識別。該領域的關鍵應用是分子傳感器的構建和催化。

分子識別和自組裝可與反應性物種一起使用，以預組織化學反應系統（形成一個或多個共價鍵）。它可能被認為是超分子催化的特例。反應物和“模板”之間的非共價鍵使反應物的反應位點緊密靠近，從而有利于所需的化學反應。對于期望的反應構象在熱力學或動力學上不太可能發生的情況（例如在制備大環化合物中），該技術特別有用。該預組織還用于例如最小化副反應，降低反應的活化能以及產生所需的立體化學的目的。。在反應發生之后，由于反應產物的不同識別特性，模板可以保留在原位，被強行去除或可以被“自動”復合。模板可以像單個金屬離子一樣簡單，也可以非常復雜。

機械互鎖的分子結構由僅由于其拓撲結構而鏈接的分子組成。在不同的組件之間可能存在一些非共價相互作用（通常是在系統構建中使用的那些），但共價鍵則不存在。超分子化學，尤其是模板指導的合成，是化合物有效合成的關鍵。機械互鎖的分子結構的例子包括鏈烷、輪烷、分子結、分子硼烷環和薄紗。

在動態共價化學中，在熱力學控制下可逆反應中的共價鍵斷裂并形成。盡管共價鍵是該過程的關鍵，但該系統卻受到非共價力的引導，以形成最低能級的結構。

許多合成的超分子系統被設計用來復制生物系統的功能。這些仿生架構可用于了解生物學模型和綜合實現。示例包括光電化學系統，催化系統，蛋白質設計和自我復制。

分子印跡描述了一種過程，通過該過程可以使用合適的分子種類作為模板從小分子構建宿主。構建后，將刪除模板，僅保留主機。用于主機構造的模板可能與完成的主機綁定到的來賓略有不同。壓印以其最簡單的形式僅利用空間相互作用，但更復雜的系統還結合了氫鍵和其他相互作用，以提高結合強度和特異性。

分子機器是可以執行諸如線性或旋轉運動，切換和截留等功能的分子或分子組件。這些設備存在于超分子化學和納米技術之間的邊界，并且已經使用超分子概念證明了原型。Jean-Pierre Sauvage，J。Fraser Stoddart爵士和Bernard L. Feringa?爵士因“分子機器的設計和合成”而獲得了2016年諾貝爾化學獎。

超分子系統很少是根據xxx原理設計的。相反，化學家擁有一系列經過充分研究的結構和功能構建塊，他們可以用來構建更大的功能體系結構。其中許多作為相似單元的整體存在，可以從中選擇具有確切所需特性的類似物。

• 的π-π電荷轉移相互作用的雙吡啶鎓與dioxyarenes或diaminoarenes已被廣泛用于機械互鎖系統的結構和在晶體工程。
• 超分子化學中普遍使用冠醚與金屬或銨陽離子結合。
• 羧酸?二聚體的形成和其他簡單的氫鍵相互作用。
• 所述絡合的聯吡啶或三聯吡啶與釕，銀或其它金屬離子是在許多單個分子的復雜的結構的結構非常實用的。
• 的絡合的卟啉或酞菁周圍的金屬離子可進入催化，光化學和電化學除了絡合本身的性質。這些單元在本質上被大量使用。

大環化合物在超分子化學中非常有用，因為它們提供了可以完全包圍客體分子的整個空腔，并且可以進行化學修飾以微調其性質。

• 環糊精，杯芳烴，葫蘆素和冠醚易于大量合成，因此方便用于超分子系統。
• 更復雜的環芳，并穴狀配體可以被合成，以提供更多的定制的識別性質。
• 超分子金屬環是環中帶有金屬離子的大環聚集體，通常由角和線性模塊形成。在這些類型的應用程序中，常見的金屬摩托車形狀包括三角形，正方形和五邊形，每個形狀都有通過“自組裝”將零件連接起來的官能團。
• 金屬腔是通過類似的自組裝方法從稠合的螯合環生成的金屬大環。

許多超分子系統要求它們的組件相對于彼此具有合適的間隔和構象，因此需要易于使用的結構單元。

• 常用的間隔基和連接基團包括聚醚鏈，聯苯和三苯以及簡單的烷基鏈。創建和連接這些單元的化學方法非常好理解。
• 納米顆粒、納米棒、富勒烯和樹枝狀大分子提供納米級的結構和包封單元。
• 表面可以用作構建復雜系統的支架，也可以用作電化學系統與電極的接口。規則表面可用于構造自組裝單層和多層。
• 在過去的十年中，通過不同實驗和計算方法的輸入，對固體中分子間相互作用的理解經歷了重大的復興。這包括對固體的高壓研究和在室溫下為液體的化合物的原位結晶，以及利用電子密度分析，晶體結構預測和固態DFT計算的利用，從而可以定量地了解其性質，能級和拓撲與晶體中此類相互作用相關的特性。

• 卟啉和酞菁具有高度可調的光化學和電化學活性，并且具有形成復合物的潛力。
• 光致變色和可光致異構化的基團在曝光后會改變其形狀和特性，包括結合特性。
• 四硫富瓦烯（TTF）和醌具有多種穩定的氧化態，因此可用于氧化還原反應和電化學。
• 其他單元，例如聯苯胺衍生物，紫精和富勒烯，可用于超分子電化學裝置。

• 抗生物素蛋白和生物素之間極強的絡合作用有助于血液凝結，并已被用作構建合成系統的識別基序。
• 酶及其輔因子的結合已被用作生產修飾酶、電接觸酶、甚至光開關酶的途徑。
• 在合成的超分子系統中，DNA既用作結構單位，又用作功能單位。

超分子化學已發現了許多應用，特別是分子自組裝過程已應用于新材料的開發。大結構可以使用自下而上的合成方法輕松訪問，因為它們由小分子組成，需要較少的合成步驟。因此，大多數自下而上的納米技術方法都是基于超分子化學。許多智能材料基于分子識別。

超分子化學的一個主要應用是對催化劑和催化的設計和理解。非共價相互作用在催化中非常重要，它將反應物結合成適合于反應的構象并降低反應的過渡態能。模板指導的合成是超分子催化的特例。諸如膠束，樹枝狀大分子和空洞體等封裝系統也用于催化作用，以產生適合于反應（或反應步驟）進行的微環境，這種環境無法在宏觀上使用。

基于超分子化學的設計已在功能性生物材料和治療劑的產生中獲得了眾多應用。超分子生物材料提供了許多具有可調的機械，化學和生物學特性的模塊化和通用平臺。這些包括基于肽的超分子組裝，宿主-客體大環，高親和力氫鍵和金屬-配體相互作用的系統。

超分子方法已被廣泛用于創建人工離子通道，用于將鈉離子和鉀離子轉運進細胞或從細胞轉運出來。

通過了解藥物結合位點的相互作用，超分子化學對于新藥物治療的發展也很重要。由于提供包封和靶向釋放機制的超分子化學，藥物遞送領域也取得了重要進展。此外，超分子系統已被設計為破壞對細胞功能至關重要的蛋白質間相互作用。

超分子化學已被用于證明分子尺度上的計算功能。在許多情況下，在這些組件中使用了光子或化學信號，但是超分子信號轉導設備也顯示了這些單元的電接口。數據存儲已被使用來實現分子開關用的光致變色和光致異構單元，通過電致變色和氧化還原?-switchable單元，甚至通過分子運動。合成分子邏輯門已在概念上得到證明。通過半合成，甚至可以進行全面的計算DNA計算機。