第五章 物质结构基础

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1、第五章物质结构基础1物质结构的重要性（结构决定性质）例1.含氢键的物质，沸点较高。例2.含双键结构的化合物，能发生加成反应。问题：如何知道有双键？有氢键？2.物质结构是可以测定的直接测量？间接测量？3.物质结构的三个层次物质的结构－分子这样组成物质分子的结构－原子怎样组成分子原子的结构－？？怎样组成原子25.1物质结构的概念物质能量（场）｛宏观物质（生物体、机械建筑、天体…)介观物质（原子、分子、分子聚集体）微观物质（运子核、电子、基本粒子…)化学在以下两个层次上讨论物质结构1）原子如何组成各种分子2）分子如何聚集形成各种形态的物质

2、结构—颗粒物质的几何结构(微观粒子的几何位置)此结构下物质所具有的能量1.什么是物质结构？颗粒物质32.物质结构的表示物质结构的定性表示与定量表示“甲酚中的CH3基团在OH基团的邻位”－定性表示甲酚分子的几何结构指明甲酚中每个原子的坐标值－定量表示甲酚分子的几何结构静态结构与动态结构静态结构中，原子坐标是常数。动态结构中，原子坐标是时间的函数。物质定量结构由物质中所有原子的坐标来确定；原子坐标是物质结构的根本要素。41）确定物质结构的方法理论计算－结果的正确性仍需要实验确认实验测定定性结构测定－核磁共振、红外光谱等定量结构测定－测定样

3、品中所有原子的坐标2）样品尺寸≥10－4m，原子数1018（原子尺寸10－10m）数据量庞大（每天确定1亿坐标，需要1亿年测定一个样品）3）晶体具有周期性、对称性的结构，只需测量一个周期内、不对称部分的原子坐标。“测定晶体结构”是“测定物质结构”的最好方法。晶体对于化学的具有特别重要的意义。3.物质结构的测定51.晶体是原子周期地、对称地聚集而成的固体。晶体与非晶体的根本区别：原子排列是否有周期性。5.2晶体的结构氨基联噻唑的晶体结构，每个晶胞中有2个分子；这2个分子间存在螺旋轴对称，分子内还有中心对称；晶体的不对称单元内只有半个分

4、子。Thiazole（噻唑）6测定晶体的周期性晶胞参数(a、b、c、α、β、γ）测定晶体的对称性230种对称元素的组合（空间群）对称轴（2次对称轴，...)对称面（镜面，...)对称中心测定不对称单元内的原子的坐标“传统”晶体学：晶体分类，紧密堆积，物相分析等。原子坐标的测定是“现代”晶体学的核心内容。2.晶体结构测定的内容这些测定都是间接进行的71.单晶体X射线衍射实验(X-rayDiffractionofSingleCrystal)反射折射衍射（散射叠加）入射光→晶体→入射光与物体的物理作用：衍射条件：光程差等于波长整数倍衍射光

5、行进的方向：2dsin=其中，是入射光与衍射光的夹角d是晶面间距是X光的波长5.3晶体结构测定的实验入射X光与晶体中电子云相互作用，向各方向散射出X光，这些散射的X光相互干涉，叠加加强形成衍射光。82.单晶衍射仪93.单晶衍射实验获取信息：衍射斑点的位置衍射点的黑度(衍射光强度)光(电磁波)信息：光速频率（波长）衍射方向衍射光强度单晶体衍射“照片”波的初相位α105.4原子坐标的确定从衍射光强度和初相位，计算晶胞中各处的电子云密度(xyz)。衍射强度I与衍射光波的振幅F的平方成正比，即结构因子F――――→晶体中电子云密度分

6、布傅立叶变换1.电子云密度函数(xyz)112.电子云等密度线（局部）电子云密度大的地方是原子（核）的位置。123.晶体中原子位置（坐标）13链状聚合的结构正确的化学式：[Cu(H2O)4SO4]n·nH2O1.CuSO4·5H2O的晶体结构5.5晶体结构举例142.C60的晶体结构结晶溶剂：苯、二氯甲烷15例1.“FeSO4.4(H2O)”不对称单元中的原子晶体结构正确的分子式：Fe(H2O)4SO4]2问题：是否存在离子键？5.6从晶体结构认识化学键结论：二聚体分子形成的分子晶体，不是“离子晶体”。16例2.氨基酸的盐（苯丙氨酸

7、的盐酸盐）1)氨基质子化，2)氯离子与羧基间形成的氢键。（苯丙氨酸的硫酸盐）结论：二者都是名副其实的“离子晶体”（离子形成的晶体），但是，离子之间存在的是氢键，并不存在离子键！17例3.二羟基苯甲酸咪唑盐1）晶体由阴、阳离子构成。2）阴、阳离子之间存在氢键，阴离子之间也存在氢键。3）氢键不是离子键。结论：离子晶体中，离子之间可以不存在离子键。离子晶体定义：由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。离子晶体定义中的问题：18实验证实了：1）碳原子的正四面体结构（键角109°)2）氮原子的三角形结构(键角120°)例4.甘氨酸-甘氨酸-丙

8、氨酸三肽195.7生物大分子结构测定衍射实验：大功率同步辐射(Synchrotron)装置（更强的X光源）。1.原理与实验晶体样品同步辐射实验基地原理：与小分子晶体结构测定基本相同。20同步辐射衍射实验场景212.蛋白质