单晶X射线分析

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1、第二十二章单晶X-射线分析22.1引言22.1.1晶体的特征同态物质般可以分为晶态(ciystalline)与非晶态(noncrystalline)两种状态。在罪晶固态物质中，其分子或原子的排列没有明显的规律,原子或分子的排列呈现明显的规律性。也就是说,排列的固体物质。由于原子空间中排列的规律性,单元(即点阵点)，于是品体可以看成空间点阵。称该晶体为单晶(singlecrystal)。常见的冇玻璃、犁料等。而在品态物质中，晶体(crystal)是-•种原子有规律地重复周期可以把晶体中的若干个原子抽象为一个结构如果整块品体为同一个空间点阵所贯穿，则22.1.2单晶结构分析简史1895年，伦琴(W

2、.C.Rbntgen)发现了X射线(X-ray)。二十T比纪初期，徳国科学家劳埃(MaxvonLaue)开始対晶体的X射线衍射进行研究。他T1912年发表了基于晶格点阵计算衍射发生条件的公式，即劳埃方程。与此同时，布拉格(W.L.Bragg)也提出了基于晶血反射丿j式计算衍射发生条件布拉格方程，并测定了NaCl和KC1等晶体结构，从此开启了简单无机物晶体结构的研究。到二十世纪30年代，晶体学家们已经测定了-•大批无机物的晶体结构。而対有机化合物的晶体结构测定也T1923年取得突破，首例被测定晶体结构的有机化合物是六次甲基四胺。随后，越來越多的有机化合物、配位化合物和金属有机化合物等的晶体结构研

3、究被报道，涉及的结构也越來越复朵。同吋品体结构解析仪器的进步也极大地推动了X射线单品结构分析的发展。早期采用照相法测定晶体结构，解析单晶费时费力，而1970年四恻单晶衍射仪的出现，实现了X射线衍射技术自动化的第一次重大飞跃。到二十世纪80年代，计算机已经被广泛应用于衍射数据收集、结构解析和结构修正，从而实现了单晶结构分析过程的自动化，人大提高了分析效率。近儿十年來，X射线结构分析己从早期简单化介物的结构分析发展到复杂化合物的结构分析，甚至能够解析卜分复朵的蛋门质、DNA等生物人分子的结构。1962年，诺贝尔化学奖授予测定肌红蛋H和血红蛋白品体结构的J.C.Kendrew和M.F.Peru",诺

4、贝尔生理医学奖则授了用X射线衍射方法测定DM双螺旋结构的Crick和Watsono1985年，诺贝尔化学奖授予直接法研究的主要奠棊者H.Hauptman和J.Karie。22.1.3晶体结构分析的重要性众所周知，物质的结构决定着物质的物理化学性质，只有充分了解物质的结构，才能深入认识和理解物质的性能，设计岀性能优良的新化合物和新材料。探测物质结构的方法很多种，其中大部分都是基于物质对某些波氏的电磁波的吸收或发射，这些均属于波谱方法，如红外光谱法、紫外光谱法、核磁共振法等。然而，这些方法无法给出分了或其聚集体的精细几何结构信Mo1912年劳埃(M.vonLaue)发现，品体具有三维点阵结构，能散

5、射波长与原子间距相近(入=50-300pm)的X射线。当X射线作用于单品体上吋，入射X光由于品体三维点阵引起的干涉效应，形成数目众多、在空间具有特定方向的衍射，这就是X射线衍射(X・raydiffraction)。测量出这些衍射的方向和强度，并根据晶体学理论推导出晶体中原子的排列情况，就叫X射线结构分析。可以说,X射线结构分析是一门以物理学和品体学为理论基础，以计算数学为手段来研究晶体结构与分子空间儿何结构的交叉学科。X射线结构分析方法包括单品结构分析和粉末结构分析两大分支，广泛应用于物理化学、材料科学等学科，已成为认识物质微观结构最強有力的乎段之一。单晶结构分析包括小分子与生物大分子结构分析

6、两大分支，两者的基木原理基木上是一致的。但是，小分子化合物与生物大分子Z间在分子虽、晶胞体积、衍射能力、稳定性等方而存在巨大的差别，所需研究方法和技术手段也就明显不同。本章仅介绍小分了品体结构分析的基本原理与实践经验。随着科学研究的深入发展，每年都有大量的新化合物被人工合成出來。这些化合物中，有和当部分结构十分复杂，用其他波谱方法难以清楚、全而地了解其空间结构。单晶结构分析可以提供一个化合物在晶态中所有原子的精确空间坐标，从而为相关学科的科学等研究提供广泛而重要的信息，包括原子的连接方式、分子构型、精确的键氏和键角等数据。另外，还可以从中得到化合物及其堆积状态的对称性等信息。图22-1表示单晶

7、X-射线衍射仪。图22-1单晶X-射线衍射仪在上个世纪80年代小期以前，X射线单晶结构分析主要上是晶体学家和化学晶体学家的专业工作。但是，过去二十多年来，随着品体结构分析技术手段的捉高、单品衍射仪越来越普及，且使川越来越方便，单品结构分析己经成为十分常见的研究方法。在很多的情况中，不一•定需要专业晶体学家帮助就可以解决单晶结构解析的问题。在与合成化学密切相关的学科，包括配位化学、金属有机化学、有机