配合物的晶体结构.pptx

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1、7.1晶体简介固体晶体非晶体准晶体第1页/共43页 是由原子、分子、离子等微粒在空间有规则的排列(长程有序)而形成的固体。是热力学上的稳定相。从宏观上看，晶体具有均匀性。但是，从微观角度分析，晶体内部的结构并非完全均匀、连续的。在晶体中，存在着局部与整体规律的偏离、缺陷等现象。另外，很多晶体在不同方向上的性质也是不同的(各相异性）。晶体第2页/共43页 内部微粒的排列无规律（无序），没有规则的外形，无特定的晶面。非晶体的结构特点和液体十分相似(“凝固的液体”)，是热力学上的亚稳相。例如：玻璃和高分子聚合物如橡胶、塑料等。非晶体第3页/共43页 是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶体具有与晶体

2、相似的长程有序的原子排列，但是准晶体不具备晶体的平移对称性。以色列科学家丹尼尔-谢赫特曼因发现准晶体而一人独享了2011年诺贝尔化学奖。1982年，谢赫特曼在美国霍普金斯大学工作时发现了准晶体，这种新的结构因为缺少空间周期性而不是晶体，但又不像非晶体，准晶展现了完美的长程有序。这个事实给晶体学界带来了巨大的冲击，它对长程有序与周期性等价的基本概念提出了挑战。准晶体银铝准晶体的原子模型在俄罗斯发现的天然“准晶体”矿石第4页/共43页 晶体的特征（1）晶体拥有整齐规则的几何外形。（2）晶体拥有固定的熔点。晶体都具有固定的熔点；非晶体，没有固定的熔点，只能说有一段软化的温度范围(玻璃化温度)。（3）

3、晶体有各向异性的特点。晶体的许多物理性质，如光学性质、导电性、热膨胀系数以及机械强度等在晶体的不同方向上测定时，是各不相同的。宏观上能否产生 X 光衍射现象，是实验上判定某物质是不是晶体的主要方法（4）晶体可以使 X 光发生有规律的衍射。第5页/共43页 关于晶体的几个基本概念（1）晶格 晶格是一种几何概念，将许多点等距离排成一行，再将行等距离平行排列。将这些点联结起来，得到平面格子。将这二维体系扩展到三维空间，得到的空间格子，即晶格。实际晶体的微粒（原子、离子、分子）就位于晶格的结点上。晶体 晶格 （2）晶胞 晶胞是包括晶格点上的微粒在内的平行六面体。晶胞是晶体的最小重复单元，通过晶胞在空间

4、平移并无隙地堆砌而成晶体。晶胞第6页/共43页（3）晶胞参数 晶胞的形状和大小可以用 6 个参数来表示，简称晶胞参数。包括平行六面体晶胞的各边的长度 a、b、c 及它们间的夹角、。晶胞参数 晶胞的大小与形状决定晶体的外形，因此晶体的外形与晶胞参数密切相关。在进行晶体解析时，一般都要求解析各晶体的晶胞参数值大小。第7页/共43页第8页/共43页（4）晶系 尽管世界上晶体有千万种，但根据晶胞的特征，可将晶体分为 7 个晶系。晶系晶系 晶晶 胞胞实实 例例立立 方方a=b=c =90 NaCl，CaF2，ZnS四四 方方a=b c =90 SiO2，MgF2，NiSO4正正 交交a bc =90 K

5、2SO4，BaCO3，HgCl 六六 方方a=b c =90 =120 SiO2，AgI，CuS 三三 方方 a=b=c =120(90)Al2O3，CaCO3(方解石方解石)单单 斜斜 a bc =90 90KClO3，K3Fe(CN)6三三 斜斜 a bc 90 CuSO45H2O，K2Cr2O7 第9页/共43页三斜晶系第10页/共43页 这 14 种空间格子是由法国的布拉维首先论证的，所以也叫布拉维空间格子。晶体的晶胞都是六面体，按在六面体的面上、体中心和底面有无面心、体心和底心点阵点，可将七个晶系分为14种空间点阵型式或14种空间格子。七晶系 14 种空间点阵型式 第11页/共43页

6、 例如，立方晶系分为简单立方、体心立方和面心立方三种型式。简单立方面心立方体心立方第12页/共43页 四方晶系分为简单四方和体心四方两种型式。简单四方 体心四方 简单四方 体心四方 简单单斜 底心单斜 单斜晶系分为简单单斜和底心单斜两种型式。第13页/共43页 简单正交 体心正交 面心正交 底心正交 正交晶系分为简单正交、体心正交、面心正交和底心正交四种型式。第14页/共43页简单三斜 简单六方 简单三方(菱形)此外还有三种晶系：简单三斜、简单六方和简单三方。第15页/共43页（5）空间群 晶体内部结构中全部对称要素（对称轴、对称面、对称中心等）的集合称为空间群。一切晶体结构中总共只能有230

7、种不同的对称要素组合方式，即230个空间群。它是由俄国结晶学家费多洛夫和德国结晶学家薛弗利斯于1890至1891年间各自独立地先后推导得出来的，故亦称为“230个费多洛夫群”。空间群反映了晶体的微观对称性。第16页/共43页第17页/共43页什么是单晶？晶体分为单晶与多晶。单晶：结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体（不是局部）在三维方向上由同一空间格子（同一晶格）构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序；多晶：由很多具有相同排列方式但位向不一致的很多小晶粒组成的晶体则称为多晶体。从空间排列的示意图来理解：无定型 多晶体 单晶体第18页/共43页7.2配合物单晶

8、培养方法在合成化学实验中，往往采用结晶和重结晶的方法来提纯化合物。这时，我们可以用快速沉淀的方法。但是由于沉淀速度太快，所形成的晶体一般都很小，呈现粉末状，不能满足单晶衍射实验的要求。衍射实验所需要的单晶的培养必须采取合适的方法，以获得质量好、尺寸合适的晶体。晶体的生长和质量主要依赖于晶核形成和生长的速度。如果晶核形成速度大于生长速度，就会形成大量的微晶，并容易出现晶体团聚；反之，晶体生长速度过快会引起晶体出现缺陷而难以测定或者测定获得的数据不好。第19页/共43页3.蒸汽扩散法1.溶液中晶体的生长5.水热法和溶剂热法4.凝胶扩散法2.界面扩散法6.升华法单晶培养的几种主要方法 单晶培养的几种

9、主要方法 第20页/共43页n 溶液中的晶体生长溶液法是单晶生长最常用方法，即通过冷却或蒸发化合物的饱和溶液，让化合物结晶出来。这时最好采取各种必要的措施，使其缓慢冷却或蒸发，以期获得比较完美的晶体。关键点：缓慢结晶！这往往是单晶生长的成功之路！措施及注意事项：（1）使用洁净、光滑的玻璃杯等仪器盛放溶液。很旧的玻璃仪器会有各种刮痕，表面不平整，容易产生过多的成核中心。反之，容器内壁过于平滑，则难以形成晶核，抑制结晶。因此，如果某种化合物结晶过缓，可以通过轻微刮花容器内壁来提高结晶的速度。（2）结晶装置应放在非震动环境中。（3）尽量不要让溶剂完全挥发，否则难以获得纯净的晶体。（4）尽量避免使用氯

10、仿和四氯化碳之类的溶剂。第21页/共43页n 界面扩散法 如果化合物有两种反应物反应生成，而两种反应物可以分别溶于不同(尤其是不太互溶的)溶剂中，可以用溶液界面扩散法。将A溶液小心的加到B溶液上，化学反应将在这两种溶液的接触面开始，晶体就可能在溶液界面附近产生。通常溶液慢慢扩散进另一种溶液时，会在界面附近产生好的晶体。如果结晶速率太快，可以利用凝胶体等方法，进一步降低扩散速率，以求结晶完美。AB晶体方法一：A、B分别为两种反应物溶于两种不同的溶剂所形成的溶液。方法二：A或 B为待结晶化合物的溶液，而另一为惰性溶剂。第22页/共43页n 蒸汽扩散法 选择两种对目标化合物溶解度不同的溶剂A和B，且

11、A和B有一定的互溶性。把要结晶的化合物溶解在溶解度大的溶剂A（也称为良溶剂）中盛于小容器中，将溶解度小的溶剂B(也称为不良溶剂或反溶剂)放在较大的容器中。盖上大容器的盖子，溶剂B的蒸汽就会扩散到小容器。当然，溶剂A的蒸汽也会扩散到大容器中。控制溶剂A、B蒸汽相互扩散的速度，就可以将小容器中的溶剂变为A和B混合溶剂，从而降低化合物的溶解度，迫使它不断结晶出来。AB晶体第23页/共43页n 凝胶扩散法凝胶扩散法也是比较常见的结晶方法，特别适用于反应物 L与M 快速反应生成难溶物的情况。一般可用普通试管或者 U 型管作为凝胶扩散法制备单晶的容器。试管法是将可溶性反应物 M（或 L）与凝胶混合，待胶化

12、后，将 L（或 M）的溶液小心地倒在凝胶上面（图 a）。随着扩散的进行，M 和 L 在界面上和凝胶中结晶。LM晶体凝胶溶液(a)L试管法还可以如图 b 所示，将含 M（或 L）的溶液先放在凝胶上，再把含 L（或 M）的溶液的玻璃管直接插入到凝胶中。晶体凝胶溶液(b)M此外，凝胶扩散法也可在 U 型管中进行（图 c）。LM晶体凝胶溶液(c)常用的凝胶有：硅酸钠、四甲氧基硅胶、明胶和琼脂等。第24页/共43页n 水热法和溶剂热法适用于难溶化合物的单晶培养，重要的技巧是控制晶化好温度。具体方法：将难溶物与水溶液一起放在密闭的反应釜中，将混合液加热到120600 oC 时，容器中的压力可达几百个大气压

13、，导致很多化合物在超临界液体中溶解并且慢慢降温过程中结晶出来。根据实际需要，也可用有机溶剂进行类似的反应，即溶剂热法。另外还可以采用质地好的硬质玻璃管，将反应物和溶剂装入一端封闭的玻璃管中，用火将玻璃管口烧结密封，然后将玻璃管放在油浴中加热。这种方法的好处是可以观察反应和结晶过程；缺点是反应温度不能太高。温度高于100 oC 时必须特别小心，最高温度不能超过120 oC。另外要将玻璃管放在有防护的地方，防止爆炸。第25页/共43页n 升华法 升华法能长出很好的晶体。理论上，任何在分解温度以下的温度区间具有较大蒸汽压的固体物质均可以采用这种非溶剂结晶方式来培养单晶。由于符合升华条件要求的物质不是

14、很多以及其他原因，该法比较少用。冷却剂接真空样品加热晶体第26页/共43页单晶培养所需样品用量 一般以 1025 mg 为佳，假如你只有 2 mg 左右样品，也没关系，但这时就要选择液相扩散法和蒸汽扩散法，不能使用溶剂缓慢挥发法。单晶培养一些经验与技巧单晶培养的样品的预处理：样品溶解后最好要过滤，不能用滤纸，而是用一小团棉花轻轻的塞在滴管的中下部或下部，不要塞太紧，否则流的太慢。样品当然是越纯越好，不过假如实在没办法弄纯也没关系，培 养一次就相当于提纯了一次。为了减少晶核成长位置的数目，最好使用干净、光滑的玻璃杯等容器。但注意，容器既不要太新也不能太旧。第27页/共43页一定要做好记录，采取少

15、量多溶剂体系的办法。一次就得到单晶的可能性比较小。因此最好的方法就是在第一次培养单晶的时候，采取少量多溶剂体系的办法。看看哪种溶剂，容易得到好的结晶，再重点培养。应在非震动环境中培养单晶。尽量不要让溶剂完全挥发。溶剂完全挥发后，容易导致晶体相互团聚或者沾染杂质，不利于获得纯相、质量优良的晶体。液相扩散法中良溶剂与不良溶剂的比例最好为1:2 1:4。烷基链超过4个碳的很难培养单晶。有长链存在时容易长成片状晶形。应尽量避免使用氯仿和四氯化碳等含有重原子并且通常会在晶体中形成无序结构的溶剂。第28页/共43页晶体的判断？可以先用肉眼观察，如果颗粒有规则的外形，并且有光泽发亮的颗粒，就有可能是晶体，然

16、后再用显微镜观察，有规则外形、凹凸的多面体形状、透光，差不多就可以说是晶体了。最简单的方法，对着阳光，如果亮晶晶的就可能是晶体。然后再到显微镜下面看看，有没有规则外形。烧杯底部有小颗粒，但怎样判断是不是晶体？是晶体的话有什么特点？用肉眼判断吗？第29页/共43页品质好的晶体，应该 是 透 明、没 有 裂 痕、表 面 干 净、有光泽、外形规整。第30页/共43页 晶体的挑选和安置 n 晶体的挑选（1）晶体的衍射能力和吸收效应程度（决定于晶体所含 元素的种类和数量）；（2）所用射线的强度和探测器的灵敏度（仪器的配置）。晶体大小是一个重要因素。理想的尺寸取决于：使用 CCD 衍射仪测定时，晶体合适的

17、尺寸是：纯有机物 0.20.5 mm，金属配合物或金属有机物 0.15 0.4 mm，纯无机物 0.08 0.3 mm。要选三个方向尺寸相近的（否则对衍射的吸收有差别）。过大的可以用解剖刀切割，切割时要用石蜡油或凡士林。第31页/共43页n 晶体的安装 晶体安装通常也叫粘晶体，安置前一般最好先要观察其是否稳定。abcd将晶体粘在玻璃丝上的正确做法要晶体上包上一层胶等保护晶体将晶体装在密封的毛细玻璃管中将晶体粘在玻璃丝上的不正确做法第32页/共43页n 晶体结构分析的重要性物质的结构决定物质的性质，因此，只有充分地了解物质的结构，才能深入认识和理解物质的性能，才能更好地改进化合物和材料的性质与功

18、能，设计出性能优良的新化合物和新材料。随着科学研究的发展，每年都有大量的新化合物被合成出来。这些化合物中，有相当部分不仅结构新颖，而且结构也十分复杂，用其他波谱方法难以较清楚、全面地了解其空间结构。单晶结构分析可以提供一个化合物在固态中所有原子的精确空间位置，从而为化学、材料科学和生命科学等研究提供广泛而重要的信息，包括原子的连接方式、分子构型与准确的键长和键角等数据。另外还可以从中得到化合物的化学组成比例，对称性以及原子或分子在三维空间的排列、堆积情况。7.3配合物单晶结构分析第33页/共43页v 1895 1895年伦琴发现年伦琴发现 X 射线。射线。v 19121912年年劳劳厄厄用用

19、CuSO4.5H2O发发现现晶晶体体对对 X 射射线线的的衍衍射射；提出提出 劳厄方程。劳厄方程。v 19131913年年布布拉拉格格父父子子测测定定第第一一个个晶晶体体结结构构NaCl；并并提提出出布布拉格拉格 方程。方程。v 19231923年年，测测了了第第一一个个有有机机物物-六六甲甲基基四四胺胺的的晶晶体体结结构构。随随后，后，在在有有机机物物、配配位位化化合合物物、金金属属有有机机化化合合物物等等的的晶晶体体结结构构研究研究 取得了迅速发展。取得了迅速发展。v VB12，血血红红蛋蛋白白，膜膜蛋蛋白白，结结晶晶牛牛胰胰岛岛素素等等大大分分子子物物质质的的晶晶 体结构得到测定。体结构

20、得到测定。v 1970 1970年，四园单晶衍射仪年，四园单晶衍射仪-实现自动化的第一个飞跃实现自动化的第一个飞跃 。v 2020世世纪纪8080年年代代后后，计计算算机机广广泛泛使使用用，实实现现了了单单晶晶结结构构分分析的析的 自动化，物质晶体结构的测定得到了飞速发展。自动化，物质晶体结构的测定得到了飞速发展。n X 射线衍射单晶结构分析的有关背景知识第34页/共43页n X 射线衍射单晶结构分析的原理分子中原子间的键合距离一般在 100-300 pm（即 1-3）范围内，而可见光的波长范围为 300-700 nm。因此，光学显微镜无法显示分子结构图象。1912年劳埃（M.von Laue

21、）发现，晶体具有三维点阵结构，能散射波长与原子间距相近（=50-300 pm）的 X 射线。入射 X 光由于晶体三维点阵引起的干涉效应，形成数目甚多、波长不变、在空间具有特定方向的衍射，这就是 X射线衍射（X-ray diffraction）。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。第35页/共43页测晶胞参数收强度数据结构描述 解释 投稿发表培养单晶结构解析 单晶结构研究一般流程 X射线晶体结构分析的过程，从单晶培养开始，到晶体的挑选与安装，继而使用衍射仪测量衍射数据，再利用各种结构分析与数据拟合方法，进行晶体结构解析与结构精修，最后得

22、到各种晶体结构的几何数据与结构图形等结果。第36页/共43页 单晶结构分析的步骤 1.单晶的选择与安装2.测定晶胞参数与基本对称性3.测定衍射强度数据4.衍射数据的还原与校正5.结构解析：直接法与Patterson法 Fourier合成6.结构模型的精修7.结构的解释与表达a,b,c,晶系，空间群系列 h k l,I,(I)等系列 h k l,Fo2,(Fo)等部分或全部原子坐标全部原子坐标和位移参数等分子的几何数据、结构图等第37页/共43页 晶体结构测试仪器 此衍射仪的特点是用闪烁计数器逐点记录各衍射，因此比较费时，常常需要几天甚至超过一个星期的时间。此外，它不能适应生物大分子要求快速记录

23、衍射数据的要求，目前在小分子结构的测定中还有一定应用。四圆衍射仪CCD 衍射仪 CCD 衍射仪可用于分析化合物（晶态）分子的准确三维立体结构从而给出详细的键长、键角、构型、构像甚至成键电子密度及分子在晶格中的排列情况。广泛应用于化学、分子生物学、药物学、物理学、矿物学和材料科学等方面的分析研究。第38页/共43页低温系统晶体液氮探测器计算机测角器准直器单色器 快门X射线管高压发生器高压电流水冷却器冷却水X 射线衍射仪的基本结构示意图第39页/共43页 晶体结构的描述 在发表研究论文时，对于配合物的晶体结构要进行适当的描述，内容一般要包括以下几点：（1）描述配合物中心金属的配位环境（有哪些配位原

24、子，这些 配位原子与中心金属一起构成什么类型的空间结构等）。（2）对配合物中的主要键长和键角（主要是中心金属与周围配 位原子之间的键长与键角）进行描述，并且能与文献已报 道的结构相似的配合物的键长与键角进行比较。（3）对配合物的堆积图进行描述（主要考虑两点：一是氢键的 描述；二是配合物中的芳香环之间的-堆积作用的描述。）（4）对配合物晶体结构进行描述时，一定要适当引用参考文 献，或是为了进行比较，或是为了对你的结论进行佐证。第40页/共43页Table 1 Crystal data and structure refinement for Ni(QTS)2 ClCH3OH第41页/共43页Table 2 Selected bond lengths()and angles()of Ni(QTS)2 ClCH3OH第42页/共43页感谢您的观看！第43页/共43页