《单晶结构分析》PPT课件.ppt
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- 单晶结构分析 结构 分析 PPT 课件
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1、.1一一 SHELXTL文件文件 1. 文件名文件名 一般,同一结构一般,同一结构,所有文件都用相同的名所有文件都用相同的名(不能超过个字符),只是扩展名不同(不能超过个字符),只是扩展名不同 2. 两个必要文件两个必要文件( (由由XPREPXPREP程序产生程序产生) ) *.hkl文件文件: 所有的衍射点,每一点一行。所有的衍射点,每一点一行。 格式为:格式为:h k l F2 (F2) -4 2 -2 21.189 3.050 4 -2 2 19.539 2.120 -4 -2 -2 17.129 2.710. 第四章第四章 用用SHELXTL程序进行结构分析程序进行结构分析.2*.i
2、ns 文件:组成上可分成五部分文件:组成上可分成五部分TITL 041203e in P2(1)/c CELL 0.71073 11.5870 19.3080 17.2144 90.000 108.471 90.000 ZERR 4.00 0.0069 0.0112 0.0102 0.000 0.009 0.000 LATT 1 SYMM -X, 0.5+Y, 0.5-Z SFAC C H N O Co S UNIT 108 104 40 20 8 16信信息息区区SIZE 0.47 0.43 0.35HTAB 2 L.S. 8ACTABOND FMAP 2PLAN 20晶胞参数晶胞参数 X光
3、波长光波长标题标题空间群空间群单胞中单胞中分子数目分子数目晶胞参数的标晶胞参数的标准偏差准偏差 晶格类型晶格类型对称操作码对称操作码原子类型原子类型 单胞中单胞中原子数目原子数目命命令令区区可输入各种让可输入各种让XS和和XL执行的命令执行的命令 .3DFIX 1.43 0.02 o5 c27 WGHT 0.074900 1.631200 FVAR 0.169240TEMP 25 Co1 5 0.639436 0.182296 0.778299 11.000000 0.037950 = 0.043120 0.052330 -0.002120 0.007180 -0.002370Co2 5 0.
4、132299 0.088237 0.782543 11.000000 0.061270 = 0.080610 0.082660 -0.004140 0.011300 0.005080N1 3 0.816545 0.181404 0.857527 11.000000 0.048210= 0.044720 0.042580 -0.001460 0.010450 -0.001390N2 3 0.641818 0.098803 0.864065 11.000000 0.055810 = 0.050870 0.070080 0.000700 0.013560 -0.009990.命命令令区区HKLF 4
5、END原子表原子表坐标、占有率、温度因子坐标、占有率、温度因子衍射点文件类型衍射点文件类型 文件结束命令文件结束命令 .43. .其它文件其它文件 reslstpltciffcfpcftex xs、xl、refine产生的文件产生的文件 记录记录xs、xl、refine过程和结果的文件过程和结果的文件 XP中做的图形文件中做的图形文件 晶体学信息文件晶体学信息文件 结构因子文件结构因子文件 晶体结构报表文件晶体结构报表文件 记录仪器型号、晶体外观等的文件记录仪器型号、晶体外观等的文件 4. .INS文件的建立和更新文件的建立和更新 结构解析和精修的过程,是结构解析和精修的过程,是ins文件建立
6、和不断更新的文件建立和不断更新的过程,这主要是下列过程实现的:过程,这主要是下列过程实现的: xprep、xshellrefine、xl、xp、edit、copy .5SHELXTL的主要子程序和文件的主要子程序和文件*.ins*.hklXPREPXSXLXPXCIF*.resXSHELL*.cif*.fcf*.ps*.sav*.plt*.lst*.tex*.pcf.6二二 常用的常用的XS和和XL指令指令 指指 令令含含 义义ACTA产生产生cif文件文件AFIX将原子坐标强制性地固定在指定位置上,将原子坐标强制性地固定在指定位置上,或在指定位置上产生原子或在指定位置上产生原子ANIS将各向
7、同性换成各向异性精修将各向同性换成各向异性精修BOND计算键长、键角计算键长、键角(加加$H包括包括H的键长、键角的键长、键角)BIND计算指定原子对的键长、键角计算指定原子对的键长、键角CONF计算扭转角计算扭转角DELU限制指定原子间键长的标准偏差限制指定原子间键长的标准偏差DFIX限定指定原子对间的距离限定指定原子对间的距离EADP给两个或多个原子指定相同的位移参数给两个或多个原子指定相同的位移参数.7指指 令令含含 义义END指令输入结束指令输入结束EQIV提供分子内或分子间键合原子的对称操作码提供分子内或分子间键合原子的对称操作码ESEL限制限制E值的下、上限值的下、上限EXTI对晶
8、体消光效应参数进行精修对晶体消光效应参数进行精修EXYZ让两个或多个原子具有相同的坐标让两个或多个原子具有相同的坐标FLAT限制指定原子在相同的平面上限制指定原子在相同的平面上FMAP所计算所计算Fourier图的类型图的类型FREE不计算指定原子对的键长、键角不计算指定原子对的键长、键角FVAR全比例系数全比例系数HFIX限制限制H原子在理想位置上原子在理想位置上HKLF衍射数据的格式衍射数据的格式HTAB计算氢键计算氢键.8指指 令令含含 义义ISOR限制指定原子的位移参数类似于各向同性限制指定原子的位移参数类似于各向同性L.S.指定指定XL中用最小二乘法进行精修的轮数中用最小二乘法进行精
9、修的轮数LATT晶格的类型晶格的类型.依次为依次为:P I R F A B C,无心为负值无心为负值MOVE移动或转换坐标移动或转换坐标MPLA计算平面计算平面OMIT忽略指定的衍射点或限定忽略指定的衍射点或限定theta角范围角范围PART划分成键原子的范围(用于无序结构)划分成键原子的范围(用于无序结构)PLAN计算和列出计算和列出Q峰的数目峰的数目SFAC晶体中存在的原子的种类晶体中存在的原子的种类SIMU限制指定范围内的原子有相近的位移参数限制指定范围内的原子有相近的位移参数SIZE晶体的大小晶体的大小 .9指指 令令含含 义义SYMM所属空间群的对称操作所属空间群的对称操作TEMP衍
10、射数据收集的温度衍射数据收集的温度TITL样品的编号(或名称)和空间群样品的编号(或名称)和空间群UNIT晶胞中每种原子的总个数晶胞中每种原子的总个数WGHT指定所用权重指定所用权重ZERR晶胞中分子个数和晶胞参数的标准偏差晶胞中分子个数和晶胞参数的标准偏差三三 SHELXTL结构分析的步骤结构分析的步骤 1. .项目的设立项目的设立 打开打开SHELXTL程序:点程序:点project new,输入文件名,查找到输入文件名,查找到hkl 文件并打开文件并打开.102. . 结构的解析结构的解析1) 结构解析的基本原理结构解析的基本原理XS用直接法或用直接法或Patterson法解决相角问题,
11、试验性找法解决相角问题,试验性找出部分原子或重原子的位置(坐标出部分原子或重原子的位置(坐标) * * 所谓直接法(所谓直接法(direct methods),),就是运用数就是运用数学的方法,利用不同衍射点的关系,从大量强度数据学的方法,利用不同衍射点的关系,从大量强度数据中,直接找出各个衍射点的相角,从而达到解析晶体中,直接找出各个衍射点的相角,从而达到解析晶体结构的目的。其过程概括如下:结构的目的。其过程概括如下: a 将将|Fo|转化为归一化结构因子转化为归一化结构因子|Eo| b 建立可以利用正切公式的三相角及四相角关系建立可以利用正切公式的三相角及四相角关系 c 赋于起始相角赋于起
12、始相角 d 利用正切公式精修相角利用正切公式精修相角 .11e 计算诊断指标,判断各套相角的质量计算诊断指标,判断各套相角的质量 f 采用诊断指标最佳的相角数据计算解析电子密度图,即采用诊断指标最佳的相角数据计算解析电子密度图,即E图图 * Patterson法是其本人法是其本人1934年提出,通常只用来年提出,通常只用来解析含有重原子的结构解析含有重原子的结构 用这种方法时,首先利用重原子的特征峰,即用这种方法时,首先利用重原子的特征峰,即Harker峰,求出重原子坐标,再通过峰,求出重原子坐标,再通过Fourier合成合成获得其它原子的坐标获得其它原子的坐标 Harker峰,或峰,或Har
13、ker截面,就是同一套等效的截面,就是同一套等效的原子组成的原子组成的Patterson峰,由于平方效应,重原子的峰,由于平方效应,重原子的Harker峰会显得十分突出,寻找起来一般比较容易。峰会显得十分突出,寻找起来一般比较容易。因此,可以轻松地从分析重原子的因此,可以轻松地从分析重原子的Harker峰,得到峰,得到重原子的坐标重原子的坐标 .12E 在差值在差值Fourier图中,找出分子中其它原子的位置图中,找出分子中其它原子的位置F 程序根据衍射强度,程序根据衍射强度,对原子坐标和位移参数等结对原子坐标和位移参数等结 构参数进行精修构参数进行精修G 重复重复CF步骤至分子中所有原子都被
14、指认、步骤至分子中所有原子都被指认、精修精修 收敛收敛3. 结构精修的典型步骤结构精修的典型步骤 A 在在XSHELLXSHELL中用中用RefineRefine精修各向同性的非氢原子精修各向同性的非氢原子 定出基本正确的结构模型后,在前几轮精修定出基本正确的结构模型后,在前几轮精修(各向同性)中,可以通过检查(各向同性)中,可以通过检查R1和和U值,来检查值,来检查原子确定的是否正确,并逐步指认出非氢原子原子确定的是否正确,并逐步指认出非氢原子 R1应小于应小于0.4(wR2为为0.50.7),越小越好),越小越好U应在应在0.1以下以下_ _ .13 如果在精修过程中,如果在精修过程中,U
15、值急剧增大,说明该原值急剧增大,说明该原子并非存在子并非存在 如果如果U偏大,该位置可能是一个更轻的原子偏大,该位置可能是一个更轻的原子 如果如果U偏小,则可能是一个更重的原子偏小,则可能是一个更重的原子_ _ 还要注意残余峰的大小,如果其大于还要注意残余峰的大小,如果其大于1就应考就应考虑是不是还有未发现的非氢原子虑是不是还有未发现的非氢原子 在在RefineRefine中选择中选择AnisoAniso则可进行各向异性精修则可进行各向异性精修( (也可在也可在Edit.insEdit.ins文件中加文件中加ANISANIS指令指令, ,用用XLXL进行进行) ), ,这样可更确切地表达电子云
16、的真实分布情况,所这样可更确切地表达电子云的真实分布情况,所以以R R1 1值会明显下降值会明显下降 B 对所有的非氢原子进行各向异性精修对所有的非氢原子进行各向异性精修 这时如果是非中心对称的空间群,应检查这时如果是非中心对称的空间群,应检查FlackFlack参数是否接近于参数是否接近于0 0,否则要进行绝对构型转换,指令:,否则要进行绝对构型转换,指令:MOVE 1 1 1 -1(或在或在Refin. Contr.中选中中选中invert)-.14 对于具有确定立体结构的有机基团,可采用对于具有确定立体结构的有机基团,可采用理论加氢;对于无法理论加氢的,如水分子,可理论加氢;对于无法理论
17、加氢的,如水分子,可从差值从差值Fourier图中找出氢原子,参加精修的情况图中找出氢原子,参加精修的情况视视 数据的质量而定数据的质量而定 C 计算计算/ /指认并精修氢原子指认并精修氢原子理论加氢的方法理论加氢的方法退出退出XSHELL,在在Edit-.ins文件的命令区,添加指令:文件的命令区,添加指令:HFIX mn 需加氢的原子名(产生需加氢的原子名(产生AFIX固定)固定)m 是一或两位数,指定氢的类型:是一或两位数,指定氢的类型: =1 叔叔-H, =2 仲仲-H, =3(或或13) 伯伯-H, =4 芳芳-H, =8(或或14) X-O-H, =9 X=CH2或或X-NH2,
18、=15 笼状笼状B-H.15n 是一位数,指定固定的类型:是一位数,指定固定的类型: =1 坐标、占有率、位移因子固定坐标、占有率、位移因子固定, =2 占有率、位移因子固定占有率、位移因子固定, =3(或或7) 坐标固定坐标固定, =4 同同3,但允许修正,但允许修正X-H的键长(方向固定)的键长(方向固定)然后进行精修然后进行精修 也可在也可在XSHELL中先点中先点Atoms-Hybridize All 再再点点Atoms-Calculate Hydrogens 然后检查然后检查H加的是否合理,如不合理,可打开加的是否合理,如不合理,可打开ins 文件修改不合理的部分,再精修文件修改不合
19、理的部分,再精修 还可在还可在XSHELL中先选择同类原子,再用中先选择同类原子,再用Select Atoms Set HFIX分别进行加氢分别进行加氢.16D 进一步精修更多的晶体学参数进一步精修更多的晶体学参数先在先在ins文件中写入要精修的参数指令,再进行精修文件中写入要精修的参数指令,再进行精修例如:例如:SIZE 0.38 0.32 0.24HTAB 2CONFCONF X1 X2 X3 X4BOND $HBIND X1 X2 X3 X4_$1MPLA n X1 X8EQIV $1 X-1,Y+1/2,-ZOMIT 1 -2 4输入晶体的尺寸输入晶体的尺寸计算氢键并写入计算氢键并写入
20、lst文件文件计算所有的扭转角计算所有的扭转角计算这四个原计算这四个原子间的扭转角子间的扭转角加上加上$H,可计算包括可计算包括H在内的各种健长和键角在内的各种健长和键角计算输入的原子对计算输入的原子对的健长和键角的健长和键角计算输入的前计算输入的前n个原子个原子的平面,并给出所有的平面,并给出所有输入原子偏离该平面输入原子偏离该平面的距离,还能给出与的距离,还能给出与前一个平面间的夹角前一个平面间的夹角提供所键合原子提供所键合原子的对称操作码的对称操作码MOVE xi yi zi删除删除h、k、l 分别为分别为1、-2、4的坏点的坏点移动坐标移动坐标EXTI x精修消光效应,精修消光效应,x
21、 是是程序自动产生的程序自动产生的这些这些计算计算一般一般在作在作数据数据表时表时进行进行 OMIT -2 50.02限制限制sigam和和2theta.17找出对称操作码的方法:找出对称操作码的方法: 而用而用ENVI命令会得到有关的用四位数字表示的命令会得到有关的用四位数字表示的对称操作码对称操作码(如:如:2746、 3654、 4545等等),可表示为:,可表示为:SXYZ 其中,其中,S为对称操作序号,为对称操作序号, 如如S=2(等价于等价于2555),就是就是-x,-y,0.5+z;X-5、 Y-5、 Z-5则代表则代表x、y、z三三个轴向在个轴向在555(即即-x,-y,0.5
22、+z)基础上的位移量基础上的位移量 在在XP中采用中采用SYMM命令,此时会给出所有的对命令,此时会给出所有的对称操作码及序列号,如对于某晶系为:称操作码及序列号,如对于某晶系为: 1555.= +x, +y, +z 2555.=-x, -y, 0.5+z 3555.=0.5+x, 0.5-y, z 4555.=0.5-x, 0.5+y, 0.5+z如:如:2746的对称操作为:的对称操作为:2-x,-1-y,1.5+z 3654的对称操作为:的对称操作为:1.5+x,0.5-y,-1+z 4545的对称操作为:的对称操作为:0.5-x,-0.5+y,0.5+z.18.19(指精修结果收敛)指
23、精修结果收敛)E 收敛收敛 即精修到原子坐标、位移参数、占有率等参即精修到原子坐标、位移参数、占有率等参数至目标值范围内数至目标值范围内 被精修的参数的最大绝对漂移被精修的参数的最大绝对漂移(maximum absolute value of the shift)的值不再变化,并且在的值不再变化,并且在0.01(甚至(甚至0.001)以下)以下 平均漂移值平均漂移值(Mean shift)几乎为零几乎为零 一套好的数据精修出正确结构之后,一套好的数据精修出正确结构之后,wR20.15,R1 An+m 指令,精修后可指令,精修后可计算出前计算出前n个原子的个原子的平面平面、所有(、所有(n+m个
24、)输入原子个)输入原子偏离该平面的偏离该平面的距离距离及与前一平面的及与前一平面的二面角二面角计算的结果可写入计算的结果可写入LST文件文件.45三、分子间的作用三、分子间的作用 包括氢键(包括氢键(hydrogen bond)、)、-堆积作用堆积作用(stacking interaction)与范德华作用与范德华作用1. 氢键氢键氢原子与一个电负性较大的原子较近时,就能形成氢原子与一个电负性较大的原子较近时,就能形成 有几种类型:由有几种类型:由N、O作为给体和受体的氢键作为给体和受体的氢键键长(键长(R R )为为300pm或更短些,远了作用弱;或更短些,远了作用弱;CH键有时也能与键有时
25、也能与N、O、F等形成氢键,键长较长,等形成氢键,键长较长,为为320400pm;有时还能形成三中心键有时还能形成三中心键 DHARr1r2CAHA1A2HDA = N O F.46 晶体学中,考察氢键最重要的数据应该是晶体学中,考察氢键最重要的数据应该是D和和A间间的距离,这是由于用单晶的距离,这是由于用单晶X-射线衍射法研究氢键射线衍射法研究氢键 时具时具有如下问题:有如下问题:由于由于H的电子云密度很低,故不能精确确定其位置的电子云密度很低,故不能精确确定其位置 由于由于DH键的电子密度明显偏向于键的电子密度明显偏向于D,所以所以X射射线法确定的线法确定的DH的键长与真实值有一定偏差,较
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