Движение атомов и молекул в кристаллах Лекция 8. Процессы в кристаллах, связанные с движением атомов Тепловая энергия Колебания атомов в кристалле Движения. - презентация

1 Движение атомов и молекул в кристаллах Лекция 8

2 Процессы в кристаллах, связанные с движением атомов Тепловая энергия Колебания атомов в кристалле Движения с большой амплитудой Тепловая энергия, облучение Химические реакции в кристалле

3 Строение молекулы бензола Химическая формула

4 Строение молекулы бензола Химическая формула Шаро-стержневая модель

5 Строение молекулы бензола Химическая формула Шаро-стержневая модель

6 Описание теплового движения атомов в кристалле (изотропное приближение) Поправка к структурному фактору на тепловое движение атомов – фактор Дебая- Валлера τ(H)=exp(-B sin 2 θ/λ) B- изотропный тепловой параметр B=8π 2 где – среднеквадратичное смещение атома из среднего положения τ(H)=exp(-8π 2 sin2θ/λ) Тепловые колебания атомов в изотропном приближении. Сферы соответствуют вероятности нахождения атома 50%

7 Описание теплового движения атомов в кристалле (анизотропное приближение) Анизотропная поправка на тепловое движение τ(H)=exp(-2π 2 a i U ij a j ) где a i - вектор обратной решетки, указывающий направление колебаний; U ij – элементы симметричного тензора тепловых колебаний, указывающие на амплитуды колебаний атомов в данном направлении Тепловые колебания атомов в анизотропном приближении. Эллипсоиды соответствуют вероятности нахождения атома 50%

8 Количественная характеристика теплового движения атомов Параметры смещения атомов (ADP) ADP=U ij Среднеквадратичная амплитуда смещения атома в заданном направлении (MSDA) MSDA=n i (U ij /2π)n j где, n – вектор показывающий направление смещения атома; U ij – компоненты тензора, описывающего анизотропные тепловые колебания атома

9 Модель жесткого тела Упаковка молекул бензола в кристалле

10 Модель жесткого тела Основное допущение – внутримолекулярные колебания атомов имеют малую амплитуду и ими можно пренебречь Тепловое движение атомов в кристалле можно представить как комбинацию нескольких типов движения молекулы как целого U=TLS где U – тензор тепловых колебаний атомов; Т – тензор, описывающий трансляционное (поступательное) движение молекулы как целого; L – тензор, описывающий вращательное движение молекулы как целого; S – тензор, описывающий совместное вращательно- поступательное движение молекулы как целого (корреляции между вращательным и поступательным движением)

11 Модель жесткого тела Модель позволяет оценить амплитуды трансляционных и вращательных движений молекул как целого в кристалле. Например, для гексаметилентетрамина среднеквадратичные амплитуды вращательного движения составляют 2.4 о при 34К и 6.6 о при 298К

12 Тест Хиршфельда на жесткость связи Δ А,В =(MSDA) A -(MSDA) B

13 Либрационные поправки к длинам связей Т, КСвязьНеиспр.Испр. 115С-N C-C C-N C-C Длины связей (Å) в ионе тетрабутиламмония в кристалле хлорида тетрабутиламмония при разных температурах

14 Модель сегментированного жесткого тела Молекула представляется как набор внутренне жестких фрагментов, которые могут двигаться относительно друг друга Исходя из величин ADP можно оценить MSDA для движения жестких фрагментов путем подгонки методом МНК вычисленных ADP к полученным из данных рентгендифракционного эксперимента (однопараметрическая модель Даница-Уайта) Модель жесткого тела U=TLS Модель сегментированного жесткого тела U=TLSI где I – тензор описывающий вращение одного жесткого фрагмента относительно другого

15 Оценка барьеров вращения групп в кристалле Вычисление силовых постоянных для вращения: f=kT/ где k – постоянная Больцмана, Т – температура, - MSDA для вращения Оценка барьера вращения в кристалле: V n 2f/n 2 где n – кратность торсионного барьера

16 Оценка барьеров вращения групп в кристалле Барьеры вращения (ккал/моль) некоторых групп полученные из анализа ADP и другими методами ГруппаADPДр. методы С-СH O-CH C-CF

17 Неупорядоченность в кристаллах Типы неупорядоченности в кристаллах Динамическая – связанная с большой амплитудой теплового движения атомов Статистическая – связанная с доменной структурой кристалла и различиями в строении молекул или их упаковки в различных доменах Проявляется в неупорядоченности фрагментов молекул, поскольку рентгендифракционный эксперимент дает усредненную картину строения кристалла

18 Динамическая неупорядоченность в кристаллах Строение молекулы при температуре 298 К

19 Динамическая неупорядоченность в кристаллах Строение молекулы при различных температурах: 298 К 133 К

20 Статистическая неупорядоченность в кристаллах РСА при 293 К

21 Статистическая неупорядоченность в кристаллах РСА при 173 К

22 Статическая неупорядоченность в кристаллах Результат РСА РСА при 173 К РСА при 293 К

23 Ротационная разупорядоченность цепочечных молекул

24 Ротационная разупорядоченность в кристаллах фуллерена

25 Химические реакции в кристаллах Основная особенность – фиксированная геометрия молекулы и ее ориентация относительно других молекул Типы реакций в кристаллах Реакции на поверхности кристалла Реакции обусловленные фиксацией конформации молекулы Топохимические реакции

26 Реакции на поверхности кристалла Фотохимическая полимеризация акриламида - Фиксированная ориентация молекул на поверхности кристалла позволяет получить полимер с заданной ориентацией заместителей - Образующийся полимер является аморфным и протекание реакции ведет к постепенному исчезновению кристалла мономера

27 Влияние фиксации конформации молекулы в кристалле на протекание химических реакций Фотоэлиминирование СО в 1,3-дифенил-2-инданонах Содержание стереоизомеров в продуктах реакции в кристалле и растворе (%) RКристаллРаствор ЦисТрансЦисТранс Н, цис Н, транс

28 Топохимические реакции Топохимическими называются реакции в которых ключевую роль играет не реакционная способность реагирующих молекул и их фрагментов, а расположение молекул относительно друг друга в кристалле

29 Фотореакции коричной кислоты в кристалле и растворе

30 Фотодимеризация коричной кислоты в кристалле Полиморфная модификация β Полиморфная модификация αПолиморфная модификация γ

31 Кристаллическая структура полиморфной модификации α Расстояние С…С 3.75 Å

32 Кристаллическая структура полиморфной модификации β Расстояние С…С 3.94 Å

33 Кристаллическая структура полиморфной модификации γ Расстояние С…С 6.70 Å

34 Правила Шмидта Реагирующие двойные связи в кристалле должны быть параллельны друг другу Расстояние между атомами реагирующих фрагментов не должно превышать 4 Å

35 Кристаллографические базы данных Каждый год публикуется около 10 тыс. новых структур органических, металлорганических и координационных соединений Необходимость систематизации данных о строении различных классов химических соединений

36 Кристаллографические базы данных Cambridge Crystal Structure Database (CCSD) – органические, металлорганические и координационные соединения Inorganic Crystal Structure Database (ICSD) – неорганические соединения Metals Data File (MDF) – металлы и сплавы Protein Database (PDB) – белки, биологические и другие макромолекулы Powder Diffraction File (PDF) – дифрактограммы порошковых образцов

37 Информация в кристаллографических базах данных Текстовая информация (библиографические данные, название соединения, брутто- формула, особенности эксперимента и структуры) Численная информация (кристаллографические параметры, координаты атомов)

38 Поиск в кристаллографических базах данных Текстовый поиск Численный поиск Структурный (графический) поиск -Библиографические данные -Название соединения -Брутто-формула -Тривиальные названия -Особенности эксперимента -Особенности структуры -Параметры ячейки -Координаты атомов -Геометрические параметры -Невалентные взаимодействия

39 Поиск в кристаллографических базах данных Search Overview Page 1 Search: helicene Date/Time done: Sat Sep 27 11:18: Database(s): CSD version 5.24 (November 2002) Restriction Info: No refcode restrictions applied Filters: 3D coordinates determined R factor < 0.05 Not disordered No errors Not polymeric No ions Only Organics Percentage Completed: 100% Number of Hits: 17 Single query used. Search found structures that:

40 Поиск в кристаллографических базах данных Search: helicene (Sat Sep 27 11:18: ): Hits 1-2 Page 2 HEXHEL Reference: C.de Rango, G.Tsoucaris, J.P.Declercq, G.Germain, J.P.Putzeys (1973) Cryst.Struct.Commun.,2,189 Formula: C26 H16 Compound Name: Hexahelicene R-Factor (%): 4.00 Temperature(K): 295 Density(g/cm3): Parameters Fragment 1 TOR1 (T) Fragment 2 TOR1 (T)

41 Стандартная форма представления структурных данных Crystallographic Information File (CIF) – международный стандарт представления структурных данных data_6002-ICSD _database_code_ICSD 6002 _audit_creation_date 1980/01/01 _chemical_name_systematic 'Cyclo-18-sulfur - Beta' _chemical_formula_structural S18 _chemical_formula_sum S18 _cell_length_a 10.75(2) _cell_length_b 7.25(2) _cell_length_c 12.25(3) _cell_angle_alpha 90. _cell_angle_beta 92.3 _cell_angle_gamma 90. _cell_volume _cell_formula_units_Z 2 _symmetry_space_group_name_H-M 'P 1 21/n 1' _symmetry_Int_Tables_number 14 _refine_ls_R_factor_all 0.143

42 Пример: «два типа координации нитрозильного лиганда»

43

44

45