晶体结构分析（1）

Single-crystal structure analysis

一、课程性质与教学目标（含课程思政目标）

《晶体结构分析（1）》是一门理论结合上机操作的课程，通过理论知识讲授、文献调研及晶体结构分析相关程序和软件的学习，使学生了解与基本熟悉X-射线晶体结构分析的原理，掌握晶体结构解析的基本方法，能够熟练使用目前主流的结构作图软件并绘制精美图片，掌握如何向晶体学类期刊投稿。该课程可以提供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，包括原子的连接形式、分子构象、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和堆积情况。单晶结构分析是目前固态物质结构分析方法中，可以提供信息最多、最常用的研究方法。因此，单晶结构分析已经成为上述研究领域科研日常工作的一部分，越来越多的非晶体学专业工作者，尤其是化学工作者希望能够掌握 X 射线结构分析方法的基本知识和使用技巧。

二、课程内容及学时分配

第一章 引言

第一节 晶体的特征

第二节 单晶结构分析简史

第三节 单晶结构分析的重要性

第四节 单晶结构分析的过程

学时：3学时

第二章 衍射几何与结构因子

第一节 X 射线与衍射几何

一、X 射线的产生

二、衍射几何

三、分辨率

四、晶面与晶面指标

五、倒易点阵

第二节 衍射强度与结构因子

一、原子散射因子

二、原子的热振动参数

三、结构因子与相角问题

学时：6学时

第三章 晶体对称性与空间群

第一节 晶格

一、晶胞参数

二、原子参数

三、七个晶系

第二节 十四种布拉维晶格

第三节 晶体的对称性

一、简单对称元素

二、对称元素的组合

三、包含平移的对称性元素

四、不对称单元

第四节 空间群

一、空间群和劳埃群

二、空间群的国际记号

三、系统消光与空间群的测定

学时：12学时

第四章 晶体培养与衍射实验

第一节 单晶的培养

一、溶液中晶体的生长

二、界面扩散法

三、蒸汽扩散法

四、凝胶扩散法

五、水热方法

六、升华法

第二节 晶体的挑选与安置

一、晶体的挑选

二、晶体安置

第三节 四圆衍射仪与衍射数据的收集

一、四圆衍射仪

二、晶体对心

三、取向矩阵的确定

四、衍射峰形和扫描方法

五、数据收集的范围

六、监测点

七、强度测定

第四节 面探测器衍射仪与数据收集

一、面探测器衍射仪的原理

二、面探测器的衍射数据收集

第五节 数据的还原与校正

一、Lp 校正

二、标准不确定度

第六节 吸收校正

一、数字吸收校正

二、基于Ψ-扫描的经验吸收校正

三、DIFABS 方法

第七节 衍射数据质量的检查与评估

第八节 其他衍射方法

学时：6学时

第五章 晶体结构解析

第一节 结构解析的过程与相角问题

一、结构解析的过程

二、相角问题

三、结构模型

第二节 傅立叶合成

第三节 差值傅立叶合成帕特森法

一、帕特森方法基本原理

二、重原子坐标

第四节 直接法

一、哈克尔—卡斯帕不等式

二、归一化结构因子

三、塞尔方程式

四、三重积关系式

五、原点的固定

六、确定相角的策略

第五节 结构解析中的若干问题

一、晶胞的错误确定

二、空间群错误指认

三、有问题的结构

四、赝对称结构

学时：9学时

第六章 结构精修

第一节 结构精修与最小二乘法

一、最小二乘法

二、结构精修的参数

三、基于Fo或Fo2数据的精修

第二节 权重方案与残差因子

一、权重方案

二、晶体学上的 R 值

第三节 精修技巧

一、初期的精修策略

二、模型结构的完成

三、氢原子的确定

四、受限制的精修

五、阻尼控制

六、对称性限制

七、残余电子密度

第四节 结构精修中的若干问题

一、原子的错误指认

二、原子位移参数

三、无序结构

四、多种可能空间群之间的选择

五、反常散射与绝对结构

六、孪晶

七、消光效应

第五节 结构精修结果的检查

学时：6学时

第七章 晶体结构的表达

第一节 晶胞参数与分子式

第二节 分子几何

一、键长与键角

二、键长与原子半径

三、最佳平面、扭角与二面角

第三节 分子间的作用

一、氢键

二、π-π堆积作用

第四节 结构图

第五节 结果数据表

第六节 模拟粉末衍射花样

第七节 电子密度

学时：8学时

第八章 晶体学信息文件与程序资源

第一节 CIF 的定义与产生方法

第二节 CIF 格式简介

第三节 CIF 实例

第四节 晶体学数据库

第五节 一些单晶结构分析与绘图程序简介

学时：4学时

三、教学方式及要求

课堂讲授、讨论、文献调研、案例分析、上机操作练习

四、考核方式

考察：平时成绩（30%）+ 期末上机操作案例分析（70%）

五、所用教材和参考文献

1.《单晶结构分析的原理与实践》(第2版)，陈小明、蔡继文编著，科学出版社出版，2011

2.《晶体结构精修：晶体学者的SHELXL软件指南》，陈昊鸿编译，高等教育出版社，2010

3. Lai, Y. L.; Xie, M.; Zhou, X. C.; Wang, X. Z.; Zhu, X. W.; Luo, D.; Zhou, X. P.; Li, D. Precise Post-Synthetic Modification of Heterometal-Organic Capsules for Selectively Encapsulating Tetrahedral Anions. Angew. Chem. Int. Ed., 2024, e202402829.

4. Yang, Y.; Jing, X.; Shi, Y. P.; Wu, Y. C.; Duan, C. Y. Modifying Enzymatic Substrate Binding within a Metal-Organic Capsule for Supramolecular Catalysis. J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 10136-10148.

5. Zhang, D. W.; Ronson, T. K.; Zou, Y. Q.; Nitschke, J. R. Metal-organic cages for molecular separations. Nat. Rev. Chem., 2021, 5, 168-182.

6. He, Y. L.; Luo, D.; Lynch, V. M.; Ahmed, M.; Sessler, J. L.; Chi, X. D. Porous adaptive luminescent metallacage for the detection and removal of perfluoroalkyl carboxylic acids. Chem., 2023, 9, 93-101.

7. Shao, L.; Hu, X. Q.; Sikligar, K.; Baker, G. A.; Atwood, J. L.Coordination Polymers Constructed from Pyrogallol[4]arene Assembled Metal-Organic Nanocapsules. Acc. Chem. Res., 2021, 54, 3191-3203.

8. Rathnayake, A. S.; Barnes, C. L.; Atwood, J. L. Zinc(II)-directed self-assembly of metal-organic nanocapsules. Cryst. Growth. Des., 2017, 17, 4501-4503.

9. Su, K. Z.; Wu, M. Y.; Yuan, D. Q.; Hong, M. C. Interconvertible vanadium-seamed hexameric pyrogallol[4]arene nanocapsules. Nat. Commun., 2018, 9, 4941.

10. Bera, M. K.; Sarmah, S.; Santra, D. C.; Higuchi, M. Heterometallic supramolecular polymers: From synthesis to properties and applications. Coordin. Chem. Rev., 2024, 501, 215573.

11. Lee, J.; Lee, J.; Kim, J.; Kim, M. Covalent connections between metal-organic frameworks and polymers including covalent organic frameworks. Chem. Soc. Rev., 2023, 52, 6379-6416.

12. Wang, D. X.; Li, T. Toward MOF@Polymer Core-Shell Particles: Design Principles and Potential Applications. Acc. Chem. Res., 2023, 56, 462-474.

13. Zhukhovitskiy, A. V.; Zhong, M. J.; Keeler, E. G.; Michaelis, V. K.; Sun, J. E. P.; Hore, M. J. A.; Pochan, D. J.; Griffin, R. G.; Willard, A. P.; Johnson, J. A. Highly branched and loop-rich gels via formation of metal-organic cages linked by polymers. Nat. Chem., 2016, 8, 33-41.

14. Gu, Y. W.; Alt, E. A.; Wang, H.; Li, X. P.; Willard, A. P.; Johnson, J. A. Photoswitching topology in polymer networks with metal-organic cages as crosslinks. Nature, 2018, 560, 65-69.

大纲撰写人：冯思思、王爱

大纲审阅人：

2023年5月6日