小中大可惜的是,计算机的输出是否正确有待于认真的审核,而一不当心就会受骗。
其中 H原子再指定往往给我们提供有关结构的新内容。下面是一个好的实例。
曾报道 C14H13N3O2*C8H7N3O 中性有机物的结构报道, 最后 R 因子为0.039。
次年由作者和"陪审团"用原始强度数据分别进行复审, 后共同撰文发表更正:
Acta Cryst. 1997, C53: 922-925.
原来 C8H7N3O 是一有机阴离子, 它的一个 H 转移了, 实际上它是 C8H6N3O-.
而前者的一 C=O 基团实际上是 C=NH, 接受一 H 后就变成了正电基团C=NH2+.
这样一来,正确的化学式应当是: C14H15N4O(+)*C8H6N3O(-), 它是一有机盐,
又不同于[讨论](二)内盐的形成, 且离子间相互关系和 H 键的联结都有新意!
正确指定 H坐标后参与最小二乘精修的结构一般期待得到有关 H的如下结果:
0.85 < C-H < 1.05 A;
2.0 < Biso < 6.0 A2.
我们知道,N-H 和 O-H 键长要稍短些,而 S-H 键可能稍长些。
第二,H...H 接触要合适。H 的范氏半径约为 1.1 A, 如 H接触距离小于范氏
半径的和,我们就要警惕是否有失误,除非形成了 H...H 二氢键等特殊结构。
最后,H的温度因子大小也是有要求的。如果绝对构型搞错了,或是 C,N,O
等邻近原子搞混了,H温度因子很迟钝。可是如空间群定错了,特别是遗漏了
对称心,温度因子将会是极其反常的了。
综合以上三个方面,我们不妨提出 H 的指定和修正用来判断结构是否正确和
精修好坏的三指标。这是一般的原则,不排斥有时出现例外,特别是第三点。
R. Harlow 曾在美国晶体学会上提出“挑战”:如发现空间群定错而有关 H的
键长和温度因子都落在正常值范围的晶体结构,基金会将给予200美元的奖励。
我们试图应战,并最终得到了成功。这个唯一的例证发表在国际晶体学报上:
Acta Cryst., 1991, C47: 332-337,
原空间群为 R-3,H 指标正常。但正确空间群为 R-3c,空间群更正文章请参考
Acta Cryst., 2002, B58: 62 - 77。那么,你愿参加讨论并提出新的例证吗?
羧基加 H是不时会遇到的问题。
如羧基的 C=O 和 C-O(H) 键长分别近似 1.19A 和 1.34A, 那么后者的 O附近将有一 H待指定。这个 H的位置最好由差分图上找到,如想采用“理论”加 H我们知道将会遇到一定的困难。
中子衍射指定 H最为理想,但受仪器的限制和拿不到大的单晶等原因,我们有时只好从这个羧基与它周围可能形成 H键来毛估 H的存在范围。这里,C=O 是
H 键的受体,而 C-O则是供体。
当羧基的 H离解掉,C=O 与 C-O 将因电子共轭使键长均匀化为1.25A 左右了。
这是一极限的情况。设 n为键级,介于单双键间的键级的似 Pauling 公式为:
R(C...O) = 1.34 - 0.5*log n
我们提出一简单的线性方程式:
R(C...O) = 1.49 - 0.15 n
无论如何,部分离解和 H键的形成都要服从键价和(BVS)计算的支持。有关的讨论将是后话。从小分子到生物大分子晶体结构,从超分子化学到晶体工程,H键无不扮演着
重要角色。常规 H 键已经研究得够透彻的了,非常规 H键也有了很好的了解,
基本内容可参考周公度,段连运编著:结构化学基础 (第三版),北大出版社,
2002。但是在具体的晶体结构分析中,H 键的测定和描述并不简单,为何如此?
就以经常遇到的 O-H...O为例, 我们在拿到两个 O原子坐标后, O...O 的距离
上限究竟是多长而 < O-H...O 的角度的下限又是多小才算它们形成了 H键呢?
统计分析表明, 如键角不小于 165度时, O...O间距可短到 2.36A,而最长可
达 3.7 A左右,跨度很大。O 的范氏半径为 1.40 A, 是 H把它俩键合起来的。
对于 O-H...O, 键长小于 2.50 A 是强键, 大于 2.80A 是弱键, 介于起间的
是中等强度键。它们反映 H键的性质从基本上是共价的向很弱的范氏键过渡。
H 键的键角很少等于 180度。无论如何,任何 H键的键角不能小于 90度,因为
偏离 O...O联线越远就越起不到桥联作用了。在 90与 180度间则存在着分布。
值得我们重视的一点是, 原子间的短接触而与 H 键毫无干系的情况比比皆是!
没有 H参与的这类短接触或化学作用力称为"次级键"。 H 键包含在次级键中,
没有 H参与的次级键是当今结构化学中越来越受到重视的一个热点研究课题。
在晶体结构中, 当 H 的位置很好指定后, 最后注意 H可与两个或更多受体原
子形成网络的结构, 即涉及 H键体系的正确而又完整的描述问题。 如有兴趣,
不妨参阅以下文献, 看看外国同行如何仔细点评我们在这方面一有关工作的:
Acta Cryst. 2002, C58: m12-m13;
Acta Cryst. 2002, C58: e9.
键价(Bond Valence,简写为 BV)是从离子晶体电价规则发展出来的一个结构化
学概念. 键价和(BVS)计算用来评审无机晶体结构是否合理几乎成为结构晶体学
一不可或缺的手段,鲍林(L.Pauling)这位大结构化学家最早为我们作出了示范.
我国最早介绍键价法的文章大概是:
邵美成,唐有祺, 大学化学, 1986, 1(1): 3-13
此后有结构化学丛书的分册的出版:
邵美成, " 鲍林规则与键价理论 ", 高等教育出版社, 北京, 1993
较新的专著则是国际晶体学会丛书:
I. D. Brown, The Chemical Bond in Inorganic Chemistry. The Bond Valence Model. Oxford University Press, Oxford, 2002
进行 BVS 计算的必要条件是要有可靠的键价参数,这是一直在进行的研究课题.
对于 O(-2) - H(+1), 幂数方程的参数是: Ro = 0.87 A, N = 2.2. 利用这套参数, 可以很好地了解冰结构中 H键的键价分布.
当今常用的指数方程的O-H键参数还未很好的建立起来.为讨论O - H...O型氢 键曾提出参数: Ro = 0.927 A, B = 0.395 A, 但还不理想而有待进一步修订.
请参考文献:
Tetrahedron, 1998, 54: 5683-
J.Mol.Struct., 2000, 552: 153-
I.D.Brown 汇编了约 1500个不同化学键的键价参数,免费下载文件的网址是:
cuturl('http://www.ccp14.ac.uk/ccp/web_mirrors/i_d_brown/bond_valence_param/')
这个数据库还在不断发展中。你愿进入研究前沿并能提出更好的新键价参数吗?
H的指定和它在晶体结构中所扮演的角色是结构化学一直受到人们重视的问题。
低温与中子衍射测定是最好的实验手段, 但在目前的情况下还不是那么现实。
常温下X光单晶衍射从差分富里埃合成指定H的位置是可能的, 特别是有机物。
但是,晶体质量要好,衍射数据的质和量都达到很高的要求, 成功希望就大。
特别要强调的是质量,原始数据不很好,可以说是后患无穷, 有时进退两难。
你多花一分钟挑晶体,甚至于重新录谱,可能节省大量时间, 真是事半功倍。
按几何构筑或理论加 H是可采用的办法, 不过我们应当留心, 是否加的合理,
分析结构一定敲键盘,但我们知道它离不开化学的基本知识, 化学家沾光了。
就拿 H的指定举例说,你掌握了H可能形成各种模式的H键后, 就可能抓住它。
这里推荐两篇好文献,它们对于H的指定很有参考价值,已下载愿与大家分享:
Acta Cryst. 1990, B46: 89-103
Acta Cryst. 1990, B46: 546-549
本讨论侧重实验方面,H的位置是我们所关注的。成键和配位当然也是重要的。
但像C-H...O究竟是空间排布需要还是带来能量降低而使结构稳定仍在争辩中。