Определение молекулярных кристаллических структур методами порошковой дифракции

• Автор: Чернышев, Владимир Васильевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 199 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Литературный обзор

1.1. Получение образца и подготовка его к измерениям.

1.2. Определение параметров элементарной ячейки и пространственной группы

1.3. Разложение порошкограммы на сумму шггсгральных интенсивностей.

1.4. Поиск структурного мотива.

1.4.1. Прямые методы.

1.4.2. Метод Паттерсона

1.4.3. Метод Монте Карло и его вариации

1.4.4. Методы поиска оптимальной кристаллографической упаковки.

1.4.5. Метод систематического поиска.

1.5. Полная расшифровка структуры.
1.6 Уточнение кристаллической структуры методом Ргтвельда
1.7. Учет текстуры в образце
1.8. Эффекты микроструктуры.
1.9. Заключение.
ГЛАВА 2. Усовершенствование комплекса программ МША полнопрофильного уточнения.
2.1. Расчет рентгеновских структурных амплитуд
2.2. Учет геометрических характеристик рентгеновских дифрактометров.
2.3. Функция профиля пика.
2.4. Введение поправки на текстуру
2.5. Учет анизотропии ушпрения линий.
2.6. Метод Паули.
2.7. Ограничения на длины связей и внутримолекулярные контакты.
2.8. Ограничения на планарность молекулярных фрагментов
2.9. Функционалы, минимизируемые программой МША
ГЛАВА 3. Метод систематического поиска.
3.1. Вращение и трансляция молекулярного фрагмента.
3.2. Выбор сетки разбиений и количества наблюдаемых
3.3. Геометрический анализ.
3.4. Оптимизация расчета структурной амплитуды.
3.5. Аппроксимация молекулярных фрагментов при расчете их вклада в структурную амплитуду
3.6. Случай нескольких молекулярных фрагментов.
ГЛАВА 4. Приложение метода систематического поиска к решению молекулярных кристаллических структур.
4.1. Кристаллические структуры двух производных пиразоло1,5пиримидина
4.2. Текстура в образце 3метоксибснзантрона.
4.3. Определение кристаллических структур двух органических соединений из различных порошкограмм, измеренных с использованием рентгеновского, синхротронного и нейтронного излучений.
4.4. Изомерные превращения 2нмино5карболинов
4.5. Неожиданная молекулярная структура как следствие решения кристаллической структуры по лабораторным порошковым данным
4.6. Протоннрование молекулы доксазозина в двух кристаллических модификациях лекарственного препарата мезилат доксазозина.
4.7. Обзор решенных молекулярных структур
ГЛАВА 5. Анализ экспериментальных результатов решения молекулярных
кристаллических структур по порошковым дифракционным данным.
v 5.1. Текстура
5.2. Выбор сетки разбиений и исходной модели молекулы
5.3. Методология поиска решения молекулярной кристаллической структуры по порошковым данным.
5.4. Примесные фазы.
5.5. Измерительные приборы и воспроизводимость результатов.
5.6. Точность получаемых результатов
5.7. Оценка корректности найденного решения
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ПРИЛОЖЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Применение релтсноструктурного анализа РСЛ для определения пространственного расположения атомов в кристаллических структурах органических и неорганических соединений является важным этапом как при получении новых веществ, так и при разработке новых методов синтеза уже известных соединении. Знание трехмерной структуры особенно важно в химии органических соединений, так как дает ключ к пониманию многих свойств этих соединений, помогает получить количественные характеристики системы водородных связей, понять природу полиморфизма, что представляется актуальным, в частности, при разработке новых лекарственных препаратов. Известная геометрия молекул, составляющих элементарные блоки молекулярного кристалла, позволяет использовать вычислительные методы для прогнозирования свойств этих кристаллов и в дальнейшем перейти к практическому решению задачи получения кристаллов с заранее заданными свойствами 1,2.
Основной недостаток РСЛ необходимость получения качественного монокристалла значительных размеров, что может оказаться непреодолимой проблемой. Гораздо чаще вместо ожидаемых монокристаллов получается мелкодисперсный кристаллический порошок нужного состава. Но и в этом случае возможно применение РСА для решения кристаллических структур. Развитые в последние годы новые методы работы с обычными порошкограммами позволяют уверенно определять структуры соединений, содержащие до и более неводородных атомов в независимой части элементарной ячейки. Постоянно растет количество соединений, структуры которых были впервые определены с применением порошковой дифракции 3. Можно констатировать, что к настоящему моменту порошковый метод РСЛ убедительно продемонстрировал свои возможности при расшифровке кристаллических структур 4.
Многочисленные группы исследователей из университетских и промышленных лабораторий активно используют его в своей работе, получая надежные результаты. Однако лет назад, когда начались исследования, представленные в данной работе, ситуация была качественно иной н перспективы порошковых методов как возможного инструмента для решения молекулярных структур были неясны.
Порошковый метод РСА, или порошковый РСЛ пРСЛ, имеет свою историю, датой начала которой можно считать определение структуры иСЬ, проведенное Захариассном 5 в г. по результатам порошкового фотометода. Огромное влияние на развитие пРСА оказало появление в конце х годов полнопрофильного метода уточнения, или метода Ритвельда 6, 7. Важным этапом в становлении пРСА стала работа 8 по решению структуры ЫТЬЫСМоОзОзКСиНзОзНгО, где фактически впервые была применена современная схема полного решения структуры индицнрование, определение интегральных интенсивностей 0 рефлексов, нахождение двух тяжелых атомов Мо методом Паттерсона, поиск оставшихся атомов с применением Фурьссинтсзов и окончательное уточнение методом Ритвельда. До года публикации структур, решенных методами пРСА, появлялись лишь эпизодически, и их общее число не превосходило нескольких десятков 3. Однако к концу х гг., во многом благодаря работам 9 по расшифровке кристаллических структур неорганических материалов, окончательно сформировались представления о том, как можно использовать пРСА дтя решения структур, и многим стало ясно, что надежность получаемых результатов достаточно высока. Начиная именно с этого периода пРСА, как инструмент для решения структур в отсутствие монокристалла, постоянно находится в фокусе внимания многих исследователей.
Актуальность


Для успешной работы всех программ необходимо высокое качество набора положений пиков значения р должны быть получены с точностью не хуже 0 Для корректного учета возможной систематической ошибки, связанной с неопределенностью абсолютного инулевого положения детектора и приводящей к сдвигу всех значений р на одну и ту же величину, в исследуемый порошок добавляют внутренний стандарт, например, поликристалличсский кремний с ребром кубической решетки а 5. Для оценки качества решений, получаемых в процессе индицирования, используют различные критерии. М0Ьо 1. Рк А,Н 0, 1. В 1. Считается, что если для ближайших, малоугловых пиков предлагаемой ячейки соответствует М , то индицнрование достоверно. В 1. Д получают усреднением отклонений вычисленных значений от экспериментальных. Дополнительным критерием в тех случаях, когда известна бруттофор мул а исследуемого молекулярного соединения, часто служит само значение объема предлагаемой элементарной ячейки. Известно, что в молекулярных кристаллах объемные инкременты неводородных атомов, которые равны отношению объема элементарной ячейки к количеству содержащихся в ней неводородных атомов, составляют А3. Зная молекулярный состав исследуемого вещества, можно оценить объем, занимаемый одной молекулой. Получив в качестве решения при инднцированин, например, моноклинную элементарную ячейку, следует ожидать, что ее объем будет кратен четному числу объемов молекулы в том случае, если молекула не обладает локальной симметрией. Программы индицирования ориегтировань на работу с однофазными соединениями, хотя в них и заложены возможности автоматического исключения из рассмотрения небольшого числа пиков от примесей. Известны также попытки создать программы, которые могли бы индицировать наборы положений пиков от многофазных соединений, например, программа X , . Этого можно добиться, в частности, сравнивая положения пиков из полученного набора бр или р с пиками от уже известных соединений, хранящихся в банке порошковых дифракционных данных РЭР2 . В случае идентификации примеси все ее дифракционные пики удаляются из набора. Оценивая возможности современных методов индицирования некоторые авторы считают , что по данным, измеренным, например, в камере Гинье, можно достоверно определить триклинную ячейку с объемом до А3. Определение параметров ячеек большего объема также возможно, но при условии более высокой сингонии или при использовании порошкограмм, измеренных на синхротронном излучении. Точные границы применения современных методов индицирования трудно указать. Так в приведены результаты индицирования программами 1ТО и ЭЮУОЬ двух ромбоэдрических ячеек с объемом А3 0. А и А3 7. А соответственно. Поскольку указанные программы не рассчитаны для работы с ячейками таких размеров, все межплоскостныс расстояния ср, полученные в синхротронном эксперименте, были сначала уменьшены в раз, а затем полученные параметры ячейкиувеличены в раз. На этапе индицирования нередко удастся также определить пространственную группу исследуемого соединения. Основным критерием здесь, как и в монокристальном случае, является наличие систематических погасаний, т. Например, в моноклинной группе Р в дифракционном спектре будут отсутствовать рефлексы ОкО с нечетным к. Однако, необходимо учитывать, гго в пРСА заключение о наличии систематических погасаний приходится делать по крайне ограниченному набору рефлексов и поэтому вероятность ошибки при выборе пространственной группы гораздо выше, чем в монокристальном случае. Хорошим результатом этапа II см. Схему можно считать получение небольшого набора возможных элементарных ячеек и пространственных групп. В оптимальном случае этот набор сводится к единственной ячейке и пространственной группе. Разложение порошкограммм на сумму интегральных тгтенсивностей. Если по итогам первых двух этапов становится ясно, что образец однофазный, с достоверно определенной элементарной ячейкой и пространственной группой, то можно приступать к определению кристаллической структуры исследуемого соединения. Для этих целей требуется тщательно измеренная порошкограмма, которая будет использоваться на всех последующих этапах. Требования, предъявляемые к дифракционным данным, измеряемым перед этапом III, полностью совпадают с требованиями к порошкограммам, предназначенным для уточнения методом Ритвсльда , . Мш,,Литы,Уш В1, 1.