1.简介
关于化学键和分子间相互作用引起的电子密度重新分布的详细信息对于理解小分子及其构成的晶体材料的功能至关重要。人们认为,键合效应在电子衍射(ED)数据中应该很容易看到,特别是对于由低原子序数元素组成的材料。近年来,ED方法取得了巨大进展。从原子和近原子分辨率的3D ED数据(Gemmi等。,2019年). 我们不仅可以精确地确定原子位置,还可以精确地观察静电势和潜在电子密度的特征。然而,为了验证基于观察的结论,必须应用量子结晶学方法。此外,从X射线衍射(XRD)实验中获得的知识也将是有益的。
人们对ED实验中观察到的静电势的兴趣可以追溯到20世纪末。在左的作品中等。(1999),铜的电荷密度分布2使用会聚束电子衍射(CBED)结合X射线衍射绘制O图。在Tsirelson的工作中等。(2001)研究了岩盐晶体的实验静电势图。铝的结合静电电势晶体结构Nakashima(2011)通过定量CBED进行了调查, 2017). 此外,还进行了基于电子衍射结构分析(EDSA)的静电势分析研究。假设多晶样品的反射强度在运动学理论。多极模型在不同的膨胀水平上可以直接根据运动电子结构因子进行细化。对高对称无机结构的静电势分布进行了示例性研究(Avilov,2003; 诺维可瓦等。, 2018). 对于有机样品,唯一(据我们所知)有充分记录的电荷密度精炼Wu&Spence(2003)发布了关于ED的数据). 作者使用选定的低角度反射进行动态精炼采用中键电荷云离子模型,获得酞菁铜晶体中原子的形变电荷密度图和部分电荷。
对于XRD,可以从实验、定性和定量上获得电子密度的亚原子特征。通过使用复杂的模型,可以细化电子密度的分布。该领域有两种主要方法:多极模型和基于波函数的方法。在第一种类型中,最常见的是Hansen–Coppens多极模型). 它需要高质量和亚原子分辨率的数据。有许多论文介绍了实验电荷密度研究(Tolborg&Iversen,2019). 再细化参数包括原子位置、原子位移参数、球谐布居数和收缩膨胀参数,从而从实验数据中获得晶体的原子和电子结构模型。
对于分辨率低于以下值的数据d日最小值= 0.5 嗯,没有足够的数据点来细化所有多极模型参数。因此,可以将球谐函数总体的预定义参数和收缩-膨胀参数转移到晶体结构在研究和约束下,以及在精炼只有原子模型晶体结构细化(原子位置和原子位移参数)。这种方法被称为可转移非球面原子模型(TAAM)精细化。通常,TAAM的参数取自数据库。有几个数据库提供了这样的参数:UBDB/MATTS(Jarzembska&Dominiak,2012); 多米尼克等。, 2007; 杰哈等。, 2022),ELMAM2(Domagała&Jelsch,2008)和不变量(Dittrich等。, 2004). 为了建立UBDB/MATTS数据库,采用了许多分子的实验几何形状,并根据气相中这些分子的理论计算结构因子细化了多极模型参数。接下来,对数百个具有类似化学拓扑结构的原子进行参数平均。对于有机分子,TAAM精炼当独立原子模型(IAM)可用时,总是可能的。由于数据库方法和散射因子的分析(多极)表示,TAAM精炼几乎和IAM一样快精细化。在XRD的情况下,TAAM使模型与实验数据更加吻合,并且与经典IAM相比,晶体原子结构模型更加准确精细化。例如,它允许更好地定位氢原子(Jha等。, 2020, 2023)或检测和精炼轻微紊乱(Jha等。, 2023).
与使用数据库不同,TAAM可以根据直接为所研究分子计算的理论结构因子,用多极参数进行参数化。这些参数不是不同原子之间的平均值,是无误差的传递性,因此它们应该更准确地表示给定的分子。为了进行这项工作,我们将这种模型分子称为TAAM,也称为“定制TAAM”(Bojarowski等。, 2017). 为了包括分子间的相互作用,可以使用多极参数,这些参数是根据直接为所研究的整个晶体计算的理论结构因子进行细化的。在这里,我们将这种模型称为晶体-TAAM。
基于波函数的方法可以进行相似推理。X射线波函数精炼(XWR)允许精炼并获得受实验衍射数据限制的波函数(Jayatilaka,1998; Jayatilaka&Grimwood,2001年; 格拉博夫斯基等。, 2012). XWR对应于多极模型精细化,因为在这两种情况下,有关晶体的原子和电子结构的信息都是从实验数据中提取出来的。如果衍射数据对XWR不够好,那么Hirshfeld原子精炼(HAR)可以应用。在简单的HAR方法中,原子结构参数通过在精炼来自气相分子波函数(Jayatilaka和Dittrich,2008; 乔德凯维奇等。, 2020; 克莱米斯等。, 2021). 这将对应于分子TAAM精炼由于在这两种情况下,所研究晶体的电子结构不是从实验数据中提取的,而是通过非球面原子散射因子来建模的,这些非球面原子的散射因子是由形成所研究晶体单分子的气相波函数计算得出的。目前,在大多数HAR的情况下,波函数是计算由点电荷和偶极子(Woin ska等。, 2016)或相邻分子簇,或使用周期性边界波函数(Wall,2016; 露丝等。, 2022). 后者可能与晶体TAAM相对应,因为这两种方法都使用晶体波函数来预计算非球面原子散射因子,该波函数考虑了相邻分子导致的分子电子密度极化。任何HAR和TAAM之间的主要区别在于原子电子密度是如何从分子或晶体波函数导出的。在HAR中,使用Hirshfeld划分方案将分子或晶体电子密度网格划分为原子网格;在TAAM中,原子电子密度的解析表示是通过互易空间中的多极模型拟合得到的。
电荷密度也可以通过最大值来研究熵方法(MEM)(坂田和佐藤,1990; 西博里等。, 2007; 乔杜里等。, 2011),一种从实验数据中获得无模型电子密度(或其他散射密度)分布的方法。该方法的缺点是它提供了热涂抹的电子密度,使其更难与其他技术和理论模拟进行比较。此外,在其标准实现中,它依赖于散射密度的正值,尽管存在处理正负散射密度的MEM变体(坂田等。, 1993),其模拟静电势的准确性和可靠性尚未得到研究。
对于3D ED,迄今为止发布的大多数结构都基于IAM。根据适用于XRD的模型计算的多极散射因子也可应用于ED。Mott–Bethe公式可用于从X射线原子散射因子中获得电子原子散射因子。我们已经展示了(格鲁扎等。, 2020; 杰哈等。, 2021)TAAM可以应用于针对3D ED数据的细化。对于理论数据,我们展示了关于拟合统计和获得的几何正确性的趋势。然而,直到现在,对于实验数据,我们还无法就使用TAAM代替IAM作为运动学方法的优点提供明确的结论。
为了从微晶3D ED实验中获得准确的静电势,必须将原子散射因子模型与适当的反射强度计算相结合,包括多次散射的影响。动力学方法大大改进了精炼结果(Palatinus,Petřichek&Corría,2015); 科雷亚·帕拉蒂努斯等。, 2015). 动态IAM精炼允许检测的3D ED数据和精炼无序氢原子(Palatinus等。, 2017)或确定绝对构型手性结构(Brázda等。,2019年).
在这项工作中,我们提出了动态精炼具有静电势可见亚原子特征的IAM用于实验3D ED数据d日最小值= 0.56 Å. 我们首次提出了动态TAAM精炼在实验3D ED数据上,使用不同来源的TAAM参数化,并得出理论模拟支持的结论。
2.方法
2.6. 动态精炼与实验相反F类e(电子)经验结构因素
实验数据受动态衍射影响,因此精细化必须考虑到这些影响才能产生最佳效果。对于动态精细化, 2020年1月(版本1.3.30和1.3.36)。TAAM、TAAM分子和TAAM晶体的多极模型参数与精炼与理论数据对比。Mott–Bethe公式用于从直接从TAAM计算的X射线形状因子中获得电子形状因子。所有动力学优化都是针对|F类(小时)|(此处等于). 分辨率高达以下的所有反射d日最小值= 0.56 最大相对激励误差RS系列克=0.75(帕拉蒂努斯,科雷亚等。, 2015)和最大励磁误差S公司克= 0.02 Å−1包含在精细化。包括氢原子在内的所有原子坐标都被自由细化。非氢原子位移参数按各向异性细化,所有氢原子ADP均按各向同性细化。分别为每个晶体细化晶体厚度。R(右)光突发事件(F类)计算反射我> 3σ(我).
4.结论
动态精炼与运动学方法相比,在所有方面(从模型拟合到数据和几何形状)都提供了实质性的改进。改进后的拟合使我们能够观察到静电势的精细特征,在本例中,它使我们能够观测到原子间相互作用导致的形变势的痕迹。进行了TAAM改进的几种变体,以评估它们相对于IAM提供的改进。从UBDB/MATTS数据库中提取的具有多极参数的标准TAAM清除了共价键和原子周围的大部分剩余电势。然而,令人惊讶的是精细化功绩数字[例如 R(右)(F类)]保持较高,尤其是低角度反射,并且在分子间相互作用区域存在高残留。实验和模拟数据都清楚地观察到了这种影响。当TAAM的多极参数精炼不是从数据库中获得的,而是通过直接在研究结构(晶体-TAAM)上拟合DFT计算获得的理论结构因子获得的。该模型在氢键区产生了较低的优值和较低的差分势,后者仅在模拟数据中清晰可见。测试的第三个模型是精炼根据DFT计算出的单个孤立分子(TAAM分子)的结构因子对多极参数进行细化,结果比标准TAAM差。这些结果,特别是不同TAAM版本之间的差异,表明静电势对分子间相互作用非常敏感。与X射线衍射相比,为ED数据找到一个好的TAAM似乎更难,并且使用从头计算计算似乎对获得比IAM更大的改进很有必要。
TAAM对实验3D ED数据的动态细化仍然呈现出较高的拟合统计值(R(右)与X射线衍射观察到的结果相比,尤其是当晶体表现出明显的缺陷时。然而,这项工作表明,3D ED数据的质量和动态精炼它已经足以检测由于键相互作用而引起的静电势的微小变化,甚至可以检测由分子间相互作用引起的微小变化。
原始衍射图像和相关数据可在线获取,网址为https://10.5281/zenodo.10079328。本工作中介绍的CIF和所有改进都在支持信息。