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IUCrJ大学
国际标准编号:2052-2525

化学晶体学与晶体工程

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印度班加罗尔印度科学院固体与结构化学研究所,邮编:560 012
*通信电子邮件:gautam.desiraju@gmail.com

(2014年10月6日收到; 2014年10月6日接受; 在线2014年10月10日)

自从有人证明晶体结构氯化钠的含量可以从物质的衍射图样中确定,化学学科与结晶学有着千丝万缕的联系。虽然从晶体学研究中获得的分子参数的准确性通常与从光谱学或计算中获得的相对应,但晶体学方法的通用性和易用性确保了它们在结构化学中的不可或缺性。今天所需要的只是一个正在研究的化合物单晶、一个标准衍射仪和一台计算机。各种类型的键——离子键、共价键、缺电子键、四重键、有机金属键和所谓的非共价键,如氢键、金属键等等,只有当存在一种能够非常准确地测量各种化合物中的分子和分子间几何参数的方法时,才能理解卤键。固体化学的任何发展显然都需要对晶体结构这一领域的重大进展在很大程度上归功于结构的确定,其范围从硅酸盐和矿物到复杂氧化物、钙钛矿超导体、沸石和催化剂,一直到我们今天对非周期晶体的欣赏。

但是,从结构到动力学和合成,在主流化学中更广泛地接受结晶学的最大障碍是化学家,直到20世纪80年代,在考虑通常在溶液中研究的反应和动态过程时,对从固态获得的分子结构的相关性持怀疑态度`固态结构与解决方案流程的相关性是什么?”成为困扰化学晶体学家的一个反问句。顽固地,化学家坚持将溶液NMR作为这个尽管晶体学本身取得了巨大进步,但结构分配的选择方法允许确定绝对构型手性分子的简单且最终常规的测定晶体结构对于不含重原子的分子,用中子衍射非常准确地确定氢原子位置,用电荷密度方法观察分子中或分子之间的键电子。有两项发展打破了这一僵局:20世纪80年代,有机金属簇合物的合成出现了大量具有分子结构的物质不能够用溶液核磁共振测定。晶体学被确定为只有该方法可用于建立这些物质中金属-金属键的复杂拓扑结构。第二个里程碑是时间分辨晶体学,它是由同步加速器的可用性促成的,这意味着可以在短时间内研究晶体,比某些化学过程的时间尺度更短。这意味着晶体学已经进入化学动力学领域。今天,毫无疑问,化学对结晶学的贡献与结晶学对化学的贡献一样多。这种相互协同作用定义了现代化学结晶学。

但是合成呢?就在分子固体的第一个晶体结构被确定的时候,晶体学家开始询问为什么某些结构被采用而其他结构没有被采用。分子结构与晶体结构虽然进展缓慢,但毫无疑问,这是一个具有根本科学重要性的问题:“考虑到有机化合物的分子结构,它的晶体结构是什么?”使用可转移的各向同性势来计算回答这个问题的尝试通常以含糊不清和最终失败告终,因为晶体中原子周围的静电势是充分可变和各向异性的,因此几何紧密堆积并不是唯一决定晶体结构,尽管它确实发挥了很大作用。事实上,这种各向异性导致了特征性分子间相互作用的表现,进而导致分子组装成晶体时的方向偏好。随着超分子化学在20世纪80年代末和90年代初的日益普及,晶体学家和化学家对这些相互作用的认识无疑提高了。在这之后,化学晶体学的任何故事都是从位置参数的确定开始的,而不是结束的x个,z(z)所有原子中晶体结构。结构的含义往往比它本身更有趣。

晶体工程或固态超分子合成的学科涉及在晶体包装的背景下理解分子间相互作用,并将这种理解应用于具有特定物理或化学性质的预定晶体结构的设计。经典有机合成和晶体工程之间的类比出现了,而逆合成分析是问题的关键。是否是超分子合成子对于分子固体或二级建筑单元对于金属-有机骨架固体(MOF),原理相同。可以从目标的拓扑结构反向工作晶体结构利用选定的分子间相互作用的方向性,得到结晶时产生所需三维结构的前体分子。轻松地晶体结构晶体工程很快成为晶体学家研究的一个重要课题,对已经发表的晶体结构进行数据库分析成为一种有用的辅助技术。由于这些强大的化合物在气体储存、催化、传感器、光化学和分离技术中的广泛应用,MOFs的研究变得非常受欢迎。

现代晶体工程包括对多态性,一种化合物有一种以上的现象晶体结构。 多态性在制药行业中具有极其重要的意义,在制药行业,药物的不同晶体修饰可能具有非常不同的属性,甚至不同的法律地位,因为它们可能有资格获得单独的专利保护。由于共结晶是改变药物溶解度和溶出度以及生物利用度的有效技术,因此,在药物应用背景下,也正在积极研究共晶体或多组分分子晶体。今天同样重要的是非环境条件下的结晶学,主要是低温和高压,因为在这种条件下获得多晶型的可能性很高。晶体结构预测与多态性现在已经成为一种复杂的计算练习。因此,我们正朝着定义晶体结构景观它是由物质的各种固体形式的实验和计算得出的晶体结构定义的。这些形式可能包括多晶型、假多晶型(溶剂化物)甚至化学相关的同系物。这一领域为化学家提供了结晶事件的结构轮廓,至少在结晶事件的后期,并使人们能够解决晶体工程的最终问题之一,即解释称为结晶的超分子反应的机制。

化学晶体学和晶体工程方面的论文从最早的时候起就一直是IUCr期刊的支柱。虽然晶体学的基本概念和原理保持不变,但仪器和计算能力的快速发展意味着,跨越晶体学和化学广泛交叉点的更广泛的问题现在已在结构化学家的能力范围内。现在迫切需要获得结晶性较差的材料的结构,同时需要能够检测更小的样品。电子衍射、粉末方法以及同步加速器和电子激光器的使用在化学晶体学的各个方面无疑都会增加。像晶体工程这样的学科有自己的专业期刊,包括来自联盟的期刊。该主题也定期在著名的化学期刊上发表。上的节的存在化学与晶体工程在里面IUCrJ大学只会增加这一切。今天,在这些快速增长的领域中,有大量的最高标准的论文,以及开放存取概念的重要性,使我们有信心在最新的《联邦杂志》上开始这一部分。