基于锰配合物为例分析计算机软件绘制晶体结构图可行性

张 璞

(西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089)

基于锰配合物为例分析计算机软件绘制晶体结构图可行性

张 璞

(西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089)

过度金属配合物因具备灵活多变的配位结构及稳定的化学性质而成为磁性、催化及光学材料等领域中的应用重点，但是其晶体结构的复杂性和抽象性，增加了配合物设计合成的难度，而X射线单晶结构分析利用SHELEX软件解析结构，并通过Diamond软件将微观的晶体结构转化为形象、直观的符号语言，是最常用的晶体结构解析方法。以锰配合物为实例，通过其合成过程及晶体结构测定来获取晶体结构数据，并应用Diamond软件完成晶体结构的图型可视化，有效验证了计算机软件在晶体结构图绘制中的可行性。

锰配合物；晶体结构；Diamond软件；图形可视化

近年来，具有较高自旋态的锰配合物的设计与合成成为了分子磁体研究中的重点，锰配合物的结构可裁剪且光物理、光化学性质稳定，也因此被广泛应用在磁性、光化学材料、气体吸附、分子载体、催化等多个领域，而鉴于其结构的复杂性，目前多采用X射线单晶结构分析方法全面解析分子的空间构造，其首先通过水热技术完成配合物的合成，并将其培养成为单晶，而后通过SHELXTL、PLATON等软件解析晶体结构，获取晶体、原子及空间群等晶体几何参数，并借助Diamnond软件可完成对晶体结构的绘制和可视化转化，而本文针对锰配合物进行合成及结构表征研究，并通过晶体结构测定得出结构的几何数据，同时引入Diamond可视化软件完成了分子和晶体结构的绘制，从而为计算机软件在晶体结构解析中的深化应用提供有效参考。

1 锰配合物的合成及晶体结构

1.1试剂及仪器

锰配合物中的配位基根据相关文献资料进行准备，邻菲洛啉、邻苯二甲酸、氢氧化钠及其他试剂均来自化学材料库，直接使用而未经过提纯处理，晶体结构解析采用Bruker SMART APEX CCD 衍射仪，FT-IR傅立叶频谱选用美国Nicolet公司的红外光谱仪测定(KBr压片)[1]，并应用Perkin-Elmer200元素分析仪进行元素分析。

1.2锰配合物的合成

锰配合物[Mn(cipt)(m-BDC)·H2O]n是将0.100 g(0.3 mmol)cipt，0.051 g(0.3 mmol)MnSO4·H2O及0.100 g(0.6 mmol)的混合物溶于18 mL蒸馏水之中在室温下搅拌，并在NaOH 水溶液中将pH调整至6.0，将混合液放入不锈钢容器之中在170℃温度下静置3天，而后以5℃/h的速率将其冷却至室温状态，获得产率为81%(以元素Mn计)的黄色单晶[2]，元素分析结果为：C 57.37%，H 2.81%，N 9.92%。

1.3晶体结构测定

表1 锰配合物的晶体学数据和结构参数

2 软件在晶体结构图绘制中的具体应用

为验证计算机软件在晶体结构图绘制中的可行性，本文以上述锰配合物为研究实例进行了分析，当前，新型配合物的结构丰富多样，多数中心原子的配位数在2～12范围之内，即使配位数相同的配合物空间构造也存在诸多差异，以往的波谱法已经无法适应新需求，而单晶X射线结构分析法利用晶体对X射线的衍射效应测定和分析晶体结构[5]，以此为新型配合物的设计与合成提供更精准的结构参数，其不仅可以获取配合物中原子的排列方式、分子立体构造、键长、键角、构型、构象等晶体结构数据，而且运用SHELXL、Diamond、Platon和 Wingx等计算机软件，可实现对晶体结构的集合参数的精修及图形直观化，而结合本文研究目的，采用Diamond可视化软件来完成锰配合物[Mn(cipt)(m-BDC)·H2O]n晶体结构图的绘制工作更为恰当，该软件支撑线形、椭球、多面体、空间填充、立体及球棍等多种形式的结构图，其不仅可以构建分子之间的配位模型图，从而更直观的呈现分子、原子之间的配位方式、键长、键角等几何参数，而且还能够将抽象的结构参数转化为形象的、可视化的图形，由此完成晶体结构更为形象、直观化的再现，其在锰配合物晶体结构图绘制中的应用过程如下。

2.1运用Diamond软件绘制单胞结构图

晶体结构图形绘制首要的是获取结构的几何参数，也即空间群、晶胞参数及原子坐标，锰配合物[Mn(cipt)(m-BDC)·H2O]n中cipt=3-氯-1H-咪唑并[4，5-f][1，10]邻菲洛啉，m-BDC=邻苯二甲酸，上述组成元素依照依据特定的比例量在蒸馏水中充分反应产生块状的黄色单晶，之后利用衍射仪Bruker SMART APEX CCD，在室温内Mo Ka射线下进行衍射数据的收集，如表1所示，得出a、b、c、β、体积值分别为1.420 3(6)nm，2.291 8(1)nm，1.581 1(1)nm，101.989(6)(°)，5.051(5)nm3，在1.69(°)≤θ≤25.87(°)条件下得到共计14 132个衍射点，其中独立的衍射点有5 079个， R(int)=0.061 8是经过吸收校正所得的值，借助 SHELXL软件解析晶体结构数据，获得锰配合物的cif文件[6]，该文件可在Diamond3.0软件界面的File=open菜单栏中直接打开，在其中可设置检测文件格式和生成图片，由此实现cif文件的导入，可依据测定的晶体结构参数进行更改，进而得出锰配合物的单胞图。值得注意的是，软件默认的单胞图形为球棍模型图，若要进行椭球、多面体等结构图的绘制，则可以在 “picture design”选项的下拉菜单中进行相关设置，而且软件默认的绘图界面的背景颜色为黑色，根据实例需求，可在“picture design”选项下将其更改为白色，而至于原子颜色的调整则需要在“picture”选项下的“atom design”菜单栏中进行。一般状态下，在绘制单胞结构图中，会将H原子删除，该步骤可直接通过delete 键的操作完成，而对于部分需要进行标号处理的非碳原子，须首先选中标记目标，单击右键在add菜单栏下的atom labels选项中即可完成该操作，且可以对标号的大小进行编辑与调整，得到的锰元素单胞结构如图1所示。

图1 锰配合物[Mn(cipt)(m-BDC)·H2O]n的单胞结构图

2.2运用Diamond软件绘制超分子结构图

锰配合物中二元羧酸配体的配位方式可划分为两种，一是应用双齿螯合的方式连接两个存在明显差异的金属Mn离子，二是运用双齿桥联的方式将彼此邻近的两个金属Mn离子构造成一维的zigzag 链状形式，可利用Diamond软件在单胞结构图的基础上，点击“Fill Coordination SpheresDirectly”继续生产单元即可获取一维链状晶体结构图、超分子之间的作用力，其中包括分子间的氢键、Pi-Pi堆积作用与范德华力作用等，前两者的作用具有方向性，而范德华力作用则不存在方向性，且氢键的作用力最为强烈[7]，在该锰配合物中，氢键主要有O—H…O 和N—H…O两类，其数据信息如表2所示，锰配合物的一维结构向二维层状结构的拓展是在O1W—H1WA…O4 氢键作用下实现的。

表2 锰配合物中氢键的数据信息

Diamond软件可辅助完成超分子结构图的绘制，其中首要的步骤就是引入platon 软件来完成锰配合物氢键的获取，并计算出键长、键角等数据。在Diamond软件中完成cif文件的导入，根据上述方法绘制一维超分子链状图，剔除所有H原子，仅保留H1WA 原子，点击并打开connectivity/select atom group pair to be connected菜单，选中H—O键长并进行相关设计，而后点击“OK”键，返回Diamond软件的主界面，在“Fill Coordination Spheres Directly”菜单栏之下点击connectivity 选项完成原有键长的恢复，实现另一个结构单元的继续生产，由此通过上述重复操作即可获取O—H…O 氢键构筑的二维结构图，如图2所示。

图2 锰配合物的二维结构

3 结 语

配合物作为分子磁体创新研究中的重要课题，其因为具备可裁剪、多样的拓扑结构而在催化、离子交换、催化材料及分子识别等领域中获得前所未有的应用前景，而晶体结构的分析、表征及图形绘制是推进配合物延伸发展的关键所在。本文结合单晶X射线结构分析法的相关内容，通过锰配合物的合成及晶体结构测定，利用Diamond软件构建了锰配合物的球棍模型图，实现了晶体结构的直观、形象转化，也说明了计算机软件在晶体结构图形绘制中的辅助作用。

[1] 麦振洪. X射线晶体学的创立与发展[J]. 物理, 2014(12): 787-800.

[2] 刘伟, 闫丽. 利用计算机软件绘制晶体结构图——以锰配合物为例[J]. 吉林师范大学学报(自然科学版), 2015(3): 144-147.

[3] 赵敏兰. SrF2的晶体结构分析及其X射线热漫散射强度解析[D]. 通辽: 内蒙古民族大学, 2015.

[4] 陈瀛. 单羧酸锰(Ⅱ)配合物的合成表征及晶体结构研究[D]. 武汉: 中国地质大学, 2006.

[5] 赵玉华. DIAMOND在晶体结构与性质教学中的应用[D]. 成都: 四川师范大学, 2016.

[6] 王锐, 姜恒, 王敏, 等. 有机酸锰配合物的合成及表征[J]. 中国锰业, 2005,23(4): 10-13.

[7] 黄雪英, 孟祥高, 张妍, 等. 多苯并咪唑锰(Ⅱ)配合物的合成及对DNA凝聚的促进作用[J]. 高等学校化学学报, 2012(6): 1151-1157.

CrystalStructureFigureFeasibilityofComputerSoftwareDrawsinMn-Complex

ZHANG Pu

(Xi’anAviationCareerTechnologyCollege,Xi’an,Shanxi710089,China)

Excessive metal complex has flexible and changeable distribution structure and the stable chemical nature. It will become magnetic, catalytic and optical, with field in application focus. Its crystal structure of complexity and abstract characters will increase to real design synthesis of difficulty. Through an analysis of X-ray crystal structure, we are using SHELEX software analytical structure to get Diamond software converted in microscopic crystal structure images. Visual sign language is the most common method of crystal structure. We take manganese complexes as an example. By its synthesis and crystal structure determination of crystal structure data, we have obtained crystal structure of Diamond software-visual. The computer software is available in the Crystal structure of the feasibility of mapping.

Manganese complex; Crystal structure; Diamond software; Visualization

2017-07-05

张璞(1981-)，女，陕西周至人，讲师，研究方向：MIS、ERP、企业信息化，手机：13572880696，E-mail：zhangpu2345@126.com.

TP31

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.041