《分子结构分析》课件.ppt
分子结构分析分子结构对化学性质有决定性影响本课程将全面介绍结构分析方法
什么是分子结构基本概念原子通过化学键形成的三维排列决定物质物理化学特性构成要素化学键类型键长与键角空间构型
分子结构分析的发展简史119世纪原子模型初步提出220世纪初量子力学理论建立320世纪中实验技术快速发展421世纪多方法综合分析时代
化学键与分子稳定性离子键静电引力作用共价键电子对共享金属键自由电子海作用氢键分子间特殊作用
分子的几何构型线形如CO?、HC≡CH三角形如BF?、SO?四面体如CH?、CCl?金字塔形如NH?、PCl?八面体如SF?
杂化轨道理论sp杂化线形分子，如乙炔sp2杂化平面三角形，如乙烯sp3杂化四面体形，如甲烷sp3d杂化三角双锥体，如PCl?
分子轨道理论基础原子轨道独立电子云线性组合波函数叠加分子轨道形成成键与反键能级分布决定分子稳定性
分子结构与物理化学性质结构特征影响的性质实例极性溶解性水溶性共轭体系光学特性色素吸收氢键能力沸点醇类高沸点分子大小挥发性低分子易挥发
分子结构实验分析概述定性方法官能团识别几何构型确定结构类型判断定量方法精确键长测量键角精确值三维坐标确定主要技术衍射类光谱类显微成像类
X射线单晶衍射法基本原理X射线照射晶体波长与原子间距相当电子云散射产生衍射图样衍射斑点收集反映原子空间分布数学转换重建计算电子密度分布
X射线衍射法测定步骤样品制备培养高质量单晶晶体安装固定于衍射仪数据收集多角度衍射采集数据处理相位问题解决结构优化精修至R因子合理
电子衍射法电子束特点波长短于X射线散射能力强适用样品气态分子无定形固体空间分辨率可达亚埃级轻原子定位优势
中子衍射简介优势特点氢原子精确定位独特能力磁性结构测定应用领域高分子研究技术亮点同位素区分能力
红外光谱（IR）解析基本原理分子振动吸收特定波长红外光官能团有特征吸收峰主要应用基团识别分子内氢键检测构象变化监测
核磁共振（NMR）基本原理强磁场作用核自旋能级分裂射频辐射特定频率激发共振条件能级差正好吸收3信号记录化学环境影响峰位
NMR在分子结构分析的应用化学位移反映化学环境偶合裂分揭示核间相互作用二维谱解析复杂结构三维构象NOE效应确定距离
拉曼光谱法单色光激发散射光频率位移分析振动信息与红外互补对称性敏感区分同分异构体水样直接测定无水干扰
质谱（MS）基础电离分子形成碎片离子质荷比分离电磁场中飞行路径不同检测记录离子丰度解析推断分子结构
微区结构分析技术原子力显微镜探针扫描表面纳米尺度成像三维表面形貌扫描隧道显微镜量子隧穿效应原子级分辨率分子内部结构电子显微术透射电镜扫描电镜亚原子分辨能力
综合多技术协同分析X射线衍射精确三维坐标核磁共振溶液态构象质谱分子量与片段
小分子典型结构：水弯曲结构键角约104.5°极性分子电荷不均匀分布2氢键能力形成网络结构3sp3杂化氧原子四面体构型4
小分子典型结构：甲烷CH?109.5°键角正四面体标准值1.09?C-H键长典型共价键sp3杂化类型碳原子四面体构型
乙烯与乙炔分子结构乙烯C?H?平面结构sp2杂化C=C双键乙炔C?H?线形结构sp杂化C≡C三键
苯分子的共振与空间结构六元环完全平面结构等价C-C键键长统一为1.39?共振稳定π电子离域3sp2杂化120°键角4
DNA双螺旋结构右手双螺旋直径约20?碱基配对A-T、G-C氢键连接磷酸-糖骨架螺旋外侧4大小沟槽结合蛋白质位点
蛋白质二级及三级结构
金属有机配合物结构配位数中心金属连接配体数量几何构型四面体、八面体等3立体异构顺反异构、光学异构
无机多面体分子结构BF?平面三角形SF?正八面体PCl?三角双锥体
超分子结构与自组装主体分子特定结构识别客体分子匹配互补结构自组装过程非共价相互作用驱动超分子结构纳米笼、分子机器
晶体分子结构类型离子晶体离子键连接高熔点高硬度如NaCl分子晶体范德华力结合低熔点可挥发如冰、苯金属晶体金属键连接导电性好延展性强共价晶体三维网状结构硬度极高如金刚石
药物分子结构优化靶点识别确定药物作用位点分子对接模拟药物-靶点相互作用结构修饰改善药效和药代动力学活性验证生物学评价
分子结构分析在新材料中的应用金属有机框架导电高分子光学材料能源材料生物材料
结构生物学前沿蛋白质晶体学原子分辨率结构解析动态构象变化研究冷冻电镜非晶样品三维重构膜蛋白复合物分析
纳米分子结构表征石墨烯六边形蜂窝状单层碳原子碳纳米管圆筒状碳六元环网络量子点尺寸控制光电特性
分子结构与催化机制活性位点特定原子配位环境底物吸附特定方向接近2键活化电子密度再分布反应进行过渡态能垒降低产物释放催化剂再生5
分子机器与分子开关结构分子马达光/电驱动旋转分子开关双稳态构型切换分子梭组分相对位置移动分子肌肉可控伸缩分子链
分子结构在能源领域的应用电池材料锂离子通道设计电