2015年《结构化学》电子课件孙宏伟2015

1、孙 宏 伟 Email: 服务器： 57 http:/,结 构 化 学 Structural Chemistry,绪 论,一、结构化学研究的主要内容 二、结构化学发展历史与Nobel奖 三、学习结构化学的重要性 四、结构化学课程的特点及学习方法 五、学习要求 六、参考书,一、结构化学研究的主要内容,绪论 第一章 量子力学基础 第二章 原子结构 第三章 共价键理论 第四章 HMO理论 第五章 计算化学(讲座,第六章 分子对称性 第七章 晶体学基础 第八章 金属和离子晶体 第九章 结构测定方法 模型实习,在原子、分子水平上讨论物质的性质与电子结构和空间结构间的

2、关系,4dz2,66,3p,研究对象：原子、分子和晶体的微观结构、运动规律以及结构和性质之间关系,理论基础量子力学 技术基础现代分析测试仪器,核心内容 电子结构描述电子运动状态的波函数 空间结构分子和晶体在空间的排布,Part I 量子力学基础 结构化学的理论基础，微观粒子的运动规律、本质,微观粒子的运动特征量子力学基本概念 量子力学基本假设量子力学的理论体系 量子力学的简单运用量子力学一般应用方法,Part II 原子结构 研究原子的电子结构和性质,单电子原子的结构 薛定谔方程精确解 多电子原子结构 近似解 原子光谱 多电子原子状态,组态 光谱项 光谱支项 蔡曼分裂 中心势场 电子瞬间作用

3、旋轨耦合作用 外磁场,共价键本质 分子体系量子化学方法 双原子分子结构 分子轨道理论 HMO 量子化学入门 分子对称性 群论及应用,Part III 分子结构,Part IV 晶体结构,晶体的点阵理论 晶体的对称性 晶体学理论基础 结晶化学 典型晶体结构 X射线衍射法 晶体结构测定方法,结构化学相关学科,量子力学基础 原子结构 分子结构(电子) 分子对称性 晶体结构 X射线衍射 分子结构测定方法,量子力学 原子物理 量子化学 群论 晶体学 X射线晶体学 结构分析,二、结构化学发展历史与Nobel奖,1. 量子力学(QMQuantum Mechanics,普朗克(1858-1947, Max K

4、arl Ernst Ludwig Planck) 因发现能量子(量子理论)获1918年Nobel 物理奖,爱因斯坦(1879-1955, Albert Einstein) 因在数学物理方面的成就，特别是发现了光电效应规律，获1921 年Nobel物理奖,尼尔斯玻尔(1885-1962, Niels Henrik David Bohr) 因原子结构和原子辐射的研究,获1922年Nobel物理奖,德布罗意(1892-1987, Louis Victor De Broglie) 因发现电子的波动性，获1929年Nobel物理奖,E=hv,E=mc2,v=E/h =h/p,海森伯(1901-1976,

5、Werner Heisenberg) 因创立量子力学和应用该理论发现氢 的同位素1932 年获Nobel物理奖,薛定谔(1887-1961, Erwin Schrdinger) 发现原子理论的有效新形式波动力学 狄拉克(1902-1984,Paul Advien Maurice Dirac) 相对论性的波动力学方程 1933 年获Nobel物理奖,泡利(1900-1958, Wolfgang Pauli) 发现Pauli不相容原理,1945年获Nobel物理奖,波恩(1882-1970, Max Born) 量子力学基础研究，特别是波函数的统计解释, 1954年获Nobel物理奖,以上均获No

6、bel物理奖,Planck,M. Curie,Lorentz,Einstein,Debye,Bragg,Dirac,Compton,de Broglie,Born,Bohr,Schrdinger,Pauli,Heisenberg,1927年Solvay会议,Langmuir,I. Langmuir, M. Planck, M. Curie, H.A. Lorentz, A. Einstein, P. Langevin, C.E. Guye, C.T.R. Wilson, O.W. Richardson. P. Debye, M. Knudsen, W.L. Bragg, H.A. Kramer

7、s, P.A.M. Dirac, A.H. Compton, L.V. de Broglie, M.Born, N. Bohr. A. Piccard, E. Henriot, P. Ehrenfest, E. Herzen, T. De Donder, E. Schroedinger, E. Verschaffelt, W. Pauli, W. Heisenberg, R. H. Fowler, L. Brillouin,爱因斯坦光量子假说26岁(1905年) 玻尔 原子结构模型28岁(1913年) 德布罗意 电子波动性 31岁(1923年) 海森堡 创立量子力学 24岁(1925年) 泡利

8、泡利不相容原理24岁(1924年) 狄拉克相对论量子力学25岁(1927年) 乌仑贝克电子自旋假设 25岁(1925年) 古兹米特 电子自旋假设23岁(1925年) 薛定谔波动量子力学39岁(1926年) 波恩波函数的概率解释45岁(1927年,鲍林(1901-1994, Linus Carl Pauling) 因对化学键本质的研究并用以阐明复杂物质的结构,1954年Nobel化学奖, 1962年Nobel和平奖,马利肯(1896-1986, Robert Sanderson Mulliken) 因在分子化学键和电子结构方面的奠基性工作分子轨道理论, 1966年获Nobel化学奖,2. 量子化

9、学(QC Quantum Chemistry,福井谦一(1918-1998, Fukui Kenichi) 前沿轨道理论,霍夫曼(1937-, Roald Hoffmann) 分子轨道对称守恒原理,1981年获Nobel化学奖,Good theoretical models provide guidance for experimental researchers and save them time. Fukuis and Hoffmanns theories are milestones in the development of our understanding of the cour

10、se of chemical reactions,科恩(1923-, Walter Kohn) 因发展密度泛函理论,波普尔(1925-2004 John Anthony Pople) 因发展量子化学的计算方法,1998年Nobel化学奖,DFT方法是当今最为常用的量子化学方法之一。它比基于波函数的一些现代方法更简单，所以可用于大分子计算。目前，可以用来处理几百个原子的体系。DFT已引起量子化学的第二次革命，没有Kohn的先驱性工作这是决不可能的,30年前，量子化学的努力被许多化学家嘲笑为无用的事情，影响很小。当今已完全不同了，毫无疑问，人们已认识到了量子化学的用处和巨大威力。这种突破是最近一二

11、十年化学中最主要的发展之一。在这些做出突破贡献的众多科学家中，Pople是最重要和取决定性作用的代表。Pople已成为大师级创造者，他使化学家采用量子化学方法连同他们的实验仪器作为日常工具成为可能,Martin Karplus(1930,for the development of multiscale models for complex chemical systems,Michael Levitt (1947,Arieh Warshel (1940,Chemists used to create models of molecules using plastic balls and st

12、icks. Today, the modelling is carried out in computers. In the 1970s, Martin Karplus, Michael Levitt and Arieh Warshel laid the foundation for the powerful programs that are used to understand and predict chemical processes. Computer models mirroring real life have become crucial for most advances m

13、ade in chemistry today,2013年Nobel化学奖,3. 研究物质结构的实验方法对人们了解和掌握微观世界的运动规律有重要的作用，在这方面也有许多重要的发现/发明改变了人们的认识,1) X射线衍射法,伦琴(1845-1923,Wilhelm Conrad Rntgen ) 发现X射线, 1901年Nobel物理奖,劳厄(1879-1960,Max Theodor Felix Von Laue) 发现X射线在晶体中的衍射,1914年Nobel物理奖,亨利布拉格(1862-1942, William Henry Bragg) 劳伦斯布拉格(1890-1971, William

14、Lawrence Bragg) 用X衍射研究晶体结构, 1915年Nobel物理奖,巴克拉(1877-1944, Charles G. Barkla) 发现元素的次级X射线标识原子核电荷决定原子在元素周期表中的位置。 1917年物理奖 西格班(1886-1978, Karl M. Siegbahn) 在X射线光谱学方面的研究 1924年物理奖,德拜(1884-1966, Peter J. Debye) 因研究偶极子、射线和电子衍射对分子结构知识所作贡献 1936年化学奖,豪普特曼(1917-2011, Herbert A. Hauptman) 卡尔(1918-2013, Jerome Karl

15、e) 因发展了确定晶体分子结构的方法 1985年化学奖,拉比(1898-1988, Isidor I. Rabi ) 共振方法测定原子核磁性, 1944年物理奖,布洛赫(1905-1983, Felix Bloch) 珀塞尔(1912-1997, Edward M. Purcell) 用感应法高精度测量磁矩，发展了核磁精密测量方法。NMR 1952 年物理奖,2) 核磁技术和应用,斯特恩(1888-1969, Otto Stern) 测量质子磁矩 1943年物理奖,卡斯特勒 Alfred Kastler, 1902-1984 发现和发展研究原子中核磁共振的光学方法 1966年物理奖,保罗 C劳

16、特伯 (1929-2007, Paul C. Lauterbur) 皮特曼斯菲尔德 (1933-, Sir Peter Mansfield) for their discoveries concerning magnetic resonance imaging 2003年生物医学奖,恩斯特(1933, Richard R. Ernst) 发展高分辨核磁共振波谱学方法, 1991年化学奖,维特里希(1938-, Kurt Wthrich) 发展核磁技术以及溶液中生物大分子三维结构的测定, 2002年化学奖,阿斯顿 (1877-1945,Francis W. Aston) 发明质谱, 1922年化

17、学奖,3)质谱技术,约翰芬恩 (1917-2010, John B. Fenn) 质谱电喷雾电离 田中耕一 (1959-, Koichi Tanaka ) 质谱激光解吸技术 2002年化学奖,4)电子显微镜,鲁斯卡(1906-1988, Ernest Ruska) 发明电子显微镜 宾尼(1947-, Gerd Binning) 罗雷尔(1933-2013, Heinrich Rohrer) 发明扫描隧道电子显微镜 1986年物理奖,克卢格(1926-, Sir Aaron Klug) 发展晶体电子显微镜方法并阐明生物学上重要的核酸蛋白质复合物结构 1982年化学奖,维兰德 (1877-1957

18、, Heinrich O. Wieland) 测定了胆酸及同类物质的化学结构 1927年化学奖,费舍尔(1881-1945, Hans Fischer) 测定了血红素和叶绿素的分子结构 1930年化学奖,巴顿 (1918-1998, Derek H. R. Barton) 哈塞尔(18971981, Odd Hassel ) 提出了“构象”概念 1969年化学奖,4. 其它结构研究,桑格(1918-2013, Frederic Sanger) 1958年因蛋白质特别是胰岛素结构的工作 1980年测定核酸中碱基序列 两次获化学奖,克里克(1916-2004, Francis H.C. Crick

19、 ) 沃森(1928-, James D. Watson) 威尔金斯 (1916-2004, Maurice H.F. Wilkins) 发现核酸结构 1962年生物医学奖,佩鲁兹(1914-2002, Max Perutz) 肯德鲁(1917-1997 Sir John Kendrew) X衍射研究发现球蛋白结构 1962 年化学奖,霍奇金(1910-1994, Dorothy C. Hodgkin) X衍射技术测青霉素、B12结构 1964年化学奖 赫茨伯格(1904-1999, Gerhard Herzberg) 用分子光谱法研究分子(特别是自由基) 电子结构和几何形状。1971年化学奖

20、 利普斯科姆(1919-2011, William N. Lipscomb) 硼烷分子结构及化学键, 1976年化学奖,戴森霍弗(1943-, Johann Deisenhofer) 休伯(1937-, Rober Huber) 米歇尔(1948-, Hartmut Michel) 测定光合作用反应中心的三维结构 1988年化学奖,科尔(1933-,Robert F. Curl Jr) 克罗托(1939-, Harold W. Kroto) 斯莫利(1943-2005 Richard E. Smalley) 富勒烯的发现 1996年化学奖,博耶(1918-, Paul D. Boyer) 沃克

21、(1941-, John E.Walker) 斯科(1918- Jens C. Skou) ATP方面的研究 1997 年化学奖,阿格雷(1949-, Peter Agre) 发现水通道 麦金农(1956-, Roderick MacKinnon) 研究离子通道的结构和机理 2003年化学奖,科恩伯格(1947-, Roger D. Kornberg ) 真核转录的分子基础 2006年化学奖,拉马克里希南 (1952-, V. Ramakrishnan) 施泰茨 (1940-, Thomas A. Steitz) 约纳特 (1939-, Ada E. Yonath) 对核糖体结构和功能的研究

22、2009年化学奖,2010年Nobel 物理奖,在石墨烯材料方面的卓越研究,安德烈海姆 Andre Geim 1958,康斯坦丁诺沃肖洛夫 Konstantin Novoselov 1974,2011年Nobel 化学奖,丹尼尔谢克特曼 Daniel Shechtman 1941,发现准晶体,for studies of G-protein-coupled receptors,莱夫科维茨(1943-, Robert J. Lefkowitz) 克比尔卡(1955-, Brian K. Kobilka,2012年Nobel 化学奖,什么是化学？ 化学意味着什么？ 化学 合成实验？ 烧瓶、量筒、各

23、种难闻的气味,1. 结构化学与其它学科的关系,NO,三、学习结构化学的重要性,结构化学是化学各学科的理论基础,结构化学,高等无机 高等有机 结构分析 高等物化,统计、群论、量化等,结构化学是基础化学与高等化学间的阶梯,2. 结构与性能关系规律应用分子设计,结构决定着一切物质的性能，决定着一切物质的用途(化学300年经验逐步形成的信念) 性质反映结构，如果找到某类具有特殊性质物质的规律，就能设计出性能更好的分子,石墨,金刚石,Bucky Ball,Graphene,Bucky Tube,结构决定一切,霍恩伯格科恩第一定理(The Hohenberg-Kohn Theorem): 体系的基态电子密

24、度分布与体系所处外势场有一一对应关系，从而完全确定体系的所有性质,证明：反证法 设两个体系所处外势场为V1(r)和V2(r,设 非简并基态波函数分别为1和2 ，由1和2 求得相应的电子密度1(r)和2(r)，根据变分原理,如1(r)=2(r) 则有 E1+E2 E1 + E2,储氢材料,单晶硅 搀杂处理,Xeon 7500,药物分子设计,没有受体根据已有的设计效果更好的药物 找到受体根据结构设计可能的药物,四、结构化学的特点及学习方法,研究微观领域：要注意宏观、微观的本质区别与联系，微观世界运动的本性波粒二象性 结构数学：数学是手段和方法，目的是得到结论以及结论的物理意义，了解来源，不要求推导 结构与其它学科关系：是以无机、有机、高分子等化学为基础,讲他们的结构及性能。 结构理论的不完善性,科学研究路线,实验现象,模型 (数学模型,总结规律,已有知识加以阐明,Yes,No,提出假说,理论,多年检验正确,科学规律,实验验证 完善,逻辑完善,科学体系,费曼 (1918-1988, Richard P. Feynman) 1965年Nobel物理奖,我们可以设想构成“世界”运动物体的复杂阵势好象由诸神下的一场伟大的棋赛，而我们则是这场棋局的观察者。