粉末X射線衍射法監(jiān)測發(fā)光有機(jī)分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)

潘梅，王中豪

中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院，廣州 510006

X射線衍射(X-Ray Diffraction，簡稱XRD)是現(xiàn)代材料分析方法中的一種重要研究手段，在化學(xué)、材料等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，相關(guān)技術(shù)發(fā)展也非常迅速[1-5]。然而，目前國內(nèi)大學(xué)開設(shè)的粉末X射線衍射實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容普遍采用經(jīng)典的物質(zhì)，如Al2O3等傳統(tǒng)氧化物材料，進(jìn)行物相鑒定和查卡比對，介紹基本的原理和方法。如果在此基礎(chǔ)上，引入粉末X射線衍射技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)和相關(guān)應(yīng)用，與目前科研和生產(chǎn)中更為實(shí)際和先進(jìn)的粉末X射線衍射技術(shù)相結(jié)合，可以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、科研思想和解決實(shí)際問題的能力。因此，探索和開展相關(guān)的粉末X射線衍射實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是十分必要的。

近年來，化合物動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化的研究引人關(guān)注，利用粉末X射線衍射技術(shù)來探測和跟蹤化合物隨外界刺激的變化而產(chǎn)生的相變過程，可以為研究其結(jié)構(gòu)組成和轉(zhuǎn)化過程提供有力的信息[6]。基于此，我們設(shè)計(jì)了利用粉末X射線衍射法監(jiān)測有機(jī)發(fā)光分子5-(2-(5-fluoro-2-hydroxyphenyl)-4,5-bis(4-fluorophenyl)-1H-imidazol-1-yl)isophthalic acid (H2hpi2cf)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化過程的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

H2hpi2cf是一例具有ESIPT的有機(jī)分子，該分子合成簡單并且具有優(yōu)異的發(fā)光性能。ESIPT分子內(nèi)同時(shí)存在質(zhì)子給體和質(zhì)子受體，在不同的條件下，質(zhì)子可以在兩個(gè)位點(diǎn)之間發(fā)生可逆的轉(zhuǎn)移。如圖1所示，在吸收紫外光之后，有機(jī)分子從醇式的基態(tài)(E)躍遷到醇式激發(fā)態(tài)(E*)，此時(shí)可以從E*躍遷回到E發(fā)射出醇式熒光，或者通過質(zhì)子轉(zhuǎn)移變?yōu)橥郊ぐl(fā)態(tài)(K*)，再從K*躍遷回酮式基態(tài)(K)并發(fā)射出酮式熒光。最后再由酮式轉(zhuǎn)變回較為穩(wěn)定的醇式，完成四能級循環(huán)過程[7]。通過在不同的溶劑中生長，H2hpi2cf可以形成5種不同晶型(B、C1、G、C、F)，每種晶型顯示出不同的熒光顏色。有趣的是，各晶型之間可以隨條件不同而相互轉(zhuǎn)化，熒光顏色也隨之變換，該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化過程可以利用粉末X射線衍射技術(shù)來證實(shí)，相關(guān)研究工作已發(fā)表[8]?；诖搜芯?，我們將部分研究設(shè)計(jì)成一個(gè)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)，目的在于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新科研思維與操作能力，使學(xué)生有機(jī)會(huì)將理論與實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)習(xí)到粉末X射線衍射儀的基本原理操作、最新技術(shù)應(yīng)用、以及數(shù)據(jù)處理與分析方法。

圖1 ESIPT分子發(fā)光機(jī)理示意圖

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1)了解粉末X射線衍射法的基本原理和技術(shù)；

(2)學(xué)習(xí)粉末X射線衍射法在化合物結(jié)構(gòu)分析和表征過程中的應(yīng)用；

(3)了解誘導(dǎo)H2hpi2cf晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的方法；

(4)測定化合物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化前后的粉末X射線衍射譜圖，分析其結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化過程。

2 實(shí)驗(yàn)原理

X射線是一種具有較短波長的高能電磁波，由原子內(nèi)層軌道中電子躍遷或高能電子減速所產(chǎn)生。X射線的波長范圍在0.01到100 ? (1 ? = 0.1 nm)之間，介于紫外線和γ射線之間。根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理和射線特點(diǎn)的不同，X射線通常分為連續(xù)光譜和特征光譜兩種。目前，大多數(shù)常見的粉末X射線衍射儀均采用Cu靶發(fā)射的特征X射線，波長為1.5418 ?。粉末X射線衍射技術(shù)已經(jīng)成為主要的材料分析測試技術(shù)之一，它具有操作簡單，樣品用量少且可回收等優(yōu)點(diǎn)[9]。

根據(jù)布拉格方程可知，每一個(gè)衍射峰位置都與一組間距為d的晶面對應(yīng)，并且衍射峰的強(qiáng)度與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，反映在衍射圖上，各種晶體的譜線都有它特定的位置、數(shù)目和強(qiáng)度[10]。

d是晶面間距，與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)；θ為入射X射線與相應(yīng)晶面的夾角；n為衍射級數(shù)；λ為X射線的波長。因此，每一種晶體的粉末衍射圖，幾乎同人的指紋一樣，其衍射線的分布位置和強(qiáng)度高低有著自己的特征。

在化合物的研究過程中，并不是所有的樣品都能培養(yǎng)出單晶，即使培養(yǎng)出了單晶，也不值得逐個(gè)進(jìn)行X射線單晶分析，因此通過粉末X射線衍射圖的分析，可以獲得關(guān)于物相和結(jié)構(gòu)的有效信息。例如，關(guān)于物相是已知相還是新相？是否為系列化合物的類質(zhì)同晶結(jié)構(gòu)？通過粉末衍射譜圖的分析，例如通過其與單晶結(jié)構(gòu)所得的模擬譜圖對比，判斷所得粉末樣品的相純度；通過粉末X射線衍射結(jié)構(gòu)分析，了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)微小變化[11]。

如圖2a所示的化合物H2hpi2cf為一例ESIPT型有機(jī)小分子，具有獨(dú)特的四能級結(jié)構(gòu)(E→E*→K*→K→E)和醇式(E)-酮式(K)互變帶來的雙發(fā)射特性。在不同極性的溶劑體系中，H2hpi2cf分子能夠產(chǎn)生具有不同強(qiáng)度和發(fā)光色域的醇式和酮式發(fā)光。如圖2所示，在不同的溶劑條件下，H2hpi2cf可以得到5種晶型(B、C1、G、C、F)，各晶型之間可以根據(jù)醇類蒸氣環(huán)境的不同而互相發(fā)生可逆的轉(zhuǎn)化，并且不同的晶型能夠產(chǎn)生不同顏色的熒光(圖2b和2c)。

圖2 (a) H2hpi2cf分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)；(b)粉末樣品的歸一化光致發(fā)光光譜；(c)不同構(gòu)型的H2hpi2cf單晶的發(fā)光照片

通過單晶X射線衍射確定的五種晶體的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息見圖3和表1。在B晶型晶體中，H2hpi2cf的羥基與乙醇溶劑分子的氧原子形成分子間氫鍵，這種氫鍵阻礙了h2hpi2cf分子內(nèi)的ESIPT過程，并最終導(dǎo)致具有更高能量的醇式發(fā)光。因此，B型晶體的熒光顏色為藍(lán)色。而在C、C1、G和F中，ESIPT活性位點(diǎn)周圍沒有形成明顯的氫鍵，因此它們的發(fā)光通常是與酮式相關(guān)的，發(fā)光顏色與B型晶體相比呈紅移。相比之下，異丙醇的相互作用進(jìn)一步降低了h2hpi2cf分子的激發(fā)能態(tài)，導(dǎo)致G型晶體產(chǎn)生綠色熒光。各類型晶型的生長方法如下：將500 mg H2hpi2cf粉末溶解于1 mL加熱的DMF (160 °C)中，加入15 mL乙醇，自然冷卻靜置一晚，得B型塊狀結(jié)晶；用類似的方法得到C型和G型晶體，只是將乙醇改為甲醇(C型)和異丙醇(G型)。向試管底加入2 mL水，然后依次加入4 mL混合溶液(V(DMF) : V(水) = 50 : 50)和2 mL B-H2hpi2cf溶液(0.1 mmol，0.0649 g)，小心地將DMF溶液加入試管中。在室溫下分層一周后，從中液層得到C1型片狀晶體。將C1型晶體在水中浸泡數(shù)周后得到F晶型。

圖3 H2hpi2cf晶體不同形式的晶體結(jié)構(gòu)和典型的超分子相互作用

表1 晶體B、C1、C、G和F的晶體學(xué)和結(jié)構(gòu)精修數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 主要儀器和試劑

3.1.1 儀器

Bruker D8粉末衍射儀、水浴加熱鍋、紫外手電筒、硅板；瑪瑙研缽、1 mL樣品瓶、10 mL樣品瓶、藥匙、滴管。

3.1.2 試劑

H2hpi2cf的C1晶型粉末樣品(實(shí)驗(yàn)員提前準(zhǔn)備)、無水乙醇(分析純，≥ 99.7%)、甲醇(分析純，≥ 99.5%)、異丙醇(分析純，≥ 99.7%)。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)將H2hpi2cf的C1晶型粉末樣品在瑪瑙研缽中充分研磨，壓入樣品槽中，樣品表面要求平整光滑。

(2)將樣品槽加在測角儀中央的樣品臺上，對準(zhǔn)基準(zhǔn)線。

(3)參閱粉末X射線衍射儀說明書，嚴(yán)格按步驟開啟儀器，打開測量軟件，設(shè)定測量的角度范圍、數(shù)據(jù)保存的文件名等基本參數(shù)后，開始測量，保存測量數(shù)據(jù)到指定文件。

(4) (a)將少量H2hpi2cf的C1晶型粉末樣品加入1 mL樣品瓶中(不需要蓋上瓶蓋)，再將1 mL樣品瓶放入盛有3 mL無水乙醇的10 mL樣品瓶中。注意控制乙醇溶液不接觸樣品，蓋上10 mL樣品瓶瓶蓋。用水浴鍋加熱無水乙醇，加快溶劑揮發(fā)，用所產(chǎn)生的乙醇蒸氣熏蒸粉末樣品。約6 min后，觀察到H2hpi2cf粉末由C1晶型(青色熒光)變?yōu)锽晶型(藍(lán)色熒光)。取少量樣品，重復(fù)步驟1-3，測得H2hpi2cf的B晶型粉末衍射圖。(b)將盛有轉(zhuǎn)化后B晶型粉末的1 mL樣品瓶(不需要蓋上瓶蓋)放入盛有3 mL甲醇的10 mL樣品瓶中，蓋上10 mL樣品瓶瓶蓋。用甲醇蒸氣熏蒸晶體粉末，在加熱的條件下，約13 min后，觀察到H2hpi2cf粉末由B晶型(藍(lán)色熒光)變?yōu)镃晶型(青色熒光)。取少量樣品，重復(fù)步驟1-3，測得H2hpi2cf的C晶型粉末衍射圖。

(5)將上述過程中的無水乙醇用異丙醇代替，其他條件相同，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。用異丙醇蒸氣熏蒸H2hpi2cf的C1晶型粉末，約6 min后，觀察到樣品由C1晶型(青色熒光)變?yōu)镚晶型(綠色熒光)。用甲醇蒸氣熏蒸轉(zhuǎn)化后的G晶型粉末，約13 min后，觀察到樣品由G晶型(綠色熒光)變?yōu)镃晶型(青色熒光)。分別測得G晶型和C晶型的粉末衍射圖。

4 數(shù)據(jù)分析與討論

在實(shí)驗(yàn)過程中，可以利用手提式紫外燈對熏蒸前后的樣品進(jìn)行輻照，可以直觀地觀察到粉末樣品熒光顏色的改變，并以此來判斷樣品的晶型轉(zhuǎn)換是否完全。

如圖4所示，C1晶型的H2hpi2cf粉末樣品在365 nm的紫外燈照射下呈現(xiàn)出青色的發(fā)光，將其用無水乙醇或者異丙醇溶劑熏蒸后得到的樣品分別呈現(xiàn)出藍(lán)色和綠色的發(fā)光，再用甲醇對這兩種粉末進(jìn)行熏蒸，得到的樣品都呈現(xiàn)出青色的發(fā)光，因此可以判斷出H2hpi2cf在溶劑熏蒸的過程中產(chǎn)生了晶型的改變。

圖4 H2hpi2cf在三種醇類溶劑中的晶體構(gòu)型和熒光轉(zhuǎn)換過程

通過粉末X射線衍射儀測得轉(zhuǎn)換前后的衍射圖譜并與相應(yīng)的單晶數(shù)據(jù)模擬出來的圖譜進(jìn)行對比(圖5和6) (單晶模擬數(shù)據(jù)由指導(dǎo)教師給出)，可以清晰地發(fā)現(xiàn)樣品在不同溶劑熏蒸后進(jìn)行發(fā)生了明顯的改變。C1晶型和B晶型都在2θ為7.42°處出現(xiàn)最強(qiáng)的衍射峰，其對應(yīng)的是晶面指數(shù)為(010)。但是G晶型和C晶型的最強(qiáng)衍射峰分別位于2θ為23.96和22.72°處，對應(yīng)的晶面指數(shù)分別為(202)和(131)。除此之外在2θ角度為5°-15°范圍內(nèi)，可以清晰地觀察到衍射峰位置和強(qiáng)度的變化。因此可以證明H2hpi2cf在被不同的醇類溶劑熏蒸后晶型發(fā)生了改變。不同溶劑熏蒸后的粉末衍射圖都能夠與其對應(yīng)單晶數(shù)據(jù)模擬的圖譜很好地重合，表明通過溶劑的熏蒸成功誘導(dǎo)了H2hpi2cf晶型的轉(zhuǎn)換，并且這種轉(zhuǎn)換是十分完全的。

圖5 C1晶體(a)、B晶體(b)、G晶體(c)和C晶體(d)的單晶體數(shù)據(jù)模擬(下)和研磨樣品(上)的XRD圖譜

圖6 不同醇類溶劑熏蒸后H2hpi2cf樣品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的粉末X射線衍射譜圖

5 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)和安全須知

(1)在粉末X射線衍射實(shí)驗(yàn)中，有些具體實(shí)驗(yàn)條件會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如狹縫寬度、掃描方式和速度等。在測試過程中，要根據(jù)樣品的衍射能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行選定。

(2)要注意扣除樣品槽背景峰的影響。

(3)樣品的預(yù)處理?xiàng)l件等對測試結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響，測試前要對樣品進(jìn)行充分的研磨，并保證樣品干燥。

(4)熏蒸實(shí)驗(yàn)中10 mL樣品瓶內(nèi)加入少量溶劑，足以制造溶劑蒸氣環(huán)境即可，不能加入過多的溶劑，否則可能導(dǎo)致裝有樣品的1 mL樣品瓶傾倒，樣品溶解。

6 實(shí)驗(yàn)安排和教學(xué)組織建議

該綜合實(shí)驗(yàn)課程可安排6名學(xué)生為一組，分為四個(gè)階段進(jìn)行：第一階段，指導(dǎo)教師講解并演示粉末X射線衍射儀的操作以及晶體轉(zhuǎn)換的流程，需要0.5小時(shí)；第二階段，每名學(xué)生測量一次C1晶型樣品的粉末衍射圖譜并進(jìn)行C1晶型到B晶型和C1晶型到G晶型的轉(zhuǎn)換，需要1小時(shí)；第三階段，每名學(xué)生測量轉(zhuǎn)換后的B晶型和G晶型的粉末衍射圖譜并進(jìn)行B晶型到C晶型和G晶型到C晶型的轉(zhuǎn)換，需要2小時(shí)；第四階段，每名學(xué)生測量由兩種方法轉(zhuǎn)換得到的C晶型的粉末衍射圖譜，需要2小時(shí)。合計(jì)需要5.5小時(shí)。

7 結(jié)語

在結(jié)合大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教改要求與課題組相關(guān)前期科研成果的前提下，筆者設(shè)計(jì)了面向大三學(xué)生的綜合性化學(xué)實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)新穎且實(shí)用，通過此實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生掌握粉末X射線衍射的原理、操作及最新研究應(yīng)用。通過對比轉(zhuǎn)換前后的粉末X射線衍射圖譜并結(jié)合單晶X射線衍射數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)H2hpi2cf分子的熒光顏色主要受到其分子中的羥基與溶劑分子結(jié)合情況的影響，當(dāng)羥基與溶劑分子形成了強(qiáng)烈的氫鍵作用則會(huì)抑制分子的ESIPT過程，產(chǎn)生藍(lán)色的醇式發(fā)光；反之，則更傾向于產(chǎn)生綠色的酮式發(fā)光。這一教學(xué)課程將微觀的分子結(jié)構(gòu)與宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)合起來，可以讓學(xué)生深刻體會(huì)到結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)這一觀念。本實(shí)驗(yàn)可以讓每個(gè)學(xué)生都獲得一套完整的發(fā)光有機(jī)分子相變前后的粉末X射線衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以鍛煉學(xué)生的獨(dú)立思考能力和數(shù)據(jù)分析能力。同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)到如何利用現(xiàn)代分析儀器來解決實(shí)際問題，將理論知識與實(shí)踐相結(jié)合，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索能力。