4个案例带你看清Materials Studio在晶体结构/形貌研究中的应用

Materials Studio是全尺度材料模拟平台，它不仅拥有优异的操作界面，快捷实现模型搭建、参数设定以及结果的可视化分析，而且融合多种模拟方法，整合多达23个功能模块，实现从电子结构解析到宏观性能预测的全尺度科学研究。历经多年的发展，Materials Studio变得更加完善，更加灵活，多种应用程序接口以及脚本编写功能的添加使其能够更好的满足各类用户的研究需求。其所拥有的近400家用户涵盖材料、物理、化学、化工等多个领域，相关的研究工作在各类权威期刊上发表论文过万篇。

Materials Studio中的Polymorph predictor模块可基于分子结构来搜索其可能存在的多晶型结构；Reflex Plus模块可以基于材料粉晶X 射线、中子或者电子衍射图谱，指标化谱图，精修结构，解析材料的晶体结构，Reflex QPA可以进行定量物相分析，给出各个单相的百分比含量；Morphology模块可预测得到晶体各种可能的形貌，并可结合Forcite plus考察溶剂、杂质对晶体形貌的影响。

主要相关模块：Reflex（Plus）、Reflex QPA、Polymorph predictor、Morphology

案例一：乙氧唑磺胺晶体结构的确定：X射线粉末衍射、固体核磁共振、分子模拟相结合的解决方案

所用模块：NMR CASTEP、CASTEP、Reflex Plus、Forcite Plus、COMPASS

乙氧唑磺胺(Ethoxzolamide)是治疗水肿药物的活性成分，也是最早的碳酸酐酶抑制剂之一。其单晶生长困难，且粉晶X射线衍射(XRPD)数据难以唯一确定其晶体结构，因此，研究人员通过分子模拟将XRPD和固态核磁共振谱(SS-NMR)相结合，共同确定了乙氧唑磺胺的晶体结构。他们利用量子力学方法优化了基于XRPD的Rietveld晶修结果，并计算了相应的SS-NMR。通过与实验SS-NMR的对比，最终确认Etho_dA和Etho_uA为最可能晶体结构。不仅如此，他们还利用分子力学方法研究了单个乙氧唑磺胺分子的构象，对实验SS-NMR做出了相应的解释。这一研究将 多种方法相结合，建立了研究分子晶体结构的新思路。

乙氧唑磺胺分子的两种构象(NH2相对于苯并噻唑环的位置不同：向上构象Etho_u；向下构象Etho_d)

表1. 实验和理论计算的 13C 化学位移的对比

Reference：Testing the limits of sensitivity in a solid-state structural investigation by combined X-ray powder diffraction, solid-state NMR, and molecular modelling, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, DOI: 10.1039/c1cp21878f

案例二：新共价有机骨架材料Pd/COF-LZU1的制备、表征及在Suzuki偶联反应中的应用

所用模块：Reflex、Forcite、DMol3

共价有机骨架(COF)材料是一类新型的介孔晶体材料，在气体吸附、存储、特别是催化领域具有巨大的应用潜力。兰州大学的研究人员以均苯三甲醛和1,4-苯二胺为原料合成了新的COF-LZU1，并利用亚胺配体的特性，在COF-LZU1层间引入钯(Pd)原子，合成的Pd/COF-LZU1在Suzuki偶联反应中体现了优异的催化性能。研究中将Pawley 修正与分子模拟相结合，基于粉晶X射线衍射(XRPD)数据确定了COF-LZU1的晶胞参数，堆积方式以及层间距，克服了COF材料XRPD数据难于直接处理的问题。目前，这一确认晶体结构的方法在COF材料的研究中有着广泛的应用。

COF-LZU1可能的两种堆积方式以及对应的XRPD与实验数据的比较

a为实验XRPD数据；c为与e、f所代表的重叠堆积对应的模拟XRD谱图；d为与g、h所代表的交错堆积对应的模拟XRD谱图

Reference：Construction of Covalent Organic Framework for Catalysis: Pd/COF-LZU1 in Suzuki–Miyaura Coupling Reaction, J. Am. Chem. Soc., 2011, DOI: 10.1021/ja206846p

案例三：有机材料晶体结构的预测：针对DPP(1,4-diketo-3,6-diphenylpyrrolo(3,4-c)pyrrole)和DPPP(1,4-diketo-3,6-bis(4′-dipyridyl)-pyrrolo-[3,4-c]pyrrole)的测试

所用模块：Polymorph Predictor、 COMPASS、Reflex

颜料是LCD、OLED显示器中的关键部件。近几年对显示器件创新的需求不断增加，引起了对有机颜料的广泛研究。由于颜料的主要物理化学性质，如颜色、亮度、侵透性、耐光性等，受其晶体结构和形貌的影响，因此，韩国高丽大学的研究人员采用蒙特卡洛(MC)模拟退火法预测了橙红色颜料DPP及其具有高质子亲和力的衍生物DPPP的晶体结构，并进一步将预测晶体结构的模拟XRD图谱与实验数据进行对比，最终确定了DPP和DPPP的晶体结构，所得结果与已有实验结构一致。研究表明Polymorph Predictor和Reflex的组合能够为我们提供另一种获取分子晶体结构的有效方法。

模拟得到的DPPP的Phase I(a)和Phase II(b)的XRD谱图与实验的对比。Phase II中分子构象与实验研究结果有一定差异

Reference：Crystal structure prediction of organic materials: Tests on the 1,4-diketo-3,6-diphenylpyrrolo(3,4-c)pyrrole and 1,4-diketo-3,6-bis(4′-dipyridyl)-pyrrolo-[3,4-c]pyrrole,Dyes and Pigments., 2011,DOI:10.1016/j.dyepig.2010.08.017

案例四：杂质对于农药活性成分晶化过程的正、逆影响：基于立体化学合理性和纳米尺度晶体生长可视化的研究

所用模块：Amorphous cell、Morphology、Forcite plus

在利用溶液结晶制造精细有机化学品的过程中，合成产生的微量副产物会影响活性成分的晶体生长、提纯、分离以及产量。研究人员将分子模拟与实验相结合，研究了副产物：亚氨基二亚甲基膦酸(IMPA)、氨甲基膦酸(AMPA)及双甘膦(PIDA)对N-草甘膦(PMG)晶体生长的影响。研究利用模拟方法获得了与实验观测一致的纯PMG的晶体惯态，得到的三种副产物在PMG不同晶面的束缚能数据不仅与它们的实验分离系数相一致，而且与原位原子力显微镜相结合，揭示了PIDA对IMPA导致的PMG晶体惯态改变的逆影响机制。研究表明，分子模拟方法的使用对于深入探讨杂质影响活性成分晶化过程的分子机制有重要意义。  

PMG的晶体惯态：沿(100)和(010)取向获得的显微图像(a)和(b)；基于BFDH方法的模拟结果(c)；基于附着能方法的模拟结果，分别沿a、b轴(d,e)

表1 杂质分子在PMG晶体不同晶面的结合能（kcal/mol)

Reference：The Effect and Counter-Effect of Impurities on Crystallization of an Agrochemical Active Ingredient: Stereochemical Rationalization and Nanoscale Crystal Growth Visualization, Crystal Growth & Design., 2011, DOI:  10.1021/cg1012878  

本文整理自创腾学院，部分内容略有修改。