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1、结晶与添加剂有机晶体材料无机晶体材料什么是结晶与添加剂？用粉末衍射图谱确定晶体结构多晶型预测晶体外部形态的预测和控制抑制晶体生长与设计添加剂ACCelryS的模拟工具可以帮助研究人员探究、预测、改变晶体的结构与生长。可以模拟和解释晶粒的外部形态，研究关键的表面相互作用，以及设计控制晶体生长的添加剂。ACCelryS在将计算技术应用于晶体研究方面始终处于领先地位CAccelrys的MOIeCUIarCrystallizationConsortium研究计划将世界顶尖的学术专家和领先的商业研究机构集合在一起，从而推动了这项技术在有机晶体材料领域的应用和发展。有机晶体材料有机晶体材料包括药物、精细化
2、学品，以及颜料(如quinacridone,perylenered,andpigmentred)等。材料的晶体结构控制着材料的关键性质，如：颜色、生物药效率、溶解度、密度、震动敏感度等。晶体的生长外形对这些性质也有影响，同时还影响加工工艺和配方。Accelrys软件应用被称为PolymorphPredictor的先进的计算技术来预测晶体的结构。预测出的结构可以被进一步精修以使其粉末衍射图与实验数据相一致。另外，也可以使用POWderSOlVe方法，由高质量粉末衍射图谱来解晶体结构。MOrPhOlOgyPredietiOn是种基于材料的分子水平的结构来计算其晶体外形的方法,原理是用分子力学能量计
3、算来确定不同晶面的生长速率。你可以很容易地构建晶面的原子结构，图示重要的化学特性，并使用分子力学和分子动力学方法研究晶体表面与添加剂的相互作用。这种研究对设计控制结晶过程的添加剂非常有帮助。无机晶体材料上述的方法也可用于设计控制无机晶体结晶的添加剂。石油勘探、水泥固化和腐蚀防护等工业领域的研究人员，对这方面的应用尤其感兴趣。什么是结晶与添加剂？晶体是一种包含规整结构的固体，这种规整结构在三维空间重复排列，被称为晶胞，不同的晶体其晶胞的形状和大小是不一样的。结晶是化合物在溶液中形成晶体的过程。晶体的形成要经历一个称为“成核”的过程，即两个或更多的分子聚集在一起。一旦特定数目的分子聚集在一起后，相
4、互结合的力使其结构更稳定，更多的分子会附着在成核部位。有时将表面引入到溶液中，使晶体在表面上形成，这被称作“辅助成核”。当更多的分子到达成核部位并附着在暴露的晶面上时，晶体就逐渐形成了。晶体的微观结构决定了分子在哪个晶面上附着，从而决定了晶体的最终形状。计算化学可以研究晶体与结晶过程。工业生产过程中涉及到结晶的材料是多种多样的，如：染料、巧克力、水泥、药物等。对结晶过程的了解与控制对工业部门来说是非常有价值的。晶体可以形成不同的外形和不同的多晶型。晶体的生长外形是晶体形成的外部形状。晶体的形状对许多工业过程都很重要。在化工和医药工业，有无数的实例表明晶体的形状对下述过程和性质的影响： 化学品的
5、分解和药物的生物利用度 晶体产品的处理、包装和储存 加工过程中的泥浆处理、结块与过滤 研磨、碎化、制粉 密度和结构优化 石化工业的蜡化与成垢多品型是指一种分子可以形成不同的晶体结构。在不同的晶型中，晶胞中的原子的堆积方式是不一样的。多晶型对最终化合物的性质影响很大，如可以改变染料的颜色，或者是药物的药效等。添加剂经常被用来控制结晶的过程。一旦确定哪一个晶面是最主要的生长面，就可以设计特定的添加剂来控制它的生长。分子模拟技术可以用于研究添加剂的作用机制。用粉末衍射图谱确定晶体结构用粉末衍射图谱确定晶体结构是很重要的。很多情况下，使用传统的X射线单晶衍射方法确定晶体结构是不现实的。Accelrys
6、提供了一整套的建模、粉末衍射模拟以及结构精修的工具。你可以在实验衍射数据的基础上，对建立的结构模型进行精修，以使模拟的数据与实验数据相吻合。有机晶体的结构判定对研究药物、颜料、精细化学品和农用化学品等分子晶体的性质来说是非常重要的。有机晶体的结构判定对研究药物、颜料、精细化学品和农用化学品等分子晶体的性质来说是非常重要的。软件环境Accelrys的主要产品，Cerius2和MaterIalsStudio软件都提供了由粉末衍射数据确定晶体结构的优秀工具，同时也包括了全面的建模与可视化的工具。衍射模拟使用Cerius2软件的建模工具可快速建立晶体结构的模型，随后使用Cerius2的Diffract
7、ion-Crystal模块可以模拟其粉末衍射图谱。类似的功能现在也可以用基于PC的MaterialsStudio软件中的ViSUaiiZer与RefleX模块来实现。模拟的图谱可以和来自衍射仪的实验数据进行比较。可以对模型结构进行调整，并实时地监控结构的改变对衍射图样的影响-目的是使模拟的图谱与实验数据相匹配，从而判定其真实结构。结构精修只有在初始结构与真实结构非常接近，或者你只研究缺陷或取代的影响的时候，上述的手动调整方式才是可行的。C2Rietveld模块则提供了一种自动的RietVeId结构精修方法，包括了被广泛使用的DBWS和GSAS程序的高质量的图形用户界面，也包括了由衍射图谱绘制电
8、子密度图这样的功能。MaterialsStudio软件的Reflex和ReflexPlus模块则提供了一种新的、功能强大的、易用的RietVHd精修方法。粉末衍射指标化C2PowderIndexing模块以及MaterialsStudio中的ReneX模块还提供了对粉末衍射图谱进行指标化的工具，这对建立用于手动或自动精修的初始结构模型是很有帮助的。基于”计算仪器”这一理念的设计思想使软件的使用如同在使用一台真正的仪器-尤其适用于常规分析的需要。多晶型预测C2Polymorph模块可以在不需要粉末衍射数据的情况下，由分子的结构直接预测分子晶体的晶体结构。PowderSolveAccelry的MQ
9、leCUIarCryStalIizaliOnConsortium发展计划开发了一整套的由粉末衍射谱图确定晶体结构的方法。现在，这些方法已被集成到基于PC的MateriaISStUdiO软件的RefIeX和RefIeXPIUS产品中了。在得到高质量的粉末衍射图谱以及一组分子碎片后，可以分三个步骤来确定晶体结构：第一步,使用CZPowdeMndexing(或MateriaISStUdiO的ReIeX)进行指标化；第二步,用C2PowderFi(或MaterialSStUdiO的ReIeX)精修晶格参数并确定峰形的最佳值与背景贡献；第三步，用C2PowderSolve(MaterialsStudio
10、的ReIeXPlUS)搜索分子碎片在晶胞中的可能构象，使最终结构的模拟衍射图样与实验数据最为接近。典型软件组合Accelrys的模块化软件环境使用户可以自由选择软件组合以满足实际研究工作的需要。一套典型的基于粉末衍射图判定晶体结构的Cerius2软件组合为： C2Visualizer C2CrystalBuilder C2Diffraction-Crystal C2PowderIndexing C2Rietveld C2Diffraction-Faulted(optionally,forinorganicframeworkstructures) C2Polymorph(optionally,f
11、ororganicmolecularstructures) C2PowderSolve在PC机上则可以使用MaterialsStudio软件，由粉末衍射图判定晶体结构MaterialsVisualizerReflexPlus(FAQ)对于希望使用InsightII软件的模拟退火功能的用户，可以采用如下模块：SolidsBuilderzSolidsAdjustment,StructureRefine,StructureSolve应用实例： CrystalStructureandShapeinMolecularSolids SolvingAnInorganicCrystalStructureUsi
12、ngPowderDiffractionData PowderSolve:I-MethylfluorenezP-MethoxybenzoicAcidzRedFluorescein,O-ThymoticAcid,Formylureaz4-Toluenesulfonylhydrazinez3-Chloro-tans-cinnamicAcid,/-GlutamicAcid(a&bforms),AIGH(a&bforms),SodiumChloroacetate,Cimetidine,Ph2P(O).(CH2)71P(O)Ph2 StructureDeterminationbyPowderDiffrac
13、tometryRoundRobin CrystalStructureDeterminationforHydrates,HydrochlorideSalts,andMetastablePolymorphsReferences1. TheCrystalStructureofQuinacridone:AnArchetypalPigmentG.D.Potts,W.Jones,J.F.BullockfSJ.AndrewsandSJ.Maginn,JournaloftheChemicalSociety,ChemicalCommunications,pp.2565-2566(1994).2. Formati
14、onofIsomorphicDesolvates:CreatingaMolecularVacuumG.A.Stephenson,E.G.GroleaufR.L.Kleeman,W.XuandD.R.RigsbeefJournalofPharmaceuticalSciences,87:536-542(1998).3. CrystalStructureofSyndiotacticPoly(b-hydroxybutyrate)fromX-RayFibreandPoWderDiffractionAnalysesandMolecularModelingR.J.Pazur7PJ.Hocking,S.Ray
15、mondandR.H.Marchessault,Macromolecules,31:6585-6592(1998).4. PowderSolve-ACompletePackageforCrystalStructureSolutionfromPowderDiffractionPatternsG.E.Engel,S.WilkefO.K7nigfK.D.M.HarrisandF.J.J.LeusenfJournalofAppliedCrystallography,32:1169-1179(1999).5. StructureDeterminationfromConventionalPowderDif
16、fractionData:ApplicationtoHydrates,HydrochlorideSalts,andMetastablePolymorphsG.A.Stephenson,JournalofPharmaceuticalScience,89:958-966(2000).多晶型预测药物、农用化学品、颜料、染料、精细化学品以及炸药等，在其生产过程的某一个阶段，都属于有机晶体的范畴。多晶型现象对这些产品的下游开发和配方设计都有重要的影响。一种颜料晶体中的分子堆积方式。C2Polymorph可以直接由分子结构预测有机晶体的多晶型结构。一种颜料晶体中的分子堆积方式。C2Polymorph可以直
17、接由分子结构预测有机晶体的多晶型结构。不同晶型的存在对产品的许多重要性质都有影响，如：贮存期、蒸气压、溶解度、生物利用度、晶体形态、密度及震动敏感度等。尤为重要的是研究晶体产品配方的研究人员可以选择具有所需要性质的晶型，并预防其他非期望晶型的结晶的出现。为此需要了解可能存在的多晶型结构。这方面的知识对进行专利申请和注册也是很重要的。有时用单晶X射线确定晶体结构是不可能的。为了解给定分子的可能的晶型，研究人员需要将实验的手段如X射线粉末衍射数据，与计算的手段如晶格能计算，结合在一起。而建立初始结构模型的工作既费时费力，有时又得不到理想的结果。C2Polymorph如何使你受益？C2Polymor
18、phC2Polymorph可以根据有机化合物的分子结构直接预测其可能的多晶型结构。这是一项突破性的技术，使化学家可以对特定的先导化合物进行表征、性质预测以及多晶型结构的控制。C2Polymorph的输入信息，即一个或多个分子的构型，使用CeriUS2软件的建模工具可以很方便的建立。接着用户就可以使用POIymOrPh方法了。POIymorPh使用改进的MOnteCarIO模拟退火(SimUlatedannealing)方法，可以分析数以万计的可能的晶体结构，是一种快速、高效的方法，可以对所有可能的空间群进行搜索。另外,C2Polymorph还可以使用分布式计算方法进行预测。CeriUS2所提供
19、的易于使用的图形用户界面、丰富的建模工具，使PolymOrPh这项领先的技术非常易于使用。构象搜索和量子力学工具可以帮助建立初始的分子构型。对CeriUS2其他晶体模拟工具的直接调用可以建立与实验数据的联系，并实现对晶体生长和晶体结构的控制。C2PolymOrPh是一种独特的计算方法，其研究和解决的问题具有巨大的商业应用价值。应用实例： ControllingtheMorphologyofPigmentRed TheCrystalStructureofTrimelliticAnhydrideandTwoofitsSolvates CrystalStructurePredictionofSmal
20、lOrganicMolecules-aBlindTest PotentialPolymorphsofAspirin PredictingthePolymorphsofaPotentialAnti-CancerDrug PredictingthePolymorphsofPrimidoneandProgesterone PredictingPossibleCrystalStructuresforSmallOrganicMolecules PredictionofPolymorphsofthePigmentQuinacridoneReferences1. ComputerSimulationtoPr
21、edictPossibleCrystalPolymorphsP.VerwerandF.J.J.LeusenfinReviewsinComputationalChemistry,K.B.LipkowitzandD.B.BoydfEds.,WiIey-VCH:NewYork,Volume12fpp.327-365(1998).晶体外部形的预测和控制晶体的外部形态对许多工业过程来说都是非常重要的。化学与制药工业中的例子包括：化学品的分解速率，药物的生物利用度，晶体产品的处理、包装和储存，泥浆处理、结块与过滤，研磨、碎化、制粉，蜡化与成垢。晶体的外部形态与原子在晶体内部的堆积方式的关系是非常重要的。模
22、拟方法可用于研究如何通过调整内部原子的堆积方式，或通过晶体生长过程中添加剂在晶体表面的作用，而实现对晶体生长外形的控制。模拟方法可用于研究通过调整内部原子的堆积方式,或通过晶体生长过程中添加剂在晶体表面的作用，而对晶体生长外形进行控制。模拟方法可用于研究通过调整内部原子的堆积方式，或通过 晶体生长过程中添加剂在晶体 表面的作用，而对晶体生长外 形进行控制。晶体和表面建模研究晶体生长外形的第一步，是搭建晶体的固体结构，以及与晶面相关的主要表面的结构。如果晶体结构是未知的，则可以使用Accelrys的相关软件，由X射线粉末衍射数据确定晶体结构，或从头预测其多晶型结构。如果晶体结构是已知的，则可以使
23、用CeriUS2软件的模型构建工具方便地搭建晶体或表面的模型。预测晶体生长外形C2Morphology和C2HPMorphology模块提供了下面的方法预测晶体的生长外形：直接的BraVaiS-FriedelDOnnay-Harker方法，仅使用晶胞参数和对称性信息，即可根据晶面间距对可能的生长晶面进行评估。 Hartman-Perdok方法通过确定一组有强烈相互作用的相关联分子网格并计算新的分子层附着后所释放的能量，可以计算晶体的生长外形。需要注意的是Hartman-Perdok方法(C2HPMorphology)是一个独立的模块，需要单独的使用许可。 附着能(AttaChmentEnerg
24、y)方法计算在所有可能的生长表面上附着一个分子层后所释放的能量，从而预测每一个面的生长速率(从而得出最终的生长外形) 键能方法(BOndEnergy)通过只考虑Hartman-PerdOk分析中使用的分子间相互作用，来估算晶体的生长外形。 表面能(SUrfaCeEnergy)方法确定相关晶面的表面能，并预测使晶体的总表面能最低的外部形态，即平衡外部形态(equilibriummorphology),所有这些方法都可以通过Accelrys软件的具有“计算仪器”风格的用户界面实现调用。定制的添加剂一旦建立了晶体内部的原子结构与晶体的外部形态之间的关系，我们就面临着另外一个问题：即如何通过改变表面的
25、结构从而控制晶体的外部形态。通常使用定制的添加剂来进行这项工作。控制晶体生长的添加剂的设计由分子模拟的方法完成。通过设计可选择性地抑制特定晶面生长的添加剂，从而实现对晶体形态的控制。模拟的方法可以找到抑制晶面生长的添加剂，这种添加剂或者是与某一表面的结合更为紧密，或者结合入晶格后可以改变某一晶面的附着能。应用实例 ControllingtheMorphologyofPigmentRed CrystalMorphologyofExplosiveMaterials DesigningandScreeningCrystallizationAdditives EffectsofPolymorphism
26、andMorphologyontheBioavailabilityofPharmaceuticals SurfactantsandCrystallizationControl UsingAdditivestoControlMorphologyinColoredPolymorphsReferences1. TheEffectofSolventintheDeterminationofMorphology:aStudyofe-CaprolactamKJ.Roberts,E.M.WalkerandSJ.MaginnfMolecularCrystalsandLiquidCrystals,279:233-
27、240(1996).2. PhysicochemicalCharacterizationoftheOrthorhombicPolymorphofParacetamolCrystallizedfromSolutionG.NicholsandC.S.FramptonfJournalofPharmaceuticalSciences,87:684-693(1998).3. GrowthBehaviorofCrystalFacesContainingSymmetry-RelatedConnectedNets:ACaseStudyofNaphthaleneandAnthraceneR.F.P.Grimbe
28、rgenfM.F.Reedijk,H.MeekesfandP.BennemafJournalofPhysicalChemistryz102:2646-2653(1998).4. TheCrystallizationof5-Methyl-2-(2-nitrophenyl)amino-3-thiophenecarbonitrileinthePresenceofStructurallySimilarCompoundsT.B.Borchardt,J.G.StowellandS.R.ByrnfMolecularCrystalsandLiquidCrystals,313:271-276(1998).抑制晶
29、体生长与设计添加剂使用添加剂抑制有机晶体的生长在化工与制药工业中非常重要。对于化学与石油及其衍生产品的生产和运输，以及管道和空调等含水系统的正常运转来说，水垢、水泥以及腐蚀所产生的金属氧化物等无机品相生长的防止或改变也是同等重要的。现在，越来越多的科学家使用合理分子设计的方法（如分子模拟）设计特殊的添加剂来解决这些问题，从而大大地减少了传统的尝试-错误（Trial-and-eror）的实验方法所需要的极大的工作量。第一步通常是建立晶体结构的模型并预测其外部形态。这里标明了晶体生长集中的主要晶面。晶面的原子结构使用结构搭建工具，如C2SurfaceBuilder进行构建。第一步通常是建立晶体结构
30、的模型并预测其外部形态。这里标明了晶体生长集中的主要晶面。晶面的原子结构使用结构搭建工具，如C2SurfaceBuilder进行构建。使用分子画图工具可以快速构建添加剂分子的结构，使用ACCeIryS软件中的分子力学方法可以准确计算最低能量结构。准确的几何构型和原子电荷可以使用量子力学工具进行计算。一旦建立起要研究的分子和表面的结构模型，下一步即是研究其相互作用。SOIidSDOCking模块提供了寻找结合位点和分子在表面的构象的优秀的自动化工具。然后可以使用CZDiSCoVer或SOIidSSimUlation等模块研究体系的结合能与动力学行为（代表稳定性）。SOIidSSimUIatiOn
31、模块中使用的MarVin方法，可以模拟长程电荷效应和表面驰豫，对无机材料的研究非常有价值。CeriUS2软件中的C2Minimizer和C2Dynamics模块可以对表面在二维周期性边界条件下进行分子力学和分子动力学模拟。最新的应用还包括使用另外一种不同的计算方法即QSAR经验相关方法，来研究晶体生长控制的问题。应用实例： AdditiveDesigninPaintFormulation ApplyingQSARTechniquestoScaleInhibition ControllingtheSettingofCements CrystallizationInhibitionofSmallM
32、olecules-AdipicAcid DesignofCorrosionInhibitors DesigningAdditivesforScaleControl DesigningandScreeningCrystallizationAdditives PredictingtheStericStabilizingEffectofSurfactants StudyingtheActionofScaleInhibitors SurfactantsandCrystallizationControl UsingAdditivestoControlMorphologyinColoredPolymorp
33、hsReferences1. AComparisonOfBindingEnergyandMetastableZoneWidthforAdipicAcidwithVariousAdditivesA.S.MyersonandS.M.Jang,JournalofCrystalGrowth,156:459-466(1995).2. MolecularModellingoftheMechanismofActionofPhosphonateRetardersonHydratingCementsP.V.CoveneyandW.Humphries,JournaloftheChemicalSociety,Far
34、adayTransactions,92:831-841(1996).3. ComputerDesignofPerfectAdditivesforPeryleneRedP.ErkfJ.HetzeneggerandA.Boehm,EuropeanCoatingJournal,10:906-910(1997).4. MolecularDesignandTestingofOrganophosphonatesforInhibitionofCrystallizationOfEttringiteandCementHydration,P.V.CoveneyfRJ.Davey,J.L.W.GriffinandA.Whiting,ChemicalCommunicationsfpp.1467-1468(1998).
