1、1 第二章第二章 药物的多晶型药物的多晶型 （Polymorphism of drugs）晶型（晶型（Crystallization,Crystal Structure）多晶型的形成和分类多晶型的形成和分类 晶型转换和制备晶型转换和制备 多晶型药物的理化性质多晶型药物的理化性质 多晶型的确定多晶型的确定 2一、晶型一、晶型（Crystallization,Crystal Structure）1.晶体概念晶体概念晶体是由原子、分子或离子在空间周期地排列构成的固体物质。也可以这样定义：晶体是一种具有长程、三维分子有序的固体。3物质的三种状态 固体分子间具有强的分子间作用力，互相靠得很近，成为有序度
2、很高的长程三维阵列。液体分子相互相当靠近，虽然每个分子的最近邻的数目大致相同，但不存在长程有序。气体分子相互相距很远互不相关，不存在任何有序度。42.晶体的特性2.1各向异性：晶体的物理性质随方向而变称为各向异性。电学性质电学性质 石墨电导率的测定，得到了一个石墨电导率的测定，得到了一个使人非常惊奇的结果。当石墨放在某一个使人非常惊奇的结果。当石墨放在某一个方向时，电导率是某一数值。但是将石墨方向时，电导率是某一数值。但是将石墨转动一下后，电导率的值就改变了。换言转动一下后，电导率的值就改变了。换言之，在通常意义上讲，石墨的电导率不是之，在通常意义上讲，石墨的电导率不是一个常数，它和测量的方向
3、有关。一个常数，它和测量的方向有关。5力学性质力学性质 人们熟知人们熟知,固体云母固体云母(一种硅酸盐矿物一种硅酸盐矿物)很很容易被劈为薄片容易被劈为薄片.如果我们试图于和自然的层形结如果我们试图于和自然的层形结构不平行的方向折断云母，那么它就比较牢固了。构不平行的方向折断云母，那么它就比较牢固了。通过这种方式通过这种方式,云母显示出其机械强度有极明显的云母显示出其机械强度有极明显的各向异性。各向异性。热学性质热学性质 在加热时，所有物体都膨胀。然而仔细在加热时，所有物体都膨胀。然而仔细测量固体测量固体,膨胀的量随方向而异。因此，热膨胀显膨胀的量随方向而异。因此，热膨胀显示出各向异性。在一些固
4、体中，热传导也是各向异示出各向异性。在一些固体中，热传导也是各向异性的。性的。晶体的各向异性晶体的各向异性6晶体的各向异性光学性质光学性质 如果一束光线入射到一块方解石如果一束光线入射到一块方解石(天然存天然存在的碳酸钙在的碳酸钙)上，则折射光实际上有两束而不是一束，上，则折射光实际上有两束而不是一束，这种现象称为双折射。许多半透明物体都有这种现这种现象称为双折射。许多半透明物体都有这种现象。两束折射光中只有象。两束折射光中只有束遵守束遵守Snell折射定律，这折射定律，这一束称为正常光，另一束异常光则不遵守一束称为正常光，另一束异常光则不遵守Sne11定律。定律。再者，这两束光的偏振面是不同
5、的，而且光线在物再者，这两束光的偏振面是不同的，而且光线在物体中的速度随着它在矿物中传播的方向而异。这是体中的速度随着它在矿物中传播的方向而异。这是固态中光学各向异性的一个例子。固态中光学各向异性的一个例子。7磁学性质磁学性质 在室温能自动磁化的物质称为铁磁体。在室温能自动磁化的物质称为铁磁体。铁是铁磁体的一个普通的例子。通过一定的处理铁是铁磁体的一个普通的例子。通过一定的处理可以使铁丧失磁性或使它的自动磁化度增加，将可以使铁丧失磁性或使它的自动磁化度增加，将一块没有磁化的铁放在通电的线圈中它可以重新一块没有磁化的铁放在通电的线圈中它可以重新被磁化。进一步的实验证明，使铁（或铁磁体）被磁化。进
6、一步的实验证明，使铁（或铁磁体）磁化所需能量和物体与线圈的相对朝向有关。在磁化所需能量和物体与线圈的相对朝向有关。在某些方向，铁磁体比在其他方向更为磁化，即这某些方向，铁磁体比在其他方向更为磁化，即这些物质有磁学各向异性。些物质有磁学各向异性。晶体的各向异性8 对固态的性状研究的愈多，愈发现各向对固态的性状研究的愈多，愈发现各向异性这一一般的现象是一个规律而不是一异性这一一般的现象是一个规律而不是一个例外。一般来说，绝大多数晶体的一些个例外。一般来说，绝大多数晶体的一些物理参数是各向异性的，但是另一些物理物理参数是各向异性的，但是另一些物理参数则是各向同性的。参数则是各向同性的。举例来说，固体
7、氯举例来说，固体氯化钠在光学上是各向同性的，而在力学上化钠在光学上是各向同性的，而在力学上却是各向异性的。却是各向异性的。晶体的各向异性的产生固体结构的什么特色导致了各向异性固体结构的什么特色导致了各向异性?9 宏观固体的任一物理性质最终是由宏观固体的任一物理性质最终是由组成固体的分子性质组成固体的分子性质和和个别分子在多个别分子在多分子阵列中的排列所决定。分子阵列中的排列所决定。分子的原分子的原子结构愈复杂，分子愈会显示独特的子结构愈复杂，分子愈会显示独特的性质。性质。固体结构的什么特色导致了各向异性固体结构的什么特色导致了各向异性?10HHHHClHHHHH偶极矩分子结构可以导致各向异性。
8、化学结构的变异可以导致方向性性质，如氯苯的偶极矩所示。晶体的各向异性的产生晶体的各向异性的产生先看一下组成固体的分子性质！11举例来说，如图所示甲烷比氯苯要简单得多，可举例来说，如图所示甲烷比氯苯要简单得多，可以预计两者的性质是不同的。特别是由于氯原子以预计两者的性质是不同的。特别是由于氯原子的电负性比苯基大，氯苯分子具有净的偶极矩，的电负性比苯基大，氯苯分子具有净的偶极矩，且可能和它有方向性性质有关另一方面，甲烷且可能和它有方向性性质有关另一方面，甲烷没有明显的方向性性质，它是一个高度对称的分没有明显的方向性性质，它是一个高度对称的分子。子。因此，单个分子的复杂性可以使它组成的物因此，单个分
9、子的复杂性可以使它组成的物质具有特殊的方向性性质。质具有特殊的方向性性质。甲烷与氯苯甲烷与氯苯12现在我们转入象固体那样的分子的多分子集合体!晶体的各向异性的产生我们已经知道，固体中的分子互相靠得很近，彼此之间有很强的力，可是我们目前还没有分子相互之间是如何排列的具体资料。让我们考虑氯苯分子聚集在一道的两种方式，如图：ClClClClClClClClClClClClClClClClClClClClClClClClClCl13ClClClClClClClClClClClClClClClClClClClClClClClClClCl偶极矩一个杂乱的阵列没有净的偶极矩一个有规则的阵列 存在净的偶极矩聚
10、集氯苯的两种排列方式！晶体的各向异性的产生(a)(b)14 当我们考虑当我们考虑杂乱阵列杂乱阵列的性质时，虽然每一单个分子有偶的性质时，虽然每一单个分子有偶极矩，阵列的杂乱性使得分子的偶极矩效应互相抵消。如极矩，阵列的杂乱性使得分子的偶极矩效应互相抵消。如果我们测量整个阵列的净偶极矩，结构的复杂性使得总的果我们测量整个阵列的净偶极矩，结构的复杂性使得总的偶极矩为偶极矩为零零。因为在任何一个方向都没有偶极矩，固体在。因为在任何一个方向都没有偶极矩，固体在各方面的介电常数都相同。因此，在这一点上，固体是各各方面的介电常数都相同。因此，在这一点上，固体是各向同性的。向同性的。ClClClClClCl
11、ClClClClClClClClClClClClClClClClClClClCl图(a)显示分子杂乱排列，互相间紧靠在一道，可是它们的相互位置和朝向却没有特定的格式。图(b)显示一个阵列，在其中分子有规则地聚集，它们的偶极矩互相平行。15对于对于有规则阵列有规则阵列，情况就很不一样。由于所有偶极矩都，情况就很不一样。由于所有偶极矩都是平行的，它们将互相加强，意味固体作为整体将具有是平行的，它们将互相加强，意味固体作为整体将具有净的偶极矩，它将在空间规定一个净的偶极矩，它将在空间规定一个“特殊特殊”方向。这样，方向。这样，固体的介电常数将随方向而变，即是各向异性的。固体的介电常数将随方向而变，即
12、是各向异性的。ClClClClClClClClClClClClClClCl有规则阵列有规则阵列16 两个结构都是由紧靠的氯苯分子组成。可是（两个结构都是由紧靠的氯苯分子组成。可是（a a）的杂乱性意味作为总体没有净偶极矩，宏观上是各向的杂乱性意味作为总体没有净偶极矩，宏观上是各向同性的。只有象（同性的。只有象（b b）那样一个有序的规则结构可以）那样一个有序的规则结构可以有净的偶极矩，因而在宏观上是各向异性的。这个具有净的偶极矩，因而在宏观上是各向异性的。这个具各向异性效应的阵列和上面一个各向同性的阵列之间各向异性效应的阵列和上面一个各向同性的阵列之间的差别是什么呢的差别是什么呢?前一阵列是杂
13、乱的，而后一阵列恰前一阵列是杂乱的，而后一阵列恰好相反好相反是一个高度规则的阵列，在其中分子精确是一个高度规则的阵列，在其中分子精确地互相平行。地互相平行。晶体的各向异性的产生晶体的各向异性的产生这两种结构中，哪一个是各向异性的？这两种结构中，哪一个是各向异性的？17杂乱阵列的特征是无序而第二种有规则的阵列则可杂乱阵列的特征是无序而第二种有规则的阵列则可以称为是有序的。以称为是有序的。就是这个有序，提示了各向异性就是这个有序，提示了各向异性的意义和固态的本质。固态的物理性质必定反映了的意义和固态的本质。固态的物理性质必定反映了大量的单个分子的性质。大量的单个分子的性质。因此，因此，只是当这些分
14、子以只是当这些分子以一定的、明确的方式排列成为有序的阵列，任何方一定的、明确的方式排列成为有序的阵列，任何方向性性质才会明显。向性性质才会明显。如果排列是杂乱的，则组成固如果排列是杂乱的，则组成固体的分子的任何方向性性质，将因分子相互之间的体的分子的任何方向性性质，将因分子相互之间的朝向和位置的杂乱无规则，平均后为零。朝向和位置的杂乱无规则，平均后为零。因此，只因此，只当分子排列得规则而有序时，才可能有各向异性。当分子排列得规则而有序时，才可能有各向异性。晶体的各向异性的产生晶体的各向异性的产生18ClClClClClClClClClClClClClClClClClClClClClClClCl
15、 事实上我们很容易设想一个有序的，却没有净的偶极矩的氯苯分子的阵列，如图所示。是不是所有排列良好的阵列都一定表现出各向异性？是不是所有排列良好的阵列都一定表现出各向异性？可见氯苯分子的朝向交替排可见氯苯分子的朝向交替排列。由于分子的偶极矩成对地列。由于分子的偶极矩成对地互相抵消，集合体作为整体没互相抵消，集合体作为整体没有净的偶极矩。因此，各方向有净的偶极矩。因此，各方向的偶极矩都将为零。也就是说，的偶极矩都将为零。也就是说，对介电常数而言，是各向同性对介电常数而言，是各向同性的。因此说，所有有序阵列都的。因此说，所有有序阵列都是各向异性的是错误的，但无是各向异性的是错误的，但无疑，所有疑，所
16、有各向异性的物体都有各向异性的物体都有有序结构。有序结构。晶体的各向异性19结结 论论固体三维、长程、有序三维、长程、有序晶体各向异性性各向异性性各向同性性各向同性性有有 序序202.晶体的特性2.2 对称性 有序度良好、形状规则的物体最重要的性质之一是对称性。考虑图描绘的立方体为例子。如果立方体绕着一根穿过其中心并和其一对表面垂直的轴旋转90o。旋转后的立方体的位置和旋转前的是很难分辨的。212.晶体的特性2.2.对对X-X-射线衍射性射线衍射性 研究晶体分子三维阵列的几何性质和分子本身性研究晶体分子三维阵列的几何性质和分子本身性质最有用的技术是质最有用的技术是X X射线衍射，它是提供分子结
17、构射线衍射，它是提供分子结构详细资料的唯一方法。详细资料的唯一方法。问题：1.什么是X射线？2.什么是衍射？3.晶体X射线衍射的意义？4.衍射与信息？221.什么是X射线？是波长处在0.11.0 nm（110，1010109m）之间的一种电磁辐射，这个尺度与晶体中的分子间距可相比。X射线在电磁谱中位置如图。射线雷达波可见光X射线 波长 1012 1011 1010 109 108 107 106 105 104 103 102 101 1 10 102 m 频率 3.1020 3.1018 3.1016 3.1014 3.1012 3.1010 3.108 3.106 Hz 频率 2.1021
18、 2.1019 2.1017 2.1015 2.1013 2.1011 2.109 2.107 Hz 6.1012 6.1010 6.108 6.106 6.104 6.102 6 6.10-2 m-1波 矢 量 的大小 能量E 2.10-13 2.10-15 2.10-17 2.10-19 2.10-21 2.10-23 2.10-25 2.10-27 J紫外线红外线无线电波电磁谱 23 物理学家用两个字来描述波与障碍物的相互作用。第一个字是散射，第二个字是衍射。散射是障碍物的尺寸和波动的波长可以相比时，波和障碍物的相互作用。衍射是障碍物的尺寸比波动的波长大得多时的波和障碍物的相互作用。我们
19、可以说，光波被大气中的尘埃粒子散射，可是被一个象小轴承那样的障碍物所衍射。什么是散射与衍射？什么是散射与衍射？24 现在我们考虑一个由大量的尺寸的数现在我们考虑一个由大量的尺寸的数量级为量级为1nm1nm的原子组成的晶体。晶体尺寸的原子组成的晶体。晶体尺寸的数量级为的数量级为l0mml0mm。当波长为。当波长为0.lnm0.lnm（11）的的X-X-射线和晶体相互作用时，每个原子都射线和晶体相互作用时，每个原子都将散射波，起一个散射中心的作用。晶体将散射波，起一个散射中心的作用。晶体中所有分子的散射组合起来将提供一个总中所有分子的散射组合起来将提供一个总的净效应。可以将这个总效应看作为晶体的净
20、效应。可以将这个总效应看作为晶体作为一个整体提供的效应。作为一个整体提供的效应。散射与衍射散射与衍射25 由于晶体比由于晶体比X X射线波长射线波长大大得多，我们得多，我们称称晶体衍射晶体衍射X X射线射线。我们现在看到散射是原。我们现在看到散射是原子的一种基本的性质，是子的一种基本的性质，是这些散射事件的这些散射事件的组合产生了衍射这个宏观现象组合产生了衍射这个宏观现象。严格地讲，。严格地讲，衍射本质上是宏观现象，它是许多微观散衍射本质上是宏观现象，它是许多微观散射事件的结果射事件的结果。应该注意，。应该注意，“散射散射”和和“衍射衍射”这两个字在意义上的差别常被忽这两个字在意义上的差别常被
21、忽略，它们常用来描述同一个总的物理现象。略，它们常用来描述同一个总的物理现象。散射与衍射散射与衍射26晶体X-射线衍射的意义 X-X-射线是电磁辐射的一种形式。光本身也是一种形式的射线是电磁辐射的一种形式。光本身也是一种形式的电磁辐射，其波长在电磁辐射，其波长在400400nmnm（紫色紫色）和）和800800nmnm（红色红色）之间。）之间。由于光是一种波动，那么：由于光是一种波动，那么：“为什么我们不能用光波来研究晶体的结构?”。27 我们来考虑这样一个类比我们来考虑这样一个类比，如果有一艘，如果有一艘5 5m m长长的船的船在海上，海浪传过水面，它们可以很明显地分为在海上，海浪传过水面，
22、它们可以很明显地分为两类。第一类是从大洋来的浪，波长通常很长，两类。第一类是从大洋来的浪，波长通常很长，约为约为2020或或3030m m。第二类是表面纹波，如同将一块石。第二类是表面纹波，如同将一块石头抛过船舷落入水中时产生的那样。当长波长的头抛过船舷落入水中时产生的那样。当长波长的海浪到达小船时，海浪只是通过小船的下面，船海浪到达小船时，海浪只是通过小船的下面，船浮在波的上面可是短波长的纹波则如图所示，浮在波的上面可是短波长的纹波则如图所示，被船反射被船反射。一个类比一个类比28 一个观察者如果看不见小船（例如有雾时），但是可以探测水波，将可以记录到波长短的纹波被反射，而长波长的海浪则不受
23、干扰地向前传播。因为小船的存在对长波长的海浪没有明显影响，一个只探测这种长浪的观察者将不能发现有小船存在。如果他能探测表面纹波，他将观察到反射波，从而推断有小船存在。晶体X射线衍射的意义29 我们的系统由一个障碍物我们的系统由一个障碍物 (小船小船)组成，它经受组成，它经受两种波动。其中之一（海浪）的波长和小船的长两种波动。其中之一（海浪）的波长和小船的长度相比是长的，另一种度相比是长的，另一种 (表面纹波表面纹波)则是短的。长则是短的。长波长的扰动通过障碍后，它的性状几乎没有变化，波长的扰动通过障碍后，它的性状几乎没有变化，可是短波长的波却被障碍物所干扰，出现散射可是短波长的波却被障碍物所干
24、扰，出现散射（或反射）。（或反射）。有意义的是障碍物的尺寸（即障碍有意义的是障碍物的尺寸（即障碍物的有效线性尺度）和与障碍物相互作用的波动物的有效线性尺度）和与障碍物相互作用的波动的尺寸之间的相对关系。的尺寸之间的相对关系。这个例子的物理意义可以这个例子的物理意义可以这样解释：这样解释：30 我们的例子使我们能作如下的概括：当一个障碍物我们的例子使我们能作如下的概括：当一个障碍物和波动相互作用时，相互作用的性质决定于波的波和波动相互作用时，相互作用的性质决定于波的波长和障碍物尺寸的相对大小。如果波长比障碍物的长和障碍物尺寸的相对大小。如果波长比障碍物的有效线性尺度大得多，障碍物对波的性状的影响
25、就有效线性尺度大得多，障碍物对波的性状的影响就很小。如果波动的波长比障碍物的有效线性尺度很小。如果波动的波长比障碍物的有效线性尺度小小或可相比拟或可相比拟，那么，波的性状就要受到相当大的影那么，波的性状就要受到相当大的影响，诸如反射（或散射）这种事件就会发生。响，诸如反射（或散射）这种事件就会发生。这个例子的物理意义可以这个例子的物理意义可以这样解释：这样解释：31 如果我们想利用物体对波动的影响来研如果我们想利用物体对波动的影响来研究一个物体；那么究一个物体；那么我们必须选择一种波形，我们必须选择一种波形，它的波长比障碍物中的有效线性尺度要小它的波长比障碍物中的有效线性尺度要小或者可相比拟或
26、者可相比拟。只在这种情况下，物体对。只在这种情况下，物体对波动才会有明显的作用。从这个效应我们波动才会有明显的作用。从这个效应我们可以推导关于可以推导关于障碍物的信息障碍物的信息。此例我们可以看出这样的问题此例我们可以看出这样的问题:32 让我们将这种想法用到晶体的情况中去。让我们将这种想法用到晶体的情况中去。晶体有两个有意义的线性尺度。一个是晶晶体有两个有意义的线性尺度。一个是晶体本身的宏观长度，我们可以取其典型值体本身的宏观长度，我们可以取其典型值为为1010mmmm。另一个有意义的线性尺度是晶体。另一个有意义的线性尺度是晶体中分子间的间距，我们预期它和分子的大中分子间的间距，我们预期它和
27、分子的大小范围相同，约为小范围相同，约为1 1nmnm。为什么不能用光波来研究晶体的结构?33 现在我们将晶体放在波长为现在我们将晶体放在波长为600600nmnm（相当于黄光）光束的光路中。（相当于黄光）光束的光路中。光线光线的波长比晶体的宏观尺寸约小的波长比晶体的宏观尺寸约小104104倍，倍，但比分子间的间距大但比分子间的间距大103103倍倍。用上面引。用上面引入的概念，入的概念，宏观的晶体大小会对光波宏观的晶体大小会对光波有影响，但分子间的间距对它不会有有影响，但分子间的间距对它不会有明显的干扰明显的干扰。为什么不能用光波来研究晶体的结构?34 光线光线只能只能“看见看见”作为一个整
28、体的晶作为一个整体的晶体，看不见分子尺度的结构体，看不见分子尺度的结构。因此，从。因此，从晶体对一束黄光的影响，我们只能探测晶体对一束黄光的影响，我们只能探测它的宏观特征，得不到有关分子结构的它的宏观特征，得不到有关分子结构的信息。因此，信息。因此，对于研究晶体详细的分子对于研究晶体详细的分子结构来说，光线这种波动是不适用的。结构来说，光线这种波动是不适用的。35 如果我们将晶体放在一束如果我们将晶体放在一束X-X-射线中，射线中，情况就不一样了。情况就不一样了。X-X-射线波长的数量射线波长的数量级为级为0.1nm0.1nm，和晶体中的分子间距可以，和晶体中的分子间距可以相比。因此，我们可以
29、预测，分子尺相比。因此，我们可以预测，分子尺度的结构，对度的结构，对X-X-射线会有很大的影响。射线会有很大的影响。从衍射的性质可以测定晶体的分子结构 36再者，再者，分子三维阵列的有序度意味任一分子分子三维阵列的有序度意味任一分子对对X-X-射线的影响，在整个晶体中以有规则的射线的影响，在整个晶体中以有规则的方式重复方式重复。这样，单个分子的效应就大大放这样，单个分子的效应就大大放大了，因而可以观察到的总的效应就比较大大了，因而可以观察到的总的效应就比较大。事实也确是如此。事实也确是如此。分子结构和一个晶体的结分子结构和一个晶体的结构的效应是使构的效应是使X-X-射线发生衍射。从衍射的性射线
30、发生衍射。从衍射的性质可以测定晶体的分子结构质可以测定晶体的分子结构。37衍射与信息衍射与信息 让我们将这些想法用到让我们将这些想法用到X-X-射线被晶体射线被晶体衍射的例子。入射到晶体的衍射的例子。入射到晶体的X X射线发生射线发生衍射，将衍射图形记录下来，譬如说，衍射，将衍射图形记录下来，譬如说，记录在一张照相底版上。衍射图形的记录在一张照相底版上。衍射图形的细节只决定于障碍物的性质。在本例细节只决定于障碍物的性质。在本例中，障碍物是包含某些有中，障碍物是包含某些有序度完好的、序度完好的、在三维阵列中的分子的晶体在三维阵列中的分子的晶体。38 因此，因此，衍射波既包含关于衍射波既包含关于分
31、子的性质分子的性质的信的信息，又包含分子在息，又包含分子在空间中如何装配空间中如何装配的信息。的信息。在衍射图形中，这些信息是以复杂的方式提在衍射图形中，这些信息是以复杂的方式提供的，不过我们知道，信息确是在里面供的，不过我们知道，信息确是在里面。如如果我们知道衍射现象所遵守的规则，如果我果我们知道衍射现象所遵守的规则，如果我们用正确的方式去检查衍射照片，我们将有们用正确的方式去检查衍射照片，我们将有可能从衍射照片中抽提出有关的信息，利用可能从衍射照片中抽提出有关的信息，利用这些信息我们可以这些信息我们可以重建障碍物重建障碍物。衍射与信息衍射与信息39 这正是这正是X-射线衍射实验要做射线衍射
32、实验要做的事情。通过检查的事情。通过检查X-射线衍射射线衍射照片，我们可以获得恰当的信息，照片，我们可以获得恰当的信息，从这些信息，我们可以推导出从这些信息，我们可以推导出晶晶体参数和晶体中分子的结构体参数和晶体中分子的结构。衍射与信息衍射与信息40 当一个波和一个障碍物相互作用时当一个波和一个障碍物相互作用时发生衍射。衍射的发生衍射。衍射的详细性状详细性状只决定于只决定于衍射障碍物衍射障碍物。因此，。因此，衍射波可以看作衍射波可以看作是包含有障碍物结构的信息是包含有障碍物结构的信息。X-X-射线射线结晶学的目的是检查被晶体所衍射的结晶学的目的是检查被晶体所衍射的X-X-射线，从而决定晶体结构
33、。射线，从而决定晶体结构。上述论证可以描述为：上述论证可以描述为：41 X-X-射线结晶学的目的是射线结晶学的目的是检查被晶体所衍射的检查被晶体所衍射的X-X-射射线，从而决定晶体结构。线，从而决定晶体结构。结论结论422.4 点阵结构基本理论2.4.1 点阵结构与晶体 前述我们已经清楚物质结晶态的特征是长程、三维的有序。因为只有这样假定我们才能解释晶体所呈现的性质。在本章中我们将更仔细地分析这个模型，因而我们能够用数学方式来给晶体或晶体的几何形状分类。43 第一项任务是研究晶体三维有序的本质。存在长程有序意味有一些基本的基础结构在空间一再重复。明确地说，我们要回答的问题是：“晶体结构怎样和其
34、基本的重复单位相关联?”如果我们检查一些有序结构的构造方式，这个问题就容易理解了。点阵结构与晶体44 为了能在印面上清楚地为了能在印面上清楚地表示图形，我们暂时先表示图形，我们暂时先考虑二维的例子，然后考虑二维的例子，然后将讨论推广到三维。将讨论推广到三维。三个二维三个二维“晶体晶体”。每。每个图都是不同的，但是个图都是不同的，但是具有相同的内在矩形结具有相同的内在矩形结构构。点阵结构与晶体点阵结构与晶体45 图形（图形（a a）是单个单位的有规则的）是单个单位的有规则的重复。图形（重复。图形（b b）是由二重单位组成。）是由二重单位组成。图形（图形（c c）是由三重单位组成。假定）是由三重单
35、位组成。假定我们现在不是注意重复单位本身而我们现在不是注意重复单位本身而是注意每个重复单位相对于其它单是注意每个重复单位相对于其它单位是如何排布的。位是如何排布的。点阵结构与晶体点阵结构与晶体46 为做到这一点，我们可以用一个点来代为做到这一点，我们可以用一个点来代替每个重复单位，如果每个点放的位置，替每个重复单位，如果每个点放的位置，相对于重复单元而言，正好是同一位置，相对于重复单元而言，正好是同一位置，那么我们可以将重复单位拿掉，剩下代那么我们可以将重复单位拿掉，剩下代表重复单位的内在关系的点的二维阵列。表重复单位的内在关系的点的二维阵列。如果我们对前图中每个图形都这样做了，如果我们对前图
36、中每个图形都这样做了，就得到如下图所示的点的二维阵列。就得到如下图所示的点的二维阵列。点阵结构与晶体47 (a)(b)(c)只要将重复单位按照点的位置放上去，我们就只要将重复单位按照点的位置放上去，我们就可以从点的阵列重建前面的任一图象。我们将在可以从点的阵列重建前面的任一图象。我们将在空间有规则地重复的结构称为型主，规定型主间空间有规则地重复的结构称为型主，规定型主间的几何关系的点在概念上的阵列为点阵。的几何关系的点在概念上的阵列为点阵。型主与点阵型主与点阵48 型主是在空间中有规则地重复的结构单位型主是在空间中有规则地重复的结构单位,型主的结构可以是相当复杂的型主的结构可以是相当复杂的,型
37、主的性质型主的性质决定于在空间中形成的总的图形的形式决定于在空间中形成的总的图形的形式,型型主并不一定是单个分子。举例来说，在图主并不一定是单个分子。举例来说，在图 (a)(a)中，型主是简单的，而在图中，型主是简单的，而在图(c)(c)中，型主是比中，型主是比较复杂的。这一点和晶体的关系是在晶体中，较复杂的。这一点和晶体的关系是在晶体中，型主可能是由几个分子或离子组成的群，或型主可能是由几个分子或离子组成的群，或适合于描写总的几何排列的任何其它东西。适合于描写总的几何排列的任何其它东西。型主与点阵49 点阵是空间中点在概念上的阵列，它用来规定一个结构的型主间的几何关系,一当我们选定了点阵点和
38、型主的某个关系以后，所有的点阵点就一定要用这个关系。类似的，当我们从点阵和型主重建结构时，必须保证型主相对于每一个点阵点的位置严格一致。型主与点阵50 当考虑三维的情况时，情形完全相似，当考虑三维的情况时，情形完全相似，不过比较难于在一张纸上表示出来。任何不过比较难于在一张纸上表示出来。任何一个晶体都有定义明确的重复单位一个晶体都有定义明确的重复单位型主，型主，每个型主都是和一个点阵相连，因而总的每个型主都是和一个点阵相连，因而总的点阵是一个三维阵列，常常称为空间点阵。点阵是一个三维阵列，常常称为空间点阵。用这种方法，我们可以在概念上将一个晶用这种方法，我们可以在概念上将一个晶体看作是这样一个
39、方程式：体看作是这样一个方程式：晶体结构=点阵*型主51 符号*可看作是表示“与相联系”。点阵是和晶体形状的精确几何学有关的一个点阵是和晶体形状的精确几何学有关的一个抽象概念，型主则是一个高度专一的实体，它抽象概念，型主则是一个高度专一的实体，它涉及分子的局部排布和分子本身的结构。很清涉及分子的局部排布和分子本身的结构。很清楚，因为点阵只是一种几何表示，可能有许多楚，因为点阵只是一种几何表示，可能有许多不同的晶体，它们的点阵都相同，只是型主不不同的晶体，它们的点阵都相同，只是型主不同。我们可以按照点阵的型式来给晶体结构分同。我们可以按照点阵的型式来给晶体结构分类。类。晶体结构=点阵*型主52
40、从信息的观点来看，将晶体结构分解为点从信息的观点来看，将晶体结构分解为点阵和型主，如概念性的阵和型主，如概念性的“方程式方程式”所表示的所表示的那样，是相当重要的。显然，有两个问题和那样，是相当重要的。显然，有两个问题和晶体的研究有关晶体的研究有关(如题）。第一个问题是关如题）。第一个问题是关于型主的，而第二个问题则是关于点阵的本于型主的，而第二个问题则是关于点阵的本质的。这两个问题相互之间的关系不大，知质的。这两个问题相互之间的关系不大，知道了一个问题的答案对于另一个问题的答案道了一个问题的答案对于另一个问题的答案可以不提供任何信息。可以不提供任何信息。晶体中分子的结构是怎样的晶体中分子的结
41、构是怎样的?决定分子在空间中排布的几何阵列的本质是什么决定分子在空间中排布的几何阵列的本质是什么?53 在实际中，大多数生物学家有兴在实际中，大多数生物学家有兴趣的是：例如蛋白分子的结构，趣的是：例如蛋白分子的结构，因此更直接地涉及到的是第一个因此更直接地涉及到的是第一个问题。可是物理学家和矿物学家问题。可是物理学家和矿物学家可能对第二个问题更感兴趣。可能对第二个问题更感兴趣。54 这两个问题是相互独立的这这两个问题是相互独立的这个事实的意思是，在任何设计个事实的意思是，在任何设计来研究晶体结构的实验中，我来研究晶体结构的实验中，我们用来推导出一个问题的解答们用来推导出一个问题的解答的实验数据
42、和用来解答另一个的实验数据和用来解答另一个问题的是不同的。问题的是不同的。55换言之，换言之，当我们查看一个当我们查看一个X-X-射线衍射实射线衍射实验的结果时，有关点阵的信息和有关型验的结果时，有关点阵的信息和有关型主的信息呈现的方式是不同的。主的信息呈现的方式是不同的。这一点这一点告诉我们，告诉我们，察看衍射图象的某些特点，察看衍射图象的某些特点，我们可能描绘出点阵，而只有通过对衍我们可能描绘出点阵，而只有通过对衍射图形的另一些特点的研究，才有可能射图形的另一些特点的研究，才有可能决定型主。决定型主。562.4.2 点阵结构与晶体的集合 形状分类 晶体有无数个晶胞组成晶体有无数个晶胞组成，
43、一个晶胞的每一个角上都是一个点阵点：cba 一般的三维晶胞，显示结晶学轴一般的三维晶胞，显示结晶学轴a a、b b和和c c以及结以及结晶学角晶学角、和和。晶胞的体积晶胞的体积V V（V=aV=abc bc）57 为了满足充满空间这一要求，可能存在的点阵数只有14种是允许的,如图它们称为布喇菲点阵。按照晶胞的总的对称性，它们可以归为七个晶系。六角 三角 立方 单斜 三斜 58四角晶系 正交晶系 七个晶系59特 征 对 称 元 素 晶 胞 晶 型 立 方 六 方 四 方 三 方 正 交 单 斜 三 斜 晶 系 晶 系 晶 系 晶 系 晶 系 晶 系 晶 系 四个按立方体的对角线取向的三重旋转轴
44、六重旋转轴或反轴 四重旋转轴或反轴 三重旋转轴或反轴 两个互相垂直的镜面或三个互相垂直的二重旋转轴 二重旋转轴或镜面 无 x=yz=90=120 x=y=z=90 x=yz=90 x=y=z=90 xyz=90 xyz=90 xyz90 七大晶系6061二、多晶型的形成和分类二、多晶型的形成和分类1 1晶型晶型 晶型晶型(crystalline forms,(crystalline forms,polymorphs)polymorphs)是指结晶物质晶格内是指结晶物质晶格内分子的排列形式。分子的排列形式。由于分子间力由于分子间力和分子构象的影响，和分子构象的影响，有机化合物有机化合物分子在晶格
45、内的排列不可能象无分子在晶格内的排列不可能象无机离子等类球体粒子的排列那样机离子等类球体粒子的排列那样规整和一致，例如图中最简单的规整和一致，例如图中最简单的L L型长链模型分子至少可以出现两型长链模型分子至少可以出现两种排列种排列a a和和b b，虽然，虽然a a和和b b两者都能两者都能够达到短程有序和长程有序，但够达到短程有序和长程有序，但是是分子间的距离分子间的距离L L和和分子间作用力很分子间作用力很明显会有一定的差别。明显会有一定的差别。多晶型形成的示意图多晶型形成的示意图 62 在另一方面，正因为分子的排列不同，在另一方面，正因为分子的排列不同，不同晶型中的分子也会因相互极化作用
46、不同晶型中的分子也会因相互极化作用而发生形状的差异而发生形状的差异，主要是分子的，主要是分子的共振共振结构变化、某些共价键的旋转、键长变结构变化、某些共价键的旋转、键长变化和键角的微小扭曲化和键角的微小扭曲等。所以，晶型之等。所以，晶型之间的差异实质上是结晶的基本单元间的差异实质上是结晶的基本单元晶晶胞微观结构上的差异。胞微观结构上的差异。同质多晶现象同质多晶现象(polymorphism)(polymorphism)63 同一种物质的分子能够形成多同一种物质的分子能够形成多种晶型的现象即称为同质多晶种晶型的现象即称为同质多晶现象现象(polymorphism)polymorphism)。当物
47、质当物质被溶解或熔融后晶格结构被破被溶解或熔融后晶格结构被破坏，多晶型现象也就消失。坏，多晶型现象也就消失。同质多晶现象同质多晶现象64 晶型不同于晶癖晶型不同于晶癖(crystalline habits)(crystalline habits)。晶癖晶癖(或称晶形或称晶形)是指结晶的外观形状是指结晶的外观形状。在。在不同的结晶条件下，由于晶胞在生长过程不同的结晶条件下，由于晶胞在生长过程中优先生长面不相同，同一晶型的物质可中优先生长面不相同，同一晶型的物质可以有多种不同形状的结晶，如常见的针状以有多种不同形状的结晶，如常见的针状结晶、片状结晶、柱状结晶等；而对于外结晶、片状结晶、柱状结晶等；
48、而对于外形相同的物质，它们的晶型却很可能完全形相同的物质，它们的晶型却很可能完全不同。不同。晶型与晶癖晶型与晶癖65 因此仅根据结晶形状不能确定晶型。换因此仅根据结晶形状不能确定晶型。换言之，言之，晶癖之间的差异是宏观外形上的差晶癖之间的差异是宏观外形上的差异，用普通光学显微镜很容易观察到各种异，用普通光学显微镜很容易观察到各种结晶形状，结晶形状，而判断晶型的差异却需要应用而判断晶型的差异却需要应用偏振显微镜、热分析、红外分光光谱或偏振显微镜、热分析、红外分光光谱或x x射线衍射等工具。射线衍射等工具。晶型与晶癖相区别晶型与晶癖相区别662稳定型、亚稳定型和无定形 同种物质可能有多种不同晶型，
49、但在一定的温同种物质可能有多种不同晶型，但在一定的温度和压力条件下，多晶型中最稳定的一种度和压力条件下，多晶型中最稳定的一种 除稳定性的差异以外，稳定型和亚稳定型在其它理化性质除稳定性的差异以外，稳定型和亚稳定型在其它理化性质方面如熔点、密度、溶解度等都可能存在或大或小的差异。方面如熔点、密度、溶解度等都可能存在或大或小的差异。在适当的条件下稳定型和亚稳定型之间可以互相转换。在适当的条件下稳定型和亚稳定型之间可以互相转换。稳定型稳定型(stable form)stable form)稳定型以外的晶型稳定型以外的晶型 亚稳定型亚稳定型(metastable form)metastable for
50、m)67 另外，值得指出的是，相同化学结构的药物既能形成不同晶型的结晶，也能够成为无结晶性的状态，即无定形粉末(amorphous particles)或简称无定形。68 无定形不是多晶型中的一种类型，无定无定形不是多晶型中的一种类型，无定形物质的微观结构是分子或原子的无序形物质的微观结构是分子或原子的无序集合，同集合，同物质只有一种无定形存在。物质只有一种无定形存在。无定形粉末的非晶性无定形粉末的非晶性(amorphism)(amorphism)使其在使其在偏振显微镜下既无晶体的双折射现象也偏振显微镜下既无晶体的双折射现象也无晶体的偏振光熄灭现象无晶体的偏振光熄灭现象，很容易与结，很容易与结
