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JACS:三维电子衍射法直接定位多孔框架材料中的有机客体分子

在多孔框架材料的研究中,探索框架与有机客体分子之间的相互作用是最重要的科学任务之一。这对我们理解气体吸附、分离、催化和骨架结构形成等过程提供了基本的科学知识。X射线单晶衍射 (SCXRD) 是定位有机物种和研究这种相互作用的常规方法。然而,由于 SCXRD 需要大而高质量的晶体,对客体分子和主客体相互作用的分析通常会因生长此类晶体的困难而受到阻碍。此外,与纳米级晶体相比,大晶体更容易受到相互作用引起的疲劳应力造成的破坏。粉末X射线衍射 (PXRD) 可用于分析纳米晶体,并已用于提供有关框架材料中有机分子的关键信息,但它们的位置通常是通过寻找客体分子与大块电子密度的最佳拟合来确定。因此,PXRD的准确度很容易受到影响,例如峰重叠和杂质的存在。


近日,瑞典斯德哥尔摩大学Zhehao Huang(黄哲昊)研究员及Xiaodong Zou(邹晓冬)教授等人在J. Am. Chem. Soc.上发表文章,阐述了如何使用超低电子剂量(0.8-2.6 eÅ-2)三维电子衍射 (3D ED) 直接定位多孔框架材料中的有机客体分子。他们通过分析两种含有有机客体分子的框架材料 SU-8 和 SU-68,首次证明有机客体分子中的每个原子都可以直接从结构中定位解析,并且它们在差异静电势能图中显示为规整均一的峰,体现了3D ED技术的高度精确性和可靠性。运用此方法,他们确定了在 SU-8 中的同一客体分子的两种不同空间构型。通过确定有机客体分子,该方法亦用于阐述氢键与框架间相互作用。此外,作者还提出可以在室温下研究主体框架和客体分子的结构。相关工作近期在JACS 在线发表,第一作者为Meng Ge(葛萌),同时斯德哥尔摩大学的Taimin Yang(阳泰民)Hongyi Xu(徐弘毅)也参与了该课题。


三维电子衍射作为一种独特的技术,主要运用于对微小晶体进行单晶分析。由于电子与物质之间的强相互作用,单晶分析所需的晶体尺寸已大幅减小到几十纳米。由于只需要一小块晶体,因此它在保持单晶分析准确性的同时解决了上述晶体生长的挑战。此外,小晶体不易开裂,并且它们可以促进扩散,从而增加有机分子在孔中的占有率以利于检测。3D ED数据已报道可以提供有关框架材料和生物化合物中有机分子的结构信息。然而,在之前的研究中,并未达到与 SCXRD 相似的可靠性来直接定位有机客体分子。有机分子大多在精修过程中被识别出来,并非有机分子中的所有原子都可以直接定位,并且静电势图中也有峰的缺失。这些问题中的每一个都可能阻碍客体分子的准确识别,特别是对于那些可具有不同空间构象的分子。本文使用超低电子剂量 (0.8-2.6 eÅ-2) 来防止有机分子被高能电子束损坏,从而达到精准识别。

图1. SU-8 和SU-68中客体分子(a) MPMD 及 (b) TAEA的结构式。


图2. 电子剂量对SU-68数据分辨率的影响。(a-c) 初始分辨率。在(d) 0.6 e- Å-2、(e) 1.8 e- Å-2 和 (f) 3.0 eÅ-2 的电子剂量曝光后的分辨率。所有晶体都曝光了相同的时间,不同的电子剂率(d)~0.01 e- s-1 Å-2,(e)~0.03 e- s-1 Å-2,和(f)~ 0.05 e- s-1 Å-2


三维框架结构SU-8中客体分子的结构


图3. 使用3D ED数据重构的 SU-8的3D 倒易晶格。 


SU-8的三维电子衍射数据在室温下采集,平均电子剂量为2.4 eÅ-2。在 SU-8 的孔隙中,作者直接从结构解析中定位出两个对称独立的 MPMD 分子,显示出不同的空间构型(图4)。为了进一步验证所有客体分子都被准确定位,在不添加客体分子的情况下进行了细化,并计算了差异静电势图。它清楚地显示了归于客体分子的规整均一且分离良好的峰(图4b和4c)。

图4. (a) MPMD 分子在 SU-8 中的位置。(b) 不包括客体分子的差异静电势图,和 (c) 两个对称独立 MPMD 分子叠加在图上。其他峰由对称操作产生。它显示了与客体分子的位置相对应的明显且分离良好的峰。静电势图绘制在 2σ 等高线水平。(d) MPMD 分子在 SU-8 内部表现出两种不同空间构型。 


作者使用X射线数据和3D ED 数据进行了比较。由于用于3D ED分析使用的晶体尺寸比用于 SCXRD 分析的晶体尺寸小一百万倍,来自纳米尺寸 SU-8 的 3D ED数据显示出 0.74 Å 的更高分辨率。SCXRD 和 3D ED 确定的晶胞参数差异在 3.0% 以内。他们比较了框架原子的原子位置,重 Ge 原子的平均偏差为 0.020(4) Å,O 原子的平均偏差为 0.04(2) Å。3D ED 测定的 MPMD 分子的原子位置与 SCXRD 测定的原子位置平均相差 0.12(6) Å,范围为 0.03-0.27 Å。与 MPMD 分子相比,Ge 和 O 原子的小偏差是由于强 Ge-O 键和刚性框架,MPMD 分子通过弱氢键相互作用与框架相互作用。当结构模型叠加时,可以观察到非常小的差异(图5)。

图5. 从 3D ED 数据和 SCXRD 数据提炼的 SU-8 结构模型的比较。红色:针对 3D ED 数据改进的结构模型;青色:根据 SCXRD 数据改进的结构模型。


二维框架结构SU-68中客体分子的结构


在尝试从 SU-68 纳米晶体中收集衍射数据时,作者发现 SU-68 很容易被电子束损坏,这表现为数据分辨率的快速下降。因此,他们将晶体冷却至低温 (96 K),并使用比SU-8更低的电子剂量,平均为1.0 eÅ-2

图6. 使用3D ED数据重构的SU-68 的 3D 倒易晶格。


图7. (a) TAEA 分子在 SU-68 中的位置。差异静电势图(b)不包括客体分子,和(c)客体分子叠加在图上。静电势图绘制在 2σ 等高线水平。


数据分辨率的影响


将 SU-8 数据的分辨率从 0.74 Å 降低到 1.00 Å,所有原子仍然可以直接定位(图8a-c)。然而,当分辨率降低到 1.10 Å 或更低时,一些原子开始从结构解中丢失(图8d中的圆圈和图8e中的许多位置)。对于SU-68,将分辨率从 0.60 Å 降低到 1.10 Å几乎没有影响(图9a-f)。进一步将分辨率降低到 1.20 Å 客体分子严重变形(图9g)。

图8. SU-8 中 MPMD 分子(a),不降低分辨率,(b-e) 分辨率截止值分别为 0.9 Å、1.0 Å、1.1 Å 和 1.2 Å。 


图9. SU-68 中的 TAEA 分子 (a) 不降低分辨率,(b-g) 分辨率截止值为 0.7 Å、0.8 Å、0.9 Å、1.0 Å、1.1 Å 和 1.2 Å。 


主体框架和客体分子间的相互作用


在 SU-8 中,已识别的客体分子 MPMD 由两个胺基组成,作为分子链两侧的末端。两个铵基团都与框架中的两个周围 O 原子相互作用形成氢键(图10)。这表明主客互动对于通过3D ED 直接定位客体至关重要。在 SU-68 中,有机客体分子TAEA 由三个分支组成,其中每个铵基都作为末端存在,所有末端铵基都指向 SU-68 的框架。每个铵基与骨架中的三个 O 原子形成氢键(图11)。

图10. 两个对称独立 MPMD 分子与 SU-8 框架之间的氢键。氢键(N•••O)用蓝色虚线表示。


图11. TAEA 分子与 SU-68 框架之间的氢键。氢键(N•••O)用蓝色虚线表示。


小结


超低电子剂量3D ED对研究无机材料中的主客体相互作用很重要。本文论证了框架材料中有机客体分子的原子位置可以通过应用 3D ED 方法在室温和低温下准确定位。两种框架材料,SU-8 和 SU-68结构模型,包括它们的框架结构和有机分子,都是使用3D ED确定的。值得注意的是,从不同的静电势图中,客体分子的位置可以观察到明确的规整均一的峰,显示出高精度和可靠性。由于许多框架材料被合成为纳米尺寸的晶体,并且可能包含混合相,3D ED 将成为在该领域的重要研究方法。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Direct Location of Organic Molecules in Framework Materials by Three-Dimensional Electron Diffraction

Meng Ge, Taimin Yang, Hongyi Xu, Xiaodong Zou*, and Zhehao Huang*

J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c05122


课题组网站

黄哲昊研究员

 https://www.zhehaohuang.com/ 

邹晓冬教授

https://www.su.se/english/profiles/xzou 


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