电子衍射技术实现晶体化合物中原子部分电荷的实验测定新方法

这篇开创性研究提出了一种基于电子衍射的离子散射因子建模（iSFAC）方法，首次实现了对任意晶体化合物中原子部分电荷（partial charges）的实验测定。该方法通过整合中性原子与离子态散射因子的线性叠加模型，在常规电子晶体学工作流程中即可获得绝对标度的电荷值，成功应用于抗生素（如环丙沙星）、氨基酸（如组氨酸、酪氨酸）和无机分子筛（如ZSM-5）等体系，其电荷分布与量子化学计算（Pearson系数≥0.8）高度吻合，为理解化学键极性、分子相互作用及反应活性提供了革命性实验工具。

实验方法突破

研究团队开发的离子散射因子建模（iSFAC）技术，通过电子衍射数据解析晶体结构时，为每个原子引入第10个参数——基于莫特-贝特公式（Mott-Bethe）的离子散射因子占比ν_j。该方法创新性地将氢原子散射因子固定为H⁺形式，而非传统几何约束处理，从而实现对质子位置与热振动参数的自由精修。实验证明，该方法在1 ?分辨率下即可稳定收敛，且电荷分配结果与多种量子化学计算方法（如ADCH、CM5和NPA）高度一致。

分子电荷分布新发现

在环丙沙星盐酸盐结构中，羧基碳原子C18表现出反常的正电荷（+0.11e），而氨基酸中羧酸根碳原子（如酪氨酸C9=-0.19e）则带负电荷，揭示了电子离域效应的直接实验证据。组氨酸晶体中，质子H1在氢键N1-H1?O2构型中的位置偏移（155° vs 175°）导致能量差异达59 kcal·mol^-1，证实化学环境对电荷分布的显著调控作用。

技术稳健性验证

通过分辨率截断实验发现，数据分辨率低于1 ?时电荷值开始漂移，符合Sheldrick经验规则。对ZSM-5分子筛的研究显示，硅氧四面体中T位点呈正电荷（如Si^IV），氧原子带负电，与铝替代导致的电荷失衡理论预期相符。低温（-110°C）与室温数据对比表明，温度仅影响参数精度而非电荷趋势。

与X射线衍射的对比

iSFAC建模在X射线数据中无法收敛（电荷值>1e或氢原子显负电），凸显电子衍射对静电势敏感的优势。实验静电势图（ESP）与量子化学计算结果的空间相关性达71.4%，尤其在羧酸根和羟基氢键区域高度匹配。

应用前景

该方法突破了传统多极精修对超高分辨率数据的依赖，可直接应用于常规晶体数据库（如CSD、ICSD）中的结构，为以下领域带来变革：

1. 1.

   药物设计：精确量化抗生素分子电荷分布

2. 2.

   材料科学：解析分子筛催化活性位点电荷状态

3. 3.

   理论化学：提供实验基准验证量子化学模型

研究团队特别指出，未来需探索该方法在导电材料等复杂体系中的适用边界，并建议结合周期性边界条件计算软件（如QUANTUM ESPRESSO）进行更精确的对比验证。