培养适合衍射单晶的原理.doc

培养适合衍射的单晶原理大多数的合成化学家认为培养出满足质量的单晶更是一门艺术而非科学。为支持这个说法，他们会提出很多事情，要得到这样的晶体似乎是机遇而且事实上有些人有很好的养单晶的能力。这个论点有一定道理但是实验已经表明完整的理解晶体生长和溶剂的性质、认真分析过去的成败可以得到一致的积极结果。事实上，蛋白质晶体化学家已经在这个领域取得了非常大的的成功，我们合成化学家应从中学到很多有用的东西。1. 晶体生长的速率热力学的定律告诉我们，较慢的晶体生长速率及小的熵易引起完美晶体得晶体缺陷，这个证据可以在接近完善的晶体表面经常可以被观察到如经过了数个周期几年到一千年的结晶时间的矿物。在实验室条件下，实验已经表明生长单晶的最佳时间是数个若干天的周期（over periods of days）偶尔当溶液快速干燥时，所需的单晶会被发现，这种事实非常幸福的但很少见。典型地当一个人完成一个结晶过程，最好的结晶将在一天或一周后形成。从我的经验来看，结晶成功的可能性最初的几周之后开始急剧下降，尽管幸运的话也有例外。2. 晶体生长的一般条件在实验室进行的结晶过程大多数温度保持相对恒定，震动级别最小，样品保存在黑暗处。这常常放在一个小碗橱，密闭、背阴的房间。记住对流一般来说是你的敌人应试图保持温度相对恒定。另外对于在狭窄的容器中高粘度溶剂其与温度梯度无关对流相对的低。.因为结晶总是需要时间，化学家常常不耐烦以至于经常去检查样品。应避免剧烈的动作，因为这种操作会对优化晶体生长有害。因此，我推荐不要还没超过一天就去检查他们的样品。3. 溶剂性质和饱和溶液晶体生长必须在饱和溶液中。为优化结晶生长，化合物在结晶条件下应当适当溶解。假如饱和时溶解度太大，倾向于得到在一起的丛生晶体。假如溶解的太少，没有足够的溶质供应晶体表面的生长，会倾向于得到小晶体。为得到正确的溶解性，应正确的匹配溶质和溶剂。人们在开始的时候应从文献上查询溶剂的参数如溶剂的极性和介电常数或凭个人的经验。无论如何最好的程序是通过系统的试验不同的溶剂或溶剂组合直到找到6种左右的能适当溶解样品的溶剂。从我的经历来看，中心或离子的金属有机、无机、有机化合物随着化合物的种类不同，溶剂非常不一样。有时，典型的培养单晶最成功的例子是使用了三种的混合溶剂，分别是二氯甲烷、甲苯、正己烷。其他的一些不常用如三氯甲烷、乙腈、丙酮、乙醇、甲醇、四氢呋喃、和乙醚。通过经验和认真实验，你会找到适合你的体系的溶剂组合。4. 掌握几种通用方法为了真正精通培养单晶必须有对掌握方法足够的实践。当这一切完成后，人们可以非常协调的找到线索极大的增加成功的几率。因为这些现象，熟练的晶体花园的园丁将倾向于掌握两到三种可以取得几乎所有成功的技术。B. 已被证实的培养单晶的方法在下面的部分我将列出一些最通用或最有前途的培养单晶的方法，这些是我用过或在未来的研究中要用的办法。安全提示：大多数结晶过程包含一种或多个组分是适度或非常易燃的，尽管结晶过程往往是非常少的溶剂量，结晶过程必须采用安全的溶剂和设备，尤其是，易燃的组分必须小心处理。1. 缓慢蒸发溶剂长单晶这是一个广泛使用生长单晶的办法,就是将目标分子的不完全饱和溶液慢慢地蒸发除去其中的溶剂。一旦达到饱和,晶体开始形成不断的蒸发使溶质分子不断在晶体的生长面上添加。典型的实验方法如下:在一个地方溶液放在一个小瓶或管里,塞子上留有一个小的针孔以便让溶剂分子慢慢的扩散出去。在一个地方溶液放在一个小瓶或管里,塞子由可以透过溶剂蒸气的材料制成对空气敏感的化合物，人们可以把这些程序应用在惰气条件下（例如，手套箱，手套袋或大的容器像广口瓶及干燥器。2. 冷却结晶几乎所有的情况溶解度随温度而减少,利用这个特点可以使溶质在一定温度下溶解在溶剂中接近饱和，然后让系统降温。理想的是让水浴或晶体生长的柜子的温度梯度下降,冷却时间典型的可以选择从一天到一周或更多。令人惊奇的是,冷却时间几个小时或超过一夜常常可以得到所需要的热力学梯度因而经常取得成功。典型的实验方法如下:把样品在较高的温度下溶解放入一个隔热的容器中(例如用棉毛金属箔,一个大的热缓冲器)让样品的温度缓缓降至常温。把样品在室温溶解置于一个隔热容器中再放入冰箱或冰柜中。3. 用混合溶剂或气相溶剂培养单晶用这种方法,有两种溶剂人们应该逐渐调整混合溶剂的比例.溶质在一种溶剂应能适当溶解,大部分不溶于难溶溶剂。典型实验方法包括:一种情况,你首先溶解溶质在溶解性较好的溶剂中,然后添加难溶的溶剂。有时可以滴加难溶的溶剂有时你可以用注射泵以非常低的流速的流速添加难溶溶剂另一种情形,你除去易溶的溶剂可以这样做使易溶的溶剂从体系中挥发出来因其蒸汽压较大容器与样品瓶相连,添加选择性的吸附剂到容器这个做将有帮助第三种情形,易溶的溶剂除去同时添加难溶的溶剂。人们完成了一种设备以便让难溶溶剂转移到混合溶剂系统(易溶溶剂同时扩散出来)通过气相扩散.在第一种该设备中人们把一些含有溶质和良溶剂的小瓶放入一个稍大点的容器,在该容器底部或第二个样品瓶中有难溶溶剂。第二种设备两个管桥联在一起,溶剂可以扩散(这种设备的形状有点像H管)4溶剂分层培养单晶与前边所用技术的一个重要差别该技术依据的的是在不搅拌的情况下密度差比较大的溶剂其混合相当慢。人们可以利用这个优势溶解溶质在易溶溶剂中然后添加一层难溶溶剂(底层宁愿是上层)。假如这个体系不搅拌、摇动、振动太多两层需要数天才能混合。结果溶剂缓慢的通过分界层进行扩散,经常在那里可以长出非常好的单晶。典型试验方法:我一般的是溶解化合物在密度大的氯化的溶剂如二氯甲烷对应的上层添加极性小的、密度小的溶剂(如正己烷、乙醚、甲苯)如果你的化合物是水溶的,你可以改变两个水层的密度和溶剂性质通过使用两种非常不同的浓度盐。蛋白质晶体化学家经常使用此技术。5 通过毛细管和凝胶扩散培养单晶因为他们内在的粘度和缺乏对流，溶剂一般的通过狭窄毛细管扩散非常慢。典型试验方法:一般的程序可以用H管来完成，毛细管垂直或横着将两个管自从中间连接起来。第二种仪器比较容易制造和填充。我一般溶解溶质在良溶剂中添加至管子底部的一半，这样溶液就可以到达收敛管道中间。然后，在上面添加难溶溶剂。这项技术主要的不同就是桥联两种溶液用的小管充满了凝胶。这样扩散非常慢，可以长出大单晶，但是长得特别慢。6 熔化培养单晶假如化合物足够对热稳定,你可以从均相甚至非均相的熔化来培养单晶,小心控制冷却速率是非常必要的。该方法广泛用于高温固体的单晶例如金属和金属氧化物最近通过低温熔盐培养一般离子化合物已变成一个很流行的方法。7 升华培养单晶足够挥发的化合物在接近真空时可以结晶,经常从粗混合产物通过升华给出单晶。从我的经验,我仅仅看到此工作在相对易挥发的固体如萘、二茂铁(M(CO)6, and (n5-C5H5)M(CO)2(NO) (where M = Cr, Mo, and W),当然我明白这对一些非极性化合物也非常实用。8综合法培养单晶当这些单独的办法无效,试着组合他们。我尤其喜欢使用混合溶剂的方法和冷却合用,多种方法合用一般能取得比较好的效果。9.原位合成在两个溶液的界面的反应(例如不同层或毛细管的连接处)可被用来产生新的产物,该产物不溶于任何一种开始原料因此沉淀出来成为单晶。假如反应足够慢,这有时甚至发生在单相系统。我已经知道该方法成功的用于成键反应和还原反应。人们经常用该法的还原反应制备在室温下的溶液中几乎立刻分解的化合物的单晶。10.有魔力的核磁管假如你有时搜索晶体结构数据库，你会惊奇的发现有大量的晶体结构用氘代试剂报导，这并不是人们有意让他们在里面结晶而是晶体易在核磁管里出现。注意：很多人一直到没有干净的核磁管才去清洗之，他们大量的放在实验室，这个锥形的小或非废弃管，如果老板看不到，没人感到内疚。这给了溶液大量时间去长晶体而不受外界干扰大多数情况下，这个发生因为溶剂缓慢从塑料帽里蒸发出来。（如氘代氯仿）11. 其他方法假如所有的都失败，不要气馁。因为单晶有时经常被发现在晶体纯化，要洗的杯子还有其他想不到的地方。C 假如以上方法都失败，你应该考虑如下问题 !1. 提纯你的原料很多次原料是分析纯的，但对于成功长出单晶来说仍然纯度不够，试着再次纯化可能会提高成功的几率。2. 晶种因为长单晶的模式是从基础层开始的，同样或相似材料的晶种经常可以诱导长出希望尺寸的单晶。这晶种常常有洒在器壁上的要结晶溶液形成。然而，他们可以有目的的被添加。人们经常用的是用前述方法培养出来很好的的但本身长得太小晶体。有时候，也可以用异构体的晶种。3. 不太重要的材料晶体生长需要成核剂。有时是晶种，经常是无关的材料，如灰尘、器壁等。要得到好的单晶必须有合适数量的成核剂。a) 除非按清洁房间程序，每一个结晶过程都受灰尘、头皮屑、油脂等其他自由粒子的影响。一个小的正常的尘埃有时可能是晶种。我曾经看到在长颈瓶的璧上的晶体其晶种显然是痕量的油脂。b) 器壁的刮痕和缺陷器壁的少许刮痕和缺陷往往是晶体生长的成核位置。有时，你在一个新容器无法得到单晶，可以交替地在上面刮几下；假如有很多的小单晶长成，你应当用一个刮痕少的容器。c) 器壁的表面处理我看到报道的一个改进晶体生长的窍门就是处理容器表面改变它的化学本性。这经常用的是试剂与表面发生作用（如Me3SiC）4. 试，试，再试培养满足质量要求的单晶，最重要的因素是坚定不移和耐心。经常经过几十次或几百次失败花费几个月甚至几年培养出一个重要的单晶。a) 大多数的化学家使用在某一时间进行一个或一系列实验的所谓连续的策略，然后用这个结果去修正下一次的工作程序。最典型的是每周仅仅付出一部分努力去做，这样做的结果是进展非常慢，当一个单晶培养成功时数月已经过去。b) 系统靠近培养单晶和结晶过程的考察：多个优势蛋白质晶体学家已经发展了系统的方法来使晶体生长获得成功，一般的包括小心的考察化合物的结晶空间。这里我指得是温度、时间、溶剂等，为保证晶体生长成功，一个关键是使用平行靠近来生长单晶。对于小分子化学家，这意味着需要鉴别5种有希望的候选溶剂，需要125次结晶（55排列试五种不同的混合溶剂及其五种不同的瓶盖上的小洞）这比顺序法需要更多的样品，但是它可以非常小规模的做。假如你仅需要一个好的晶体，这可以从不到1毫升的溶液中生长出来，在数月之内给你满意的结果。5. 制备衍生物假如你选择的化合物刚好不结晶，你可以制备期衍生物，例如我制备乙基而非甲基，苯甲醚而非苯的衍生物，六氟化磷盐而非四氟化硼盐。6. 溶剂和结晶试剂很多物质