金属配合物单晶培养.doc

金属配合物单晶培养晶体的生长是一个动力学过程，由化合物的内因（分子间色散力偶极力及氢键）与外因（溶剂极性、挥发或扩散速度及温度）决定。晶体的培养实质是一个饱和溶液的重结晶过程，使溶液慢慢饱和的方法（如溶液挥发、不良溶剂的扩散及温度的降低）都可。1.单晶培养的方法多种多样，我们没必要掌握那些难以操作的，如升华法、共结晶法等。最简单的最实用。常用的有 1.溶剂缓慢挥发法；2.液相扩散法；3.气相扩散法。99的单晶是用以上三种方法培养出来的。 2.单晶培养所需样品用量 一般以 1025mg 为佳，如果你只有 2mg 左右样品，也没关系，但这时就要选择液相扩散法和气相扩散法，不能使用溶剂缓慢挥发法。 3.单晶培养的样品的预处理 样品溶解后一定要过滤，不能用滤纸，而是用一小团棉花轻轻的塞在滴管的中下部或下部，不要塞太紧，否则流的太慢。样品当然是越纯越好，不过如果实在没办法弄纯也没关系，培养一次就相当于提纯了一次，我经常用一些 TLC 显示有杂点的东西长单晶，但得多养几次。 4.一定要做好记录 一次就得到单晶的可能性比较小。因此最好的方法就是在第一次培养单晶的时候，采取少量多溶剂体系的办法。如果你有 50mg 样品，建议你以 5mg 为一单位，这样你可以同时实验 10种溶剂体系，而不是选两种溶剂体系，每个体系 25mg。这是做好记录就特别重要，以免下次又采用已经失败的溶剂体系，而且单晶解析时必须知道所用的溶剂。 5.培养单晶时，最好放到没人碰的地方，这点大家都知道。我想说的是你不能一天去看几次也不能放在那里 5，6 天不管。也许有的溶剂体系一天就析出了晶体，结果 5 天后，溶剂全干了。一般一天看一次合适，看的时候不要动它。明显不行的体系（如析出絮状固体）就要重新用别的溶剂体系再重新培养。 6.液相扩散法中良溶剂与不良溶剂的比例最好为 1：21：4。 7.烷基链超过 4 个碳的很难培养单晶。 8.分子中最好不要有叔丁基，因为容易无序，影响单晶解析的质量。 9.含氯的取代基一般容易长单晶，如 4氯苯基取代化合物比苯基取代化合物容易长单晶。晶体的判断烧杯底部有小颗粒.但怎样判断是不是晶体?是晶体的话有什么特点?用肉眼判断吗? 可以先用肉眼观察，如果颗粒有规则的外形，并且有光泽发亮的颗粒，就有可能是晶体，然后再用显微镜观察，有规则外形、凹凸的多面体形状、透光，差不多就可以说是晶体了。最简单的方法，对着阳光，如果亮晶晶的就可能是晶体。然后再到显微镜下面看看，有没有规则外形。金属配合物单晶的培养方法单晶培养的具体操作方法：四条注意事项：1、结晶容器的选择（敞口烧杯，既不能用从未使用过的新烧杯，也不能用很旧的烧杯。可能原因为，烧杯太新，不利于晶核的形成，而太旧则形成晶核的部位太多，不利于单晶的生长。） 2、溶剂的选择（合适的溶剂将物质溶解，溶解性不能太好也不能太差且具有一定的挥发性，不能挥发太快也不能太慢）3、结晶速度（尽量慢的让溶剂挥发，一旦析出结晶，过滤，可能得到单晶也可能是混晶，千万别用母液洗晶体）4、环境的选择（放在一个平稳的地方千万不能有一丝一毫的震动，否则即使得到单晶也全完了）。具体方法如下：一 挥发法原理：依靠溶液的不断挥发，使溶液由不饱和达到饱和过饱和状态。条件：固体能溶解于较易挥发的有机溶剂一般丙酮、甲醇、乙醇、乙腈、乙酸乙酯、三氯甲烷、苯、甲苯、四氢呋喃、水等。理论上，所有溶剂都可以，但一般选择 60120。注意：不同溶剂可能培养出的单晶结构不同方法：将固体溶解于所选有机溶剂，有时可采用加热的办法使固体完全溶解，冷却至室温或者再加溶剂使之不饱和，过滤，封口，静置培养。经验： 1.掌握好溶解度，一般100mL可溶解0.2g-2g, 50mL的烧杯，0.5g0.8g. 2.纯度大的易长出晶体。 3. 可选用混合溶剂，但必须遵循高沸点的难溶低沸点易容的原则。混合溶剂必须选用完全互溶的二种或多种溶剂。怎么挑选单晶： 不要等溶剂挥发完再挑，一定要在有母液存在下挑单晶，用毛细管将晶体吸出，滴到滤纸上，用针将单晶挑到密封管中，35颗即可。操作：操作方法一：用金属配合物的良溶剂将其溶解在小烧杯中，小烧杯的内表面越光滑单晶性越好，否则晶体形状不好缺陷多就会给后面的收单晶衍射数据带来麻烦，甚至会造成无法解晶体结构，那将是非常可惜的；烧杯用滤纸或塑料薄膜封口防止灰尘落入，同时减慢挥发速度，长出较好晶形的单晶，一般挥发性稍差的溶剂用滤纸，如，水等。静置至发现满意的晶体出现。操作方法二：将纯的化合物溶于适当溶剂或混和溶剂。(理想的溶剂是一个易挥发的良溶剂和一个不易挥发的不良溶剂的混和物。)此溶液最好稀一些。用氮/氩鼓泡除氧。容器可用橡胶塞(可缓慢透过溶剂)。为了让晶体长得致密，要挥发得慢一些，溶剂挥发性大的可置入冰箱。 二、扩散法原理：利用二种完全互溶的沸点相差较大的有机溶剂。固体易溶于高沸点的溶剂，难溶或不溶于低沸点溶剂。在密封容器中，使低沸点溶剂挥发进入高沸点溶剂中，降低固体的溶解度，从而析出晶核，生长成单晶。一般选难挥发的溶剂，如DMF,DMSO,甘油甚至离子液体等。条件：固体在难挥发的溶剂中溶解度较大或者很大，在易挥发溶剂中不溶或难溶。经验： 固体在难挥发溶剂中溶解度越大越好。培养时，固体在高沸点溶剂中必须达到饱和或接近过饱和。方法： 将固体加热溶解于高沸点溶剂，接近饱和，放置于密封容器中，密封容器中放入易挥发溶剂，密封好，静置培养。操作方法一：用金属配合物的良溶剂将其溶解在小烧杯或广口瓶中，塑料薄膜封口（用针戳3-5个小孔），放于盛有该金属配合物的挥发性不良溶剂（一般用乙醚）的大瓶子中。静置至发现满意的晶体出现。操作方法二:在一个大容器内置入易挥发的不良溶剂(如戊烷、已烷)，其中加一个内管，置入化合物的良溶剂溶液。将大容器密闭，也可放入冰箱。经易挥发溶剂向内管扩散可得较好的晶体。时间可能比挥发法要长。 另外如果这一化合物是室温反应得到，且产物比较单一，溶解度较小，可将反应物溶液分两层放置，不加搅拌，令其缓慢反应沉淀出晶体。容易结晶的东西放在那里自己就出单晶，不容易结晶的怎么弄也是不出。好象不是想做就能做出来的。首先看一下产物的溶解度，将产物抽干后用良性溶剂溶解成饱和溶液 （如用二氯甲烷），然后加入相同体积的不良性溶剂，若产物不稳定应在惰性气体的保护下进行操作，完成后置于冰箱中冷冻至单晶析出，或直接用惰性气体鼓泡直至单晶析出。（应缓慢）。可以尝试的溶剂系统： CH2Cl2乙醚或戊烷 THF/乙醚或戊烷 甲苯/乙醚或戊烷 水/甲醇 CHCl3/正庚烷 三. 分层法ypQ化学化工资源导航将金属的水溶液放于试管下层，配体的有机溶剂溶液放于试管上层，中间是水和有机溶剂的混合溶剂，封口。操作要小心，最好是用滴管伸进试管靠近液面缓慢滴加。静置至发现满意的晶体出现。四、温差法原理：利用固体在某一有机溶剂中的溶解度，随温度的变化，有很大的变化，使其在高温下达到饱和或接近饱和，然后缓慢冷却，析出晶核，生长成单晶。一般，水，DMF, DMSO,尤其是离子液体适用此方法。条件：溶解度随温度变化比较大。经验：高温中溶解度越大越好，完全溶解。推广：建议大家考虑使用离子液体做溶剂，尤其是对多核或者难溶性的配合物。五、接触法原理：如果配合物极易由二种或二种以上的物种合成，选择性高且所形成的配合物很难找到溶剂溶解，则可使原料缓慢接触，在接触处形成晶核，再长大形成单晶。一般无机合成，快反应使用此方法。方法： 1.用U形管，可采用琼脂降低离子扩散速度。 2.用直管，可做成两头粗中间细。 3.用缓慢滴加法或稀释溶液法（对反应不很快的体系可采用） 4.缓慢升温度（对温度有要求的体系适用） 经验：原料的浓度尽可能的降低，可以人为的设定浓度或比例。0.1g0.5g的溶质量即可。六、高压釜法原理：利用水热或溶剂热，在高温高压下，是体系经过一个析出晶核，生长成单晶的过程，因高温高压条件下，可发生许多不可预料的反应。方法：将原料按组合比例放入高压釜中，选择好溶剂，利用溶剂的沸点选择体系的温度，高压釜密封好后放入烘箱中，调好温度，反应14小时均可。然后，关闭烘箱，冷至室温，打开反应釜，观察情况按如下过程处理：1. 没有反应重新组合比例，调节条件，包括换溶剂，调pH值，加入新组分等。2. 反应但全是粉末，且粉末什么都不溶解，首先从粉末中挑选单晶或晶体，若不成， A：改变条件，换配体或加入新的盐，如季铵盐，羧酸盐等； B:破坏性实验，设法使其反应变成新物质。3. 部分固体，部分在溶液中:首先通过颜色或条件变化推断两部分的大致组分，是否相同组成，固体挑单晶，溶液挥发培养单晶，若组成不同固体按1或2的方法处理。4. 全部为溶液旋蒸得到固体，将固体提纯,将主要组成纯化，再根据特点接上述单晶培养方法培养单晶。 七.一支管法：在单晶制备时，经常会发现配位一发生，产生大量的微晶，再去挥发母液，怎么都长不大，以前听人说可用扩散法，但受到文献启示，可以找一根长玻璃管，底下注入盐的溶液，上面加一个纯溶剂缓冲层（第三种溶剂，如苯、正己烷、乙醚等减缓上下两种溶剂的扩散速率可长可短），最上面注入（先慢后快）配体溶液，两三个小时或两三天就搞定了。原理是：玻璃管越细，两层间的接触面越小，扩散速度降低，有效避免新手一扩散就出沉淀的尴尬!八.试管法：反应发生就产生大量的微晶，再去挥发母液，怎么都长不大。可以找一根长15厘米直径为1-1.5厘米的试管，底下直接放入盐的固体，加大量溶剂（先慢后快）最上面注入（先慢后快）配体溶液（上下溶剂可以相同，但为了保险，可在配体溶液中加入密度小的溶解性差的溶剂，如石油醚或乙酸乙酯；如果不同，一定要注意上面的密度要小！），两三个小时或两三天就搞定了。新手两三次就搞定了！原理：文献上都说上下两层均溶液，但是操作起来很困难，如果直接放入盐或者配体的固体，就增加了溶解的平衡，先慢是为了固体或溶液被猛烈撞击，后快是为了让刚溶解的部分死心塌地的呆在他应处的地方（好像违反动力学，但是是真的）。培养适合衍射的单晶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。 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,和 (5-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