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【如何长单晶】麻省理工学院化学系----培养单晶指南


所谓单晶(monocrystal, monocrystalline, single crystal),即结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列,或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成,整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。单晶整个晶格是连续的,具有重要的工业应用。在有机合成中,培养单晶主要是为了通过X-RAY确认结构。

长单晶经验简单总结:

1、低温缓慢挥发。一般保持在-20度,用微量真空缓慢抽去溶剂。通常24~48小时里就可以见到结果,成不成。这个方法需要注意添加液氮和干冰。此方法适于室温和空气中不太稳定的化合物。


2、高温溶解缓慢降温。通常采取高沸点的溶剂溶解样品,然后用铝薄膜包住整个油浴,停止加热,令其温度缓慢下降到室温,再保持1到2天,让过饱和的溶液尽量结晶出来。这个方法需要注意,降温不能太快,还要注意溶液的浓度。此方法适合于化合物溶解度差异比较大,而且对无水无氧要求的化合物比较合适。


3、混和溶剂挥发。用易挥发良溶剂溶解样品,然后小心加入不良溶剂,尽量保持分层状态,令其自我缓慢扩散。这个方法需要注意溶剂搭配选择。


4、简单挥发。也就是用溶剂溶解之后,用septum封住,然后插根细针头,令其缓慢挥发。


5、浓缩。样品溶解于溶剂之后,加一个90度弯管和一个接受瓶。整个体系稍微抽一点点真空,接受瓶用干冰冷却,令溶剂蒸气在接受瓶里面缓慢冷凝下来,直到有单晶形成。这个方法需要注意冷凝速度,太快不能得到单晶。


6、溶剂扩散。这是上面(3)的变通。加工一底下细瓶颈的带teflon stopper的长管。用良溶剂把少量样品溶解,转入长管,体积大概1~2 mL,加的量刚好在细瓶颈中间。然后直立长管,在上面加入不良溶剂直到接近上面的出口,堵死。之后,小心令长管直立绑在没有振动的地方,让溶剂缓慢相互扩散。此方法适合于少量样品,无水无氧操作。


7、核磁管办法。这个跟上面的(4)差不多,量少而且需要耐心等待。


8、冰箱冷冻。通常比较难于结晶的样品,室温下配成接近饱和溶液之后,放入冰箱,令其缓慢结晶。


总之,长单晶需要耐心和不断尝试不同的办法。同时,还得注意样品的纯度和稳定性来决定采取什么方法。

前人经验的汇总: 

(1)溶剂的选择与加入方法

在单晶的培养过程中,我走了与正常结晶相反的路子。通常是用适量极性大的溶剂提取你的反应物质,然后再滴加少量的极性小的溶剂,放置结晶。这样做的结果是结晶很慢,而且是结晶的收率不高。而我用的方法是背道而行。先用极性小的溶剂提取。根据你的反应物质量,加入适量的极性小的溶剂,不能全溶解,就加入适量的极性大的溶剂(注意:切不可多加),如果此时还有少量没有溶解:


A)你可以再加重复极性小的溶剂,再加极性大的溶剂。直到全溶解。

B)也可以微热溶解(如果你的样品是热稳定好的话)这样的做法是非常好结晶的,不信你试试看,如果你晚上做的这样的操作,第二天早上你会发现你的晶体已经长出来了。

C)微热还有些没溶解,就直接过滤。这样也可以很快结晶。但是会损失些产物。


(2)温度的选择

上面谈了溶剂的选择,和加入顺序。现在我再来说说温度的选择。


溶剂加入后就要选择放那里结晶了。你不能总认为温度越低越好,要想得到好的晶体,温度的选择很重要的!首先放在室温(必须无外界震动)一两天看看,有无结晶,如有结晶说明室温就能结出好晶体,无需放之低温。如果室温不结晶,再放如0度。过两天看看,再不行,-5度,-10度,-15度,-20度,-30度,我想,这些条件大家实验应该不难。如过你一开始放于低温可能结晶很快但的不到好的晶体。可能是多晶,而不是单晶。长晶体过程千万不能震动。有条件的单独一间房间来结晶最好。


低温结出的晶体再送测试前要处理,不能拿出来就去测。为什么???大家想啊。


拿出来到室温,不是温度升高了吗?那晶体就可能融化了(我作过这样的蠢事),首先你的去掉部分溶剂才行。只留少许即可。对水,氧气敏感的用惰性气体如N2,Ar气保护起来再转移溶剂。转移完再冲N2下关闭你装晶体的容器活塞。去测试,这样就不会化了。


(3)利用溶剂的挥发

无水无氧要求的金属配合物这种情况的培养单晶要求有手套箱,在手套箱里(有这样的条件),你可以用schlenk 瓶、小烧杯、以及核磁管来用作结晶的工具。容器的口部用封模封好。然后上面用细针扎几个小眼用来挥发溶剂。不几天你会发现你的容器内壁会生长出晶体来。容器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;要强调的是用Schlenk及核磁管这两种容器用来结晶是最好的。


为什么呢??做无水无氧的人知道schlenk是无水无氧操作的专用瓶。它有侧活塞用来开关瓶与外界的相通。所以操作方面很好。在你获得很好单晶后你要从手套箱里拿出来啊,如果你用别的容器,可能那些对空气特别敏感的物质就不能够稳定到你测量完晶体结构。同样很小的核磁管也很好封的。而且它要的量很少。不浪费样品。如果没有手套箱的话,可能这个方面就不太适用(对于对水,氧敏感的物质)。


(4)利用极性小(溶解度小)的溶剂

你的反应结束后,用极性大的溶剂提取后。再进行浓缩恰好到有溶质析出时为此(此时因减压浓缩体系内的温度应该低于外界)等到温度升到室温,拿到手套箱内,用针筒向上面的溶液面上轻轻的滴加几滴极性小的(溶解度小的)溶剂。这样处理完你会很易得到很好的晶体的。此时如果你细心的话你会发现,你的晶体结晶时是从液面开始的。为什么???仔细想。


以上是我在培养要求比较苛刻有机金属配合物单晶常用的方法,一般是几种方法同时做,不是每种方法都能或总能培养出单晶,更多的是取决于配合物的结晶性好坏。总之就是多试:不同的温度、溶剂、混合溶剂的比例……


总之,单晶的培养溶剂的选择很重要,有些时候你会发现你选择的溶剂不同,即使你很溶剂得到晶体,但是晶体的形状会各不相同的。甚至有些时候你得到的晶体不是规则的,或是细长的针状的,所以溶剂的选择很重要。我总结出来,一般我做反应时候用极性相对大些的甲苯、乙醚、THF等。再结晶时候用极性小些正己烷、以及正己烷与甲苯的混合溶剂,或其它的混合溶剂。


首先需要强调的是长单晶是一种艺术,而不完全归结于科学,或者说它是一门介于科学和艺术之间的技术。

 

对于水溶性好的分子,结晶是很困难,一般都是通过干燥缓慢去除溶剂的办法,也有的通过极缓慢的降温来获得单晶,或者在水上加入一层难溶性的有机溶剂。

 

对于在有机溶剂中溶解比较好的分子,他们的结晶一般都是通过扩散的办法来实现,如将乙醚或是苯扩散进入乙腈中。

 

对于生物大分子单晶,一般都采用悬滴法,即在一个小而密闭的容器中,下边放溶剂,上边加一滴分子饱和的溶剂,然后封闭之。

 

要结晶的分子一般来讲一定要纯,达到95%以上的纯度,当然也不绝对,也有的体系在较低纯度就拿到了单晶,比如饶子和院士发在CELL上的蛋白晶体结构就是从一个混合体系中拿到的。

单晶培养技巧

1.单晶培养的方法

方法多种多样,我们没必要把握那些难以操作的,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10-25mg为佳,假如你只有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,不过假如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。假如你有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。这是做好记录就非凡重要,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1:2-1:4。


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,因为轻易无序,影响单晶解析的质量。


9.含氯的取代基一般轻易长单晶,如4-氯苯基取代化合物比苯基取代化合物轻易长单晶。


10.单晶培养-无水无氧条件下的单晶培养,麻烦的方法我就不说了,最简单的方法就是将你的固体样品加入一带橡皮塞的容器(最常用的就是核磁管,塞子不是我们常用的硬塞子,而是软的橡皮塞(随便什么塞子都行,只要能密封且能扎针头),先抽真空,然后通氮气,再用注射器加入良性溶剂,充分溶解(超声),然后再用注射器沿器壁加入不良溶剂即可。


麻省理工学院化学系----培养单晶指南


你将会发现,培养单晶不仅需要耐心,而且还需要一双灵巧的双手。结晶过程对温度和其它轻微的扰动都非常敏感。因此,你应该在相似的条件下多尝试几个不同的实验温度,并为单晶的生长寻找一个没有干扰的安静环境。这里有一些经验性的贴士供你参考,以利于你的实验开展。


方案#1

有时好的单晶仅需冷却溶液即可生长。你也可以尝试加热溶液至所有物质完全溶解,达到过饱和,再慢慢地使其冷却。


方案#2

1)选取一种可以溶解你的目标化合物的溶剂,制成饱和溶液。

2)如果有必要,可以通过过滤除去其中的不溶性杂质。对于少量溶液,可使用一种有效的过滤器,其制备方法是:将玻璃毛(甚至可以用面巾纸)塞入一根一次性Pasture滴管中,然后填入一英寸左右助滤物(如硅藻土Celite)。用新鲜溶剂湿润硅藻土,然后用球形压力器将溶液压过该管进行过滤。

3)寻找另一种溶剂,使目标化合物在其中不溶解(或仅微量溶解),而且这种溶剂能够和前一种溶剂混溶,并具有较低的密度。

4)将第二种溶剂小心地铺在小瓶中饱和溶液的上面。在两相界面上可看到一些混浊物。单晶将会沿着这个界面生长。


方案#3

将盛有饱和溶液的小瓶放置在另外一个较大的瓶中。在外面的大瓶中加入第二种溶剂并且盖紧盖子。第二种溶剂将会慢慢地扩散到饱和溶液中,晶体就会出现了!为了进一步减慢这个过程,可将这个扩散装置放在冰箱中。


常用的溶剂系统:

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


本文转自:《麻省理工学院化学系-实验室手册》




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