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1、培养单晶单晶培养的方法 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 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 0.2g2g, 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。
2、怎么看是否形成单晶： 如果析出的固体有发亮的颗粒或者在显微镜下可观察到凹凸的多 面体形状。 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。 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。 液体等。 一般选难挥发的溶剂，如 DMF,DMSO,甘油甚至离子 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
3、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。 三、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。 四、接触法 原理：如果配合物极易由二种或二种以上的
4、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 4.缓慢升温度 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。 五、 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
5、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
6、得到固体，将固体提纯,将主要组成纯化，再根 据特点接上述四种单晶培养方法培养单晶 1 实验前 知己知彼，百战不殆。通过查阅文献或咨询师兄师姐知道他们在做类似结构化合物所使用的方法，做到心中有数。首先要了解溶解性：在什么溶剂中溶解性很好，在什么溶剂中溶解性一般，在什么溶剂中溶解性较差等等。其次要了解稳定性：对空气和水是否敏感将决定你选择一个合适的环境。最后，最重要的一点，要坚信，任何可以溶解的纯粹的固体，都可以长成单晶。单晶是鉴定化合物结构最直接也是最有说服力的表征方法。 2 实验中 长单晶的过程中千万不要受到干扰：任何的触碰、晃动都可能让单晶生长过程失败。可以设定一个观察期限，我的期限是两天。
7、在两天之内要让它绝对的静止，两天之后再检查。 在你检查期限之外，要及时去检查并做好记录，这一次的现象是什么，析出固体，析出多晶还是什么。然后再改变条件，避免下次重复使用相同的失败方法。这样就可以进行下一轮的周期。当然如果你的量够多的话，可以平行开几个不同条件的方法以提高效率。 如果是使用溶剂，一定要保证你的化合物完全溶解，如果有丝毫的不溶物或者其它杂质，要把它们过滤除去，使用滤纸、砂芯甚至餐巾纸都可以很好地做到这一点。 如果能提纯的话，尽量提得非常纯，我都是把化合物通过了核磁、元素表征之后再来长单晶的，这样做的好处可以是，长出来的单晶肯定是你的目标产物，避免测了一个你不想要的，要知道，单晶测试
8、费可是很高的。 选择合适的溶剂是关键，有时需要选择混合溶剂，这都需要你对你的物质充分地熟悉。 不要轻易放弃！试遍所有的方法你最终将得到你智慧的结晶单晶。 3 实验方法 冷冻法。这是最简单的也是很成功的方法，将你的物质溶解在合适的溶剂中，可以加热让其完全溶解，然后放入冰箱冷冻，或者直接让其在室温中静置，单晶也许就会像花开无声一样长出来。 挥发溶剂法。让溶液敞口自然挥发溶剂以让单晶析出，但是这样长出的单晶可能晶型不太好，因为溶剂的不断挥发可能会导致晶型变差，这就需要你及时去检查，一旦晶体析出要停止挥发溶剂。 挥发扩散。需要一大一小两个瓶子，小瓶子中放你的样品，用少量挥发性不太好的溶剂将其溶解，如T
9、HF, benzene, chloroform, toluene, acetonitrile, methanol, 然后在较大的瓶子中放入挥发性较好的、同时也是对你的样品溶解性差的溶剂，如 diethyl ether, hexane.好了，现在把小瓶子放入大瓶子中，注意不要让小瓶子被大瓶子中的溶剂漫过。然后把大瓶子盖上。现在挥发性好的溶剂就会慢慢挥发至挥发性不好的溶剂中，这样单晶就会充满希望地长出。 液液扩散与挥发扩散类似，不过这是将第二种不良溶剂直接滴在第一种溶剂上，不过要小心操作，要让两种液面之间有明显的分层，然后静置。最好能选择细长一点的瓶子来操作。当然你可以选择在低温下来降低扩散速率。
10、 其实还有别的方法，这里就不列举了，但是上面几种方法是最常见的也是最有效的。 4 长出单晶后 恭喜你！但是没有测出来之前还剩下最后一步送样！这个过程之所以单独列出来是因为我觉得这一步也很重要，也容易被忽视，也会出现失误。因为有部分晶体会风化，如果是对水氧敏感的化合物就更需要小心了，可以用毛细管封管。提前与测试部门取得联系，多挑几颗出来及时送样很关键。留着你的母液，一旦出现失误可以立即重新挑单晶。即使成功了你也可以回收你的样品。 5 个人体会。不是每一个化合物都可以很容易地长成单晶，或者在短时间内很容易地拿到单晶，但是你只有多做，做很多种类似结构的物质才有可能得到一个单晶结构，而且这种长出来的过
11、程不是你刻意的，往往在你重结晶的过程中单晶就悄无声息地出现了！ 1、 制备结晶的溶液，需要成为过饱和的溶液。一般是应用适量的溶剂在加温的情况下，将柱分离得到的化合物溶解再放置冷处。如果在室温中可以析出结晶，就不一定放置于冰箱中，以免伴随结晶析出更多的杂质。 2、“新生态”的物质即新游离的物质或无定形的粉未状物质，远较晶体物质的溶解度大，易于形成过饱和溶液。一般经过精制的化合物，在蒸去溶剂抽松为无定形粉未时就是如此，有时只要加入少量溶剂，往往立即可以溶解，稍稍放置即能析出结晶。 3、制备结晶溶液，除选用单一溶剂外，也常采用混合溶剂。一般是先将化合物溶于易溶的溶剂中，再在室温下滴加适量的难溶的溶剂
12、，直至溶液微呈浑浊，并将此溶液微微加温，使溶液完全澄清后放置 4、结晶过程中，一般是溶液浓度高，降温诀，析出结晶的速度也快些。但是其结晶的颗粒较小，杂质也可能多些。有时自溶液中析出的速度太快，超过化合物晶核的形成劝分子定向排列的速度，往往只能得到无定形粉未。有时溶液太浓，粘度大反而不易结晶化。如果溶液浓度适当，温度慢慢降低，有可能析出结晶较大而纯度较高的结晶。有的化合物其结晶的形成需要较长的时间。 5、制备结晶除应注意以上各点外，在放置过程中，最好先塞紧瓶塞，避免液面先出现结晶，而致结晶纯度较低。如果放置一段时间后没有结晶析出，可以加入极微量的种晶，即同种化合物结晶的微小颗粒。加种晶是诱导晶核
13、形成常用而有效的手段。一般他说，结晶化过程是有高度选择性的，当加入同种分子或离子，结晶多会立即长大。而且溶液中如果是光学异构体的混合物，还可依种晶性质优先析出其同种光学异构体。没有种晶时，可用玻璃棒蘸过饱和溶液一滴，在空气中任溶剂挥散，再用以磨擦容器内壁溶液边缘处，以诱导结晶的形成。如仍无结晶析出，可打开瓶塞任溶液逐步挥散，慢慢析晶。或另选适当溶剂处理，或再精制一次，尽可能除尽杂质后进行结晶操作。 6、重结晶及分步结晶：在制备结晶时，最好在形成一批结晶后，立即倾出上层溶液，然后再放置以得到第二批结晶。晶态物质可以用溶剂溶解再次结晶精制。这种方法称为重结晶法。结晶经重结晶后所得各部分母液，再经处
14、理又可分别得到第二批、第三批结晶。这种方法则称为分步结晶法或分级结晶法。晶态物质在一再结晶过程中，结晶的析出总是越来越快，纯度也越来越高。分步结晶法各部分所得结晶，其纯度往往有较大的差异，但常可获得一种以上的结晶成分，在未加检查前不要贸然混在一起 7、结晶纯度的判定：化合物的结晶都有一定的结晶形状、色泽、熔点和熔距，一可以作为鉴定的初步依据。这是非结晶物质所没有的物理性质。化合物结晶的形状和熔点往往因所用溶剂不同而有差异。原托品碱在氯仿中形成棱往状结晶，熔点207；在丙酮中则形成半球状结晶，熔点203；在氯仿和丙酮混合溶剂中则形成以上两种晶形的结晶。又如N一氧化苦参碱，在无水丙酮中得到的结晶熔
15、点208，在稀丙酮析出的结晶为7780。所以文献中常在化合物的晶形、熔点之后注明所用溶剂。一般单体纯化合物结晶的熔距较窄，有时要求在05左右，如果熔距较长则表示化合物不纯。 8、但有些例外情况，特别是有些化合物的分解点不易看得清楚。也有的化合物熔点一致，熔距较窄，但不是单体。一些立体异构体和结构非常类似的混合物，常有这样的现象。还有些化合物具有双熔点的特性，即在某一温度已经全部融熔，当温度继续上升时又固化，再升温至一定温度又熔化或分解。如防己诺林碱在1760C时熔化，至200时又固化，再在2420C时分解。中草药成分经过同一溶剂进行三次重结晶，其晶形及熔点一致，同时在薄层层析或纸层层析法经数种
16、不同展开剂系统检定，也为一个斑点者，一般可以认为是一个单体化合物。但应注意，有的化合物在一般层析条件下，虽然只呈现一个斑点，但并不一定是单体成分。例如鹿含草中主成分为高熊果砍，异高熊果甙极难用一般方法分离，经反复结晶后，在纸层及聚酞胺薄层上都只有一个斑点，易误认为单一成分，但测其熔点在115125，熔距很长。经制备其甲醚后，再经纸层层析检定，可以出现两个斑点，异高熊果甙的比移值大于高熊果甙。又如水菖蒲根茎挥发油中的一细辛醚和一细辛醚，在一般薄层上均为一个斑点，前者为结晶，熔点63，后者为液体沸点296，用硝酸银薄层或气相层忻很容易区分。有时个别化合物可能部分地与层析纸或薄层上的微量金属离子、酸
17、或碱形成络合物、盐或分解而产生复斑。因此，判定结晶纯度时，要依据具体情况加以分析。此外，高压液谱、气相层析、紫外光谱等，均有助于检识结晶样品的纯度。 单晶培养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
18、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
19、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 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 晶体培养步骤： 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
20、面加一个纯溶剂缓冲层，最上面注入配体溶液，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! 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，加大量溶剂最上面注入配体溶液，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如果有专用的石英管，可将晶体
21、吸入到管中，除去大部分溶剂， 但是一定要有溶剂，用打火机迅速封烧较细端，用较细滴管吸少量母液，将该管 放入离心机的塑料管中，低速离心，使得晶体既保持在母液中，又能完全卡在合适的位置而 不乱动。如没有专用的石英管，可用废核磁管自己拉一根。 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
22、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
23、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
24、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
25、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
26、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 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。 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
27、。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.
