X 射线衍射分析晶体生长

Organic Chemistry

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Overview

资料来源: 实验室的博士吉米 · 佛朗哥-梅里马克大学

X 射线晶体学是一种方法通常用于确定中结晶固体,允许一个分子或复杂的三维形状测定的原子的空间排列。确定一种化合物的三维结构是特别重要,因为一种化合物的结构和功能密切相关。一种化合物的结构信息通常用于解释其行为或反应性。这是一个最有用的技术,解决的一种化合物的三维结构或复杂的和在某些情况下它可能确定结构的唯一可行方法。X 射线质量晶体生长是 x 射线晶体学的关键组成部分。大小和晶体质量的往往是化合物的高度依赖宗正由 x 射线晶体学的组成。通常含有重原子的化合物产生了更大的衍射图案,因此需要较小的晶体。一般来说,单晶具有定义良好的面孔是最优的和通常的有机化合物,晶体需要将大于那些含重原子。没有可行的水晶,x 射线晶体学是不可行的。一些分子是天生就比其他人更结晶,因而难以获得 x 射线质量晶体可以不同化合物。X 射线晶体的生长过程是结晶的类似的的常用的纯化化合物,但重点放在生产高质量晶体。通常情况下,可以通过允许结晶过程比较缓慢,可能发生在一天或几个月的课程获得更高质量的晶体。

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JoVE Science Education Database. 有机化学精要. X 射线衍射分析晶体生长. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

有大量的方法对 x 射线晶体,如加热、 冷却、 蒸发和蒸气扩散,每个都有生长及其 ' 自己的优点和局限性。1此处所述是越来越 x 射线质量晶体,液-液扩散最有用的方法之一。2成功 x 射线晶体生长取决于溶剂的正确选择。这种化合物必须溶于一种溶剂不溶于另一个。液-液扩散涉及仔细分层细管,如核磁共振管密度更高的溶剂在低密度的溶剂。扩散速率可以大大影响大小和质量的晶体快速扩散倾向于较小的晶体,虽然缓慢扩散有利于更大和更高质量的晶体的生长。利用细管,如核磁共振管,减慢的溶剂,从而创造一种环境,促进高质量晶体的生长扩散。常用的溶剂为低层,这种化合物在溶化了,是二氯甲烷或氯仿。这种化合物溶解在密度较低的溶剂,但作为最高的溶剂可以开始蒸发之前晶体的形成,这可证明有问题。最优的条件是有更密集的溶剂中的溶解的化合物。最上层是反溶剂或沉淀。常用的抗溶剂是正己烷、 正戊烷、 二乙醚或甲醇。一旦两种溶剂已被仔细分层,他们获准慢慢地扩散到另一个。这种化合物成为不溶于二元溶液,促进 x 射线晶体的形成。

Procedure

1.编制的水晶管和筛选器

  1. 在锥形瓶核磁共振管的地方。
  2. 准备移液器筛选器。
    1. 构建筛选器通过在移液管,放置一块无绒布擦拭 (由 1 英寸 1 英寸),然后使用杆牢固地楔入 (图 1) 移液管的瓶颈部分的擦拭。
    2. 使两个吸管筛选器需要每个水晶管。

2.将样品加入水晶管

  1. 在 0.75 毫升溶剂 (二氯甲烷) 的溶解的化合物 (四苯基卟啉、 10 毫克)。
  2. 使用吸管,轻轻混合的顶部添加的管,通过筛选器。
    1. 粒子被过滤掉,以避免会导致小的而不是所需的较大单晶的多个晶体的形核网站创建。
  3. 一旦样品已放在水晶管,慢慢地,轻轻地,将反溶剂 (1.5 毫升的甲醇) 添加到通过新的筛选器移液管管。允许的反溶剂慢慢层上以前添加的解决方案 (图 2)。请不要使用灯泡推通过吸管溶剂,反而允许溶剂流过该筛选器本身。
    1. 请确保首先加入到水晶管溶剂密度更高。
    2. 检查两种溶剂与彼此相混溶。这是之前另外溶剂的完成。
  4. 密封管与核磁共振帽。

3.晶体生长

  1. 而不会导致两种溶剂混合,放置水晶 tube(s) 在一个机柜中在哪里,他们不会因此而感到不安。
  2. 晶化时间将随每个化合物-通常管不受干扰的应该离开了一个星期的晶体。
  3. 一周后,检查管晶体生长。
    1. 晶体生长通常发生在两种溶剂的接口。
    2. 目视检查管为晶体生长的证据。谨慎小心,不便于混合溶剂,在该化合物的晶体的形成需要一段时间。
    3. 如果它出现发生晶体生长,进一步检查换热管采用显微镜。

4.水晶选择

  1. X 射线衍射晶体应该有明确的面孔。
  2. 应尽可能避免有聚集在一起的晶体。
  3. 在水晶管离开晶体,直到准备收获的水晶,立即之前,把晶体衍射仪上。
    1. 在管内保持晶体将确保晶体保持溶剂化。脱溶剂化可以导致晶体开裂,并阻碍晶体的衍射。

Figure 1
图 1。移液管过滤图像。一块小小的无绒布擦拭在吸管的瓶颈有坚决的楔形。解决方案被通过虽然之前被介绍给水晶管这些移液管过滤器。

Figure 2
图 2。一旦目标的化合物的溶液放在水晶管中,抗溶剂是慢慢地分层顶上通过一种新型的移液器滤波器。

单晶是需要为其结构的确定。晶体的质量严重影响质量和结构测定的准确性。

单晶是一种固体的分子排列重复所有三个方面。可以用 x 射线晶体学确定空间中原子排列的结晶固体。在这种技术,一种纯净的晶体样品被包围一束 x 射线。晶体衍射对 x 射线与晶体结构和分子组成有关的独特模式。如果太快形成晶体,分子可能紊乱、 杂质可能纳入晶体,或两个或更多的融合的晶体可能形成而不是一种单晶。因此,需要专门的方法,重点是缓慢增长生产晶体的 x 射线晶体学质量足够。

本视频将显示所需的 x 射线质量晶体特征、 演示过程为种植它们,和介绍几种应用这一技术在化学。

电子散射 x 射线发射球形的 x 射线波命中时。如果原子处于有序的安排,相长干涉波之间产生 x 射线探测器的特征衍射模式。在从多个角度收集衍射图样的梁内旋转晶体。有足够的衍射图案,可以派生的分子结构。

X 射线质量晶体通常形成对称的形状,有光滑,反射光的脸。当查看在偏光显微镜下,他们将是透明的但大部分应该成为黑暗时旋转 90 °。这表明高度有序结构。为了成长这些晶体,常常使用液相扩散。采用这两种混溶剂: 低密度的溶剂或沉淀,这种化合物来进行再结晶是不溶物;和这种化合物是可溶性的高密度溶剂。通常情况下,溶剂沉淀剂的体积比是 2:1。

低密度沉淀被分层上高密度的溶剂中的化合物的浓缩溶液。随着时间推移,这种化合物成为不可溶性作为沉淀剂混合着解决方案。一个较小的溶剂界面结果是缓慢速率的扩散,从而产生更大、 更纯净的晶体。现在,您了解日益 x 射线质量晶体的原则,通过种植它们的液-液扩散的程序吧。

若要开始,请获取在文本协议中找到所需的设备。获取该化合物和密度较小的沉淀剂的溶剂。

准备移液器筛选器,将一块小小的 Kimwipe 放入顶部的玻璃吸管和轻轻地按到底部移液管主体使用杆或另一个吸管,小心不要刺破纸干纸。准备两个移液器筛选器。地方一到核磁共振管。如有必要,安全与实验室钳和环站大会。溶解的化合物,在 0.75 毫升的溶剂结晶 10 毫克左右。

现在,仔细加入样品溶液的移液器筛选器。贴上一个灯泡到顶部,慢慢地挤压进入核磁共振管去除固体杂质的解决方案。不允许灯泡会重新扩充,而它直接相连,如吸力将取出过滤纸。

接下来,用移液管过滤器中删除并将第二个过滤器放入核磁共振管。入管吸管大约 1.5 毫升的沉淀。允许通过过滤器通过重力的溶剂。从现在开始,照顾不去打扰在任何操作过程中的筛选器。一旦所有的沉淀剂已入管进行筛选,删除筛选器和帽管。将它放在内阁或其他易检验的位置在哪里不会烦躁。

至少一天后,检查管晶体生长。如果没有晶体存在或晶体都很小,离开样品管不受干扰。如果晶体是可见的而不会干扰溶剂层检查它们的大小和形状。

如果晶体是大型的、 良好定义的并不聚集在一起,检查来验证其成为 x 射线质量潜力在显微镜下的晶体。不要从管中删除晶体,直到衍射仪是准备开始扫描。如果溶剂分子被纳入的晶体结构,允许水晶晾干将会降低晶体。利用 x 射线晶体学,验证了这些黑暗的红紫色晶体分子的结构,要四苯基卟啉。

X 射线晶体学是化学和生物化学的重要分析工具。

重结晶方法包括加热和冷却、 液-液扩散、 蒸气扩散和缓慢蒸发。在一个单一的溶剂体系的缓慢蒸发,化合物是在少量的溶剂中溶解,放入一个容器有一个小洞在盖帽。作为溶剂蒸发后,浓度增加直到该化合物开始结晶。

蛋白质的功能是往往涉及到它们的结构。然而,蛋白质可以很难结晶。必须专门技术成长 X 射线质量的蛋白质晶体。这里,一滴蛋白质溶液混合在一起沉淀一滴,这种混合物在纯沉淀室密封。溶剂蒸气弥漫出下降,下降,蛋白质的溶解度降低,以及蛋白慢慢结晶。另一种技术混合蛋白溶液和沉淀下矿物油。使用这些技术,各种蛋白质可结晶的分析。

在粉末衍射,每个可能的空间方向表示样本中同时。粉末衍射不是作为信息关于结构为单晶 x 射线衍射的三维结构数据丢失。相反,粉末衍射擅长分析的晶态固体混合物和评估非晶结构的结晶。

你刚看了 x 射线晶体学的晶体生长的朱庇特的简介。你现在应该熟悉 x 射线质量晶体,生长,以及几种应用这一技术在化学过程的性质。

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Results

液-液扩散技术用于创建 x 射线质量晶体四苯基卟啉。用二氯甲烷为溶剂,甲醇作为反溶剂,液体被允许慢慢弥漫一周,当然没有被打扰。大、 定义良好的暗紫色红色晶体形成的界面两种溶剂 (图 3)。可以直观地观察晶体的生长。晶体生长很好定义的面孔,可以用显微镜看不见。

Figure 3
图 3。X-射线衍射质量晶体的 TPP。应避免的晶体,都聚集在一起或生长出另一个。大单晶具有定义良好的面孔通常产生更好的结果。

Applications and Summary

X 射线质量晶体可以增长了液-液扩散。缓慢扩散的二元溶剂体系允许的晶体创建适合 x 射线衍射。此方法允许晶格形成缓慢,往往导致更大和更好明确的晶体。利用核磁共振管方便溶剂,允许优化晶体生长缓慢扩散。此过程可能需要几天到几个月。经常在结晶过程中溶剂分子被纳入晶格。因此它是重要的是避免使晶体"干"。因此,液-液扩散的优点之一是晶体通常生长在界面的两种溶剂,而绕开这一现象。

液-液扩散是最有用的技术,生产质量晶体 x 射线,这 x 射线晶体学的最重要组成部分之一。获得 x 射线质量晶体通常是进行 x 射线晶体学实验的限制因素。X 射线晶体学本质上是创建一种分子的结构,使得它至少不明确测定方法的一种化合物的完整配置的三维图片。由于分子的结构与功能关系密切,能够破译一种化合物的三维结构是非常有用的各种化学和制药应用。研究人员和制药公司使用 x 射线晶体学来确定蛋白质的结构,研究如何小分子与酶药物发现和设计进行交互。3-5 x 射线晶体学也是最有用的方法,为评价金属配合物之一。这种技术泄露宝贵的洞察力,对金属与对方和及其配体的相互作用。两个铬原子之间第一次过确定五级债券是使用 x 射线晶体学来确定的。6这种技术可也用于解释金属配合物的发光性能。7晶体学已也被广泛用作在主-客体化学中,此方法一直在揭示有关分子间非共价相互作用的宝贵信息。8

References

  1. Gilman, J. J., The art and science of growing crystals. Wiley: (1963).
  2. Orvig, C., A simple method to perform a liquid diffusion crystallization. Journal of Chemical Education 62 (1), 84 (1985).
  3. Brown, C. S.; Lee, M. S.; Leung, D. W.; Wang, T.; Xu, W.; Luthra, P. et. al. In silico derived small molecules bind the filovirus VP35 protein and inhibit its polymerase co-factor activity. Journal of molecular biology426 (10), 2045-2058 (2014)
  4. Batt, S. M.; Jabeen, T.; Bhowruth, V.; Quill, L.; Lund, P. A.; Eggeling et. al. Structural basis of inhibition of Mycobacterium tuberculosis DprE1 by benzothiazinone inhibitors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,109 (28), 11354-9 (2012)
  5. Mortensen, D. S.; Perrin-Ninkovic, S. M.; Shevlin, G.; Elsner, J.; Zhao, J.; Whitefield et al. Optimization of a Series of Triazole Containing Mammalian Target of Rapamycin (mTOR) Kinase Inhibitors and the Discovery of CC-115. Journal of Medicinal Chemistry 58 (14), 5599-5608 (2015)
  6. Nguyen, T.; Sutton, A. D.; Brynda, M.; Fettinger, J. C.; Long, G. J.; Power, P. P., Synthesis of a Stable Compound with Fivefold Bonding Between Two Chromium(I) Centers. Science310 (5749), 844-847 (2005).
  7. Chen, K.; Nenzel, M. M.; Brown, T. M.; Catalano, V. J., Luminescent Mechanochromism in a Gold(I)-Copper(I) N-Heterocyclic Carbene Complex. Inorganic Chemistry 54 (14), 6900-6909.(2015).
  8. Franco, J. U.; Hammons, J. C.; Rios, D.; Olmstead, M. M., New Tetraazaannulene Hosts for Fullerenes. Inorganic Chemistry49 (11), 5120-5125 (2010).

1.编制的水晶管和筛选器

  1. 在锥形瓶核磁共振管的地方。
  2. 准备移液器筛选器。
    1. 构建筛选器通过在移液管,放置一块无绒布擦拭 (由 1 英寸 1 英寸),然后使用杆牢固地楔入 (图 1) 移液管的瓶颈部分的擦拭。
    2. 使两个吸管筛选器需要每个水晶管。

2.将样品加入水晶管

  1. 在 0.75 毫升溶剂 (二氯甲烷) 的溶解的化合物 (四苯基卟啉、 10 毫克)。
  2. 使用吸管,轻轻混合的顶部添加的管,通过筛选器。
    1. 粒子被过滤掉,以避免会导致小的而不是所需的较大单晶的多个晶体的形核网站创建。
  3. 一旦样品已放在水晶管,慢慢地,轻轻地,将反溶剂 (1.5 毫升的甲醇) 添加到通过新的筛选器移液管管。允许的反溶剂慢慢层上以前添加的解决方案 (图 2)。请不要使用灯泡推通过吸管溶剂,反而允许溶剂流过该筛选器本身。
    1. 请确保首先加入到水晶管溶剂密度更高。
    2. 检查两种溶剂与彼此相混溶。这是之前另外溶剂的完成。
  4. 密封管与核磁共振帽。

3.晶体生长

  1. 而不会导致两种溶剂混合,放置水晶 tube(s) 在一个机柜中在哪里,他们不会因此而感到不安。
  2. 晶化时间将随每个化合物-通常管不受干扰的应该离开了一个星期的晶体。
  3. 一周后,检查管晶体生长。
    1. 晶体生长通常发生在两种溶剂的接口。
    2. 目视检查管为晶体生长的证据。谨慎小心,不便于混合溶剂,在该化合物的晶体的形成需要一段时间。
    3. 如果它出现发生晶体生长,进一步检查换热管采用显微镜。

4.水晶选择

  1. X 射线衍射晶体应该有明确的面孔。
  2. 应尽可能避免有聚集在一起的晶体。
  3. 在水晶管离开晶体,直到准备收获的水晶,立即之前,把晶体衍射仪上。
    1. 在管内保持晶体将确保晶体保持溶剂化。脱溶剂化可以导致晶体开裂,并阻碍晶体的衍射。

Figure 1
图 1。移液管过滤图像。一块小小的无绒布擦拭在吸管的瓶颈有坚决的楔形。解决方案被通过虽然之前被介绍给水晶管这些移液管过滤器。

Figure 2
图 2。一旦目标的化合物的溶液放在水晶管中,抗溶剂是慢慢地分层顶上通过一种新型的移液器滤波器。

单晶是需要为其结构的确定。晶体的质量严重影响质量和结构测定的准确性。

单晶是一种固体的分子排列重复所有三个方面。可以用 x 射线晶体学确定空间中原子排列的结晶固体。在这种技术,一种纯净的晶体样品被包围一束 x 射线。晶体衍射对 x 射线与晶体结构和分子组成有关的独特模式。如果太快形成晶体,分子可能紊乱、 杂质可能纳入晶体,或两个或更多的融合的晶体可能形成而不是一种单晶。因此,需要专门的方法,重点是缓慢增长生产晶体的 x 射线晶体学质量足够。

本视频将显示所需的 x 射线质量晶体特征、 演示过程为种植它们,和介绍几种应用这一技术在化学。

电子散射 x 射线发射球形的 x 射线波命中时。如果原子处于有序的安排,相长干涉波之间产生 x 射线探测器的特征衍射模式。在从多个角度收集衍射图样的梁内旋转晶体。有足够的衍射图案,可以派生的分子结构。

X 射线质量晶体通常形成对称的形状,有光滑,反射光的脸。当查看在偏光显微镜下,他们将是透明的但大部分应该成为黑暗时旋转 90 °。这表明高度有序结构。为了成长这些晶体,常常使用液相扩散。采用这两种混溶剂: 低密度的溶剂或沉淀,这种化合物来进行再结晶是不溶物;和这种化合物是可溶性的高密度溶剂。通常情况下,溶剂沉淀剂的体积比是 2:1。

低密度沉淀被分层上高密度的溶剂中的化合物的浓缩溶液。随着时间推移,这种化合物成为不可溶性作为沉淀剂混合着解决方案。一个较小的溶剂界面结果是缓慢速率的扩散,从而产生更大、 更纯净的晶体。现在,您了解日益 x 射线质量晶体的原则,通过种植它们的液-液扩散的程序吧。

若要开始,请获取在文本协议中找到所需的设备。获取该化合物和密度较小的沉淀剂的溶剂。

准备移液器筛选器,将一块小小的 Kimwipe 放入顶部的玻璃吸管和轻轻地按到底部移液管主体使用杆或另一个吸管,小心不要刺破纸干纸。准备两个移液器筛选器。地方一到核磁共振管。如有必要,安全与实验室钳和环站大会。溶解的化合物,在 0.75 毫升的溶剂结晶 10 毫克左右。

现在,仔细加入样品溶液的移液器筛选器。贴上一个灯泡到顶部,慢慢地挤压进入核磁共振管去除固体杂质的解决方案。不允许灯泡会重新扩充,而它直接相连,如吸力将取出过滤纸。

接下来,用移液管过滤器中删除并将第二个过滤器放入核磁共振管。入管吸管大约 1.5 毫升的沉淀。允许通过过滤器通过重力的溶剂。从现在开始,照顾不去打扰在任何操作过程中的筛选器。一旦所有的沉淀剂已入管进行筛选,删除筛选器和帽管。将它放在内阁或其他易检验的位置在哪里不会烦躁。

至少一天后,检查管晶体生长。如果没有晶体存在或晶体都很小,离开样品管不受干扰。如果晶体是可见的而不会干扰溶剂层检查它们的大小和形状。

如果晶体是大型的、 良好定义的并不聚集在一起,检查来验证其成为 x 射线质量潜力在显微镜下的晶体。不要从管中删除晶体,直到衍射仪是准备开始扫描。如果溶剂分子被纳入的晶体结构,允许水晶晾干将会降低晶体。利用 x 射线晶体学,验证了这些黑暗的红紫色晶体分子的结构,要四苯基卟啉。

X 射线晶体学是化学和生物化学的重要分析工具。

重结晶方法包括加热和冷却、 液-液扩散、 蒸气扩散和缓慢蒸发。在一个单一的溶剂体系的缓慢蒸发,化合物是在少量的溶剂中溶解,放入一个容器有一个小洞在盖帽。作为溶剂蒸发后,浓度增加直到该化合物开始结晶。

蛋白质的功能是往往涉及到它们的结构。然而,蛋白质可以很难结晶。必须专门技术成长 X 射线质量的蛋白质晶体。这里,一滴蛋白质溶液混合在一起沉淀一滴,这种混合物在纯沉淀室密封。溶剂蒸气弥漫出下降,下降,蛋白质的溶解度降低,以及蛋白慢慢结晶。另一种技术混合蛋白溶液和沉淀下矿物油。使用这些技术,各种蛋白质可结晶的分析。

在粉末衍射,每个可能的空间方向表示样本中同时。粉末衍射不是作为信息关于结构为单晶 x 射线衍射的三维结构数据丢失。相反,粉末衍射擅长分析的晶态固体混合物和评估非晶结构的结晶。

你刚看了 x 射线晶体学的晶体生长的朱庇特的简介。你现在应该熟悉 x 射线质量晶体,生长,以及几种应用这一技术在化学过程的性质。

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