Overview
Fuente: Laboratorio del Dr. Jimmy Franco - Merrimack College
Cristalografía de la radiografía es un método comúnmente utilizado para determinar el arreglo espacial de átomos en un sólido cristalino, que permite la determinación de la forma tridimensional de una molécula o complejo. Determinar la estructura tridimensional de un compuesto es de particular importancia, ya que de un compuesto estructura y función están íntimamente relacionados. Información sobre la estructura de un compuesto se utiliza a menudo para explicar su comportamiento o reactividad. Esta es una de las técnicas más útiles para resolver la estructura tridimensional de un compuesto o complejo y en algunos casos puede ser el único método para la determinación de la estructura. Crecimiento de cristales de calidad de rayos x es el componente clave de la cristalografía de rayos x. El tamaño y la calidad del cristal es a menudo altamente dependiente en la composición del compuesto siendo examinado por cristalografía de rayos x. Normalmente compuestos que contienen átomos más pesados producen un patrón de difracción de mayor, por lo tanto requieren cristales más pequeños. Generalmente, solo cristales con caras bien definidas son óptimas, y típicamente para compuestos orgánicos, los cristales deben ser más grandes que los que contienen átomos pesados. Sin viables cristales, Cristalografía de rayos x no es factible. Algunas moléculas son inherentemente más cristalinos que los demás, así la dificultad de obtener cristales de calidad de rayos x puede variar entre compuestos. El crecimiento de cristales de la radiografía es similar al proceso de recristalización que comúnmente se utiliza para purificar los compuestos, pero con un énfasis en la producción de cristales de la más alta calidad. A menudo, cristales de la más alta calidad pueden obtenerse permitiendo el proceso de cristalización proceder lentamente, que puede ocurrir en el transcurso de días o meses.
Principles
Hay un número de métodos para el crecimiento de cristales de la radiografía, como calefacción y enfriamiento, evaporación y difusión de vapor, cada uno con sus ' propias ventajas y limitaciones. 1 se describe a continuación es uno de los métodos más útiles para cristales de calidad de rayos x cada vez mayores, difusión de líquidos. 2 crecimiento de cristales de la radiografía exitosa depende de la opción apropiada de solventes. El compuesto debe ser soluble en un solvente pero insoluble en el otro. Difusión de líquidos implica capas cuidadosamente un solvente de baja densidad en la parte superior un solvente de mayor densidad en un tubo delgado, como un tubo NMR. La tasa de difusión puede influir grandemente en el tamaño y calidad de la difusión rápida de cristales favorece cristales más pequeños, mientras que difusión lenta favorece el crecimiento de cristales más grandes y de mejor calidad. La utilización de tubos delgados, tales como tubos NMR, disminuye la difusión de los disolventes, creando así un ambiente que facilita el crecimiento de cristales de la más alta calidad. Solventes utilizados para la capa inferior, que el compuesto se disuelve en, son cloruro de metileno o cloroformo. El compuesto se disuelve en el disolvente menos denso, pero esto puede resultar problemático como el disolvente superior puede comenzar a evaporar antes de la formación de cristales. La condición óptima es que los compuestos disueltos en el solvente más denso. La capa superior es el anti-solvent o precipitado. Utiliza con frecuencia contra solventes es hexano, pentano, éter dietílico o metanol. Una vez que los dos solventes han sido cuidadosamente capas, pueden poco a poco se difunden en uno con el otro. El compuesto se hace menos soluble en la solución binaria, facilitando la formación de cristales de la radiografía.
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Procedure
1. preparación del tubo de cristal y filtro
- Coloque un tubo NMR en un matraz Erlenmeyer.
- Preparar un filtro de la pipeta.
- Construir el filtro, colocando un pedazo de paño sin pelusa (1 pulgada por 1 pulgada) en la pipeta y luego utilizar una barra para el paño firmemente de la cuña en la porción del cuello de botella de la pipeta (figura 1).
- Hacer dos filtros pipeta para cada tubo de cristal necesarios.
2. Añadir la muestra al tubo de cristal
- Disolver el compuesto (tetraphenylporphyrin, 10 mg) en 0,75 mL de solvente (diclorometano).
- Con una pipeta, suavemente agregue la mezcla a la parte superior del tubo, al pasar por el filtro.
- Las partículas se filtran para evitar la creación de sitios de nucleación, que puede dar lugar a pequeños cristales múltiples en lugar de las deseada monocristales grandes.
- Una vez que la muestra ha sido colocada en el tubo de cristal, muy lenta y suavemente, agregue el anti-solvente (1.5 mL de metanol) en el tubo a través de una nueva pipeta de filtro. Deje que el solvente el que lentamente la capa sobre la solución previamente agregada (Figura 2). No use una bombilla para empujar el solvente a través de la pipeta, en lugar de otro permitir que el solvente a fluir a través del filtro por sí mismo.
- Asegúrese de que solvente de densidad más alta se agrega al tubo de cristal primero.
- Compruebe que los dos solventes son miscibles entre sí. Esto se hace antes de la adición del solvente.
- Sellar el tubo con un tapón de NMR.
3. cristal crecimiento
- Sin causar los dos solventes a la mezcla, coloque los tubos de cristal en un gabinete donde no será perturbados.
- Tiempo de cristalización varía con cada compuesto - típicamente el cristal de los tubos deben dejarse imperturbados por una semana.
- Después de una semana, inspeccionar los tubos de crecimiento cristalino.
- Crecimiento de cristales normalmente se produce en la interfase de los dos disolventes.
- Inspeccione visualmente los tubos para pruebas de crecimiento de cristales. Tenga cuidado de no facilitar la mezcla de los solventes, en caso de que el compuesto requiere tiempo adicional para la formación de cristales.
- Si parece que se ha producido crecimiento cristalino, más Inspeccione los tubos utilizando un microscopio.
4. cristal selección
- Difracción de rayos x de cristales deben han definido bien caras.
- Cristales que se han agrupados deben evitarse si es posible.
- Deja los cristales en el tubo de cristal hasta que esté listo para cosechar el cristal, inmediatamente antes de colocar el cristal en el difractómetro.
- Mantener los cristales en el tubo se asegurará de que los cristales quedan solvatados. La solvatación puede causar los cristales de crack y obstaculizar la difracción del cristal.
Figura 1. Una imagen del filtro pipeta. Un pequeño trozo de paño libre de pelusa ha sido encajado firmemente en el embotellamiento de la pipeta. Las soluciones se pasan aunque estos filtros pipeta antes de ser introducido en el tubo de cristal.
Figura 2. Una vez que la solución que contiene compuestos específicos se coloca en el tubo de cristal, anti-solvent es capas lentamente en la parte superior pasando por un nuevo filtro de pipeta.
Un solo cristal se requiere para la determinación de su estructura. La calidad del cristal influye fuertemente en la calidad y exactitud de la determinación estructural.
Un solo cristal es un sólido en el que el arreglo de molécula se repite en las tres dimensiones. El arreglo espacial de los átomos en el sólido cristalino puede ser determinado mediante Cristalografía de rayos x. En esta técnica, una muestra cristalina pura está envuelto por un haz de rayos x. El cristal difracta los rayos x en un patrón distintivo relacionado con la estructura de cristales y composición molecular. Si un cristal se forma muy rápidamente, las moléculas pueden ser desordenadas, las impurezas pueden ser incorporadas en el cristal o pueden formar dos o más cristales fundidos en lugar de un solo cristal. Por lo tanto, se necesitan métodos especializados con énfasis en un crecimiento lento para producir cristales de calidad suficiente para la cristalografía de rayos x.
Este video ilustran las características deseadas de cristales de calidad de rayos x, demostrar un procedimiento para el crecimiento de ellos y presentar algunas aplicaciones de esta técnica en química.
Electrones dispersan rayos x emitiendo una radiografía esférica de la onda cuando. Si los átomos están en un arreglo ordenado, interferencia constructiva entre las ondas produce un patrón de difracción característico en un detector de rayos x. El cristal se rota dentro de la viga para recoger patrones de difracción desde múltiples ángulos. Con suficientes patrones de difracción, se puede derivar la estructura molecular.
Cristales X-ray-calidad generalmente forman formas simétricas y tienen caras lisas, que reflejen la luz. Cuando se observa bajo un microscopio de polarización, será transparentes, pero la mayoría debe llegar a ser oscuro cuando girado 90°. Esto indica la estructura altamente ordenada. Para hacer crecer estos cristales, es de uso frecuente difusión de líquidos. Esto emplea dos solventes miscibles: disolvente de baja densidad, o precipitado, en la que el compuesto a ser recristalizado es insoluble; y un solvente de alta densidad en la que el compuesto es soluble. Por lo general, la proporción volumétrica de precipitante al solvente es 2:1.
El precipitado de baja densidad se acoda en una solución concentrada del compuesto en el disolvente de alta densidad. Con el tiempo, el compuesto se convierte en menos soluble como el precipitante se mezcla con la solución. Una interfaz solvente más pequeño resulta en una tasa más lenta de difusión, así produciendo cristales más grandes, más puros. Ahora que usted entiende los principios de crecimiento cristales de calidad de rayos x, vamos a ir a través de un procedimiento para el cultivo por la difusión de líquidos.
Para empezar, obtener el equipo necesario en el protocolo de texto. Adquirir un solvente para el compuesto y un precipitado menos denso.
Para preparar un filtro de la pipeta, coloque un pedazo pequeño de Kimwipe en la parte superior de una pipeta de vidrio y presionar suavemente el papel hacia la parte inferior del cuerpo de la pipeta con una varilla o vástago de pipeta de otro, teniendo cuidado de no perforar el papel. Preparar dos filtros pipeta. Coloque uno en el tubo NMR. Si es necesario, asegure el conjunto con un soporte de fijación y anillo de laboratorio. Disolver aproximadamente 10 mg del compuesto a ser recristalizado en 0,75 mL de solvente.
Ahora, añadir cuidadosamente la solución de muestra en el filtro de la pipeta. Colocar una bombilla en la parte superior y presionar lentamente para pasar la solución en el tubo NMR para eliminar las impurezas sólidas. No permita que la bombilla se vuelva a expandir mientras está conectado, como la succión desplace el papel de filtro.
A continuación, retire el filtro usado de la pipeta y coloque el segundo filtro en el tubo NMR. Pipetear aproximadamente 1,5 mL del precipitado en el tubo. Deje que el solvente pasar a través del filtro por gravedad. De ahora en adelante, tenga cuidado de no para disturbar el filtro durante cualquier manipulación. Una vez que todo el precipitado se ha filtrado en el tubo, retire el filtro y la tapa del tubo. Coloque en un armario o en otro lugar fácilmente comprobado donde no va ser agitado.
Después de al menos un día, inspeccionar los tubos de crecimiento cristalino. Si ningunos cristales o los cristales son muy pequeños, deje el tubo de muestra imperturbada. Si los cristales están visibles, comprobar su tamaño y forma sin afectar a las capas de disolventes.
Si los cristales son grandes y bien definidos y no están agrupados, inspeccione los cristales bajo un microscopio para verificar su potencial de calidad de rayos x. No retire los cristales desde el tubo hasta el difractómetro está listo para comenzar la exploración. Si las moléculas de solvente son incorporadas en la estructura cristalina, permitiendo que el cristal se seque se degrada el cristal. Utilizando Cristalografía de rayos x, la estructura molecular de estos cristales de color rojo púrpura oscuro fue verificada para ser tetraphenylporphyrin.
Cristalografía de rayos x es una herramienta analítica fundamental en química y bioquímica.
Los métodos de recristalización incluyen calefacción y refrigeración, difusión de líquidos, difusión de vapor y evaporación lenta. En la evaporación lenta de un sistema de solvente, el compuesto es disuelto en una pequeña cantidad de disolvente y coloca en un recipiente con un pequeño agujero en la tapa. Como se evapora el disolvente, la concentración aumenta hasta que el compuesto comienza la cristalización.
La funcionalidad de las proteínas a menudo se relaciona con su estructura. Sin embargo, las proteínas pueden ser muy difíciles de cristalizar. Deben desarrollar técnicas especializadas para hacer crecer cristales de X-ray-calidad de las proteínas. Aquí, una gota de solución de proteína se mezcla con una gota de precipitado y se sella esta mezcla en una cámara con puro precipitado. Como el vapor del solvente se difunde fuera de la gota, disminuye la solubilidad de la proteína en la gota, y la proteína se cristaliza lentamente. Otra técnica mezcla la solución de la proteína y precipitado bajo aceite mineral. Utilizando estas técnicas, una variedad de proteínas puede ser cristalizada para el análisis.
En la difracción de polvo, cada orientación espacial posible está representada en la muestra simultáneamente. Difracción de polvo no es tan informativo acerca de la estructura como difracción de rayos x de monocristal debido a la pérdida de datos de estructura tridimensional. En cambio, difracción de polvo sobresale en el análisis de mezclas de sólidos cristalinos y la evaluación de la cristalinidad de las estructuras amorfas.
Sólo ha visto la introducción de Zeus para crecer cristales de Cristalografía de rayos x. Ahora debe estar familiarizado con las propiedades de los cristales de calidad de rayos x, un procedimiento para el cultivo de ellos y algunas aplicaciones de esta técnica en química.
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Results
La técnica de difusión de líquidos fue utilizada para crear cristales de calidad de rayos x de tetraphenylporphyrin. Usando diclorometano como solvente y metanol como anti-solvent, los líquidos se les permitiera difundir lentamente en el transcurso de una semana sin ser molestado. Grandes, bien definidos, oscuros morado rojizo cristales formados en la interfase de los dos solventes (figura 3). El crecimiento de los cristales se puede observar visualmente. Los cristales crecieron con caras muy bien definidas, que pueden verse con un microscopio.
Figura 3. Cristales de calidad de difracción de rayos x de ATP. Deben evitarse los cristales que están agrupadas o que crecen fuera de uno a otro. Grandes solos cristales con caras bien definidas suelen obtenerse mejores resultados.
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Applications and Summary
Cristales de calidad de rayos x se puede cultivar por la difusión de líquidos. La lenta difusión del sistema solvente binario permite la creación de cristales adecuada para difracción de rayos x. Este método permite el enrejado cristalino formar poco a poco, a menudo conduce a más y más cristales bien definición. El uso de tubos NMR facilita la difusión lenta de los solventes, lo que permite crecimiento cristalino óptimo. Este proceso puede tardar desde unos pocos días hasta varios meses. A menudo durante el proceso de cristalización se incorporan moléculas de solvente en el enrejado cristalino. Por lo tanto es importante evitar que los cristales se "seque". Así, una de las ventajas de la difusión de líquidos es que los cristales crecen típicamente en el interfaz de los dos disolventes, que evita este fenómeno.
Difusión de líquidos es una de las técnicas más útiles para la producción de cristales de calidad de rayos x, que es el componente más esencial de la cristalografía de rayos x. Obtención de cristales de calidad rayos x suele ser el factor limitante en la realización de experimentos de Cristalografía de rayos x. Cristalografía de rayos x esencialmente crea una imagen tridimensional de la estructura de la molécula, lo que es el método menos ambiguo para determinar la configuración completa de un compuesto. Puesto que la estructura y función de moléculas están íntimamente relacionados, la capacidad de descifrar la estructura tridimensional de un compuesto es muy útil para una variedad de aplicaciones químicas y farmacéuticas. Investigadores y compañías farmacéuticas uso Cristalografía de rayos x para determinar la estructura de las proteínas para examinar cómo las pequeñas moléculas interactúan con las enzimas con el fin de descubrimiento de fármacos y diseño. 3-5 la cristalografía de rayos x es también uno de los métodos más útiles para la evaluación de complejos metálicos. Esta técnica divulga información valiosa sobre cómo los metales interactúan unos con otros y sus ligandos. El primer bono quíntuple nunca identificado entre dos átomos de cromo fue identificado usando Cristalografía de rayos x. 6 esta técnica puede utilizarse también para explicar las propiedades luminiscentes de complejos metálicos. 7 Cristalografía ha también ampliamente utilizada en química host-guest, este método ha sido instrumental en revelar información valiosa acerca de las interacciones no covalentes entre las moléculas. 8
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