Overview
Source : Laboratoire du Dr Jimmy Franco - Merrimack College
Cristallographie aux rayons x est une méthode couramment utilisée pour déterminer l’arrangement spatial des atomes dans un solide cristallin, qui permet la détermination de la forme tridimensionnelle d’une molécule ou complexes. Détermination de la structure tridimensionnelle d’un composé est d’une importance particulière, puisque d’un composé structure et la fonction sont intimement liés. Informations sur la structure d’un composé sont souvent utilisées pour expliquer son comportement ou sa réactivité. C’est une des techniques plus utiles pour résoudre la structure tridimensionnelle d’un composé ou complexe et dans certains cas il peut être la seule méthode viable pour la détermination de la structure. Croissance des cristaux de qualité x-ray est le composant clé de la cristallographie aux rayons x. La taille et la qualité du cristal est souvent fortement tributaires de la composition de la substance examinée par cristallographie aux rayons x. Généralement les composés contenant des atomes plus lourds produisent un grand motif de diffraction, exigent donc des cristaux plus petits. En règle générale, monocristaux avec visages bien définis sont optimales, et généralement pour les composés organiques, les cristaux doivent être plus grands que ceux contenant des atomes lourds. Sans cristaux viable, la cristallographie par rayons x n’est pas possible. Certaines molécules sont intrinsèquement plus cristallins que d’autres, donc la difficulté d’obtenir des cristaux de qualité aux rayons x peut varier entre les composés. La croissance des cristaux de rayons x est semblable au processus de recristallisation qui est couramment utilisé pour la purification de composés, mais en mettant l’accent sur la production de cristaux de qualité supérieures. Souvent, les cristaux de qualité supérieures peuvent être obtenues en permettant le processus de cristallisation de procéder lentement, pouvant survenir au cours du jour ou mois.
Principles
Il y a un certain nombre de méthodes pour la croissance des cristaux de rayons x, comme le chauffage et de refroidissement, l’évaporation et diffusion de la vapeur, chacun avec ses ' propres avantages et ses limites. 1 décrit ci-après est une des méthodes plus utiles pour les cristaux de qualité croissantes aux rayons x, diffusion liquide-liquide. 2 croissance réussie aux rayons x des cristaux dépend du choix approprié des solvants. Le composé doit être soluble dans un solvant mais insoluble dans un autre. -Liquide diffusion implique superposition soigneusement un solvant de faible densité au sommet d’un haute densité de solvant dans un mince tube, tel qu’un tube de NMR. Le taux de diffusion peut grandement influencer la taille et la qualité de la diffusion de cristaux-rapid favorise des cristaux plus petits, tandis que la diffusion lente favorise la croissance des cristaux de grandes et de meilleure qualité. L’utilisation de tubes fins, tels que des tubes de NMR, ralentit la diffusion des solvants, créant ainsi un environnement qui favorise la croissance des cristaux de qualité supérieures. Des solvants couramment utilisés pour la couche inférieure, dont le composé se dissout dans, sont le chlorure de méthylène ou le chloroforme. Le composé est dissoute dans le solvant moins dense, mais cela peut se révéler problématique car le solvant supérieur peut commencer à s’évaporer avant la formation de cristaux. La condition optimale est d’avoir les composés dissous dans le solvant plus dense. La couche supérieure est l’anti-solvant ou précipitant. Fréquemment utilisés des solvants sont hexane, pentane, l’éther éthylique ou méthanol. Une fois que les deux solvants ont été soigneusement en couches, ils sont autorisés à diffuser lentement dans l’autre. Le composé devient moins soluble dans la solution binaire, faciliter la formation de cristaux de rayons x.
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Procedure
1. préparation du Tube cristal et filtre
- Placer un tube de NMR dans un erlenmeyer.
- Préparer un filtre de la pipette.
- Construire le filtre en plaçant un morceau de chiffon non pelucheux (1 po par 1 po) à la pipette, puis utilisez une tige pour coincer fermement la lingette dans la partie du goulot d’étranglement de la pipette (Figure 1).
- Faire deux filtres de pipette pour chaque tube cristal nécessaire.
2. ajouter l’échantillon dans le Tube de cristal
- Dissoudre le composé (tétraphénylporphyrine, 10 mg) à 0,75 mL de solvant (dichlorométhane).
- Avec une pipette, ajouter doucement le mélange vers le haut du tube, en le faisant passer à travers le filtre.
- Les particules sont filtrées pour éviter la création de sites de nucléation, qui peut conduire à petits cristaux multiples plutôt que les plus gros monocristaux désirées.
- Une fois que l’échantillon a été placé dans le tube de cristal, très lentement et doucement, ajouter du anti-solvant (1,5 mL de méthanol) dans le tube à travers une nouvelle pipette de filtre. Laisser le anti-solvant couche lentement sur la solution précédemment ajoutée (Figure 2). Ne pas utiliser une ampoule pour pousser le solvant grâce à la pipette, plutôt laisser le solvant s’écouler à travers le filtre de lui-même.
- Vous assurer que le solvant de densité plus élevée est ajouté au tube cristal tout d’abord.
- Vérifiez que les deux solvants sont miscibles entre eux. Cela se fait avant l’addition du solvant.
- Fermer le tube avec un bouchon de NMR.
3. croissance des cristaux
- Sans causer les deux solvants mélanger, placer les tubes de cristal dans une armoire où ils ne seront pas perturbés.
- Temps de cristallisation varie avec chaque composé - généralement le cristal tubes devraient être laissées intactes pendant une semaine.
- Après une semaine, inspecter les tubes pour la croissance des cristaux.
- Croissance des cristaux se produit généralement à l’interface des deux solvants.
- Inspecter visuellement les tubes des preuves de la croissance des cristaux. Veillez à ne pas faciliter le mélange des solvants, dans le cas où le composé nécessite un délai supplémentaire pour la formation de cristaux.
- S’il apparaît que la croissance des cristaux s’est produite, outre inspecter les tubes à l’aide d’un microscope.
4. Crystal sélection
- Diffraction des rayons x de cristaux doit avoir bien définies visages.
- Les cristaux qui ont regroupés doivent être évitées si possible.
- Laisser les cristaux dans le tube de cristal jusqu’au moment de récolter le cristal, immédiatement avant de placer le cristal sur le diffractomètre.
- Garder les cristaux dans le tube veillera à ce que les cristaux restent solvatés. La solvatation peut causer les cristaux à craquer et entraver la diffraction du cristal.
Figure 1. Une image du filtre pipette. Un petit morceau de pelucheux a été fermement coincé dans le goulot d’étranglement de la pipette. Les solutions sont passées bien que ces filtres pipette avant est introduit dans le tube de cristal.
La figure 2. Une fois la solution contenant le composé est placée dans le tube de cristal, le anti-solvant est lentement posé sur le dessus en le faisant passer à travers un nouveau filtre de pipette.
Pour la détermination de sa structure, il faut un monocristal. La qualité du cristal influe fortement sur la qualité et la précision de la détermination de la structure.
Un cristal est un solide dont l’arrangement de la molécule se répète dans les trois dimensions. L’arrangement spatial des atomes dans le solide cristallin peut être déterminée à l’aide de la diffraction des rayons x. Dans cette technique, un échantillon cristallin pur est enveloppé par un faisceau de rayons x. Le cristal cadre les radiographies dans une caractéristique liée à la structure de cristaux et de la composition moléculaire. Si un cristal se forme trop rapidement, les molécules peuvent être désordonnés, impuretés peuvent être incorporées dans le cristal, ou deux ou plusieurs cristaux fondu peut se former au lieu d’un seul cristal. Par conséquent, des méthodes spécialisées en mettant l’accent sur le ralentissement de la croissance sont nécessaires pour produire des cristaux de qualité suffisante pour la cristallographie aux rayons x.
Cette vidéo va illustrer les caractéristiques de cristaux de qualité aux rayons x, démontrer une procédure à leur culture et introduire quelques applications de cette technique en chimie.
Électrons diffusent des rayons x en émettant une radiographie sphérique des vagues lors de l’impact. Si les atomes sont dans un arrangement ordonné, constructif interférence entre les ondes produit un schéma de diffraction caractéristique sur un détecteur de rayons x. Le cristal est tourné dans le faisceau de recueillir des patrons de diffraction sous plusieurs angles. Avec des patrons de diffraction suffisante, la structure moléculaire peut être dérivée.
X-ray-qualité cristaux généralement des formes symétriques et ont un visage lisse, qui reflètent la lumière. Vu au microscope polarisant, ils seront transparents, mais la plupart devrait devenir sombre quand pivote de 90°. Ceci indique la structure hautement ordonnée. Pour cultiver ces cristaux, diffusion liquide-liquide est souvent utilisée. Il emploie deux solvants miscibles : solvant de faible densité, ou précipitant, dans lequel le composé à être recristallisés est insoluble ; et un solvant haute densité dans lequel le composé est soluble. En règle générale, le rapport volumétrique de precipitant au solvant est 2:1.
La faible densité précipitant est superposée sur une solution concentrée de ce composé dans le solvant de haute densité. Au fil du temps, le composé devient moins soluble que les mélanges precipitant avec la solution. Une petite interface solvant se traduit par un rythme plus lent de diffusion, produisant ainsi des cristaux plus gros et plus pur. Maintenant que vous comprenez les principes de cristaux de qualité croissantes aux rayons x, Let ' s go grâce à une procédure à leur culture par diffusion liquide-liquide.
Pour commencer, obtenir le matériel nécessaire dans le protocole du texte. Acquérir un solvant pour le composé et un précipitant moins dense.
Pour préparer un filtre de pipette, placez un petit morceau de Kimwipe dans la partie supérieure d’une pipette de verre et appuyez doucement sur le papier vers le bas du corps de la pipette à l’aide d’une tige ou la tige d’une autre pipette, en veillant à ne pas perforer le papier. Préparer deux filtres de pipette. Placez-en un dans le tube de NMR. Si nécessaire, fixez l’ensemble avec un stand de collier et la bague de laboratoire. Dissoudre environ 10 mg du composé à être recristallisée dans 0,75 mL de solvant.
Maintenant, ajouter avec précaution la solution de l’échantillon dans le filtre de la pipette. Apposer une ampoule vers le haut et presser doucement pour passer la solution dans le tube de NMR pour éliminer les impuretés solides. Ne pas laisser l’ampoule pour développez à nouveau alors qu’il est attaché, comme la succion va déloger le papier filtre.
Ensuite, retirez le filtre de pipette usagés et placer le second filtre dans le tube de NMR. Pipeter environ 1,5 mL de précipitant dans le tube. Laisser le solvant passent par le filtre par gravité. À l’avenir, prendre soin de ne pas pour déranger le filtre pendant les manipulations. Une fois que tous le précipitant a filtré dans le tube, retirez le filtre et le bouchon du tube. Placez-le dans une armoire ou tout autre endroit facilement vérifié où il ne va pas être agité.
Après au moins une journée, inspecter les tubes pour la croissance des cristaux. Si aucun cristaux n’est présents ou si les cristaux sont très petits, laisser le tube à essais. Si les cristaux sont visibles, contrôler leur taille et forme sans perturber les couches de solvants.
Si les cristaux sont grandes, bien définis et ne sont pas regroupés, inspecter les cristaux au microscope pour vérifier leur potentiel de qualité de rayons x. Ne pas enlever les cristaux du tube jusqu'à ce que le diffractomètre est prêt à commencer le scan. Si les molécules du solvant sont incorporés dans la structure cristalline, ce qui permet du cristal sécher va se dégrader le cristal. En utilisant la diffraction des rayons x, la structure moléculaire de ces cristaux de couleur rougeâtre-pourpre foncé a été vérifiée pour être tétraphénylporphyrine.
Cristallographie aux rayons x est un outil essentiel d’analyse en chimie et en biochimie.
Les méthodes de recristallisation comprennent le chauffage et de refroidissement, liquide-liquide diffusion, diffusion de la vapeur et évaporation lente. Évaporation lente d’un unique système de solvants, le composé est dissous dans une petite quantité de solvant et placé dans un récipient avec un petit trou dans le bouchon. Lorsque le solvant s’évapore, la concentration augmente jusqu'à ce que le composé commence à cristalliser.
La fonctionnalité des protéines est souvent liée à leur structure. Cependant, les protéines peuvent être très difficiles à se cristalliser. Techniques spécialisées doivent être élaborés pour la croissance de cristaux de X-ray-qualité des protéines. Ici, une goutte d’une solution protéique est mélangée avec une goutte de précipitant et ce mélange est scellé dans une chambre avec pure précipitant. Comme les vapeurs de solvant diffuse hors de la goutte, diminue la solubilité de la protéine dans la goutte et la protéine cristallise lentement. Une autre technique mélange la solution protéique et précipitant sous huile minérale. En utilisant ces techniques, une variété de protéines peut être cristallisée pour analyse.
En diffraction des poudres, chaque orientation spatiale possible est représentée dans l’échantillon en même temps. Diffraction de poudre n’est pas aussi instructive sur la structure comme monocristal de diffraction des rayons x en raison de la perte de données sur la structure en trois dimensions. Au lieu de cela, diffraction de poudre excelle dans l’analyse des mélanges de solides cristallins et évaluer la cristallinité de structures amorphes.
Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la croissance de cristaux pour la cristallographie aux rayons x. Vous devez maintenant être familiarisé avec les propriétés des cristaux de qualité aux rayons x, une procédure pour eux et quelques applications de cette technique en chimie de plus en plus.
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Results
La technique de diffusion liquide-liquide a été utilisée pour créer des cristaux de qualité aux rayons x de tétraphénylporphyrine. En utilisant du dichlorométhane comme solvant et méthanol comme anti-solvant, les liquides ont été autorisés à diffuser lentement au cours d’une semaine sans être dérangé. Grand, bien définis, sombre pourpre-rougeâtre cristaux formés à l’interface des deux solvants (Figure 3). La croissance des cristaux peut être observée visuellement. Les cristaux ont augmenté avec des visages très bien définies, qui peuvent être vu avec un microscope.
Figure 3. Diffraction des rayons x des cristaux de qualité de biens meubles corporels. Il faut éviter les cristaux qui sont agglutinées ou qui sont de plus en plus hors de l’autre. Gros monocristaux avec visages bien définis généralement donnent de meilleurs résultats.
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Applications and Summary
Cristaux de qualité aux rayons x peuvent être cultivés par diffusion liquide-liquide. La diffusion lente du système binaire solvant permet la création de cristaux pour la diffraction des rayons x. Cette méthode permet à la maille cristalline former lentement, ce qui mène souvent à une plus grande et plus de bien définir les cristaux. L’utilisation de tubes de NMR facilite la diffusion lente des solvants, permettant une croissance optimale. Ce processus peut durer de quelques jours à plusieurs mois. Souvent durant le processus de cristallisation, molécules du solvant sont intégrées dans le réseau cristallin. Il est donc important éviter les cristaux de « sécher ». Ainsi, l’un des avantages de la diffusion de liquide-liquide est que les cristaux se développer normalement à l’interface des deux solvants, qui contourne ce phénomène.
Diffusion de liquide-liquide est l’une des techniques plus utiles pour produire des cristaux de rayons x de qualité, qui est la composante la plus importante de la cristallographie aux rayons x. Obtention de cristaux de qualité aux rayons x, c’est généralement le facteur limitant sur la réalisation d’expériences de diffraction des rayons x. X-ray crystallography essentiellement crée une image tridimensionnelle de la structure d’une molécule, ce qui en fait la méthode moins ambigüe pour déterminer la configuration complète d’un composé. Étant donné que la structure et la fonction des molécules sont intimement liés, la capacité à déchiffrer la structure tridimensionnelle d’un composé est extrêmement utile pour une variété d’applications chimiques et pharmaceutiques. Chercheurs et compagnies pharmaceutiques utilisation cristallographie aux rayons x pour déterminer la structure des protéines afin d’examiner comment les petites molécules interagissent avec les enzymes dans le but de la découverte et la conception. 3-5 diffractométrie de rayons x est également une des méthodes plus utiles pour l’évaluation des complexes métalliques. Cette technique divulgue des informations précieuses sur comment les métaux interagissent avec les autres et ses ligands. La première liaison quintuple jamais identifiée entre deux atomes de chrome a été identifiée à l’aide de la diffraction des rayons x. 6 cette technique peut également servir à expliquer les propriétés luminescentes des complexes métalliques. 7 cristallographie a également été largement utilisé en chimie de l’hôte-invité, car cette méthode a largement contribue à révéler des informations précieuses sur les interactions non covalentes entre les molécules. 8
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References
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