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做晶体研究需要了解的一些知识，对你会有帮助的
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这虽是进行单晶结构分析的予备阶段。但却决定着最后单晶结构分析结果的好坏。因为衍射数据一般都得由专门技术人员来收集。所以就大多数研究人员来说，要进行结构分析，获得较好的结构分析结果，自已能做的就是先获得合格的单晶。显然没有高质量的晶体就得不到高质量的衍射数据，而没有高质量的衍射数据，许多分析都成问题。质优的单晶还可以大大节省收集数据时间。晶体生长有许多文献，有专门的刊物Journal of Crystal Growth (Amsterdam:Elsevier).此外还有许多专著。这里不一一列举。 怎样获得优质单晶？结晶过程涉及气体、液体或溶液相中的离子、原子或分子有序的进入固态中有规则的位置。从晶体生成来看，初始阶段是先形成晶核，接着的是离子、原子或分子在晶核的各晶面上有序的沉积，后者可被考虑为流体与晶体间的动力学平衡，当向前速度占支配地位时，晶体就生长，否则则晶体重新溶解。影响平衡的因素包括晶体表面的化学性质，被结晶物质的浓度，晶体内和晶体周围介质的性质。要指出的是晶体的形成只是发生在出现临界大小的晶核以后，否则晶核会重新溶解。当晶核大于临界大小时，体系的生成自由能才由正值或零变为负值。这样晶体生长在热力学上就变得有利，晶体才会增大。成核的速率一般随过饱和度的提高而显著增加，为了只让几颗晶体生长，必须限制晶核数量，过饱和度应尽可能的低，过饱和应慢慢到达，一旦到达这种低程度的过饱和以后，就要小心控制，使少数几颗晶核在准平衡状态下慢慢生长。在成核过程中，外部物体，诸如灰尘颗粒，器壁的划痕等往往成为结晶中心，这又往往使得成核过程在热力学上变得更有利，晶核就大量形成，不利于少数几颗晶核长大成晶体，所以这些灰尘颗粒要通过离心分离或过滤的方法事先去除。结晶的容器要选用新的，或用相应的方法惰化（如硅化），但有时情况刚好相反，晶核很难形成，这时加晶种方法或者用一定工具轻轻的磨擦器壁，也常是获得一定的晶核和控制晶核数量的一种方法。 低分子量的有机、无机化合物、蛋白质的晶体生长大概有以下几种方法： 1）、单溶剂蒸发 2）、两元溶剂混和物蒸发 3）、成批结晶 4）、液-液扩散 5）、座滴或悬滴汽相扩散 6）、改变温度 7）、凝胶结晶法 8）、升华法 9）、固化法 以下就结构分析用的晶体（一般尺寸为0.1-0.5mm）的生长，按结晶的介质情况 概括为溶液法，升华法，流动相生长法和固态合成法，简述如下： (一）溶液法：为了能使生长的晶体没有丝毫的损伤，生长的容器必须是直壁的，有时为了控制蒸发的速度，容器的开口要小，或者溶剂蒸发的口径设计成可以控制的。溶剂选择的原则是：性质相类似的相溶，类似的含义是指极性、功能团等相似，相反地有时溶解度太大了，为了要减低溶解度，却要使用一些“反溶剂”，这是指一类性能和化合物极不相似的溶剂。这样溶液法又有单溶剂和混合溶剂之分。怎样长晶体呢？ 冷却，大多数分子化合物，溶解度是随温度升高而增加的。冷却法结晶就是制备热的接近饱和的溶液，然后让其慢慢地冷却下来，或者是室温下的溶液在冰箱里冷却到较低的温度，使用的物体体积和质量越大，冷却的速度就越慢，另外物体保温或绝热材料越好，冷却的速度也就越慢，这样有良好保温层的大容器中的小容量的溶液就能以相对慢的速率冷下来。冷却法一般获得晶体有成效，是依据溶解度随温度降低而减少，直至有可能达到饱和。但也有例外（如Na2SO4在水中），另外，象KNO3那种溶解度随温度急剧变化的，其冷却速度不能很好控制的也难于控制结晶，但通常总可能找到一定的溶质和溶剂的组合，它们的溶解度随温度能缓慢变化并易于控制的。 对流法，目的是在溶液里建立一个温度梯度，使得物质在温暖部位溶解，而在冷处沉积。梯度可有不同方法建立：（1）容许太阳光照射在容器的一部分，（2）将容器的一部分对着较凉爽的表面，如夜晚的窗口，（3）在仪器的某部位装配一种低功率的电加热元件。用该法生长结构分析用的单晶，平滑的浓度梯度将会给出最好的结果。 浓度法，如果溶液的体积通过挥发性的溶剂蒸发而减少，溶质的浓度将提高，直至开始结晶。当使用混合溶剂时，如果溶解度差的溶剂挥发性差，溶质的溶解度在混合溶剂挥发时，溶解度应减少。这样都有可能达到饱和而生长晶体。蒸发速率能以不同方式控制：如改变样品的温度或调节溶剂蒸汽逃逸的出口孔径大小都行。值得注意的是，要避免溶液蒸发直至干涸，就把好的晶体取出。溶剂蒸发干涸这样将使合用的晶体表面长壳，或长成聚集体或被杂质沾污而使之变差。好的晶体也可能因失去结晶的溶剂分子特别象二氯甲烷之类分子而降解。这就是为什么在用二氯甲烷或氯仿作溶剂的场合下即便看到得好的晶体，不受损伤的取出晶体，也很难得到合格的单晶。有时为了避免溶剂分子逃逸，晶体必须及时的密封在玻璃毛细管里。缓慢蒸发溶剂，晶体生长不受干扰常能培养出高质量的单晶，这也就不难理解：遗忘在通风橱背后或冰箱一角达几星期甚至几个月之久，明显密封着NMR管会成为高质量晶体的的来源。只要NMR管清洁，其光滑的内壁少有划痕，加上狭窄的口径提供了晶体生长的良好条件。对于溶解性很差的化合物，一个结合浓度和温度同时变化的有效方法是Soxhlet萃取法。 溶剂的再循环是关键的一环，晶体甚至可出现在回流的溶剂里。既便不能如此，在溶液慢慢冷却后也能正常地出现晶体。控制浓度还能用其它一些方法：透析法，溶剂通过半透膜到一种惰性介质的浓溶液中。溶质浓度的增加可导致晶体的形成。 溶剂扩散法，该法是依据于化合物可很好地溶解于某些溶剂（良溶剂）而不能溶解于另一些溶剂（不良溶剂或反溶剂），但这两种溶剂是可混溶的。如果将化合物溶解在良溶剂里并置于一条狭的管子中，使用带细针头的注射器很慢地注入清洁的反溶剂，如果后者比溶液轻，它就在顶端成层，如果后者较重，就将它慢慢注到溶液的底部，在溶液下部成层。注入法比沿管壁倒入更好，如果管子静置没有振动，这些层就通过界面慢慢互相扩散，在界面上达到饱和时就长出晶体。如果必要的话，冷却管子可以降低扩散速度，减少溶解度。 反应扩散法，有时有可能将合成与晶体生长结合在一起。在有利的条件下，晶体可以自反应混合物中简单的析出，若反应速度过快使得晶体形成很快，则形成的晶体质量差。如果慢慢加入一种反应物，使反应速度可以控制，就可克服这个问题。通过插入一种半透性的位垒（如膜或灰网或者液体石蜡之类的惰性液体），或者利用溶胶结晶法，控制反应物的混和速度，就可获得最好控制。另一种变通法是把固体反应物放在管子的底部，在其上面盖一层能慢慢溶解化合物的溶剂，再在上部盖一层第二种反应物的溶液，固体溶解所需的额外时间减少了反应能发生的反应速度。 沸石晶体和许多具有网状结构物质的晶体不能复结晶，因而只能通过反应混合物的方法获得。细致地调制反应条件和配比以及反应物的浓度，很可能是唯一提供控制晶体大小和质量的最现实的方法。 溶胶结晶是一种获得低溶解度化合物晶体的一种尚未被充分开发的方法。因为溶液的混和过程是受通过粘性介质的扩散所制约，这时对流、沉积等过程的竞争已被减到最低程度，因而利用该法有可能建立十分接近于微重力空间下结晶的实验室条件。一种典型的装置是用胶半充满U型管，将一种反应物的溶液放在U型管顶部的一端，另一种反应物的溶液放在顶部的另一端，因为溶胶通常是无色的，这就较容易检测得到和离析出有强烈颜色产物的晶体。溶胶有许多制备方法，详见（http://www.cryst,chem.uu.nl/lutz/growing/gel.html;H. Arend & J.J. Connelly, J. Cryst. Growth 1982,56,642)。还可以用有机溶剂处理溶胶产生. 各种憎水或对湿气敏感化合物方面的应用。 晶种晶体，有时化合物结晶虽然能给出高质的晶体，但供结构分析使用还是嫌尺寸太小，但这些小颗粒能放到化合物的热饱和溶液中用作晶种，待溶液慢慢冷却时，晶体就会长大，希望晶体能长成合适的大小。因为只希望晶种长大，不希望再形成新的晶核，这里要十分注意的是容器必须清洁，没有划痕。 （二）升华法， 升华是指固态物质直接转化为气态的一种现象。如果这种蒸气遇冷就有可能结成晶体。它一直被用来制备无溶剂的晶体电介质材料，但只能限于温度低于分解温度或熔点就有一定蒸气压的固体。基本实验装置很简单：封闭式通常可抽真空的容器，如必要内部固体可被加热，内部还有供晶体生长的冷表面。如果可以避免加热固体，在尽可能低的温度下还经常可得到更优质的晶体。如果固体极容易升华，则整个容器可以变冷一些。如果化合物蒸气压太低，容器抽真空并使用一只 含丙酮/干冰（-78C）而不是冷水（5-10C）的冷指头瓶冷却析出晶体的容器，也 能使升华加强。 (三）流动相生长 经常使用在位技术有可能直接从液体或气体生长晶体。流动相法同时包括高温自熔体生长和低温直接自化合物生长（若熔点低于室温时）。高温法（Bridgman, Czochralski, zone refiining, etc)被广泛地用来纯化和生长半导体晶体和其它 电子材料，但仅限于熔融时没有分解的样品，因而不包括许多分子化合物。和溶液法相比，它也很难防止诸如孪晶等现象。经常不可能分开重叠或相邻的晶体。一旦晶体生成，通常就不可能分离。这不象溶液法生长晶体，实际上只有一种变量即样品的温度需要控制。而且许多方法还可以加以控制。这里策划晶体生长的中心是要建立液固相间的稳定介面。对空气稳定的化合物，在冰箱或冰筒里结晶需要注意的是保持晶体一直处于冷却状态，直至晶体转移到衍射仪低温设备的冷气流时为止。 （四）固态合成 在有利的环境下，有可能制备合适的单晶，但更为典型的是得到微晶样品。如大多数高温超导体不能得到单晶，它们的结构总是由粉末衍射法测定。用溶液法合成沸石，合成条件的改变似乎是得到较好单晶的唯一方法。 晶体生长这个问题常被忽视，特别对新的化合物。既便最初的努力失败，也不应沮丧，得到微晶材料虽然不能直接用于单晶结构分析，但它确确实实指明化合物是晶体，改变结晶技术一定可导致大的晶体。一个好的办法是同时试验几种方法，做制备条件和获得结果的详细记录，这不仅有利于鉴出最有利的方法和条件，也奠定了将来的操作基础，有利于用经验改善晶体的质量，从早期差的晶体开始。一直持续进行到晶体质量不再有所改变为止。有时，不管用什么方法，都不能形成晶体或者形成的晶体都不合适，可采用修饰化合物的办法。离子化合物可改变配对离子的种类，（如PF6-用BF4-代替），中性化合物常可改变结构中那些化 学上并不重要的基团种类，如哌啶取代为吗啉，这里只改变远处的一个CH2为氧原子，晶体质量很可能就有明显的改变。 晶体质量的评估 晶体一旦出现，就要确定它是否适合于收集衍射数据，如能快速鉴定，可以节省大量的衍射仪时间。鉴定时，要小心以防止晶体损坏，如从母液取出晶体易因损失结晶的溶剂分子而损坏。如有足够数量的晶体可用，可先将一、二颗取出放在显微镜的载波片上，利用显微镜可先有规则地观察它们，得到变坏的有关讯息。对一般的晶体，可按下面的方法检测，弃去那些无争议不合适的晶体。对那些质量有任何不确定因素的抱怀疑态度总是有好处的。 1、显微镜。在显微镜下观察仅花几秒到几分钟，就能鉴定不合适的晶体，而在衍射仪或照相机上却要几小时。显微镜要带偏振附件，放大倍数高至40倍，视场要深一些，光源要强一些。晶体观察分三阶段： 第一步：不必使用偏光附件（只用正常光）观察晶体，看它形状是否好，丢弃那些弯曲的或有其它变形的，诸如附有显著傍晶又无法去掉的或有凹角的晶体。都得丢弃。丢弃的晶体也不能仅仅是因为小，除非已知同样大小的同类化合物过去证明过不行。对含组分不超过氧元素的有机化合物，通常的衍射仪器，晶体尺寸小于0.10.10.1mm3偶而也能给出好的数据。然而这个尺寸对于含锇的簇合物来说却可能是十分理想。 第二步：使用偏光附件观察晶体，大多数晶体能透射偏振光，但四方或六方的沿主轴c方向以及立方晶系的晶体在任何方向却是例外。而在主轴外的其它方向，四方或六方晶系的晶体能透射偏振光，但立方晶系象玻璃这类无定形晶体不能消光晶体，不过这三种晶系的晶体总共只占分子晶体的5%. |
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云端小草6楼
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