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wsht212榮譽版主 (文學泰斗)
江湖浪子之飛天
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【交流】溶液中晶體的生長方法【已搜索無重復】 已有50人參與
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單晶的培養(yǎng) 在合成化學實驗中，往往采用結(jié)晶和重結(jié)晶的方法來提純化合物。這時，我們 可以用快速沉淀的方法。由于沉淀速度太快，所形成的晶體一般都很小，呈粉末狀， 不能滿足單晶衍射實驗的要求。衍射實驗所需要單晶的培養(yǎng)（crystal growth） ，需要 采用合適的方法，以獲得質(zhì)量好、尺寸合適的晶體。晶體的生長和質(zhì)量主要依賴于 晶核形成和生長的速率。如果晶核形成速率大于生長速率，就會形成大量的微晶， 并容易出現(xiàn)晶體團聚。相反，太快的生長速率會引起晶體出現(xiàn)缺陷。為避免這兩種 問題常常需要摸索和‘運氣’ ，因為在開始研究一個新化合物時，我們往往不知道這 種新化合物的結(jié)晶規(guī)律，通常不容易預測并避免微晶或團聚問題的發(fā)生。當然，也 不是完全沒有基本規(guī)律可以依循。這里介紹幾個常用的有效方法和一些實用的建議。 溶液中晶體的生長 從溶液中將化合物結(jié)晶出來，是單晶體生長的最常用形式。最為普通的程序是 通過冷卻或蒸發(fā)化合物飽和溶液，讓化合物結(jié)晶出來。這時，最好采取各種必要的 措施，使其緩慢冷卻或蒸發(fā)，以求獲得比較完美的晶體。實踐證明，緩慢結(jié)晶過程 往往是成功之路。為了減少晶核生長位置的數(shù)目，最好使用干凈、光滑的玻璃杯等 容器。舊容器會有各種刮痕，表面不平整，容易產(chǎn)生過多的成核中心，甚至容易引 起孿晶。相反，如果容器的內(nèi)壁過于平滑，則會抑制結(jié)晶。因此，如果某種化合物 結(jié)晶過慢，可以通過輕微刮花容器內(nèi)壁來提高結(jié)晶的速度。同時，結(jié)晶裝備應(yīng)放在 非震動環(huán)境中。由于較高溫條件下結(jié)晶可以減少了化合物與不必要溶劑共結(jié)晶的幾 率，因此在高溫下結(jié)晶通常效果更好。必須注意，盡量不要讓溶劑完全揮發(fā)，因為 溶劑完全揮發(fā)后，容易導致晶體相互團聚、或者沾染雜質(zhì)，不利于獲得純相、質(zhì)量 優(yōu)良的晶體。 如果化合物的結(jié)晶比較困難，可以嘗試不同的溶劑，但應(yīng)盡量避免使用氯仿和四氯 化碳之類含有重原子并且通常會在晶體中形成無序結(jié)構(gòu)的溶劑，因為無序結(jié)構(gòu)會增 加結(jié)構(gòu)精化的難度并降低結(jié)構(gòu)的精確性。同理，在選擇陰離子時，也應(yīng)盡量避免采 用高氯酸根、四乙基胺之類的離子，因為它們也十分容易在晶體中形成無序結(jié)構(gòu)！ 除了上述最簡單和最常用的溶液結(jié)晶法之外，還有幾種比較常用、有效的方法。 界面擴散法 如果化合物由兩種反應(yīng)物反應(yīng)生成，而兩種反應(yīng)可以分別溶于不同（尤其是不 太互溶的）溶劑中，可以用溶液界面擴散法（liquid diffusion） 。將 A 溶液小心地加 到 B 溶液上，化學反應(yīng)將在這兩種溶液接觸界面開始，晶體就可能在溶液界面附近 產(chǎn)生，如圖 4.1(a)所示。通常溶液慢慢擴散進另一種溶液時，會在界面附近產(chǎn)生好的 晶體。如果結(jié)晶速率太快，可以利用凝膠體等辦法，進一步降低擴散速率，以求結(jié) 晶完美。  蒸汽擴散法 蒸汽擴散法(vapor diffusion)的操作也很簡單。 選擇兩種對目標化合物溶解度不同 的溶劑 A和 B，且 A和B 有一定的互溶性。把要結(jié)晶的化合物溶解在盛于小容器、 溶解度大的溶劑 A 中，將溶解度小的溶劑 B（也稱為反溶劑，anti-solvent）放在較 大的容器中，蓋上大容器的蓋子，溶劑 B 的蒸汽就會擴散到小容器，如圖 4.1(b)所 示。當然，溶劑 A 的蒸汽也會擴散到大容器中�？刂迫軇� A、B 蒸汽相互擴散的速 度，就可以將小容器中的溶劑變?yōu)?A和 B 的混合溶劑，從而降低化合物的溶解度， 迫使它不斷結(jié)晶出來。 凝膠擴散法 凝膠擴散法(gel diffusion)也是比較常用的結(jié)晶方法，特別適用于反應(yīng)物 L 和 M 快速反應(yīng)，并生成難溶產(chǎn)物的情況。我們可以用普通試管或 U 形管作為凝膠擴散法 制備結(jié)晶的容器。試管法是將可溶性反應(yīng)物 M（或者 L）與凝膠混合，待膠化后， 將 L（或者 M）的溶液小心倒在凝膠上面（圖 4.2(a)） 。隨著擴散的進行，M 和 L 在 界面和凝膠中結(jié)晶。當然，這種試管凝膠法可以根據(jù)需要，進行多種改進。例如， 不將 M 或者L 制備在溶膠中，而將含 L（或者M）的溶液先放在溶膠上，再把含 M （或者 L）溶液的玻璃管直接插入到溶膠中，如圖 4.2(b)所示。另外，還可以在 L 的 溶液加到含有 M 的凝膠上之前，在原有的凝膠上，再加上不含 M 和 L 的凝膠，成 為所謂雙凝膠法。雙凝膠法可以進一步降低反應(yīng)和結(jié)晶的速度，合適于 M 和L 反應(yīng) 速度很快的情況。  類似地，U形管法也有多種形式，最簡單的方法如圖 4.2(c)所示。它與試管法的 不同主要是不將反應(yīng)物制備到溶膠中�？梢宰鳛閱尉L用的凝膠有多種，常用的 有硅酸鈉膠、四甲氧基硅膠、明膠和瓊脂等。 水熱法和溶劑熱法 如果要獲得在溶劑中十分難溶的化合物的晶體，比如難溶的無機材料和配位聚 合物，可以嘗試水熱法(hydrothermal method)或溶劑熱法(solvothermal method)。將這 些難溶化合物與水溶液一起放在密閉的耐高壓容器 （即反應(yīng)釜） 里， 如圖4.3(a)所示。 通常將混合物加熱到 120-600 C，容器中的壓力可達幾百個大氣壓，導致很多化合物 在超臨界液體中溶解并且在慢慢降溫過程中結(jié)晶。水熱法對于合成低溶解度化合物 是十分有用的。根據(jù)實際需要，也可以采用有機溶劑進行類似的反應(yīng)，稱為溶劑熱 法。溶劑熱法與水熱法的機理相似。一般而言，利用水熱法或溶劑熱法培養(yǎng)單晶的 重要技巧是控制好晶化溫度。有關(guān)水熱合成技術(shù)可以參考近年大量報道的水熱合成 無機材料、無機—有機雜化材料、配合物和配位聚合物等有機—金屬化合物的有關(guān) 文獻[1,2]。進行水熱或溶劑熱反應(yīng)，一定要注意安全。不同反應(yīng)釜的質(zhì)量不同，耐 壓、耐高溫程度也有所不同，反應(yīng)釜發(fā)生爆炸的事件時有發(fā)生。 另外，還可以采用質(zhì)地好的硬質(zhì)玻璃（如 pyrex玻璃）管，將反應(yīng)物和溶劑裝入 一端封閉的玻璃管中之后，用火將玻璃管口燒結(jié)密封，然后將玻璃管放在油浴中加 熱。這種方法的好處是可以觀察反應(yīng)和結(jié)晶過程，缺點是，反應(yīng)溫度不能太高。溫 度高于 100 C 時，必須特別小心。最高溫度不能超過 120 C。應(yīng)將玻璃管放在有防護 的地方，謹防爆炸！  升華法（sublimation）能長出好晶體。理論上，任何在分解溫度以下的溫度區(qū)間 具有較大蒸汽壓的固體物質(zhì)均可以采用這種非溶劑結(jié)晶方式來培養(yǎng)單晶。由于符合 升華條件要求的物質(zhì)不是很多以及其他原因，該方法比較少用。圖 4.43(b)是一種簡 單易得的升華結(jié)晶裝置。有關(guān)用升華方法結(jié)晶的更詳細介紹，可以參考文獻[3]。 1. 徐如人、龐文琴主編， 《無機合成與制備化學》 ，pp. 128-165，高等教育出版社，2001. 2. Zhang, X.-M.; Tong, M.-L.; Chen, X.-M., Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 1029. 3. J. Hulliger, Angew. Chem., 1994, 106, 151. [ Last edited by wsht212 on 2010-5-3 at 13:41 ] |
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