单晶X射线分析

1、第二十二章 单晶X-射线分析22.1 引 言22.1.1 晶体的特征固态物质一般可以分为晶态（crystalline）与非晶态（noncrystalline）两种状态。在非晶固态物质中，其分子或原子的排列没有明显的规律，常见的有玻璃、塑料等。而在晶态物质中，原子或分子的排列呈现明显的规律性。也就是说，晶体(crystal)是一种原子有规律地重复周期排列的固体物质。由于原子空间中排列的规律性，可以把晶体中的若干个原子抽象为一个结构单元（即点阵点），于是晶体可以看成空间点阵。如果整块晶体为同一个空间点阵所贯穿，则称该晶体为单晶（single crystal）。22.1.2 单晶结构分析简史1895

2、 年，伦琴（W. C. Röntgen）发现了X 射线（X-ray）。二十一世纪初期，德国科学家劳埃（Max von Laue）开始对晶体的X 射线衍射进行研究。他于1912 年发表了基于晶格点阵计算衍射发生条件的公式，即劳埃方程。与此同时，布拉格（W. L. Bragg）也提出了基于晶面反射方式计算衍射发生条件布拉格方程，并测定了NaCl 和KCl 等晶体结构，从此开启了简单无机物晶体结构的研究。到二十世纪30 年代，晶体学家们已经测定了一大批无机物的晶体结构。而对有机化合物的晶体结构测定也于1923 年取得突破，首例被测定晶体结构的有机化合物是六次甲基四胺。随后，越来越多的有机化

3、合物、配位化合物和金属有机化合物等的晶体结构研究被报道，涉及的结构也越来越复杂。同时晶体结构解析仪器的进步也极大地推动了X 射线单晶结构分析的发展。早期采用照相法测定晶体结构，解析单晶费时费力，而1970 年四圆单晶衍射仪的出现，实现了X 射线衍射技术自动化的第一次重大飞跃。到二十世纪80 年代，计算机已经被广泛应用于衍射数据收集、结构解析和结构修正，从而实现了单晶结构分析过程的自动化，大大提高了分析效率。近几十年来，X 射线结构分析已从早期简单化合物的结构分析发展到复杂化合物的结构分析，甚至能够解析十分复杂的蛋白质、DNA等生物大分子的结构。1962 年，诺贝尔化学奖授予测定肌红蛋白和血红蛋

4、白晶体结构的J.C. Kendrew 和M.F. Perutz，诺贝尔生理医学奖则授予用X 射线衍射方法测定DNA 双螺旋结构的Crick 和Watson。1985 年，诺贝尔化学奖授予直接法研究的主要奠基者H. Hauptman 和J.Karle。22.1.3 晶体结构分析的重要性众所周知，物质的结构决定着物质的物理化学性质，只有充分了解物质的结构，才能深入认识和理解物质的性能，设计出性能优良的新化合物和新材料。探测物质结构的方法很多种，其中大部分都是基于物质对某些波长的电磁波的吸收或发射，这些均属于波谱方法,如红外光谱法、紫外光谱法、核磁共振法等。然而，这些方法无法给出分子或其聚集体的精细

5、几何结构信息。1912 年劳埃（M.von Laue）发现，晶体具有三维点阵结构，能散射波长与原子间距相近（ = 50-300 pm）的X 射线。当X射线作用于单晶体上时,入射X光由于晶体三维点阵引起的干涉效应，形成数目众多、在空间具有特定方向的衍射，这就是X 射线衍射（X-ray diffraction）。测量出这些衍射的方向和强度，并根据晶体学理论推导出晶体中原子的排列情况，就叫X射线结构分析。可以说,X射线结构分析是一门以物理学和晶体学为理论基础，以计算数学为手段来研究晶体结构与分子空间几何结构的交叉学科。X 射线结构分析方法包括单晶结构分析和粉末结构分析两大分支，广泛应用于物理化学、材

6、料科学等学科，已成为认识物质微观结构最强有力的手段之一。单晶结构分析包括小分子与生物大分子结构分析两大分支，两者的基本原理基本上是一致的。但是，小分子化合物与生物大分子之间在分子量、晶胞体积、衍射能力、稳定性等方面存在巨大的差别，所需研究方法和技术手段也就明显不同。本章仅介绍小分子晶体结构分析的基本原理与实践经验。随着科学研究的深入发展，每年都有大量的新化合物被人工合成出来。这些化合物中，有相当部分结构十分复杂，用其他波谱方法难以清楚、全面地了解其空间结构。单晶结构分析可以提供一个化合物在晶态中所有原子的精确空间坐标，从而为相关学科的科学等研究提供广泛而重要的信息，包括原子的连接方式、分子构型

7、、精确的键长和键角等数据。另外，还可以从中得到化合物及其堆积状态的对称性等信息。图22-1表示单晶X-射线衍射仪。图22-1 单晶X-射线衍射仪在上个世纪80年代中期以前，X射线单晶结构分析主要上是晶体学家和化学晶体学家的专业工作。但是，过去二十多年来，随着晶体结构分析技术手段的提高、单晶衍射仪越来越普及，且使用越来越方便,单晶结构分析已经成为十分常见的研究方法。在很多的情况中，不一定需要专业晶体学家帮助就可以解决单晶结构解析的问题。在与合成化学密切相关的学科，包括配位化学、金属有机化学、有机化学、无机材料化学、生物无机化学等领域，特别是与晶体工程和超分子化学相关的科学研究中，X 射线单晶结构

8、分析已经成为必不可少的研究手段。事实上，单晶结构分析法是目前晶态物质结构分析中，可以提供信息最多的研究方法之一。因此，单晶结构分析已经成为上述研究领域科研日常工作的一部分，越来越多的非晶体学专业科研工作者，尤其是化学工作者希望能够掌握X射线结构分析方法的基本知识和使用技巧。22.1.4 结构分析的过程X射线单晶结构分析的过程，主要包括单晶培养、单晶的挑选与安置、使用单晶衍射仪测量衍射数据和晶体结构解析等过程，最后得到各种晶体结构的几何数据与结构图形等结果。利用目前的仪器设备和计算机，一个小分子化合物晶体的X 射线晶体结构分析全过程可以在半天到数天内完成。图22-2 列出了单晶结构分析的基本过程

9、。图中左侧的方框列出了解析单晶的主要步骤，右侧则列出了每个步骤可以获得的主要结果或数据。图22-2 晶体结构分析的步骤22.2 晶体培养与单晶衍射实验这一节主要介绍获得X射线单晶衍射数据的过程和主要方法。要获得理想的衍射数据，首先必须获得质量好的单晶。22.2.1 单晶的培养单晶培养与化学合成实验中所采用的结晶和重结晶方法的基本原理相同,只是过程控制略有不同。化学合成中重结晶过程中通常采用快速沉淀的方法,由于沉淀速度较快，所形成的晶体通常都很小，不能满足单晶衍射实验的要求。而单晶的培养（crystal growth）通常需要控制较慢的生长速度，以获得质量好、尺寸合适的晶体。晶体的生长尺寸和质量

10、主要受控于晶核形成和生长的速率。如果晶核形成速率大于生长速率，就会形成大量的微晶，其尺寸太小无法满足要求。相反，太快的生长速率易引起晶体缺陷，影响晶体质量。为克服这两种问题常常需要进行大量实验进行摸索。这里介绍几个常用的有效的单晶培养方法。22.2.1.1 常温挥发法与高温冷却法常温挥发法与高温冷却法，与重结晶法类似，首先将化合物溶解在某种溶剂中，再采用缓慢挥发和缓慢降温的控制过程，让化合物结晶出来，是单晶体生长最常用的方法。实践证明，缓慢的结晶过程往往能成功生长出高质量的单晶。为了控制晶核生长的数目，最好选用干净、光滑的容器。旧容器会有刮痕，容易形成过多的成核中心。相反，如果容器的内壁过于平

11、滑，不易形成中心，则会抑制结晶，因此，如果结晶过慢，可以通过轻刮容器内壁的方法来提高结晶速率。同时，结晶装置应放在安静、环境中，防止震动造成晶核瞬间大量生成。由于较高温条件下结晶可以减少晶核的生长速率和杂质的影响，因此在高温下结晶通常晶体质量更好。必须注意，尽量不要让溶剂完全挥发尽，否则容易导致晶体相互粘连团聚、或者表面染上杂质，不利于获得纯的晶体。22.2.1.2 界面扩散法将两种反应物分别溶于不同溶剂中，然后将A溶液小心地加到B溶液上，则化学反应会在两种溶液接触界面上开始发生，晶体就可能在界面附近产生，如图22-3(a)所示。通常一种溶液慢慢扩散进入另一种溶液时，会在界面附近产生质量较好的

12、晶体。图 22-3溶液界面扩散法（a）和蒸汽扩散法（b）22.2.1.3 挥发扩散法挥发扩散法的操作也很简单。选择两种对目标化合物溶解度和沸点显著不同的溶剂A和B，且这两种溶剂有一定的互溶性。把目标化合物溶解在溶解度大、沸点高的溶剂A（如DMF或DMSO）中，将溶解度小、挥发性强的溶剂B（如甲醇、丙酮等）放在较大的容器中，盖上大容器的盖子，溶剂B的蒸汽就会扩散到小容器A溶液中来，从而可以将小容器中的溶剂变为A和B的混合溶剂，从而降低化合物的溶解度，使它结晶出来。如图22-3(b)所示。22.2.1.4 水热法和溶剂热法如果要获得难溶化合物（如无机材料和配位聚合物）的晶体，可以尝试水热法(hyd

13、rothermal method)和溶剂热法(solvothermal method)。将这些难溶化合物与水或者其它溶剂一起放在密闭的高压反应釜里。然后加热到高于溶剂沸点的温度，并保持足够长的时间，使得容器中的压力达到几百个大气压，制造出高温高压的环境，导致很多化合物溶解。然后在缓慢降温，形成过饱和溶液，并且在慢慢降温过程中结晶。22.2.2 晶体的挑选与安置22.2.2.1 晶体的挑选晶体大小是一个重要的因素，而理想的晶体尺寸取决于：晶体的衍射能力和吸收效应程度、以及所选用X射线的强度和探测器的灵敏度。此外衍射仪的光源上所带准直器（collimator）的内径也对晶体尺寸有限制。准直器的内径

14、有0.5 mm、0.8 mm 和1.0 mm 等尺寸，因此应该避免挑选尺寸大于准直器内径的晶体。通常使用0.5 mm 内径的准直器，这时，晶体的最大尺寸不能超过0.5 mm。当采用内径0.8mm 的准直器时，对于衍射能力较弱、特别是非常细的针状晶体，长度达到0.8 mm 也是可以接受的，但这时候必须认真做好吸收校正，因为不同方向的衍射被晶体吸收的情况明显不同，导致原始强度数据有明显的系统误差。对于吸收效应很强的晶体，应该选择较尺寸较小，形状尽可能接近球形或正多面体的晶体。否则，就可能因为吸收效应过于严重、无法做合适的校正而引起衍射数据的严重系统误差，从而不能获得精度良好的晶体结构数据。对于特定

15、物质，衍射能力与晶体体积呈线性关系，而吸收效应与晶体厚度则呈指数关系。因此，最佳尺寸可以估算出来。理想的平均厚度是2/，其中是与波长有关的吸收系数（absorption coefficient）。一个粗略的原则是，晶体中如含有较重原子，晶体尺寸就应越小，晶体中如含有的原子越轻，晶体尺寸就应越大。不同类型衍射仪对晶体尺寸的要求也有所不同，如果使用高度敏感的CCD 或IP探测器，或者使用旋转靶光源，晶体尺寸可以小一些。原则上，整颗晶体都必须侵没在X光束里，因为晶体超出X光束将造成明显的吸收误差。根据经验，如果使用固定靶的传统四圆衍射仪，晶体尺寸合适的范围是：纯有机物为0.3 mm1.0 mm，含金

16、属化合物为0.1 mm 0.6 mm，而纯无机化合物为0.1 mm0.3 mm。如果使用旋转靶的传统四圆衍射仪或使用固定靶的面探衍射仪，晶体尺寸合适的范围是：纯有机物为0.1 mm0.5mm，含金属化合物为0.1 mm0.4 mm，而纯无机化合物为0.05 mm0.2 mm。除了少数颜色很深的晶体，大多数晶体是透明的。晶体质量最好用放大倍数为20-80 的偏振立体显微镜进行判断。因为晶体不同取向对偏振光有不同的消光作用，利用偏振光显微镜比较容易判断晶体是否为孪晶。不过，由于价格等原因，实际上放大倍数为20-40 的普通显微镜更为常用。只要细心仔细，再加上一点经验，用普通显微镜也可以大致判断晶体

17、的质量。高品质晶体，应该是表面洁净、有光泽、透明，没有裂痕等缺陷。最终晶体质量是否合乎要求，还得用衍射实验来检验。如果晶体由两个或多个微晶组成，就不能用于收集衍射数据。在一些情况下，可以用解剖刀（或刮胡子刀片等）小心切除附在较大晶体上的小晶体，往往也可以解决问题。有时候，晶体需要通过切割得到合适的形状和大小。注意：晶体的切割操作最好在涂有一小滴惰性油（如硅油）或一点点凡士林的载玻片上进行，以防止晶体飞走。同时，刀片必须足够锋利，否则晶体容易被切碎成粉末。晶体的尺寸如果太大，还可以放在载玻片上用一滴溶剂小心将晶体溶小。22.2.2.2 晶体安置晶体安置（crystal mounting）通常也叫

18、粘晶体。晶体通常用粘合剂粘在一根纤细的玻璃纤维上。这种方法简单、便宜，是最常用的方法。玻璃纤维要有足够的机械强度，直径应该比晶体尺寸略小，一般在0.1 mm0.3 mm 范围内。将晶体粘在玻璃丝上的正确做法如图22-4所示。同时，必须正确使用粘合剂，确保粘得足够紧，粘合剂充分固化，才能开始衍射实验。对于不太稳定晶体，最简单的做法是，在晶体外面裹上一层粘合剂，将晶体与空气隔开。如果是在低温下进行衍射实验的话，只要用凡士林包裹晶体就可以了，因为在-100 时，包裹的凡士林可以固化。但在常温下，不能采用这种办法，以免晶体在收集数据过程中滑动、偏离圆心。图22-4 晶体安装方法：(a)将晶体粘在玻璃丝

19、上的正确方法； (b)在晶体上包上一层胶，保护晶体； (c)将晶体卡在毛细管中； (d)将晶体粘在玻璃丝上的不正确做法。除了玻璃纤维以外，也可以将晶体安置在普通玻璃或硼玻璃毛细管(直径0.1 mm0.7mm，厚度0.01 mm)里面（图22-4(c)）。通常应选择内径合适的毛细管，让晶体卡在里面，或者加入一些胶水或油脂使晶体在收集数据时保持稳定，然后用粘合剂将毛细管的两端封起来。对于一些容易风化，或者含有易逸出溶剂分子的化合物（特别是某些多孔骨架的化合物），最好在封口之前，加入培养晶体的母液。经验表明，加入母液（mother liquor）的方法对稳定晶体是十分有效的。接着将粘好晶体的毛细管或

20、者玻璃纤维插入中空金属或塑料杆上，用橡皮泥固定后，就可以将其安置在载晶台（goniometer head）上。不同衍射仪所用的载晶台结构和尺寸均十分相似（图22-5）。载晶台还有一个高度调旋钮，可以调节晶体的高度。当晶体的高度合适调好以后，可以调节载晶台另外两个正交互动的滑动装置，使晶体精确地处于四圆的中心。由于高度调节范围只有几毫米，所用玻璃纤维或毛细管的长度必须合适，使晶体刚好在正确位置附近。图22-5 载晶台以及专用螺丝刀2.3 面探测器衍射仪与数据收集2.3.1 面探测器衍射仪的原理面探测器的射仪记录衍射点的方法类似于照相法，每次测量一幅含有很多衍射点的衍射图像，利用CCD等技术，直接

21、将图像转化为电子数据。因此，它可以看成将照相法的电子数字化。目前有两种类型的面探测器在应用中。随着技术的提高和价格的降低，面探测器衍射仪已经广泛应用于小分子晶体的测量。由于面探测衍射仪测量的衍射强度数据是图像化的，它可以一次测量一定空间范围的衍射强度数据，如图22-6所示。因此，只要有合适的控制程序和数据还原程序，用于单晶衍射实验的面探测衍射仪也可以用于测量粉末衍射强度数据，并经由数据还原程序获得传统粉末衍射实验得到的强度（I）对衍射角度（）的衍射花样。也就是说，在适当程序的支持下，单晶面探测衍射仪可以进行粉末衍射实验。当然，这样用单晶面探测衍射仪得到的粉末衍射数据的角度精度比使用专用粉末衍射

22、仪得到的数据要差一些，一般只能用作物相纯度表征。图22-6 面探测器的数据收集原理图22-7 CCD面探测器获得的一幅衍射图像目前常用于小分子晶体结构测定的一类X射线面探测器是电荷耦合器件探测器（charge coupled device detector，简称CCD 探测器）。这种CCD 探测器的原理与日常生活中使用的电视摄像机和数码照相机相类似。不过，衍射仪的探测器含有薄膜磷光材料。被衍射X 射线激活后，磷光材料发射可见荧光。磷光材料通过光学纤维直接与CCD 芯片藕连，从而这些荧光可以经过电子器件，快速地（通常不到1 秒钟）转化为与衍射强度相关的数字信号，供计算机直接处理。用于小分子晶体衍

23、射研究的CCD 芯片直径约62毫米，而做大分子研究的CCD 芯片直径可达165毫米（当然比较昂贵）。图22-7为一有机化合物单晶的一幅衍射图像。图中环状光斑主要为玻璃纤维对X 射线的散射所引起。故此，在保证玻璃纤维有足够的机械强度的前提下，其直径应该尽量小，以免引起衍射数据的误差。另一类常用X射线面探测器是成像板探测器（image plate detector，简称IP 探测器）。IP 探测器也是一种面探测器，它的成像板表面镀有一层Eu2+离子搀杂了的BaClF磷光材料。这种材料能记录X射线量子相关的信息，并将其储存为短期发光的光中心。然后激光束的扫描下，把光中心激发为可见光量子，通过光电子倍

24、增器件记录为数字化的强度数据。IP 探测器得到的衍射图像与CCD探测器的衍射图像相似（参见图22-7）。图像板在可见光下充分曝光后可反复使用。IP 探测器的主要优点是探测器面积大、价钱便宜、具有较高的空间分辨能力和灵敏度，但读数速度较慢。用CCD 探测器测量时，衍射数据几乎可以被实时处理。但是，IP 探测器成像板的尺寸（例如面积可达466×256 毫米）明显大于CCD 探测器，每次曝光所获得的数据比较多。因此，虽然每次读数所需时间要长一些，实际收集数据的速度只是稍慢于CCD 探测器。很明显，晶体结构越大，使用面探测器的优点就越明显。与传统的四圆衍射仪相比，这些设备在衍射强度和空间定位

25、上的准确度都较低。但是由于使用面探测器测量的实际操作中，人们往往会获得大量的对称性等效衍射点的强度数据。通过求取这些等效点的强度平均值，可以提高衍射强度的测量精度。因此，不论是IP 还是CCD 面探测器得到的衍射数据通常好于四圆衍射仪得到的数据。2.3.2 面探测器的数据收集在面探测器衍射仪上安放晶体的方法与四圆衍射仪的情况十分类似，也必须把晶体调节到测角器中心上。同样，用面探测器衍射仪测量晶体结构，首先要获得若干张衍射图像，经过寻峰并指标化衍射点，进而决定取向矩阵和晶胞参数。用面探测器测量晶胞参数与取向矩阵时，采用的衍射点数可达一百多个，明显多于用四圆衍射仪测量的数目（一般约25个），还可以

26、在完成数据收集之后用全部衍射点来精确修正晶胞参数。因此面探法获得的晶胞参数等数据的标准偏差通常比较小，并且定错晶胞的机会也较小。面探测器系统的一个最大优点是，只要原始测量数据还保存着，即便取向矩阵出了偏差，程序可以重新计算一次，从而获得正确的晶胞参数和取向矩阵，重新对衍射数据进行指标化，以获得一套正确的数据。相反，如果使用四圆衍射仪，则必须从头开始，重新找出正确的取向矩阵、晶胞等数据，然后重新收集一整套数据！现代仪器的控制软件自动化程度都比较高，一般按照软件的缺省设置可以满足绝大多数晶体衍射数据的收集，但是，当碰到晶体具有特大的晶胞（其中一个晶轴长度超过4 nm，即40 Å）、晶体状

27、态不稳定、衍射强度较弱（小晶体）、衍射数据质量处于临界状态、希望通过重新收集数据以提高晶体结构的精修结果等较为特殊的情况，就必须设计出收集衍射数据的最优化条件。下面以CCD 面探测器为例，介绍一些可能影响衍射数据质量的参数。一般使用光源为Mo K，电压40 kV, 电流40 mA，室温，晶体与探测器的距离为50 mm。晶体与探测器间的距离d：在面探衍射仪中晶体与探测器之间的距离可以在一定的范围内移动，原因是面探测器原先主要是用于收集蛋白质等生物大分子的衍射数据，由于巨大的晶胞，假如d 太小，衍射点将会重叠，探测器背景噪音也会增加。但是d 值也不能太大，否则，记录到的衍射点强度将会降低。因此，在

28、蛋白质晶体衍射数据收集的过程中，d 值需要经常调整，以满足足够的分辨率和记录最强的衍射强度。对于小分子晶体，d 值在45 mm55 mm 之间可以满足大部分要求。在观察晶体的旋转照片时，假如发现衍射点太密集，可以增大d 值。必须注意的是，衍射点的衍射角度是根据d 值与该点在面探测器上的位置 (x, y) 计算的，因此，每次调整d 值后，都必须进行相关的校正。扫描角度：通常来讲，扫描角度越小，数据质量越好，超过1°以上的扫描数据一般解不出结构，因此，通过增大扫描角度加快衍射数据收集速度的做法并不可取。但是太小的扫描角度会大大增加数据收集的时间和储存数据所需的计算机空间。一般建议采用的扫

29、描角度是0.20.3°(控制软件的缺省值为0.3°)。假如采用低于0.2°的扫描角度，必须注意曝光时间不要超过20 秒。准直器与晶体的大小：面探衍射仪一般情况下选用0.5 mm 的准直器。因此，太大的晶体可以采用切割的方法进行改造，尤其是对于吸收较强的晶体（如金属有机物，这些晶体的衍射能力也比较强），更应该尽可能选用体积小（0.2 mm0.3 mm）、但外观尺寸均衡的晶体以减少吸收效应。曝光时间：并非曝光时间（exposure time）越长、获得的衍射数据质量越好（不考虑相应增加的机时），原因是探测器的背景噪音与曝光时间成正比，曝光时间增加，衍射点强度的标准不确定度也会增加；对于衍射能力很强的晶体，过长的曝光时间可能会引起衍射点强度超过探测器的动态范围，从而引起系统误差；对于对X 射线吸收较强的晶体，过长的曝光时间会影