所謂單晶(monocrystal, monocrystalline, single crystal)，即結晶體內(nèi)部的微粒在三維空間呈有規(guī)律地、周期性地排列，或者說晶體的整體在三維方向上由同一空間格子構成，整個晶體中質(zhì)點在空間的排列為長程有序。單晶整個晶格是連續(xù)的，具有重要的工業(yè)應用。在有機合成中，培養(yǎng)單晶主要是為了通過X-RAY確認結構。
一、長單晶經(jīng)驗簡單總結：
1、低溫緩慢揮發(fā)。一般保持在－20度，用微量真空緩慢抽去溶劑。通常24～48小時里就可以見到結果，成不成。這個方法需要注意添加液氮和干冰。此方法適于室溫和空氣中不太穩(wěn)定的化合物。
2、高溫溶解緩慢降溫。通常采取高沸點的溶劑溶解樣品，然后用鋁薄膜包住整個油浴，停止加熱，令其溫度緩慢下降到室溫，再保持1到2天，讓過飽和的溶液盡量結晶出來。這個方法需要注意，降溫不能太快，還要注意溶液的濃度。此方法適合于化合物溶解度差異比較大，而且對無水無氧要求的化合物比較合適。
3、混和溶劑揮發(fā)。用易揮發(fā)良溶劑溶解樣品，然后小心加入不良溶劑，盡量保持分層狀態(tài)，令其自我緩慢擴散。這個方法需要注意溶劑搭配選擇。
4、簡單揮發(fā)。也就是用溶劑溶解之后，用septum封住，然后插根細針頭，令其緩慢揮發(fā)。
5、濃縮。樣品溶解于溶劑之后，加一個90度彎管和一個接受瓶。整個體系稍微抽一點點真空，接受瓶用干冰冷卻，令溶劑蒸氣在接受瓶里面緩慢冷凝下來，直到有單晶形成。這個方法需要注意冷凝速度，太快不能得到單晶。
6、溶劑擴散。這是上面（3）的變通。加工一底下細瓶頸的帶teflon stopper的長管。用良溶劑把少量樣品溶解，轉(zhuǎn)入長管，體積大概1～2 mL，加的量剛好在細瓶頸中間。然后直立長管，在上面加入不良溶劑直到接近上面的出口，堵死。之后，小心令長管直立綁在沒有振動的地方，讓溶劑緩慢相互擴散。此方法適合于少量樣品，無水無氧操作。
7、核磁管辦法。這個跟上面的（4）差不多，量少而且需要耐心等待。
8、冰箱冷凍。通常比較難于結晶的樣品，室溫下配成接近飽和溶液之后，放入冰箱，令其緩慢結晶。
總之，長單晶需要耐心和不斷嘗試不同的辦法。同時，還得注意樣品的純度和穩(wěn)定性來決定采取什么方法。
二、前人經(jīng)驗的匯總：
1、溶劑的選擇與加入方法
在單晶的培養(yǎng)過程中，我走了與正常結晶相反的路子。通常是用適量極性大的溶劑提取你的反應物質(zhì)，然后再滴加少量的極性小的溶劑，放置結晶。這樣做的結果是結晶很慢，而且是結晶的收率不高。而我用的方法是背道而行。先用極性小的溶劑提取。根據(jù)你的反應物質(zhì)量，加入適量的極性小的溶劑，不能全溶解，就加入適量的極性大的溶劑(注意：切不可多加)，如果此時還有少量沒有溶解，A)你可以再加重復極性小的溶劑，再加極性大的溶劑。直到全溶解；B)也可以微熱溶解(如果你的樣品是熱穩(wěn)定好的話)這樣的做法是非常好結晶的，不信你試試看，如果你晚上做的這樣的操作，第二天早上你會發(fā)現(xiàn)你的晶體已經(jīng)長出來了。C)微熱還有些沒溶解，就直接過濾。這樣也可以很快結晶。但是會損失些產(chǎn)物。
2、溫度的選擇
上面談了溶劑的選擇，和加入順序?，F(xiàn)在我再來說說溫度的選擇。溶劑加入后就要選擇放那里結晶了。你不能總認為溫度越低越好，要想得到好的晶體，溫度的選擇很重要的?。?！首先放在室溫（必須無外界震動）一兩天看看，有無結晶，如有結晶說明室溫就能結出好晶體，無需放之低溫。如果室溫不結晶，再放如0度。過兩天看看，再不行，－5度，－10度，－15度，－20度，－30度，我想，這些條件大家實驗應該不難。如過你一開始放于低溫可能結晶很快但的不到好的晶體?？赡苁嵌嗑?，而不是單晶。長晶體過程千萬不能震動。有條件的單獨一間房間來結晶最好。
低溫結出的晶體再送測試前要處理，不能拿出來就去測。為什么？？？大家想啊。。。
拿出來到室溫，不是溫度升高了嗎？那晶體就可能融化了（我作過這樣的蠢事），首先你的去掉部分溶劑才行。只留少許即可。對水，氧氣敏感的用惰性氣體如N2,Ar氣保護起來再轉(zhuǎn)移溶劑。轉(zhuǎn)移完再沖N2下關閉你裝晶體的容器活塞。去測試，這樣就不會化了。
3、利用溶劑的揮發(fā)
無水無氧要求的金屬配合物這種情況的培養(yǎng)單晶要求有手套箱，在手套箱里（有這樣的條件），你可以用schlenk 瓶、小燒杯、以及核磁管來用作結晶的工具。容器的口部用封模封好。然后上面用細針扎幾個小眼用來揮發(fā)溶劑。不幾天你會發(fā)現(xiàn)你的容器內(nèi)壁會生長出晶體來。容器的內(nèi)表面越光滑單晶性越好，否則晶體形狀不好缺陷多就會給后面的收單晶衍射數(shù)據(jù)帶來麻煩，甚至會造成無法解晶體結構，那將是非常可惜的；要強調(diào)的是用Schlenk及核磁管這兩種容器用來結晶是最好的。為什么呢？？做無水無氧的人知道schlenk是無水無氧操作的專用瓶。它有側(cè)活塞用來開關瓶與外界的相通。所以操作方面很好。在你獲得很好單晶后你要從手套箱里拿出來啊，如果你用別的容器，可能那些對空氣特別敏感的物質(zhì)就不能夠穩(wěn)定到你測量完晶體結構。同樣很小的核磁管也很好封的。而且它要的量很少。不浪費樣品。如果沒有手套箱的話，可能這個方面就不太適用（對于對水，氧敏感的物質(zhì)）。
4、利用極性?。ㄈ芙舛刃。┑娜軇?/p>
你的反應結束后，用極性大的溶劑提取后。再進行濃縮恰好到有溶質(zhì)析出時為此（此時因減壓濃縮體系內(nèi)的溫度應該低于外界）等到溫度升到室溫，拿到手套箱內(nèi)，用針筒向上面的溶液面上輕輕的滴加幾滴極性小的（溶解度小的）溶劑。這樣處理完你會很易得到很好的晶體的。此時如果你細心的話你會發(fā)現(xiàn)，你的晶體結晶時是從液面開始的。為什么？？？仔細想。
以上是我在培養(yǎng)要求比較苛刻有機金屬配合物單晶常用的方法，一般是幾種方法同時做，不是每種方法都能或總能培養(yǎng)出單晶，更多的是取決于配合物的結晶性好壞?？傊褪嵌嘣嚕翰煌臏囟?、溶劑、混合溶劑的比例……
總之，單晶的培養(yǎng)溶劑的選擇很重要，有些時候你會發(fā)現(xiàn)你選擇的溶劑不同，即使你很溶劑得到晶體，但是晶體的形狀會各不相同的。甚至有些時候你得到的晶體不是規(guī)則的，或是細長的針狀的，所以溶劑的選擇很重要。我總結出來，一般我做反應時候用極性相對大些的甲苯、乙醚、THF等。再結晶時候用極性小些正己烷、以及正己烷與甲苯的混合溶劑，或其它的混合溶劑。
首先需要強調(diào)的是長單晶是一種藝術，而不完全歸結于科學，或者說它是一門介于科學和藝術之間的技術。對于水溶性好的分子，結晶是很困難，一般都是通過干燥緩慢去除溶劑的辦法，也有的通過極緩慢的降溫來獲得單晶，或者在水上加入一層難溶性的有機溶劑。
對于在有機溶劑中溶解比較好的分子，他們的結晶一般都是通過擴散的辦法來實現(xiàn)，如將乙醚或是苯擴散進入乙腈中。
對于生物大分子單晶，一般都采用懸滴法，即在一個小而密閉的容器中，下邊放溶劑，上邊加一滴分子飽和的溶劑，然后封閉之。
要結晶的分子一般來講一定要純，達到95%以上的純度，當然也不絕對，也有的體系在較低純度就拿到了單晶，比如饒子和院士發(fā)在CELL上的蛋白晶體結構就是從一個混合體系中拿到的。
三、單晶培養(yǎng)技巧
1.單晶培養(yǎng)的方法多種多樣，我們沒必要把握那些難以操作的，如升華法、共結晶法等。最簡單的最實用。常用的有1.溶劑緩慢揮發(fā)法；2.液相擴散法；3.氣相擴散法。99％的單晶是用以上三種方法培養(yǎng)出來的。
2.單晶培養(yǎng)所需樣品用量
一般以10－25mg為佳，假如你只有2mg左右樣品，也沒關系，但這時就要選擇液相擴散法和氣相擴散法，不能使用溶劑緩慢揮發(fā)法。
3.單晶培養(yǎng)的樣品的預處理
樣品溶解后一定要過濾，不能用濾紙，而是用一小團棉花輕輕的塞在滴管的中下部或下部，不要塞太緊，否則流的太慢。樣品當然是越純越好，不過假如實在沒辦法弄純也沒關系，培養(yǎng)一次就相當于提純了一次，我經(jīng)常用一些TLC顯示有雜點的東西長單晶，但得多養(yǎng)幾次。
4.一定要做好記錄
一次就得到單晶的可能性比較小。因此最好的方法就是在第一次培養(yǎng)單晶的時候，采取少量多溶劑體系的辦法。假如你有50mg樣品，建議你以5mg為一單位，這樣你可以同時實驗10種溶劑體系，而不是選兩種溶劑體系，每個體系25mg。這是做好記錄就非凡重要，以免下次又采用已經(jīng)失敗的溶劑體系，而且單晶解析時必須知道所用的溶劑。
5.培養(yǎng)單晶時，最好放到?jīng)]人碰的地方，這點大家都知道。我想說的是你不能一天去看幾次也不能放在那里5，6天不管。也許有的溶劑體系一天就析出了晶體，結果5天后，溶劑全干了。一般一天看一次合適，看的時候不要動它。明顯不行的體系
（如析出絮狀固體）就要重新用別的溶劑體系再重新培養(yǎng)。
6.液相擴散法中良溶劑與不良溶劑的比例最好為1：2－1：4。
7.烷基鏈超過4個碳的很難培養(yǎng)單晶。
8.分子中最好不要有叔丁基，因為輕易無序，影響單晶解析的質(zhì)量。
9.含氯的取代基一般更易長單晶，如4－氯苯基取代化合物比苯基取代化合物更易長單晶。
10.單晶培養(yǎng)－無水無氧條件下的單晶培養(yǎng)，麻煩的方法我就不說了，最簡單的方法就是將你的固體樣品加入一帶橡皮塞的容器（最常用的就是核磁管，塞子不是我們常用的硬塞子，而是軟的橡皮塞（隨便什么塞子都行，只要能密封且能扎針頭），先抽真空，然后通氮氣，再用注射器加入良性溶劑，充分溶解（超聲），然后再用注射器沿器壁加入不良溶劑即可。
四、麻省理工學院化學系----培養(yǎng)單晶指南
你將會發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)單晶不僅需要耐心，而且還需要一雙靈巧的雙手。結晶過程對溫度和其它輕微的擾動都非常敏感。因此，你應該在相似的條件下多嘗試幾個不同的實驗溫度，并為單晶的生長尋找一個沒有干擾的安靜環(huán)境。這里有一些經(jīng)驗性的貼士供你參考，以利于你的實驗開展。
方案＃1
有時好的單晶僅需冷卻溶液即可生長。你也可以嘗試加熱溶液至所有物質(zhì)完全溶解，達到過飽和，再慢慢地使其冷卻。
方案＃2
1）選取一種可以溶解你的目標化合物的溶劑，制成飽和溶液。
2）如果有必要，可以通過過濾除去其中的不溶性雜質(zhì)。對于少量溶液，可使用一種有效的過濾器，其制備方法是：將玻璃毛（甚至可以用面巾紙）塞入一根一次性Pasture滴管中，然后填入一英寸左右助濾物（如硅藻土Celite）。用新鮮溶劑濕潤硅藻土，然后用球形壓力器將溶液壓過該管進行過濾。
3）尋找另一種溶劑，使目標化合物在其中不溶解（或僅微量溶解），而且這種溶劑能夠和前一種溶劑混溶，并具有較低的密度。
4）將第二種溶劑小心地鋪在小瓶中飽和溶液的上面。在兩相界面上可看到一些混濁物。單晶將會沿著這個界面生長。
方案＃3
將盛有飽和溶液的小瓶放置在另外一個較大的瓶中。在外面的大瓶中加入第二種溶劑并且蓋緊蓋子。第二種溶劑將會慢慢地擴散到飽和溶液中，晶體就會出現(xiàn)了！為了進一步減慢這個過程，可將這個擴散裝置放在冰箱中。
常用的溶劑系統(tǒng)：
CH2Cl2／乙醚或戊烷
THF/乙醚或戊烷
甲苯/乙醚或戊烷
水/甲醇
CHCl3/正庚烷
《麻省理工學院化學系－實驗室手冊》
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