在有机合成中，常常有无法仅靠核磁确定结构的化合物，这时即可通过培养单晶进行X-RAY确认结构。利用单晶X射线衍射法确认结构时，最困难的往往是第一步，制备合适的单晶。目前单晶培养主要依赖于经验，单晶是结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。完整的理解晶体生长机理和溶剂性质、经验总结是非常重要的决定因素之一。

单晶生长机理是什么？

生长机理：单晶生长从溶液中生长最常见，一般经历近饱和—饱和—过饱和—结晶的过程。我们的目标就是要控制好这个过程。这个过程包括晶体的成核与成长。

晶体成核是晶体生长的第一步，晶核质量与晶核的多少是晶体生长的关键，缺陷晶核将无法得到合格的单晶。晶核成核数量过多会影响晶体的长大，所以需要控制晶核的质量和晶核数量。

晶体成长是一个非常缓慢的过程，也是晶胞有序排列的过程，时间在晶体成长中对其质量起到了关键的作用。一般高质量有机样品的单晶生长时间在两周左右。晶体生长时间过短，晶胞有序排列不好，会降低单晶X射线衍射实验数据分辨率。晶体生长时间过长，增加实验周期，时效比不佳。

什么样的化合物适合长单晶？

晶体生长的难易程度取决于化合物的本性，事先了解什么样的结构适合长单晶，什么样的结构难长甚至不可能长出来单晶。

从分子结构考虑：1.拥有刚性结构比如苯环的化合物比拥有柔性结构的化合物更容易析出单晶；2.烷基链超过4个碳的一般难以长出单晶；3.含氯的取代基一般轻易长单晶；

从外观角度判断：1.通过旋转蒸发或者简单重结晶所得样品，肉眼观察光泽很好，有规则外形，则容易生长；2.油状物难长出单晶，可经过进一步提纯再去培养；3.水溶性较油溶性化合物难长。

单晶培养方法

现在常用的单晶生长方法有溶液缓慢挥发法、冷却法、液相扩散法、气相扩散法。99%的单晶都是用这几种方法生长出来的。

挥发法

挥发法：溶剂的不断挥发，使溶液由不饱和达到饱和过饱和的状态，从而析出单晶。

优势：简单。

缺点：需要大量的材料，在开始接近饱和状态时会导致产生很多晶核，不适用于对空气敏感的化合物。

冷却法

冷却法：温度降低溶解度减小，使溶液由不饱和达到饱和过饱和的状态，从而析出单晶。

优势：简单，特别适合中度溶性的物质。

缺点：需要大量的材料，通常发生在高温下，它可能导致无序或孪生的结晶。

液相扩散法

气相扩散法

液相扩散法、气相扩散法：不良溶剂缓慢挥发或通过液-液扩散的方式进入良溶剂改变溶解度使得晶体析出。

优点：用量较少，容易控制。

缺点：比较难寻找两个合适的溶剂。

单晶培养溶剂体系选择

溶剂极性：了解不同溶剂长出来的晶体可能都会不一样，这与极性有很大关系，所以单晶培养溶剂的选择很重要。化合物种类不同，溶剂也会非常不一样。

溶剂对样品的溶解度适中：溶解度太大或太小都不利于获得样品的单晶。

溶剂的挥发度适中：溶剂的挥发度太大或太小均不利于单晶的生长。

单一溶剂系统：如果样品能够找到一种溶解度与挥发度都适中的溶剂，就可以使用该种溶剂系统进行单晶的培养(生长)。

混合溶剂系统：当找不到一种溶剂对样品具有溶解度与挥发度均适中的情况时，可以选择两种或两种以上的溶剂，制成对样品溶解度与挥发度都适中的溶剂系统来进行单晶体的培养。

单晶生长容器选择

透光性良好：便于观察样品的单晶生长过程。

温度传导性良好：便于过饱和溶液制作与单晶样品生长过程的温度控制。

容器底部平整光滑：给晶体生长创造良好的空间环境。

不易被腐蚀：由于单晶生长需要使用各种有机溶剂，所以选择的容器必须由不易被腐蚀的材料做成。

容器尺寸大小适宜：根据单晶生长时选择的样品量和溶剂量，选择容器应保证溶液表面不超过容器1/2的高度。

平底玻璃瓶应该是进行晶体生长的最佳容器选择。

单晶生长注意事项

对于水溶性的分子，结晶相对困难很多，一般通过干燥缓慢去除溶剂的方法，或者缓慢降温，或者在水上加一层难溶的有机溶剂。

对于有机溶剂溶解较好的分子，则通过扩散法实现结晶比较多。

化合物结晶前，一定要保证纯度，一般要达到95%以上，当然也有例外。

培养单晶需要一个安静的环境，最好放到没人碰的地方，一般一两天看一次即可，看的时候一定要小心翼翼，不要动到瓶子。

单晶长成后，及时倒出母液，留少量密封保存，防止风化，也可通过涂抹凡士林来保护。

养单晶是一个漫长的过程，由于不同的化合物有着不同的性质，因此最适的溶剂系统与过饱和度也不同，需要大家不断地去摸索溶剂条件。如果样品量大，建议将样品均匀分成多份，同时试验多个条件，这样可以大大减少养单晶的时间。

参考文献：

1] Growing Quality Crystals. https://chemistry.mit.edu/facilities-and-centers/x-ray-diffraction-facility/growing-quality-crystals/[