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X선 회절 분석을 위한 커지는 결정

Overview

출처: 지미 프랑코 박사 연구소 - 메리맥 칼리지

X선 결정예학은 일반적으로 분자 또는 복합체의 3차원 형상의 측정을 허용하는 결정성 고체에서 원자의 공간 적 배열을 결정하는 데 사용되는 방법입니다. 화합물의 구조와 기능이 밀접하게 관련되어 있기 때문에 화합물의 3차원 구조를 결정하는 것은 특히 중요합니다. 화합물의 구조에 대 한 정보는 종종 그것의 행동 또는 반응성을 설명 하는 데 사용 됩니다. 이는 화합물 또는 복합체의 3차원 구조를 해결하는 데 가장 유용한 기술 중 하나이며, 경우에 따라 구조를 결정하는 유일한 실행 가능한 방법이 될 수 있다. 성장하는 X선 품질 결정은 X 선 결정학의 핵심 구성 요소입니다. 결정의 크기와 품질은 종종 X 선 결정학에 의해 검사되는 화합물의 조성에 크게 의존한다. 일반적으로 무거운 원자를 함유하는 화합물은 더 큰 회절 패턴을 생성하므로 더 작은 결정이 필요합니다. 일반적으로, 잘 정의된 면을 가진 단결정은 최적이며, 일반적으로 유기 화합물의 경우, 결정은 무거운 원자를 함유하는 결정보다 클 필요가 있다. 실행 가능한 결정없이, X 선 결정학은 가능하지 않습니다. 몇몇 분자는 그 외 보다는 본질적으로 더 결정적입니다, 따라서 엑스레이 질 결정을 얻기의 어려움은 화합물 사이에서 다를 수 있습니다. X 선 결정의 성장은 일반적으로 화합물을 정화하는 데 사용되지만 고품질 의 결정을 생산하는 데 중점을 둔 재결정화 과정과 유사합니다. 종종, 더 높은 품질의 결정은 결정화 과정이 천천히 진행되도록 함으로써 얻을 수 있으며, 이는 하루 또는 몇 달 동안 발생할 수 있습니다.

Principles

난방 및 냉각, 증발 및 증기 확산과 같은 X 선 결정을 성장시키는 방법에는 여러 가지가 있으며, 각각 자체의 장점과 한계가 있습니다. 1 본명 에 기재된 X선 품질 결정, 액체 액체 확산을 성장시키는 가장 유용한 방법 중 하나입니다. 2 성공적인 X선 결정 성장은 용매의 적절한 선택에 따라 달라집니다. 화합물은 하나의 용매에서 용해되어야하지만 다른 용매에서 불용성해야합니다. 액체 액체 확산은 NMR 관과 같은 얇은 튜브의 고밀도 용매 위에 저밀도 용매를 조심스럽게 겹쳐두는 것을 포함합니다. 확산 속도는 결정의 크기와 품질에 크게 영향을 미칠 수 있습니다 - 빠른 확산은 더 작은 결정을 선호, 느린 확산은 크고 높은 품질의 결정의 성장을 선호하면서. NMR 튜브와 같은 얇은 튜브의 활용은 용매의 확산을 느리게하여 고품질 결정의 성장을 촉진하는 환경을 조성합니다. 화합물이 용해되는 하층용 용매는 메틸렌 염화물 또는 클로로폼이다. 화합물은 덜 조밀한 용매에 용해되지만, 상단 용매가 결정 형성 전에 증발하기 시작할 수 있기 때문에 문제가 있음을 증명할 수 있습니다. 최적의 조건은 화합물을 더 조밀한 용매에 용해시키는 것입니다. 상단 층은 용매 방지 또는 침전제입니다. 자주 사용되는 안티 용매는 헥산, 펜탄, 디틸 에테르 또는 메탄올입니다. 두 용매가 신중하게 계층화되면 천천히 서로 확산될 수 있습니다. 화합물은 이진 용액에서 덜 용해되어 X 선 결정의 형성을 용이하게합니다.

Procedure

1. 크리스탈 튜브 및 필터의 준비

  1. NMR 튜브를 에렌마이어 플라스크에 놓습니다.
  2. 파이펫 필터를 준비합니다.
    1. 파이펫에 보풀이 없는 와이프(1인치 by 1in.)를 배치하여 필터를 구성한 다음 막대를 사용하여 파이펫의 병목 현상 부분에 닦아 넣습니다(도1).
    2. 필요한 모든 크리스탈 튜브에 대해 두 개의 파이펫 필터를 만듭니다.

2. 크리스탈 튜브에 샘플 추가

  1. 용매 (디클로로메탄)의 0.75 mL에서 화합물 (테트라페닐포르피린, 10 mg)를 용해하십시오.
  2. 파이펫을 사용하여 필터를 통과하여 튜브 상단에 혼합물을 부드럽게 추가합니다.
    1. 입자는 핵 형성 부위의 생성을 피하기 위해 여과되어 원하는 큰 단일 결정 대신 작은 다중 결정으로 이어질 수 있습니다.
  3. 시료가 결정관에 매우 느리고 부드럽게 배치되면 새로운 필터 파이펫을 통해 튜브에 항용매 (메탄올 1.5 mL)를 추가하십시오. 용매 방지가 이전에 추가된 용액에 천천히 레이어되도록 허용합니다(그림 2). 전구를 사용하여 파이펫을 통해 용매를 밀어 내지 말고 용매가 필터를 통해 자체적으로 흐르도록 하십시오.
    1. 먼저 고밀도의 용매가 결정 튜브에 추가되는지 확인하십시오.
    2. 두 용매가 서로 잘못 처리되어 있는지 확인합니다. 이것은 용매를 첨가하기 전에 수행됩니다.
  4. NMR 캡으로 튜브를 밀봉합니다.

3. 크리스탈 성장

  1. 두 용매가 섞이는 원인이 되지 않고 크리스탈 튜브(들)를 캐비닛에 놓습니다.
  2. 결정화 시간은 각 화합물에 따라 달라집니다 - 일반적으로 결정 튜브는 일주일 동안 방해받지 않고 남아 있어야합니다.
  3. 일주일 후, 결정 성장을 위해 튜브를 검사합니다.
    1. 결정 성장은 전형적으로 두 용매의 인터페이스에서 발생합니다.
    2. 결정 성장의 증거를 위해 튜브를 육안으로 검사합니다. 용매의 혼합을 용이하게하지 않도록주의, 화합물이 결정 형성을위한 추가 시간이 필요한 경우.
    3. 결정 성장이 발생한 것으로 나타나면 현미경을 사용하여 튜브를 추가로 검사합니다.

4. 크리스탈 선택

  1. X선 회절 결정은 잘 정의된 면을 가져야 합니다.
  2. 가능하면 함께 클러스터된 크리스탈을 피해야 합니다.
  3. 크리스탈을 디락토미터에 놓기 직전에 크리스탈을 수확할 준비가 될 때까지 크리스탈 튜브에 놓습니다.
    1. 결정을 튜브에 보관하면 결정이 솔바게 유지됩니다. 해결 절제는 결정이 균열을 일으키고 결정의 회절을 방해할 수 있습니다.

Figure 1
그림 1. 파이펫 필터의 이미지입니다. 보풀이 없는 작은 와이프가 파이펫의 병목 현상에 단단히 쐐기를 박았다. 이 솔루션은 결정 튜브에 도입되기 전에 이러한 파이펫 필터를 통과합니다.

Figure 2
그림 2. 표적 화합물을 함유한 용액이 결정관에 배치되면, 항용매는 새로운 파이펫 필터를 통과하여 천천히 위에 겹쳐져 있습니다.

Results

액체 액체 확산 기술은 테트라페닐포르피린의 X선 품질 결정을 만드는 데 사용되었습니다. 디클로로메탄을 용매및 메탄올을 용매로 사용하여 액체는 방해받지 않고 일주일 동안 서서히 확산될 수 있었습니다. 두 용매의 계면에 형성된 크고 잘 정의된 어두운 보라색-붉은결정(도 3). 결정의 성장을 시각적으로 관찰 할 수 있습니다. 결정은 현미경으로 볼 수 있는 아주 잘 정의된 얼굴로 성장했습니다.

Figure 3
그림 3. TPP의 X선 회절 품질 결정. 함께 뭉치거나 서로 자라는 결정은 피해야 합니다. 잘 정의된 면을 가진 큰 단일 결정은 일반적으로 더 나은 결과를 산출합니다.

Application and Summary

X선 품질의 결정은 액체 액체 확산에 의해 재배 될 수있다. 이진 용매 시스템의 느린 확산은 X 선 회절에 적합한 결정의 생성을 허용합니다. 이 방법을 사용하면 결정 격자가 천천히 형성되어 종종 더 크고 잘 정의된 결정으로 이어질 수 있습니다. NMR 튜브를 사용하면 용매의 느린 확산을 용이하게하여 최적의 결정 성장을 가능하게 합니다. 이 프로세스는 며칠에서 몇 달까지 어디서나 걸릴 수 있습니다. 종종 결정화 과정 동안 용매 분자는 결정 격자에 통합됩니다. 따라서 결정이 "건조"할 수 있도록 하는 것을 피하는 것이 중요합니다. 따라서, 액체 액체 확산의 장점 중 하나는 결정이 일반적으로 이 현상을 우회하는 두 용매의 인터페이스에서 성장한다는 것입니다.

액체 액체 확산은 X 선 결정학의 가장 필수적인 구성 요소인 X 선 품질 결정을 생산하는 데 가장 유용한 기술 중 하나입니다. X선 품질 결정을 얻는 것은 일반적으로 X 선 결정학 실험을 수행하는 데 한계 요인이됩니다. X선 결정예학은 본질적으로 분자 구조의 3차원 그림을 생성하여 화합물의 완전한 구성을 결정하는 가장 모호한 방법입니다. 분자의 구조와 기능은 밀접하게 관련되어 있기 때문에 화합물의 3차원 구조를 해독하는 능력은 다양한 화학 및 제약 응용 분야에 매우 유용합니다. 연구원과 제약 회사는 X 선 결정학을 사용하여 단백질의 구조를 결정하여 작은 분자가 약물 발견 및 설계를 위해 효소와 상호 작용하는 방법을 검사합니다. 3-5 X선 결정학은 또한 금속 복합체를 평가하기 위한 가장 유용한 방법 중 하나입니다. 이 기술은 금속이 서로 와 리간드와 상호 작용하는 방법에 대한 귀중한 통찰력을 공개합니다. 두 크롬 원자 사이의 최초의 확인 된 다섯 쌍둥이 결합은 X 선 결정학을 사용하여 확인되었다. 6 이 기술은 또한 금속 복합체의 발광 특성을 설명하는 데 사용할 수 있습니다. 7 결정학은 또한 호스트 게스트 화학에서 널리 사용되어 왔으며,이 방법은 분자 간의 비 공유 상호 작용에 대한 귀중한 정보를 밝히는 데 중요한 역할을했습니다. 8

References

  1. Gilman, J. J., The art and science of growing crystals. Wiley: (1963).
  2. Orvig, C., A simple method to perform a liquid diffusion crystallization. Journal of Chemical Education 62 (1), 84 (1985).
  3. Brown, C. S.; Lee, M. S.; Leung, D. W.; Wang, T.; Xu, W.; Luthra, P. et. al. In silico derived small molecules bind the filovirus VP35 protein and inhibit its polymerase co-factor activity. Journal of molecular biology, 426 (10), 2045-2058 (2014)
  4. Batt, S. M.; Jabeen, T.; Bhowruth, V.; Quill, L.; Lund, P. A.; Eggeling et. al. Structural basis of inhibition of Mycobacterium tuberculosis DprE1 by benzothiazinone inhibitors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,109 (28), 11354-9 (2012)
  5. Mortensen, D. S.; Perrin-Ninkovic, S. M.; Shevlin, G.; Elsner, J.; Zhao, J.; Whitefield et al. Optimization of a Series of Triazole Containing Mammalian Target of Rapamycin (mTOR) Kinase Inhibitors and the Discovery of CC-115. Journal of Medicinal Chemistry 58 (14), 5599-5608 (2015)
  6. Nguyen, T.; Sutton, A. D.; Brynda, M.; Fettinger, J. C.; Long, G. J.; Power, P. P., Synthesis of a Stable Compound with Fivefold Bonding Between Two Chromium(I) Centers. Science310 (5749), 844-847 (2005).
  7. Chen, K.; Nenzel, M. M.; Brown, T. M.; Catalano, V. J., Luminescent Mechanochromism in a Gold(I)-Copper(I) N-Heterocyclic Carbene Complex. Inorganic Chemistry 54 (14), 6900-6909.(2015).
  8. Franco, J. U.; Hammons, J. C.; Rios, D.; Olmstead, M. M., New Tetraazaannulene Hosts for Fullerenes. Inorganic Chemistry49 (11), 5120-5125 (2010).

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Overview

1:23

Principles of Growth for X-ray Crystallography

3:04

Sample Preparation

3:57

Liquid-Liquid Diffusion

4:57

Crystal Selection and Results

5:49

Applications

7:34

Summary

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