2024年5月20日发(作者：展若云)
单晶X射线衍射实验原理
吴 立
一、概述
自从1895年德国物理学家伦琴第一次发现X射线以来，经过了一百多年的发展，X射线已
经广泛应用于社会的各个领域，其中的X射线晶体衍射技术更是得到了迅猛的发展：1912年劳
厄发现了晶体对X射线的“衍射效应”，1913年人类第一次测定了分子的立体结构。而后，历
经80多年的发展，“X射线晶体结构分析”已经成为了一门独立的学科。一方面，有许多晶体
学家继续致力于该学科的纵横发展；另一方面，它已成为数学、物理学、化学、分子生物学、
药物学、植物学、地质学、冶金学、材料科学等多学科的汇合点，成为了一门渗透广泛的边缘
学科。X射线晶体衍射已经成为研究有机小分子结构的重要手段，并应用于生物大分子的结构
和功能研究领域中。特别在新药研究中，用晶体X射线衍射测定天然或合成有机药物分子的准
确结构已成为必要的环节。
X射线单晶结构分析是利用晶体对X射线的衍射效应，经过第一次傅立叶变换产生了衍射
图谱；再通过第二次傅立叶变换完成结构解析，获得有机分子的立体结构图像。由此可得到：
原子在空间的位置，成键原子（离子）的键型及精确键长、键角与二面角值，分子的空间排列
（堆积）规律（即对称性），分子的构象特征，分子的绝对构型，分子的几何拓扑学特征等信息。
X射线分析通常可以快速、准确地完成其他物理方法（质谱、核磁共振谱等）不能完满解决的
疑难结构（包括大分子结构）问题，并为药物分子计算机辅助设计提供精确、定量的分子立体
结构数据。
X射线衍射在测定分子的结构方面对于其它四谱（红外光谱、紫外光谱、质谱与核磁共振
谱）的优点就在于其只需要一颗合适的单晶体，就可以不借助其它信息独立给出物质的立体分
子结构。因此获得合适的单晶体是X射线衍射晶体结构分析的第一步，也是关键的一步；而为
了得到可适用的单晶体，晶体生长是关键。本学期在已有的单晶X射线衍射理论知识的基础上，
进行了有机小分子化合物的单晶生长实验，掌握了晶体学中最基本的实验技能——晶体生长。
二、晶体生长理论
晶体是由原子（离子、分子）在空间周期排列构成的固体物质，也被称为单晶体。几何对
称性是晶体的基本属性。该属性决定了其在合适的结晶条件下能够形成结晶多面体的形式，这
就是所谓的晶体生长。晶体生长是一个有序化的过程，在这个过程中，散布在溶液中的无序的
随机状态的分子转变成有序的呈周期性规则排列状态的固体物质；这也是一个热力学准平衡过
程，驱使分子结晶的动力是使其自由能最低，只有当分子按照对称的周期重复的方式排列成固
体时，其自由能才降到了最低。
常用的晶体生长方法有适于无机材料化合物的电极生长法和熔融生长法，以及适用于有机
小分子和生物大分子的溶液生长法。对于药物及天然产物来说，大部分是有机分子，这类晶体
的获得，一般采用常温或低温下的溶液生长法进行。在用溶液进行晶体生长之前，我们必须首
先对样品进行纯化，虽然从溶液中的重结晶本身就是一种常用的有机分子样品纯化的方法，但
是综合实验的成本周期等各项因素考虑，有机晶体生长一般要求样品的化学纯度在99％以上。
晶体的生长过程包括成核与晶体的生长两步，其中成核分为均匀成核与非均匀成核：前者
是在一定的温度和压力控制下，在过饱和溶液中进行的分子或原子、离子聚集，是一个较为缓
慢的过程，经该过程而长出的单晶质量较好，因此均匀成核是最常用的成核过程；后者则需要
借助外物或外力的诱导，如种籽晶等，不易长成大小适宜的单晶，在有机分子单晶体生长中使
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用较少。晶核形成后，溶液分子（原子、离子）围绕晶核的三个方向缓慢堆积排列，长出较大
合用的单晶体的过程就是晶体的生长。它主要有以下几点需要考虑的因素：
1．化合物的自身性质：这是决定结晶难易程度的关键因素，例如该化合物在空气中是否稳
定，是否易被氧化，是否对光敏感，是否容易潮解等等，注意易氧化的样品不要脱离母液，易
潮解的样品要保持干燥的环境，应该根据化合物各自不同的特点来决定培养晶体的方法。柔性
小，具有刚性骨架的分子容易结晶，因为柔性小的分子其构象变化较少，易于形成有规则的排
列，但柔性大的分子则由于侧链较长或分枝较多而易形成较多的构象，故不易稳定排列形成晶
体，多羟基的化合物由于各羟基之间存在较强的相互作用，不易形成规则的排列，也不易得到
单晶体，另外化合物的纯度也是重要的影响因素，越纯越容易结晶，而混合物一般不易得到晶
体。结晶的过程也是一个不断纯化的过程。
2．溶剂系统的选择：选择溶剂应在确保所选溶剂不与样品发生任何的化学反应的条件下进
行。首先，应该严格控制样品溶液的过饱和度，一般过饱和溶液的配置，以样品在常温溶剂中
存在少量或微量的不溶样品物质，在40～60℃热水浴中样品能刚刚好溶解为好，最终是溶液处
于过饱和与饱和状态之间的最佳状态；其次，必须选择适当溶解度的溶剂。溶剂的溶解度不要
过大，也不要太小，可采用单一溶剂系统或混合溶剂系统。最后，应注意所选溶剂系统的挥发
度要适中。挥发的过快，溶液将迅速达到过饱和状态，容易形成较小的晶体，甚至可能带走样
品；挥发的太慢则影响晶体的生长速度。
3．培养晶体的环境：晶体生长需要合适的温度，有机小分子晶体生长环境的温度对于单晶
培养是比较重要的影响因素，通过环境温度的调整，可以起到控制样品的溶解度大小或溶剂挥
发速度快慢的作用，如缓慢降温法就是通过温度来控制样品溶解度的一个较好的例证。另外，
晶体生长环境的温度最好是恒定的，因为温度波动会导致样品的溶解度发生相应的变化并且使
均匀的溶液体系受到扰动，从而导致得到的单晶体存在缺陷或根本得不到晶体。另外系统稳定
性也是影响晶体生长的外在因素之一，机械震动或搅动晶体生长的容器，则会破坏晶体生长的
环境或影响晶核形成的质量和数量，从而得到有缺陷的晶体或产生较小的晶体。因此在晶体生
长过程中，应尽量少的干扰它并且要保持晶体生长环境尽可能地稳定。最后，用于晶体生长容
器的选择是一个不可忽略的重要因素：容器应选择玻璃制品或特殊的透明塑料制品，以便于观
察，与溶剂不发生相互反应；容器的底部最好是平的，容积一般在0.5～1.0ml左右，其内壁必
须光滑，要求很高的洁净度，一般用洗液浸泡过夜然后洗刷。
4．晶体的生长速度和时间：要使溶液体系以最缓慢的速度达到过饱和状态，有利于晶体的
生成。一般通过降低溶液的蒸发速度和降低温度来调节晶体的生长速度。晶体生长需要适当的
时间，根据不同样品的性质以及所选择的不同溶剂系统，晶体生长所需要的时间应有相应的变
化。一般来说，小分子约需要10～14天。另外，样品的溶液体系只有在缓慢地达到饱和状态时，
才有利于晶核的形成以及获得较大的单晶体，所以要耐心地等待，在晶体生长期间，尽量的不
去打扰它。
对于X射线衍射的实验要求来说，一般晶体的理想尺寸是0.50×0.50×0.50mm，而实验中
获得的单晶体尺寸范围可以在0.2～1.0mm之间，其形状可以是柱状、片状、块状、针状等。衍
射实验所用晶体的挑选原则主要有以下几条：
1. 观察晶体，注意一批样品中的晶体外形是否一致，相同化合物由于温度、溶剂差异造成
的不同晶型，样品中存在异构体，溶液中杂质的存在都可能导致晶体外形的差异。
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2024年5月20日发(作者：展若云)
单晶X射线衍射实验原理
吴 立
一、概述
自从1895年德国物理学家伦琴第一次发现X射线以来，经过了一百多年的发展，X射线已
经广泛应用于社会的各个领域，其中的X射线晶体衍射技术更是得到了迅猛的发展：1912年劳
厄发现了晶体对X射线的“衍射效应”，1913年人类第一次测定了分子的立体结构。而后，历
经80多年的发展，“X射线晶体结构分析”已经成为了一门独立的学科。一方面，有许多晶体
学家继续致力于该学科的纵横发展；另一方面，它已成为数学、物理学、化学、分子生物学、
药物学、植物学、地质学、冶金学、材料科学等多学科的汇合点，成为了一门渗透广泛的边缘
学科。X射线晶体衍射已经成为研究有机小分子结构的重要手段，并应用于生物大分子的结构
和功能研究领域中。特别在新药研究中，用晶体X射线衍射测定天然或合成有机药物分子的准
确结构已成为必要的环节。
X射线单晶结构分析是利用晶体对X射线的衍射效应，经过第一次傅立叶变换产生了衍射
图谱；再通过第二次傅立叶变换完成结构解析，获得有机分子的立体结构图像。由此可得到：
原子在空间的位置，成键原子（离子）的键型及精确键长、键角与二面角值，分子的空间排列
（堆积）规律（即对称性），分子的构象特征，分子的绝对构型，分子的几何拓扑学特征等信息。
X射线分析通常可以快速、准确地完成其他物理方法（质谱、核磁共振谱等）不能完满解决的
疑难结构（包括大分子结构）问题，并为药物分子计算机辅助设计提供精确、定量的分子立体
结构数据。
X射线衍射在测定分子的结构方面对于其它四谱（红外光谱、紫外光谱、质谱与核磁共振
谱）的优点就在于其只需要一颗合适的单晶体，就可以不借助其它信息独立给出物质的立体分
子结构。因此获得合适的单晶体是X射线衍射晶体结构分析的第一步，也是关键的一步；而为
了得到可适用的单晶体，晶体生长是关键。本学期在已有的单晶X射线衍射理论知识的基础上，
进行了有机小分子化合物的单晶生长实验，掌握了晶体学中最基本的实验技能——晶体生长。
二、晶体生长理论
晶体是由原子（离子、分子）在空间周期排列构成的固体物质，也被称为单晶体。几何对
称性是晶体的基本属性。该属性决定了其在合适的结晶条件下能够形成结晶多面体的形式，这
就是所谓的晶体生长。晶体生长是一个有序化的过程，在这个过程中，散布在溶液中的无序的
随机状态的分子转变成有序的呈周期性规则排列状态的固体物质；这也是一个热力学准平衡过
程，驱使分子结晶的动力是使其自由能最低，只有当分子按照对称的周期重复的方式排列成固
体时，其自由能才降到了最低。
常用的晶体生长方法有适于无机材料化合物的电极生长法和熔融生长法，以及适用于有机
小分子和生物大分子的溶液生长法。对于药物及天然产物来说，大部分是有机分子，这类晶体
的获得，一般采用常温或低温下的溶液生长法进行。在用溶液进行晶体生长之前，我们必须首
先对样品进行纯化，虽然从溶液中的重结晶本身就是一种常用的有机分子样品纯化的方法，但
是综合实验的成本周期等各项因素考虑，有机晶体生长一般要求样品的化学纯度在99％以上。
晶体的生长过程包括成核与晶体的生长两步，其中成核分为均匀成核与非均匀成核：前者
是在一定的温度和压力控制下，在过饱和溶液中进行的分子或原子、离子聚集，是一个较为缓
慢的过程，经该过程而长出的单晶质量较好，因此均匀成核是最常用的成核过程；后者则需要
借助外物或外力的诱导，如种籽晶等，不易长成大小适宜的单晶，在有机分子单晶体生长中使
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用较少。晶核形成后，溶液分子（原子、离子）围绕晶核的三个方向缓慢堆积排列，长出较大
合用的单晶体的过程就是晶体的生长。它主要有以下几点需要考虑的因素：
1．化合物的自身性质：这是决定结晶难易程度的关键因素，例如该化合物在空气中是否稳
定，是否易被氧化，是否对光敏感，是否容易潮解等等，注意易氧化的样品不要脱离母液，易
潮解的样品要保持干燥的环境，应该根据化合物各自不同的特点来决定培养晶体的方法。柔性
小，具有刚性骨架的分子容易结晶，因为柔性小的分子其构象变化较少，易于形成有规则的排
列，但柔性大的分子则由于侧链较长或分枝较多而易形成较多的构象，故不易稳定排列形成晶
体，多羟基的化合物由于各羟基之间存在较强的相互作用，不易形成规则的排列，也不易得到
单晶体，另外化合物的纯度也是重要的影响因素，越纯越容易结晶，而混合物一般不易得到晶
体。结晶的过程也是一个不断纯化的过程。
2．溶剂系统的选择：选择溶剂应在确保所选溶剂不与样品发生任何的化学反应的条件下进
行。首先，应该严格控制样品溶液的过饱和度，一般过饱和溶液的配置，以样品在常温溶剂中
存在少量或微量的不溶样品物质，在40～60℃热水浴中样品能刚刚好溶解为好，最终是溶液处
于过饱和与饱和状态之间的最佳状态；其次，必须选择适当溶解度的溶剂。溶剂的溶解度不要
过大，也不要太小，可采用单一溶剂系统或混合溶剂系统。最后，应注意所选溶剂系统的挥发
度要适中。挥发的过快，溶液将迅速达到过饱和状态，容易形成较小的晶体，甚至可能带走样
品；挥发的太慢则影响晶体的生长速度。
3．培养晶体的环境：晶体生长需要合适的温度，有机小分子晶体生长环境的温度对于单晶
培养是比较重要的影响因素，通过环境温度的调整，可以起到控制样品的溶解度大小或溶剂挥
发速度快慢的作用，如缓慢降温法就是通过温度来控制样品溶解度的一个较好的例证。另外，
晶体生长环境的温度最好是恒定的，因为温度波动会导致样品的溶解度发生相应的变化并且使
均匀的溶液体系受到扰动，从而导致得到的单晶体存在缺陷或根本得不到晶体。另外系统稳定
性也是影响晶体生长的外在因素之一，机械震动或搅动晶体生长的容器，则会破坏晶体生长的
环境或影响晶核形成的质量和数量，从而得到有缺陷的晶体或产生较小的晶体。因此在晶体生
长过程中，应尽量少的干扰它并且要保持晶体生长环境尽可能地稳定。最后，用于晶体生长容
器的选择是一个不可忽略的重要因素：容器应选择玻璃制品或特殊的透明塑料制品，以便于观
察，与溶剂不发生相互反应；容器的底部最好是平的，容积一般在0.5～1.0ml左右，其内壁必
须光滑，要求很高的洁净度，一般用洗液浸泡过夜然后洗刷。
4．晶体的生长速度和时间：要使溶液体系以最缓慢的速度达到过饱和状态，有利于晶体的
生成。一般通过降低溶液的蒸发速度和降低温度来调节晶体的生长速度。晶体生长需要适当的
时间，根据不同样品的性质以及所选择的不同溶剂系统，晶体生长所需要的时间应有相应的变
化。一般来说，小分子约需要10～14天。另外，样品的溶液体系只有在缓慢地达到饱和状态时，
才有利于晶核的形成以及获得较大的单晶体，所以要耐心地等待，在晶体生长期间，尽量的不
去打扰它。
对于X射线衍射的实验要求来说，一般晶体的理想尺寸是0.50×0.50×0.50mm，而实验中
获得的单晶体尺寸范围可以在0.2～1.0mm之间，其形状可以是柱状、片状、块状、针状等。衍
射实验所用晶体的挑选原则主要有以下几条：
1. 观察晶体，注意一批样品中的晶体外形是否一致，相同化合物由于温度、溶剂差异造成
的不同晶型，样品中存在异构体，溶液中杂质的存在都可能导致晶体外形的差异。
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