晶體日記 （十二）-尋找“Q”峰背後的原因(5)：無意的無序

奇怪的Q峰

讀書(shu) 時，老師和師兄們(men) 總教導我們(men) 要把蛋白提純了再去長晶體(ti) 。純度越高越好（>95%），這樣晶體(ti) 才能長得漂亮。於(yu) 是各種層析柱子的提純成了日常較多的工作。而且不光是表觀上SDS-PAGE的純度，我們(men) 還要求蛋白盡可能狀態的均一。甚至在我們(men) 的意識裏，蛋白是有生命的，越早越快地提純出來，蛋白才是“活"的。於(yu) 是各種加班加點的穿著棉襖在冷庫裏做實驗，廢寢忘食都不為(wei) 過。然而到了工作的時候，接觸到了化學晶體(ti) ，卻讓我對結晶對純度的要求一度十分的困惑，各種純度都有進行長晶體(ti) 的實驗。對純度的要求好像沒有那麽(me) 嚴(yan) 格，甚至有時候會(hui) 故意做一些摻雜，來誘導長晶體(ti) 。總之，眾(zhong) 說紛紜，結晶重新回到了玄學（或者漫不經心）。

我相信很多同學的晶體(ti) 總是長不好，跟純度或多或少是有些關(guan) 係的。不過，目前討論的內(nei) 容是關(guan) 於(yu) 奇怪的Q峰。概念中，同樣的分子按照周期性的排列，從(cong) 而長成了晶體(ti) 。這是晶體(ti) 的理論。然而現實中，少許不同的分子也同樣可以生長在一起（這裏不是指共晶），形成晶體(ti) 。這在無機晶體(ti) 和礦物晶體(ti) 中，十分的常見，同樣的位置有不同元素的原子占據著，名為(wei) 置換無序。這些“無序"通常是天然存在，或者人為(wei) 引入的。然而對於(yu) 有機分子，也存在同樣的問題，隻是很多時候我們(men) 沒有意識到，所以懵圈在那裏了，不知道發生了什麽(me) 。甚至即便得到了十分合理的解釋，到了很多同學那裏也會(hui) 死不認賬，認定一定是解析錯了… 實際上在很多同學生長的晶體(ti) 裏，這一點都不是什麽(me) 罕見的事情。
舉(ju) 例說明

我們(men) 先看一下常見的例子。這個(ge) 結構解析的十分順利，基本上APEX3的AutoStructure就可以自動地把“原定"的結構解析完畢。然而在苯環附近，有一個(ge) 很奇怪的Q峰，雖然不大，但是卻不能被忽略。我們(men) 不能簡單認為(wei) Q峰小於(yu) 1了就可以忽略不記了（說實在的，這個(ge) “定律"不知從(cong) 何而來，或者前提條件在傳(chuan) 播的過程中被無視了…）。仔細看下這個(ge) 1.02 的Q峰恰好位於(yu) C2原子正對的地方，距離是可以成鍵的範圍。可以確定的是，這裏不會(hui) 是遊離的無序水，也不會(hui) 是其它可以無序的基團。那會(hui) 是怎麽(me) 回事呢？

▲圖 1 abnormal Q peak

在查看了衍射圖和倒易空間之後，基本可以排除晶體(ti) 存在非缺麵孿晶或者衍射點的其它問題，因為(wei) 衍射點十分的整齊。同時對於(yu) 三斜的這個(ge) 晶體(ti) ，它也不存在贗缺麵孿晶導致的問題。重複測試多顆晶體(ti) ，這裏都存在相同的問題。所以大概率下數據的|Fo|是沒有問題的。那麽(me) 問題就落在了結構模型|Fc|上。仔細研究這個(ge) Q峰，我們(men) 會(hui) 得到兩(liang) 個(ge) 信息，首先它在接近苯環C2正對的位置上，幾何構象上看起來特別像是苯環延伸出的原子。另外它與(yu) C2原子的距離在1.7 Å左右。如果忽略既有給定的結構式和Q峰的大小，這裏特別像是一個(ge) Cl的取代基。假定這裏是Cl原子，放開占有率精修，我們(men) 會(hui) 得到該位置Cl的占有率隻有4%。

▲圖2 possible disorder

所以我們(men) 的推斷是，這裏實際上是另一種Cl取代基的分子在這裏的混合無序。而較有可能的原因是用於(yu) 結晶的原料不夠純，可能是反應的中間產(chan) 物或者是副產(chan) 物。雖然比例不高，但已然摻入到了結晶之中。在結構解析之餘(yu) ，我們(men) 還成功地鑒定了一種“雜質"。當然，我相信大家並不喜歡這種發現，也許很多人會(hui) 去做squeeze，但這裏並不是squeeze的應用範圍。晶體(ti) 學大多無意去鑒定雜質。不過究竟發生了什麽(me) ，依舊需要實驗人員自己去排查自己的反應和其它測試表征的數據，比如通過HPLC和質譜分析中觀察到相應的峰，亦或是核磁中觀察到相應的信號。簡單的取代基上的差異，看起來還算是比較清晰。對於(yu) 一些結構類似的分子混在一起的結晶，可能會(hui) 讓結構精修看起來非常的費解，比如在同樣的位置有兩(liang) 種基團。然而在數據沒有問題的情況下，電子雲(yun) 總歸會(hui) 有一個(ge) 合理的解釋。這時候一些看起來不起眼的線索，可能就會(hui) 是破譯問題的關(guan) 鍵。尤其是自己做化學合成的線索。所以每個(ge) 人其實都應該自己參與(yu) 到結構解析的過程中，而不是當甩手掌櫃。如同hkl文件一樣，晶體(ti) 本身是結果，過程隻有每個(ge) 人實驗人員自己知道。失去了一些關(guan) 鍵信息，結構解析可能會(hui) 走向歧途。比如下麵這個(ge) 結構，開始的時候我們(men) 會(hui) 覺得異常的奇怪。初始的結構和預期結構一致，但是結構中的某個(ge) 苯環的三個(ge) 原子溫度因子特別的大。其中C3原子的上下各有一個(ge) 非常大的Q峰。看起來像是C3原子的無序。但是這裏如果是苯環，C3原子無論如何也無法運動到這麽(me) 兩(liang) 個(ge) 位置。那麽(me) 這裏會(hui) 是什麽(me) ？

▲圖 3 abnormal Q peak 

那麽(me) 我們(men) 來做些假設，C3 C4 C5 過大的溫度因子，實際上並不是無序，而是占有率的問題。也就是這三個(ge) 原子在這裏隻有部分占據，表示著，在一些晶胞中的分子中，這三個(ge) 原子是不存在的，可能隻有50%左右。而Q1和Q2 距離C2的距離大約在1.7Å左右。看起來像是C-Cl原子的鍵長。但是Q1和Q2的間距隻有2.56A，看起來特別像是1，3碳原子之間的間距。所以假設這是另外一種分子，可以有不同的可能性，比如兩(liang) 邊都是Cl，兩(liang) 邊都是C，或者是一邊是Cl的上下無序。缺少了合成和其它輔助的信息，所有的猜測隻能基於(yu) 結構和電子雲(yun) 的邏輯去嚐試。嚐試下來較合理的結果，是下圖中兩(liang) 種分子的混合，而且比例接近50%。所以可想而知原料中摻雜了多少“雜質"，或者說這是混合物已經不能稱之為(wei) 雜質了。

▲圖 4  混合的分子結構

我不知道在原料提純後，這樣剛性的分子位置再出現類似的情況下，還會(hui) 剩下多大的可能性。但如果不是有意如此，盡量純的原料應該會(hui) 幫助我們(men) 避免一些無意去做的“新發現"。而這些看似詭異的Q峰，已經不是單純的結構解析的問題。