晶體日記 （十二）-尋找“Q”峰背后的原因(5)：無意的無序

奇怪的Q峰

讀書時(shí)，老師和師兄們總教導(dǎo)我們要把蛋白提純了再去長(zhǎng)晶體。純度越高越好（>95%），這樣晶體才能長(zhǎng)得漂亮。于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，我們還要求蛋白盡可能狀態(tài)的均一。甚至在我們的意識(shí)里，蛋白是有生命的，越早越快地提純出來，蛋白才是“活"的。于是各種加班加點(diǎn)的穿著棉襖在冷庫(kù)里做實(shí)驗(yàn)，廢寢忘食都不為過。然而到了工作的時(shí)候，接觸到了化學(xué)晶體，卻讓我對(duì)結(jié)晶對(duì)純度的要求一度十分的困惑，各種純度都有進(jìn)行長(zhǎng)晶體的實(shí)驗(yàn)。對(duì)純度的要求好像沒有那么嚴(yán)格，甚至有時(shí)候會(huì)故意做一些摻雜，來誘導(dǎo)長(zhǎng)晶體。總之，眾說紛紜，結(jié)晶重新回到了玄學(xué)（或者漫不經(jīng)心）。

我相信很多同學(xué)的晶體總是長(zhǎng)不好，跟純度或多或少是有些關(guān)系的。不過，目前討論的內(nèi)容是關(guān)于奇怪的Q峰。概念中，同樣的分子按照周期性的排列，從而長(zhǎng)成了晶體。這是晶體的理論。然而現(xiàn)實(shí)中，少許不同的分子也同樣可以生長(zhǎng)在一起（這里不是指共晶），形成晶體。這在無機(jī)晶體和礦物晶體中，十分的常見，同樣的位置有不同元素的原子占據(jù)著，名為置換無序。這些“無序"通常是天然存在，或者人為引入的。然而對(duì)于有機(jī)分子，也存在同樣的問題，只是很多時(shí)候我們沒有意識(shí)到，所以懵圈在那里了，不知道發(fā)生了什么。甚至即便得到了十分合理的解釋，到了很多同學(xué)那里也會(huì)死不認(rèn)賬，認(rèn)定一定是解析錯(cuò)了… 實(shí)際上在很多同學(xué)生長(zhǎng)的晶體里，這一點(diǎn)都不是什么罕見的事情。
舉例說明

我們先看一下常見的例子。這個(gè)結(jié)構(gòu)解析的十分順利，基本上APEX3的AutoStructure就可以自動(dòng)地把“原定"的結(jié)構(gòu)解析完畢。然而在苯環(huán)附近，有一個(gè)很奇怪的Q峰，雖然不大，但是卻不能被忽略。我們不能簡(jiǎn)單認(rèn)為Q峰小于1了就可以忽略不記了（說實(shí)在的，這個(gè)“定律"不知從何而來，或者前提條件在傳播的過程中被無視了…）。仔細(xì)看下這個(gè)1.02 的Q峰恰好位于 C2原子正對(duì)的地方，距離是可以成鍵的范圍?？梢源_定的是，這里不會(huì)是游離的無序水，也不會(huì)是其它可以無序的基團(tuán)。那會(huì)是怎么回事呢？

▲圖 1 abnormal Q peak

在查看了衍射圖和倒易空間之后，基本可以排除晶體存在非缺面孿晶或者衍射點(diǎn)的其它問題，因?yàn)檠苌潼c(diǎn)十分的整齊。同時(shí)對(duì)于三斜的這個(gè)晶體，它也不存在贗缺面孿晶導(dǎo)致的問題。重復(fù)測(cè)試多顆晶體，這里都存在相同的問題。所以大概率下數(shù)據(jù)的|Fo|是沒有問題的。那么問題就落在了結(jié)構(gòu)模型|Fc|上。仔細(xì)研究這個(gè)Q峰，我們會(huì)得到兩個(gè)信息，首先它在接近苯環(huán)C2正對(duì)的位置上，幾何構(gòu)象上看起來特別像是苯環(huán)延伸出的原子。另外它與C2原子的距離在1.7 ?左右。如果忽略既有給定的結(jié)構(gòu)式和Q峰的大小，這里特別像是一個(gè)Cl的取代基。假定這里是Cl原子，放開占有率精修，我們會(huì)得到該位置Cl的占有率只有4%。

▲圖2 possible disorder

所以我們的推斷是，這里實(shí)際上是另一種Cl取代基的分子在這里的混合無序。而較有可能的原因是用于結(jié)晶的原料不夠純，可能是反應(yīng)的中間產(chǎn)物或者是副產(chǎn)物。雖然比例不高，但已然摻入到了結(jié)晶之中。在結(jié)構(gòu)解析之余，我們還成功地鑒定了一種“雜質(zhì)"。當(dāng)然，我相信大家并不喜歡這種發(fā)現(xiàn)，也許很多人會(huì)去做squeeze，但這里并不是squeeze的應(yīng)用范圍。晶體學(xué)大多無意去鑒定雜質(zhì)。不過究竟發(fā)生了什么，依舊需要實(shí)驗(yàn)人員自己去排查自己的反應(yīng)和其它測(cè)試表征的數(shù)據(jù)，比如通過HPLC和質(zhì)譜分析中觀察到相應(yīng)的峰，亦或是核磁中觀察到相應(yīng)的信號(hào)。簡(jiǎn)單的取代基上的差異，看起來還算是比較清晰。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)類似的分子混在一起的結(jié)晶，可能會(huì)讓結(jié)構(gòu)精修看起來非常的費(fèi)解，比如在同樣的位置有兩種基團(tuán)。然而在數(shù)據(jù)沒有問題的情況下，電子云總歸會(huì)有一個(gè)合理的解釋。這時(shí)候一些看起來不起眼的線索，可能就會(huì)是破譯問題的關(guān)鍵。尤其是自己做化學(xué)合成的線索。所以每個(gè)人其實(shí)都應(yīng)該自己參與到結(jié)構(gòu)解析的過程中，而不是當(dāng)甩手掌柜。如同hkl文件一樣，晶體本身是結(jié)果，過程只有每個(gè)人實(shí)驗(yàn)人員自己知道。失去了一些關(guān)鍵信息，結(jié)構(gòu)解析可能會(huì)走向歧途。比如下面這個(gè)結(jié)構(gòu)，開始的時(shí)候我們會(huì)覺得異常的奇怪。初始的結(jié)構(gòu)和預(yù)期結(jié)構(gòu)一致，但是結(jié)構(gòu)中的某個(gè)苯環(huán)的三個(gè)原子溫度因子特別的大。其中C3原子的上下各有一個(gè)非常大的Q峰?？雌饋硐袷荂3原子的無序。但是這里如果是苯環(huán)，C3原子無論如何也無法運(yùn)動(dòng)到這么兩個(gè)位置。那么這里會(huì)是什么？

▲圖 3 abnormal Q peak 

那么我們來做些假設(shè)，C3 C4 C5 過大的溫度因子，實(shí)際上并不是無序，而是占有率的問題。也就是這三個(gè)原子在這里只有部分占據(jù)，表示著，在一些晶胞中的分子中，這三個(gè)原子是不存在的，可能只有50%左右。而Q1和Q2 距離C2的距離大約在1.7?左右?？雌饋硐袷荂-Cl原子的鍵長(zhǎng)。但是Q1和Q2的間距只有2.56A，看起來特別像是1，3碳原子之間的間距。所以假設(shè)這是另外一種分子，可以有不同的可能性，比如兩邊都是Cl，兩邊都是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(cè)只能基于結(jié)構(gòu)和電子云的邏輯去嘗試。嘗試下來較合理的結(jié)果，是下圖中兩種分子的混合，而且比例接近50%。所以可想而知原料中摻雜了多少“雜質(zhì)"，或者說這是混合物已經(jīng)不能稱之為雜質(zhì)了。

▲圖 4  混合的分子結(jié)構(gòu)

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