不同于粉末XRD在藥物研發后期和生產中的廣泛應用，單晶X射線衍射技術則在藥物研發的早中期發揮著重要的用途。單晶X射線分析技術可以獲得被測樣品分子的準確立體結構（構型，構象），特別是單獨完成全未知化合物分子三維結構的確定（相對構型與構型），獲得成鍵原子的鍵長，鍵角以及二面角，分子平面性質等。同時也是確定手性的藥物分子構型，分子立體結構中的差向異構體對的分析技術。此外，在晶型固體化學藥物研究中，單晶X射線分析技術不但能夠提供同質異晶（相同物質不同晶型）樣品的分子排列規律，同時可以給出樣品中結晶水與各種溶劑的定量數值，并能闡明造成固體化學藥物形成多晶型的原因，為尋找高效低毒的晶型固體化學藥物，為人們安全用藥提供可靠的技術保障。
天然產物的結構鑒定
從天然產物中尋找藥物先導化合物是我國藥物研究總的一條重要途徑，通常從中草藥中提取分析只能得到微量的有效化學成分。由于單晶X射線衍射結果分析只需要一顆適合衍射實驗的單晶（樣品量小于1mg），即可以完成化合物分子立體結構的測定，且在分析過程對分子沒有任何破壞，晶體溶解后仍可以進行其它方面的測試，所以衍射分析技術在微量成分的結構研究中具有特殊的優勢。天然產物的結構一般較為復雜，有大量的sp3雜化的橋頭碳原子和手性中心。核磁在鑒定這些化合物結構的過程中，經常遇到一些局限，例如無法區分雜化的結構，存在一定概率的解譜錯誤。單晶X射線衍射分析方法是直接通過電子云“看"到分子結構，遠比其它方法要精確的多。在藥物結構分析中，單晶X射線衍射分析方法所具有的單獨性。目前在全球范圍內，對于新骨架類型化合物在應用四譜方法確定后方法 一般必須通過單晶X射線衍射分析方法確證化合物結構正確性。
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