Forschung

Quantenkristallographie

Herkömmlich werden in der für Strukturmodelle in der Kristallstrukturanalyse generelle atomare Formfaktoren eingesetzt, die nur vom Element abhängen und auf einfachen quantenchemisch berechneten Elektronendichteverteilungen beruhen. Dagegen ist bei uns die Quantenkristallographie (externer Link, öffnet neues Fenster) unter der Einsatz von individuellen asphärischen Formfaktoren allgegenwärtig. Diese werden entweder aus angepassten quantenchemischen Rechnungen basierend auf den Koordinaten des vorliegenden Strukturmodells oder durch Multipol-Verfeinerung gewonnen. Die Verwendung dieser Methoden erlaubt einen tiefen Einblick in Bindungsverhältnisse und Ladungsdichteverteilung oder auch die präzise Bestimmung von Wasserstoffpositionen auf dem Niveau von Neutronenbeugungsexperimenten. Dafür benutzen wir hauptsächlich die von uns mitentwickelte Software NoSpherA2. (externer Link, öffnet neues Fenster)

Abb. 1: Die Deformationsdichte einer Carboxylatgruppe zeigt deutlich die Verschiebung von Elektronendichte vom Kohlenstoff in die Bindungen (links) und freie Elektronenpaare am Sauerstoff (rechts).

Cu-Kβ-Strahlung

Trotz der deutlich geringeren Rohintensität bietet die Verwendung dieser ungewöhlichen Strahlungsart Vorteile gegenüber der sonst praktisch ausschließlich genutzten Kα-Strahlung. Beispielsweise sind für Kupferstrahlung höhere Auflösungsbereiche bis ca. 0.7 Å zugänglich und es tritt auch keine Reflexaufspaltung bei höheren Beugungswinkeln auf. Diese Vorteile zeigen sich beispielsweise an sogenannten Schwamm-Kristallen (externer Link, öffnet neues Fenster), bei denen sich ein Gastmolekül, teilweise mit Lösungsmittel-Molekülen überlagert, in ein metallorganisches Gerüst einlagert: mit Cu-Kβ-Strahlung (externer Link, öffnet neues Fenster) lassen sich hier deutlich bessere Strukturmodelle erhalten.

Abb. 2: Die Restelektronendichten eines Schwammkristalls gemessen mit Cu-Kα (links) und Cu-Kβ-Strahlung (externer Link, öffnet neues Fenster) (rechts). 

Anomale Dispersion

Resonante Streuung oder anomale Dispersion ist die inelastische Wechselwirkung des Röntgenstrahls mit den Elementen in einer Kristallstruktur. Sie hängt unmittelbar mit der Absorption der Strahlung zusammen und ist grundsätzlich energie- und elementspezifisch. In der klassischen Kristallographie wird eine entsprechende Korrektur mittels tabellierter Werte vorgenommen. Eine derartig pauschale Anpassung ist in einigen Fällen jedoch gravierend falsch, weshalb wir eine individuelle Bestimmung während der Verfeinerung (externer Link, öffnet neues Fenster) des Strukturmodells entwickelt haben. Die Übereinstimmung mit dem experimentellen Absorptionsspektrum belegt einerseits den Nutzen der Methode und validiert sie zugleich.