Metody dyfrakcyjne [8,12,133,184,211-215]

Pełne poznanie struktury ciała krystalicznego jest możliwe tylko z zastosowaniem metod dyfrakcyjnych, do których zaliczamy metodę rentgenowskiej oraz neutronowej analizy strukturalnej. Metody te należą do grupy metod pośrednich, umożliwiających uzyskanie danych strukturalnych po odpowiednim przetworzeniu matematycznym otrzymanych danych pomiarowych. Rentgenografia i neutronografia pozwalają na określenie struktury nawet najbardziej skomplikowanych molekuł takich jak DNA, białka lub enzymy, ale także na analizę oddziaływań pomiędzy fragmentami cząsteczki oraz analizę oddziaływań

CZĘŚĆ LITERATUROWA: ROZDZIAŁ 1

międzycząsteczkowych w monokrysztale. Znajomość położenia atomów wodoru w komórce elementarnej umożliwia zrozumienie natury wiązania wodorowego oraz dostarcza informacji o ich wzajemnych oddziaływaniach.

1.9.7.1. Rentgenowska analiza strukturalna

Rentgenowska analiza strukturalna jest techniką eksperymentalną opierającą się na zjawisku dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego na chmurach elektronowych atomów tworzących analizowany kryształ. Podstawą tej metody są widma promieniowania rentgenowskiego, powstające w wyniku przejść elektronów pomiędzy wewnętrznymi poziomami energetycznymi atomów. Przejścia te następują w wyniku wybicia elektronów z powłok leżących najbliżej jądra atomowego. Rejestracja obrazów dyfrakcyjnych promieniowania X przechodzącego przez kryształ pod różnymi kątami, umożliwia wyznaczenie gęstości elektronowej w komórce elementarnej kryształu. Amplituda promieniowania ugiętego przez chmurę elektronową jest proporcjonalna do liczby elektronów atomu stąd też trudne, a nawet czasem niemożliwe jest rozróżnienie położeń atomów, których liczby elektronów są bardzo zbliżone czy też wyznaczenie położeń atomów lekkich, zwłaszcza pozbawionego elektronu atomu wodoru. Obrazy dyfrakcyjne będące wynikiem oddziaływania promieniowania rentgenowskiego z kryształami substancji organicznych lub nieorganicznych, umożliwiają odtworzenie pozycji poszczególnych atomów w komórce elementarnej kryształu. W wyniku odpowiednich obliczeń wyznacza się bezpośrednio parametry geometryczne cząsteczki, które są niepodważalnym dowodem struktury badanego związku [133].

Rosnąca precyzja nowoczesnej rentgenografii strukturalnej, spowodowana przez wprowadzenie poprawek na ruchy termiczne atomów związanych wodorowo („riding motion” i „anharmonic stretching motion”), czy też prowadzenie pomiarów w niskich temperaturach sprawia, że metoda ta konkuruje z innymi fizykochemicznymi metodami badania związków chemicznych. O wielkim znaczeniu i możliwościach tejże metody świadczy fakt, że była ona narzędziem badawczym w pracach wielu laureatów nagrody Nobla w dziedzinie biologii, chemii i medycyny. To właśnie rentgenografia umożliwiła poznanie struktury DNA i białek [133]. Żadna inna technika eksperymentalna nie daje takiej pewności, nie jest tak precyzyjna i wiarygodna jak rentgenografia, jeśli chodzi o określanie położeń atomów w komórce elementarnej. Do wykonania pomiaru struktury krystalograficznej tą

CZĘŚĆ LITERATUROWA: ROZDZIAŁ 1

metodą wymagana jest substancja w postaci monokryształów o niewielkich wymiarach rzędu 0.01 mm³, w ilości około 0.01 mg. Zaletą omawianej metody jest także stosunkowo krótki czas wykonania pomiaru, zwykle rzędu jednego dnia oraz względnie łatwa dostępność źródeł promieni rentgenowskich.

Wyniki szeroko prowadzonych badań krystalograficznych i rentgenostrukturalnych są przesyłane, wraz z tabelami uzyskanymi w toku rozwiązywania struktury, do baz danych strukturalnych np. Cambridge Structural Database czy Inorganic Structural Database.

Obecnie w bazach tych zgromadzono informacje o strukturze molekularnej ponad 160000 związków chemicznych, a rocznie przybywa ok. 20000 nowych struktur.

1.9.7.2. Neutronografia

Neutronografia jest metodą określania struktury wewnętrznej kryształu wykorzystującą dyfrakcję neutronów. Neutrony pozbawione ładunku elektrycznego znacznie łatwiej przenikają do wnętrza kryształu, gdzie oddziałują z jądrami atomowymi, stąd amplituda rozpraszania zależy od własności jąder, a nie od liczby elektronów powłokowych.

W związku z powyższym neutronografia jest metodą komplementarną do rentgenografii, gdyż umożliwia lokalizację atomów lekkich w obecności atomów ciężkich, czy też rozróżnienie położeń atomów o zbliżonej liczbie elektronów. Ponieważ wodór ma duży przekrój czynny na rozpraszanie niekoherentne neutronów, dlatego stosuje się zwykle próbki zdeuteryzowane (np. deuteron podstawiony w miejsce protonu), aby określić dokładne położenie atomów wodoru w krysztale. Dokładność wyznaczenia pozycji protonów w sieci krystalicznej jest tego samego rzędu co precyzja określania pozycji atomów ciężkich, np. C, N czy O i wynosi około 0.001 Å.

Mimo tak wielkiego znaczenia, zwłaszcza w badaniach wiązania wodorowego, neutronografia jest znacznie rzadziej stosowana w porównaniu z rentgenografią (ilość struktur krystalicznych zmierzonych tą metodą jest około 100 razy mniejsza niż przy użyciu rentgenografii). Głównymi wadami neutronografii w porównaniu z rentgenografią są:

kosztowność (mała dostępność źródeł neutronów), czasochłonność (tj. długi czas pomiaru, rzędu kilku tygodni) oraz konieczność stosowania kryształów o większych rozmiarach i masie

(rzędu 1 mm³ oraz 1-2 mg), ze względu na fakt, że reaktory jądrowe w porównaniu ze źródłami promieni rentgenowskich generują neutrony o względnie małej mocy.

Podsumowując, wspomniane wyżej metody dyfrakcyjne „widzą” różne elementy cząsteczki: promienie rentgenowskie dają informacje o rozkładzie elektronów, podczas gdy

CZĘŚĆ LITERATUROWA: ROZDZIAŁ 1

neutrony „mówią” o położeniu atomów w cząsteczce badanej substancji. Zastosowanie jednej z tych metod do określenia struktury krystalograficznej rozważanej substancji zależy od tego, jakie informacje chcemy uzyskać. Jeśli interesuje nas jedynie znajomość wzoru strukturalnego cząsteczki, tj. pozycji poszczególnych atomów w cząsteczce, to właściwsze jest zastosowanie rentgenografii. Neutronografia natomiast jest najbardziej rozstrzygającą metodą, jeśli chodzi o określenie położenia atomów wodoru, zwłaszcza w wiązaniach wodorowych, a w związku z tym metodą dającą informacje dotyczące dynamiki wiązań wodorowych.

CZĘŚĆ LITERATUROWA:ROZDZIAŁ 2

R

2

M

Wiązanie wodorowe, od czasu jego odkrycia przez Latimera w 1920 roku [2], jest obiektem zainteresowania wielu naukowców. Stanowi ono przedmiot badań teoretycznych i doświadczalnych, a metodą często stosowaną i szczególnie czułą na obecność omawianego wiązania jest spektroskopia w podczerwieni. Pasma protonowego drgania rozciągającego w podczerwieni, νX-H, wykazują szereg charakterystycznych cech w porównaniu z pasmami protonowych drgań rozciągających w izolowanych molekułach, a mianowicie pasma te są silnie przesunięte w kierunku niższych częstości, silnie poszerzone, a ich intensywność integralna jest zwiększona. W kolejnych latach powstawały zatem coraz to bardziej zaawansowane teorie, próbujące wyjaśnić mechanizm wyżej wymienionych efektów spektralnych wiązania wodorowego. Jako pierwsze, od lat trzydziestych XX wieku do roku

1965, powstawały teorie jakościowe tj.: fluktuacyjna, predysocjacji, anharmonizmu i podwójnego minimum, opisujące kształt pasma protonowego drgania rozciągającego.

Ilościowe teorie pojawiły się natomiast po 1965 roku i początkowo opisywały one kompleksy izolowanych wiązań wodorowych, „w duchu” separacji Borna-Oppenheimera lub stosowały

techniki fizyki ciała stałego do studiowania wodorowo związanych kryształów. Wraz z upływem lat teorie ilościowe ulegały modyfikacjom i obecnie pozwalają one na interpretację oraz jakościowe odtwarzanie pasm νX-H widm układów o większej liczbie wiązań wodorowych.