Røntgen-, nøytron- og elektrondiffraksjon

Kjemiske forbindelsers struktur

Bryting av lys.

De eksemplene på kjemisk analyse som er omtalt så langt gir ingen informasjon om kjemisk struktur. Det er ikke mulig å finne ut noe om funksjonelle grupper som for eksempel -OH gruppen i etanol (CH₃CH₂OH) eller det tredimensjonale arrangementet av atomene som stoffet er bygd opp av. Samtidig er det lett å forstå hvor avgjørende viktig det er i kjemien å kjenne strukturen til et molekyl. Dette gjelder både de enkleste molekylene med et fåtall atomer til de mest intrikate biomolekyler som er bygd opp av tusener av atomer.

Kjemikere anvender et antall ulike metoder for å bestemme strukturen til de kjemiske forbindelsene. Mange av disse er basert på interaksjon mellom substans og elektromagnetisk stråling, se tabell 1, eller interaksjon med partikler som elektroner eller nøytroner. Hver enkelt teknikk gir en type informasjon og andre teknikker gir andre typer av informasjon. Det er sjelden at en teknikk alene kan gi sikker informasjon hvis stoffet er helt ukjent. Er stoffet kjent fra før, kan en enkelt teknikk noen ganger være nok til å bekrefte at dette stoffet er tilstede i et prøvemateriale. Enkelte teknikker er rettet mot å studere spesielle typer molekyler, for eksempel krystaller. Her omtaler vi kort noen av de viktigste metodene.

Tabell 1. Analytiske teknikker som bruker elektromagnetisk stråling.

Røntgen-, nøytron- og elektrondiffraksjon

Professor Edward Hough ved Universitetet i Tromsø

Den enkleste interaksjonen med røntgenstråler er med substanser i krystallinsk form via et fenomen som kalles diffraksjon. En krystall består av repeterte arrangementer av atomer, ioner eller molekyler i et gigantisk tredimensjonalt nettverk, som kan betraktes som regulære, orienterte flater bygd opp av like enheter. Når røntgenstråler treffer krystallen, vil de reflekteres fra rekken av påfølgende plan påen slik måte at bølgene vil forstyrre eller forsterke hverandre periodisk. Ut fra det mønsteret som observeres kan arrangementet av atomer i krystallen beregnes ved hjelp av Braggs lov. Dette er en berømt sammenheng som ble oppdaget i 1912 av far og sønn, William og Lawrence Bragg.

Figuren over viser hva som skjer når vi sender røntgenstråler mot overflaten av en krystall som består av et regelmessig gitter av atomer eller ioner. Røntgenstrålene vil oppfatte hvert lag av atomer eller ioner som et «speil» og bli reflektert ut fra overflaten. Vinkelen mellom røntgenstrålingens retning ut fra krystallens overflate vil være den samme som vinkelen mellom den innkommende strålingen og overflaten. Noe av røntgenstrålingen vil reflekteres fra det ytterste laget av atomer, en annen del fra det neste laget av atomer. Den strålingen som blir reflektert fra det andre laget av atomer, vil være forsinket i forhold til den strålingen som ble reflektert fra det ytterste laget. Hvis de strålene som er reflektert ut fra krystallen ikke er i fase med hverandre, vil de helt eller delvis nulle ut hverandre, og man registrerer lite eller ingen røntgenstråling (destruktiv interferens). Men hvis røntgenstrålingen fra det andre laget er forsinket med et helt antall bølgelengder vil man registrere intens røntgenstråling. Det har oppstått konstruktiv interferens.

Eksperimentet startes ved å sende inn røntgenstrålingen parallelt med overflaten av krystallen. Deretter dreies krystallen slik at vinkelen θ gradvis øker, og med dette vil den reflekterte strålen fra det andre laget av atomer ankomme lengre og lengre etter den strålen som reflekteres fra det ytterste laget. Ved en bestemt vinkel θ vil strålingen fra det andre laget av atomer være forsinket med nøyaktig en bølgelengde i forhold til den strålingen som er reflektert fra det ytterste laget. Ved denne vinkelen vil det oppstå konstruktiv interferens, og strålingen fra det andre laget er da forsinket med en lengde tilsvarende strekningen ABC (se figur).

Ved bruk av enkel trigonometri på trianglene OAB og OAC ser vi at ABC = 2dsinθ,og for at de reflekterte røntgenstrålene da skal være i fase, må: nλ = 2dsinθ

Ligningen over er Braggs lov og den gjør det mulig å beregne avstanden d mellom lagene av atomer eller ioner i krystalllen. En forutsetning er selvfølgelig at vi kjenner bølgelengden for røntgenstrålingen.

a) Diffraksjonsmønsteret av urea konverteres matematisk til... b) ...en elektrontetthetsfordeling som indikerer... c) ...posisjonene til atomene.

Opptak av diffraksjonsmønstre skjer ved at krystallen roteres slik at røntgenstrålene treffer den fra alle vinkler og diffraksjonsmønstre fra alle plan kan observeres og analyseres. Siden røntgenstråling er en form for elektromagnetisk stråling, reagerer den egentlig med «skyene» av elektroner rundt hvert enkelt atom, så det som observeres er egentlig fordelingen av elektrontettheten i stoffet. Beregning av aktuell struktur ut fra de observerte mønstrene er ekstremt komplisert og krever mange regnetrinn. Men de siste årenes utvikling av regnekraft i form av datamaskiner og nye teknikker har gjort at røntgenanalyser i dag kan utføres raskt selv med relativt komplekse strukturer.

Røntgendiffraksjon, også kalt røntgenkrystallografi, gir det mest komplette strukturelle bildet av et molekyl, og de aller fleste forskningslaboratorier har et eller flere slike instrumenter. Analysen krever vanligvis en noenlunde stor enkeltkrystall av stoffet, men i noen tilfeller er det mulig å bestemme strukturen til et stoff i pulverform.

Røntgenkrystallografi har etterhvert blitt et slagkraftig verktøy i molekylærbiologien (se kapittel 10 – Livets Kjemi). Det brukes rutinemessig og i stort omfang til å kartlegge store tredimensjonale strukturer som inneholder tusener av atomer, som proteiner, RNA, DNA og andre komplekse polymerforbindelser. Også molekylstrukturen til svære ansamlinger av molekyler, for eksempel virus, har blitt analysert med intense røntgenkilder som avgir såkalt synkrotronstråling. Denne intense strålingen produseres i store ringformede maskiner der elektroner sirkulerer med nær lysets hastighet. Samtidig sender de ut (emitterer) ekstremt intens elektromagnetisk stråling av alle bølgelengder. Veldig smale røntgenstråler med nøyaktig bølgelengde kan «tappes» ved stasjoner rundt ringen og brukes til mange ulike kjemiske analyser. Det finns bare et fåtall slike maskiner i verden. En av dem befinner seg i Grenoble i Frankrike, og her har mange norske forskere foretatt analyser av egne forbindelser.

En beslektet type teknikk for strukturanalyse er nøytrondiffraksjon, også kalt nøytron-spredning. Også her kan det som skjer beskrives ved hjelp av Braggs lov. Selv om nøytroner er subatomære partikler (finnes i atomkjernen), så kan de også i følge kvantemekanikken opptre som bølger og med bølgelengder som svarer til interatomære og intermolekylære avstander. 

Figur 1(a). En radial fordelingskurve for PBrF2S, hvor brom-, fluor- og svovelatomene alle er bundet til fosforatomet, gir de ulike interatomære avstandene.

Nøytroner, som er elektrisk nøytrale, vil passere uhindret gjennom «elektronskyene» rundt et atom og vekselvirke med selve atomkjernen. Det fører igjen til at informasjonen de gir om atomposisjonene skiller seg litt fra det en kan få fra røntgenkrystallografi. Spesielt blir det enklere å bestemme posisjonen til hydrogenatomene, som vanligvis ikke har tilstrekkelig elektrontetthet til å registreres med røntgenkrystallografi. Det er også mulig å se forskjell på bestemte hydrogenposisjoner i et molekyl ved å sette inn hydrogenisotopen deuterium, siden de to isotopene sprer nøytroner på forskjellig måte.

Siden nøytronstråling blir produsert fra høyenergikilder, kjernereaktorer eller partikkelakseleratorer, og i tillegg krever store krystaller, er denne teknikken mye mindre brukt enn røntgenkrystallografi. Elektroner kan også oppfattes som bølger som kan vekselvirke med molekyler på omtrent samme måte som røntgenstråling.

Figur 1(b). PBrF2S-molekylet hvor de interatomære avstandene er markert.

Dersom elektroner akselereres over en spenning på 50 000 volt vil de ha en bølgelengde som kan brukes til å bestemme interatomære avstander. Siden elektroner er ladde partikler, vil de ikke kunne trenge langt inn i faste stoffer eller væsker, men elektrondiffraksjon kan være godt egnet til analyse av overflater.

Samtidig kan elektrondiffraksjon gi veldig detaljert informasjon om strukturen til stoffer i gassfase. Hvert atom i gassmolekylet sprer den innfallende elektronstrålingen, de interfererer igjen med elektroner spredt av andre atomer i molekylet og det kan registreres et komplisert interferensmønster. Dette brukes som grunnlag for å beregne en såkalt «radial fordelingskurve» som gir informasjon om interatomære avstander. Ett eksempel er vist i figur 1.