Рентгеноструктурный анализ: методы и применение

Введение

Метод, используемый для определения кристаллических структур и идентификации минеральных соединений.

Рентгеноструктурный анализ – это экспериментальная наука, предназначенная для определения атомной и молекулярной структуры кристалла, в которой кристаллическая структура вызывает дифракцию пучка рентгеновских лучей в определенных направлениях. Измеряя углы и интенсивности дифракции рентгеновских лучей, кристаллограф может построить трехмерное изображение плотности электронов внутри кристалла и положения атомов, а также их химические связи, кристаллографический беспорядок и другую информацию. Рентгеноструктурный анализ сыграл фундаментальную роль в развитии многих научных областей. В первые десятилетия применения этот метод позволил определить размеры атомов, длины и типы химических связей, а также различия в атомном масштабе между различными материалами, особенно минералами и сплавами. Метод также раскрыл структуру и функции многих биологических молекул, включая витамины, лекарственные препараты, белки и нуклеиновые кислоты, такие как ДНК. Рентгеноструктурный анализ по-прежнему является основным методом для характеристики атомной структуры материалов и для дифференциации материалов, которые кажутся похожими в других экспериментах. Рентгеноструктурные данные также могут помочь объяснить необычные электронные или упругие свойства материала, пролить свет на химические взаимодействия и процессы или служить основой для разработки фармацевтических препаратов против заболеваний. Современная работа включает в себя ряд важных этапов. Предварительные этапы включают подготовку образцов высокого качества, тщательную регистрацию интенсивностей дифракции и обработку данных для удаления артефактов. Затем используются различные методы для получения оценки атомной структуры, обычно называемые прямыми методами. На основе первоначальной оценки, для завершения структуры применяются дополнительные вычислительные методы, такие как использование разностных карт. Заключительным этапом является численное уточнение атомных позиций на основе экспериментальных данных, иногда с использованием расчетов ab initio. Почти во всех случаях новые структуры депонируются в базы данных, доступные для международного научного сообщества.

X ray crystallography is the experimental science of determining the atomic and molecular structure of a crystal, in which the crystalline structure causes a beam of incident X rays to diffract in specific directions. By measuring the angles and intensities of the X ray diffraction, a crystallographer can produce a three dimensional picture of the density of electrons within the crystal and the positions of the atoms, as well as their chemical bonds, crystallographic disorder, and other information. X ray crystallography has been fundamental in the development of many scientific fields. In its first decades of use, this method determined the size of atoms, the lengths and types of chemical bonds, and the atomic scale differences between various materials, especially minerals and alloys. The method has also revealed the structure and function of many biological molecules, including vitamins, drugs, proteins and nucleic acids such as DNA. X ray crystallography is still the primary method for characterizing the atomic structure of materials and in differentiating materials that appear similar in other experiments. X ray crystal structures can also help explain unusual electronic or elastic properties of a material, shed light on chemical interactions and processes, or serve as the basis for designing pharmaceuticals against diseases. Modern work involves a number of steps all of which are important. The preliminary steps include preparing good quality samples, careful recording of the diffracted intensities, and processing of the data to remove artifacts. A variety of different methods are then used to obtain an estimate of the atomic structure, generically called direct methods. With an initial estimate further computational techniques such as those involving difference maps are used to complete the structure. The final step is a numerical refinement of the atomic positions against the experimental data, sometimes assisted by ab initio calculations. In almost all cases new structures are deposited in databases available to the international community.

История

Кристаллы, хотя и давно восхищали своей упорядоченностью и симметрией, научному исследованию подверглись лишь в XVII веке. Иоганн Кеплер в своей работе Strena seu de Nive Sexangula (Новогодний дар о шестиугольном снеге) (1611) высказал предположение, что шестиугольная симметрия кристаллов снежинок обусловлена упорядоченной упаковкой сферических частиц воды. Датский ученый Николас Стено (1669) стал пионером в экспериментальных исследованиях симметрии кристаллов. Стено показал, что углы между гранями одинаковы для каждого экземпляра определенного типа кристалла. Рене Жюст Гаюи (1784) обнаружил, что каждую грань кристалла можно описать простыми схемами укладки блоков одинаковой формы и размера. Вследствие этого, Уильям Хэллоуз Миллер в 1839 году смог присвоить каждой грани уникальную метку, состоящую из трех небольших целых чисел – индексы Миллера, которые до сих пор используются для идентификации граней кристаллов. Исследования Гаюи привели к идее о том, что кристаллы представляют собой регулярную трехмерную решетку (решетку Браве) атомов и молекул, где элементарная ячейка повторяется бесконечно вдоль трех главных направлений. В XIX веке полный каталог возможных симметрий кристалла был разработан Иоханом Гесселем, Огюстом Браве, Евграфом Фёдоровым, Артуром Шёнфлисом и (позже) Уильямом Барлоу (1894). Барлоу предложил несколько кристаллических структур в 1880-х годах, которые впоследствии были подтверждены рентгеновской кристаллографией; однако, доступных данных в 1880-х годах было недостаточно для однозначного принятия его моделей. Вильгельм Рентген открыл рентгеновские лучи в 1895 году. Физики не были уверены в природе рентгеновских лучей, но подозревали, что это волны электромагнитного излучения. Теория Максвелла об электромагнитном излучении была общепринятой, и эксперименты Чарльза Гловера Баркла показали, что рентгеновские лучи демонстрируют явления, связанные с электромагнитными волнами, включая поперечную поляризацию и спектральные линии, подобные наблюдаемым в видимом диапазоне. Баркла разработал обозначение для четких спектральных линий рентгеновского излучения, отметив в 1909 году две различные энергии, первоначально назвав их «A» и «B», а затем, предполагая существование линий, предшествующих «A», начал алфавитную нумерацию с «K». Эксперименты с одной щелью в лаборатории Арнольда Зоммерфельда показали, что рентгеновские лучи имеют длину волны около 1 ангстрема. Рентгеновские лучи обладают не только волновыми, но и корпускулярными свойствами, что побудило Зоммерфельда ввести термин Bremsstrahlung для обозначения непрерывного спектра, возникающего при бомбардировке материала электронами. Однако широкое признание это явление получило лишь в 1922 году, когда Артур Комптон подтвердил его, изучая рассеяние рентгеновских лучей на электронах. Корпускулярные свойства рентгеновских лучей, такие как их способность ионизировать газы, побудили Уильяма Генри Брэгга в 1907 году утверждать, что рентгеновские лучи не являются электромагнитным излучением. Эта точка зрения не получила поддержки, и наблюдение дифракции рентгеновских лучей Максом фон Лауэ в 1912 году подтвердило, что рентгеновские лучи являются формой электромагнитного излучения. Идея использования кристаллов в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей возникла в 1912 году в разговоре между Полом Петером Эвальдом и Максом фон Лауэ в Английском саду в Мюнхене. Эвальд предложил резонаторную модель кристаллов для своей диссертации, но эту модель нельзя было проверить с помощью видимого света, поскольку длина волны была намного больше расстояния между резонаторами. Фон Лауэ понял, что необходимо электромагнитное излучение с более короткой длиной волны, и предположил, что рентгеновские лучи могут иметь длину волны, сопоставимую с размерами элементарной ячейки в кристаллах. Фон Лауэ вместе с двумя техниками, Вальтером Фридрихом и его ассистентом Полом Книппингом, направил пучок рентгеновских лучей на кристалл сульфата меди и зафиксировал картину дифракции на фотопластинке. После проявления на пластинке было обнаружено большое количество четко определенных пятен, расположенных в виде пересекающихся кругов вокруг пятна, образованного центральным пучком. Результаты были представлены Баварской академии наук и гуманитарных наук в июне 1912 года под названием «Interferenz Erscheinungen bei Röntgenstrahlen» (Интерференционные явления в рентгеновских лучах). Фон Лауэ сформулировал закон, связывающий углы рассеяния и размеры и ориентацию элементарных ячеек в кристалле, за что он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1914 году. После новаторских исследований фон Лауэ эта область науки быстро развивалась, особенно благодаря работам физиков Уильяма Лоуренса Брэгга и его отца Уильяма Генри Брэгга. В 1912–1913 годах младший Брэгг разработал закон Брэгга, связывающий рассеяние с равномерно расположенными плоскостями внутри кристалла. Брэгги, отец и сын, разделили Нобелевскую премию по физике 1915 года за их работу в области кристаллографии. Первые определенные структуры были относительно простыми; по мере совершенствования вычислительных и экспериментальных методов в последующие десятилетия стало возможным точно определять положение атомов в более сложных структурах. Первые определенные структуры относились к простым неорганическим кристаллам и минералам, но даже они раскрыли фундаментальные законы физики и химии. Первой атомной структурой, которую удалось «решить» (то есть определить) в 1914 году, была структура поваренной соли. Распределение электронов в структуре поваренной соли показало, что кристаллы не обязательно состоят из молекул, связанных ковалентной связью, и подтвердило существование ионных соединений. Структура алмаза была определена в том же году, что подтвердило тетраэдрическое расположение его химических связей и показало, что длина одинарной связи C–C составляет около 1,52 ангстрема. Другими ранними структурами, определенными в 1914 году, были структуры меди, фторида кальция (CaF2, также известного как флюорит), кальцита (CaCO3) и пирита (FeS2); в 1915 году – структура шпинели (MgAl2O4); в 1916 году – рутильная и анатозная формы диоксида титана (TiO2); в 1919 году – пирохроит (Mn(OH)2) и, как следствие, бруцит (Mg(OH)2). Также в 1919 году Ральф Вальтер Грейстоун Вайкофф определил структуры нитрата натрия (NaNO3) и дихлороиодида цезия (CsICl2), а в 1920 году – структуру вюрцита (гексагонального ZnS). Структура графита была определена в 1916 году с использованием связанного метода порошковой дифракции, который был разработан Питером Дебаем и Полем Шеррером и, независимо, Альбертом Хуллом в 1917 году. Структура графита была определена методом дифракции на монокристалле в 1924 году двумя группами независимо. Хулл также использовал порошковый метод для определения структуры различных металлов, таких как железо и магний.

Crystals, though long admired for their regularity and symmetry, were not investigated scientifically until the 17th century. Johannes Kepler hypothesized in his work Strena seu de Nive Sexangula (A New Year's Gift of Hexagonal Snow) (1611) that the hexagonal symmetry of snowflake crystals was due to a regular packing of spherical water particles. The Danish scientist Nicolas Steno (1669) pioneered experimental investigations of crystal symmetry. Steno showed that the angles between the faces are the same in every exemplar of a particular type of crystal. René Just Haüy (1784) discovered that every face of a crystal can be described by simple stacking patterns of blocks of the same shape and size. Hence, William Hallowes Miller in 1839 was able to give each face a unique label of three small integers, the Miller indices which remain in use for identifying crystal faces. Haüy's study led to the idea that crystals are a regular three dimensional array (a Bravais lattice) of atoms and molecules; a single unit cell is repeated indefinitely along three principal directions. In the 19th century, a complete catalog of the possible symmetries of a crystal was worked out by Johan Hessel, Auguste Bravais, Evgraf Fedorov, Arthur Schönflies and (belatedly) William Barlow (1894). Barlow proposed several crystal structures in the 1880s that were validated later by X ray crystallography; however, the available data were too scarce in the 1880s to accept his models as conclusive. Wilhelm Röntgen discovered X rays in 1895. Physicists were uncertain of the nature of X rays, but suspected that they were waves of electromagnetic radiation. The Maxwell theory of electromagnetic radiation was well accepted, and experiments by Charles Glover Barkla showed that X rays exhibited phenomena associated with electromagnetic waves, including transverse polarization and spectral lines akin to those observed in the visible wavelengths. Barkla created the x ray notation for sharp spectral lines, noting in 1909 two separate energies, at first naming them "A" and "B" and then supposing that there may be lines prior to "A", he started an alphabet numbering beginning with "K." Single slit experiments in the laboratory of Arnold Sommerfeld suggested that X rays had a wavelength of about 1 angstrom. X rays are not only waves but also have particle properties causing Sommerfeld to coin the name Bremsstrahlung for the continuous spectra when they were formed when electrons bombarded a material. but it was not broadly accepted until 1922, when Arthur Compton confirmed it by the scattering of X rays from electrons. The particle like properties of X rays, such as their ionization of gases, had prompted William Henry Bragg to argue in 1907 that X rays were not electromagnetic radiation. Bragg's view proved unpopular and the observation of X ray diffraction by Max von Laue in 1912 confirmed that X rays are a form of electromagnetic radiation. The idea that crystals could be used as a diffraction grating for X rays arose in 1912 in a conversation between Paul Peter Ewald and Max von Laue in the English Garden in Munich. Ewald had proposed a resonator model of crystals for his thesis, but this model could not be validated using visible light, since the wavelength was much larger than the spacing between the resonators. Von Laue realized that electromagnetic radiation of a shorter wavelength was needed, and suggested that X rays might have a wavelength comparable to the unit cell spacing in crystals. Von Laue worked with two technicians, Walter Friedrich and his assistant Paul Knipping, to shine a beam of X rays through a copper sulfate crystal and record its diffraction on a photographic plate. After being developed, the plate showed a large number of well defined spots arranged in a pattern of intersecting circles around the spot produced by the central beam. The results were presented to the Bavarian Academy of Sciences and Humanities in June 1912 as "Interferenz Erscheinungen bei Röntgenstrahlen" (Interference phenomena in X rays). Von Laue developed a law that connects the scattering angles and the size and orientation of the unit cell spacings in the crystal, for which he was awarded the Nobel Prize in Physics in 1914. After Von Laue's pioneering research, the field developed rapidly, most notably by physicists William Lawrence Bragg and his father William Henry Bragg. In 1912–1913, the younger Bragg developed Bragg's law, which connects the scattering with evenly spaced planes within a crystal. The Braggs, father and son, shared the 1915 Nobel Prize in Physics for their work in crystallography. The earliest structures were generally simple; as computational and experimental methods improved over the next decades, it became feasible to deduce reliable atomic positions for more complicated arrangements of atoms. The earliest structures were simple inorganic crystals and minerals, but even these revealed fundamental laws of physics and chemistry. The first atomic resolution structure to be "solved" (i. e., determined) in 1914 was that of table salt. The distribution of electrons in the table salt structure showed that crystals are not necessarily composed of covalently bonded molecules, and proved the existence of ionic compounds. The structure of diamond was solved in the same year, proving the tetrahedral arrangement of its chemical bonds and showing that the length of C–C single bond was about 1.52 angstroms. Other early structures included copper, calcium fluoride (CaF2, also known as fluorite), calcite (CaCO3) and pyrite (FeS2) in 1914; spinel (MgAl2O4) in 1915; the rutile and anatase forms of titanium dioxide (TiO2) in 1916; pyrochroite (Mn(OH)2) and, by extension, brucite (Mg(OH)2) in 1919. Also in 1919, sodium nitrate (NaNO3) and caesium dichloroiodide (CsICl2) were determined by Ralph Walter Graystone Wyckoff, and the wurtzite (hexagonal ZnS) structure was determined in 1920. The structure of graphite was solved in 1916 by the related method of powder diffraction, which was developed by Peter Debye and Paul Scherrer and, independently, by Albert Hull in 1917. The structure of graphite was determined from single crystal diffraction in 1924 by two groups independently. Hull also used the powder method to determine the structures of various metals, such as iron and magnesium.

Химия

Рентгеновская кристаллография привела к лучшему пониманию химических связей и нековалентных взаимодействий. Первоначальные исследования выявили типичные радиусы атомов и подтвердили многие теоретические модели химических связей, такие как тетраэдрическое строение углерода в структуре алмаза, а резонанс, наблюдаемый в плоской карбонатной группе, установил гексагональную симметрию бензола и показал четкое различие в длине связей между алифатическими C–C связями и ароматическими C–C связями; эта находка привела к идее резонанса в химических связях, что имело глубокие последствия для развития химии. Эти выводы предвосхитил Уильям Генри Брэгг, опубликовавший в 1921 году модели нафталина и антрацена, основанные на других молекулах – раннюю форму молекулярного замещения. Первая структура органического соединения, гексаметилентетрамина, была определена в 1923 году. Вскоре после этого последовали несколько исследований различных жирных кислот с длинной цепью, являющихся важным компонентом биологических мембран. В 1930-х годах начали определять структуры гораздо более крупных молекул с двухмерной сложностью. Значительным достижением стала структура фталоцианина – крупной плоской молекулы, тесно связанной с молекулами порфирина, важными в биологии, такими как гема, коррины и хлорофилл. В 1920-х годах Виктор Мориц Гольдшмидт, а позднее Линус Полинг разработали правила для исключения химически маловероятных структур и определения относительных размеров атомов. Эти правила привели к определению структуры брокита (1928) и пониманию относительной стабильности рутильной, брокитной и анатазной форм диоксида титана. Расстояние между двумя связанными атомами является чувствительным показателем прочности связи и её порядка; таким образом, рентгеноструктурные исследования привели к открытию еще более экзотических типов связей в неорганической химии, таких как двойные связи между металлами, четверные связи между металлами и трехцентровые двухэлектронные связи. Рентгеновская кристаллография – или, строго говоря, эксперимент по неэластичному рассеянию Комптона – также предоставила доказательства частичного ковалентного характера водородных связей. В области органометаллической химии рентгеновская структура ферроцена положила начало научным исследованиям сэндвич-соединений, а структура соли Зейзе стимулировала исследования «обратной связи» и металло-π-комплексов. Наконец, рентгеновская кристаллография сыграла новаторскую роль в развитии супрамолекулярной химии, особенно в уточнении структур краун-эфиров и принципов химии хозяина и гостя.

X ray crystallography has led to a better understanding of chemical bonds and non covalent interactions. The initial studies revealed the typical radii of atoms, and confirmed many theoretical models of chemical bonding, such as the tetrahedral bonding of carbon in the diamond structure, and the resonance observed in the planar carbonate group established the hexagonal symmetry of benzene and showed a clear difference in bond length between the aliphatic C–C bonds and aromatic C–C bonds; this finding led to the idea of resonance between chemical bonds, which had profound consequences for the development of chemistry. Her conclusions were anticipated by William Henry Bragg, who published models of naphthalene and anthracene in 1921 based on other molecules, an early form of molecular replacement. The first structure of an organic compound, hexamethylenetetramine, was solved in 1923. This was rapidly followed by several studies of different long chain fatty acids, which are an important component of biological membranes. In the 1930s, the structures of much larger molecules with two dimensional complexity began to be solved. A significant advance was the structure of phthalocyanine, a large planar molecule that is closely related to porphyrin molecules important in biology, such as heme, corrin and chlorophyll. In the 1920s, Victor Moritz Goldschmidt and later Linus Pauling developed rules for eliminating chemically unlikely structures and for determining the relative sizes of atoms. These rules led to the structure of brookite (1928) and an understanding of the relative stability of the rutile, brookite and anatase forms of titanium dioxide. The distance between two bonded atoms is a sensitive measure of the bond strength and its bond order; thus, X ray crystallographic studies have led to the discovery of even more exotic types of bonding in inorganic chemistry, such as metal metal double bonds, metal metal quadruple bonds, and three center, two electron bonds. X ray crystallography—or, strictly speaking, an inelastic Compton scattering experiment—has also provided evidence for the partly covalent character of hydrogen bonds. In the field of organometallic chemistry, the X ray structure of ferrocene initiated scientific studies of sandwich compounds, while that of Zeise's salt stimulated research into "back bonding" and metal pi complexes. Finally, X ray crystallography had a pioneering role in the development of supramolecular chemistry, particularly in clarifying the structures of the crown ethers and the principles of host–guest chemistry.

Материаловедение и минералогия

Получив начальные фазы, можно построить начальную модель. Позиции атомов в модели и их соответствующие факторы Дебая-Уоллера (или B-факторы, учитывающие тепловое движение атома) могут быть уточнены для соответствия наблюдаемым данным дифракции, что в идеале приводит к улучшенному набору фаз. Затем новая модель может быть подогнана к новой карте электронной плотности, и проводятся последовательные раунды доработки. Этот итеративный процесс продолжается до тех пор, пока корреляция между данными дифракции и моделью не будет максимальной. Степень соответствия измеряется R-фактором, определяемым как

где F – фактор структуры. Аналогичным критерием качества является Rfree, который рассчитывается на основе подмножества (~10%) отражений, не использованных при уточнении структуры. Оба R-фактора зависят от разрешения данных. Как правило, Rfree должен быть приблизительно равен разрешению в ангстремах, деленному на 10; таким образом, набор данных с разрешением 2 Å должен дать окончательный Rfree ~ 0,2. Характеристики химических связей, такие как стереохимия, водородные связи и распределение длин и углов связей, являются дополнительными показателями качества модели. При итеративном построении модели часто возникают фазовые искажения или искажения, связанные с моделью: поскольку оценки фаз происходят из модели, каждый раунд рассчитанной карты имеет тенденцию показывать плотность там, где плотность присутствует в модели, независимо от того, существует ли плотность на самом деле. Эту проблему можно смягчить с помощью взвешивания по методу максимального правдоподобия и проверки с использованием карт исключения. Не всегда возможно наблюдать каждый атом в асимметричной единице. Во многих случаях кристаллографический беспорядок размывает карту электронной плотности. Слабо рассеивающие атомы, такие как водород, обычно невидимы. Также возможно, что один и тот же атом будет отображаться несколько раз на карте электронной плотности, например, если боковая цепь белка имеет несколько (<4) допустимых конформаций. В других случаях кристаллограф может обнаружить, что выведенная ковалентная структура молекулы была неверной или изменилась. Например, белки могут быть расщеплены или подвергаться посттрансляционным модификациям, которые не были обнаружены до кристаллизации.

Расстройство

Обычная проблема при уточнении кристаллических структур связана с кристаллографическим беспорядком. Беспорядок может проявляться в различных формах, но в общем случае подразумевает сосуществование двух или более видов или конформаций. Неучет беспорядка приводит к ошибочной интерпретации результатов. Ошибки, возникающие при некорректном моделировании беспорядка, иллюстрируются опровергнутой гипотезой изомеризма растяжения связи. Беспорядок моделируется с учетом относительной доли составляющих, часто всего двух, и их идентификации. В структурах крупных молекул и ионов растворитель и противоионы часто характеризуются беспорядком.

Прикладной вычислительный анализ данных

В настоящее время широко используются вычислительные методы для анализа данных порошковой рентгеновской дифракции. Как правило, они сравнивают экспериментальные данные с рассчитанной дифрактограммой модельной структуры, учитывая инструментальные параметры, и уточняют структурные или микроструктурные параметры модели с помощью алгоритма минимизации, основанного на методе наименьших квадратов. Большинство доступных инструментов для идентификации фаз и уточнения структуры основаны на методе Ритевельда, некоторые из них являются программным обеспечением с открытым исходным кодом, таким как FullProf Suite, Jana2006, MAUD, Rietan, GSAS и др., а другие доступны по коммерческим лицензиям, например, Diffrac. Suite TOPAS, Match! и т.д. Многие из этих инструментов также позволяют проводить уточнение по методу Le Bail (также известное как подгонка по профилю), то есть уточнять параметры элементарной ячейки на основе положений пиков Брэгга и формы пиков, не учитывая кристаллическую структуру как таковую. Более современные инструменты позволяют уточнять как структурные, так и микроструктурные параметры, например, программа FAULTS, входящая в состав FullProf Suite, которая позволяет уточнять структуры с планарными дефектами (например, ошибки укладки, двойники, срастания).

Осаждение конструкции

После того, как модель структуры молекулы была окончательно установлена, она часто размещается в кристаллографической базе данных, такой как Кембриджская структурная база данных (для малых молекул), база данных неорганической кристаллической структуры (ICSD) (для неорганических соединений) или Банк белковых данных (для белков и иногда нуклеиновых кислот). Многие структуры, полученные в ходе частных коммерческих исследований по кристаллизации белков, имеющих медицинское значение, не публикуются в общедоступных кристаллографических базах данных.

Вклад женщин в рентгеновскую кристаллографию

Некоторые женщины стали пионерами в рентгеновской кристаллографии в то время, когда им был закрыт доступ к большинству других областей физических наук. Кэтлин Лонсдейл была аспиранткой Уильяма Генри Брэгга, у которого из 18 аспирантов 11 были женщинами. Она известна как своими экспериментальными, так и теоретическими работами. Лонсдейл присоединилась к его исследовательской группе по кристаллографии в Королевском институте в Лондоне в 1923 году, а после замужества и рождения детей вернулась к работе с Брэггом в качестве научного сотрудника. Она подтвердила структуру бензольного кольца, провела исследования алмазов, в 1945 году стала одной из первых двух женщин, избранных в Королевское общество, а в 1949 году была назначена первым профессором химии для женщин и заведующей кафедрой кристаллографии в Университетском колледже Лондона. Лонсдейл всегда выступала за более активное участие женщин в науке и в 1970 году заявила: "Любая страна, стремящаяся в полной мере использовать потенциал всех своих ученых и технологов, может это сделать, но не должна ожидать, что привлечь женщин будет так же просто, как привлечь мужчин. Утопично полагать, что любая страна, действительно желающая, чтобы замужние женщины вернулись к научной карьере, когда их дети больше не нуждаются в их постоянном присутствии, должна предпринять специальные меры для поощрения этого". В этот период Лонсдейл начала сотрудничество с Уильямом Т. Астбери над набором из 230 таблиц пространственных групп, который был опубликован в 1924 году и стал незаменимым инструментом для кристаллографов. В 1932 году Дороти Ходжкин присоединилась к лаборатории физика Джона Десмонда Бернала, бывшего ученика Брэгга, в Кембридже, Великобритания. Она и Бернал сделали первые рентгеновские снимки кристаллических белков. Ходжкин также сыграла роль в основании Международного союза кристаллографии. В 1964 году она была удостоена Нобелевской премии по химии за работу по изучению структуры пенициллина, инсулина и витамина B12 с использованием рентгеновских методов. Ее работа над пенициллином началась в 1942 году во время войны, а над витамином B12 – в 1948 году. Хотя ее группа медленно росла, основное внимание уделялось рентгеновскому анализу природных продуктов. Она – единственная британка, когда-либо получившая Нобелевскую премию в области науки. Розалинд Франклин сделала рентгеновскую фотографию волокна ДНК, которая оказалась ключевой для открытия двойной спирали Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком, за что они оба получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 1962 году. Уотсон в своей автобиографической книге об открытии структуры ДНК, "Двойная спираль", признался, что использовал рентгеновскую фотографию Франклин без ее разрешения. Франклин умерла от рака в возрасте 30 лет, до того, как Уотсон получил Нобелевскую премию. Франклин также провела важные структурные исследования углерода в угле и графите, а также растительных и животных вирусов. Изабелла Карл из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США разработала экспериментальный подход к математической теории кристаллографии. Ее работа повысила скорость и точность химического и биомедицинского анализа. Однако Нобелевскую премию по химии в 1985 году разделили только ее муж Джером и Герберт Хауптман "за выдающиеся достижения в разработке прямых методов определения кристаллических структур". Другие организации награждали Изабеллу множеством наград. Женщины написали множество учебников и научных статей в области рентгеновской кристаллографии. На протяжении многих лет Лонсдейл редактировала Международные таблицы кристаллографии, которые содержат информацию о кристаллических решетках, симметрии и пространственных группах, а также математические, физические и химические данные о структурах. Ольга Кеннард из Кембриджского университета основала и руководила Кембриджским кристаллографическим центром данных, международно признанным источником структурных данных о малых молекулах, с 1965 по 1997 год. Дженни Пикворт Гласкер, британский ученый, является соавтором книги "Crystal Structure Analysis: A Primer", впервые опубликованной в 1971 году и по состоянию на 2010 год вышедшей в третьем издании. Элеонора Додсон, биолог австралийского происхождения, которая начала свою карьеру в качестве техника Дороти Ходжкин, была главным инициатором CCP4, совместного вычислительного проекта, который в настоящее время предоставляет более 250 программных инструментов кристаллoграфам белков по всему миру.

A number of women were pioneers in X ray crystallography at a time when they were excluded from most other branches of physical science. Kathleen Lonsdale was a research student of William Henry Bragg, who had 11 women research students out of a total of 18. She is known for both her experimental and theoretical work. Lonsdale joined his crystallography research team at the Royal Institution in London in 1923, and after getting married and having children, went back to work with Bragg as a researcher. She confirmed the structure of the benzene ring, carried out studies of diamond, was one of the first two women to be elected to the Royal Society in 1945, and in 1949 was appointed the first female tenured professor of chemistry and head of the Department of crystallography at University College London. Lonsdale always advocated greater participation of women in science and said in 1970: "Any country that wants to make full use of all its potential scientists and technologists could do so, but it must not expect to get the women quite so simply as it gets the men It is utopian, then, to suggest that any country that really wants married women to return to a scientific career, when her children no longer need her physical presence, should make special arrangements to encourage her to do so?". During this period, Lonsdale began a collaboration with William T. Astbury on a set of 230 space group tables which was published in 1924 and became an essential tool for crystallographers. In 1932 Dorothy Hodgkin joined the laboratory of the physicist John Desmond Bernal, who was a former student of Bragg, in Cambridge, UK. She and Bernal took the first X ray photographs of crystalline proteins. Hodgkin also played a role in the foundation of the International Union of Crystallography. She was awarded the Nobel Prize in Chemistry in 1964 for her work using X ray techniques to study the structures of penicillin, insulin and vitamin B12. Her work on penicillin began in 1942 during the war and on vitamin B12 in 1948. While her group slowly grew, their predominant focus was on the X ray analysis of natural products. She is the only British woman ever to have won a Nobel Prize in a science subject. Rosalind Franklin took the X ray photograph of a DNA fibre that proved key to James Watson and Francis Crick's discovery of the double helix, for which they both won the Nobel Prize for Physiology or Medicine in 1962. Watson revealed in his autobiographic account of the discovery of the structure of DNA, The Double Helix, that he had used Franklin's X ray photograph without her permission. Franklin died of cancer in her 30s, before Watson received the Nobel Prize. Franklin also carried out important structural studies of carbon in coal and graphite, and of plant and animal viruses. Isabella Karle of the United States Naval Research Laboratory developed an experimental approach to the mathematical theory of crystallography. Her work improved the speed and accuracy of chemical and biomedical analysis. Yet only her husband Jerome shared the 1985 Nobel Prize in Chemistry with Herbert Hauptman, "for outstanding achievements in the development of direct methods for the determination of crystal structures". Other prize giving bodies have showered Isabella with awards in her own right. Women have written many textbooks and research papers in the field of X ray crystallography. For many years Lonsdale edited the International Tables for Crystallography, which provide information on crystal lattices, symmetry, and space groups, as well as mathematical, physical and chemical data on structures. Olga Kennard of the University of Cambridge, founded and ran the Cambridge Crystallographic Data Centre, an internationally recognized source of structural data on small molecules, from 1965 until 1997. Jenny Pickworth Glusker, a British scientist, co authored Crystal Structure Analysis: A Primer, first published in 1971 and as of 2010 in its third edition. Eleanor Dodson, an Australian born biologist, who began as Dorothy Hodgkin's technician, was the main instigator behind CCP4, the collaborative computing project that currently shares more than 250 software tools with protein crystallographers worldwide.

Нобелевские премии, связанные с рентгеновской кристаллографией

Год Лауреат Премия Обоснование1914Макс фон ЛауэФизика"За открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах"1915Уильям Генри БрэггФизика"За их вклад в анализ кристаллической структуры с помощью рентгеновских лучей"Уильям Лоуренс Брэгг1962Макс Ф. ПеруцХимия"За исследования структуры глобулярных белков"Джон К. Кендрю1962Джеймс Дьюи УотсонМедицина"За открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее значения для передачи информации в живых организмах"Фрэнсис Гарри Комптон КрикМорис Хью Фредерик Уилкинс1964Дороти ХоджкинХимия"За определение с помощью рентгеновских методов структуры важных биохимических веществ"1972Стэнфорд МурХимия"За вклад в понимание связи между химической структурой и каталитической активностью активного центра рибонуклеазы"Уильям Х. Стайн1976Уильям Н. ЛипскомбХимия"За исследования структуры боранов, проливающие свет на проблемы химической связи"1985Джером КарлХимия"За выдающиеся достижения в разработке прямых методов определения кристаллической структуры"Герберт А. Хауптман1988Йоханн ДайзенхоферХимия"За определение трехмерной структуры фотосинтетического реакционного центра"Хартмут МихельХимияРоберт ХуберХимия1997Джон Э. УолкерХимия"За выяснение ферментативного механизма, лежащего в основе синтеза аденозинтрифосфата (АТФ)"2003Родерик МаккиннонХимия"За открытия, касающиеся каналов в клеточных мембранах [ ] для структурных и механистических исследований ионных каналов"2006Роджер Д. КорнбергХимия"За исследования молекулярных основ эукариотической транскрипции"2009Ада Э. ЙонатХимия"За исследования структуры и функции рибосомы"Томас А. ШтайцВенкатраман Рамакришнан2012Брайан КобилкаХимия"За исследования G-белок-связанных рецепторов"