Elektronendichtekarten

Elektronendichtekarten sind dreidimensionale Darstellungen der Elektronendichte ρ(r) in einem Molekül, Kristall oder Material. Sie spielen eine zentrale Rolle in der Kristallographie und der Molekülmodellierung, da sie helfen, Strukturen zu bestimmen und zu validieren. Aus experimentellen Beugungsdaten, etwa X-ray-Diffraction, erhält man Strukturfaktoren F(hkl). Durch Fourier-Transformation dieser Faktoren lässt sich die Elektronendichtekarte im Kristallgitter rekonstruieren. Die Karten zeigen, wo Elektronen am wahrscheinlichsten anzutreffen sind; Spitzen entsprechen Atomkernen, und die Form der Dichtefelder liefert Hinweise auf Unordnung, Temperaturfaktoren und Bindungsbereiche. Zwischen benachbarten Atomkernen kann man erhöhte Dichte zwischen Atomen beobachten, was auf Bindungen hindeutet.

Es gibt verschiedene Typen von Karten. Komplettkarten basieren auf den beobachteten Daten, während Unterschiedskarten wie Fobs-Fcalc auffällige Abweichungen zwischen experimentellen Daten und einem aktuellen Strukturmodell hervorheben. Omit-Karten helfen, Merkmale zu identifizieren, die im Modell nicht enthalten sind.

Anwendungen umfassen die Lokalisierung von Atompositionen, die Validierung und Verfeinerung von Strukturen sowie die Analyse von Elektronenlokalisierung und chemischer Bindung in Molekülen und Festkörpern. Neben der Röntgenkristallographie können auch Elektronendiffraction und Kryo-Elektronenmikroskopie (cryo-EM) Dichtemaps liefern, die ähnliche Interpretationen ermöglichen, oft mit unterschiedlichen Auflösungen und Konventionen.

Zu den Einschränkungen gehören die Abhängigkeit von Datensatzqualität und Phaseninformationen, mögliche Modellabhängigkeiten sowie Schwierigkeiten bei der eindeutigen Bestimmung leichter Elemente.