Neue Methode zur Enträtselung molekularer Strukturen

Puzzle gelöst: Mittels dipolarer Restkopplungen lassen sich Strukturen organischer Moleküle nachweisen. (Grafik: Grit Kummerlöwe und R. Oehme)

Das angewandte Verfahren stellt eine Verfeinerung der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) dar, die sich über Jahrzehnte für die Strukturaufklärung organischer Moleküle bewährt hat. Die in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlichten Ergebnisse zeigen einen einfachen Zugang zu Strukturinformationen, wenn klassische Analysemethoden versagen.

Das Team von Prof. Burkhard Luy vom KIT und Juniorprofessor Stefan F. Kirsch von der TUM hat erstmals gezeigt, dass bestimmte NMR-Parameter, sogenannte dipolare Restkopplungen (RDCs), entscheidend zur Aufklärung des grundlegenden Aufbaus von chemischen Verbindungen beitragen können, wenn traditionelle Methoden versagen. Hierzu betteten sie die Moleküle, aus denen die Verbindung besteht, in ein Gel ein, das ihre Beweglichkeit leicht einschränkt. Durch Streckung des Gels lassen sich die Moleküle in einer Vorzugsrichtung anordnen. Während sich in Lösung die dipolaren Restkopplungen herausmitteln, sind sie in solchen teilweise orientierten Proben messbar und liefern schließlich Daten, die sich zu einem Abbild des Moleküls zusammensetzen lassen.

Die Forscher überprüften diesen neuen Ansatz zur Strukturaufklärung, indem sie ein Molekül untersuchten, dessen atomare Zusammensetzung zwar bekannt war, nicht jedoch, wie genau die einzelnen Atome des Moleküls miteinander verknüpft sind. Das Molekül war über eine einzigartige Reaktion erhalten worden, so dass es keine Präzedenzfälle zu seiner Struktur gab; klassische Analysemethoden versagten aufgrund der Kompaktheit des Moleküls. Die Strukturaufklärung gelang in diesem konkreten Fall einzig durch dipolare Restkopplungen, so dass mit dem gewonnen Wissen Rückschlüsse zur Bildung des Moleküls möglich waren, über die man vorher nur spekulieren konnte.

„Nicht alle Strukturen werden sich zukünftig auf diesem Wege analysieren lassen“, so die Wissenschaftler Luy und Kirsch. „Es wird weiterhin Moleküle geben, die sich ihrer Enträtselung trotz aller Bemühungen und modernster Methoden hartnäckig verweigern werden. Die Anwendung der neuen Methode bietet jedoch ein weiteres Werkzeug, um die strukturellen Rätsel der Natur zu entschlüsseln.“

Die Forschungsarbeit wurde unterstützt aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Heisenberg-Programm, Forschergruppe FOR 934) und dem Fonds der Chemischen Industrie. Die Messungen haben die Wissenschaftler auf Geräten des Bayerischen NMR-Zentrums durchgeführt.