Strukturaufklärung

Sicherlich hast auch du bereits schon einmal davon geträumt, etwas zu erfinden, das weltberühmt wird. Chemiker treffen dabei immer wieder auf Stoffe, die noch keiner mit diesen Eigenschaften gesehen hat. Allerdings muss erst nachgeschaut werden, ob es sich bei dem Stoff tatsächlich um etwas Neues handelt oder bereits bekannte Stoffe sich nur seltsam verhalten.

Um die Zusammensetzung einer unbekannten Probe zu ermitteln, gibt es verschiedene Methoden zur Strukturaufklärung, die du nun kennenlernst. Damit bist du vorbereitet, wenn dir die nächste Probe vor die Nase kommt, die du nicht kennst und die dich weltberühmt machen könnte.

Die verschiedenen Arten der Strukturaufklärung

Die verwendeten Möglichkeiten zur Strukturaufklärungen sind meist davon abhängig, welcher Stoff analysiert werden soll. Je nach Analysemethode lassen sich vor allem auch unterschiedliche Informationen entnehmen. Die folgende Tabelle gibt dir als erstes einen Überblick über die verschiedenen Methoden und wofür sie verwendet werden. Im Anschluss erläutern wir die einzelnen Methoden noch genauer.

Tabelle 1: Gegenüberstellung gängiger Messmethoden.

Röntgenbeugung

Voraussetzung für die Röntgenstrahlung ist der kristalline Zustand des Stoffes. Daher wird diese Methode auch als Kristallstrukturanalyse bezeichnet. Die monochromen Röntgenstrahlen werden am Kristall in einem bestimmten Muster gebrochen, aus dem dann Schlussfolgerungen gezogen werden können.

Die Abbildung zeigt dir, wie diese Brechung ungefähr aussieht. Daraus abgeleitet entsteht die Bragg-Gleichung:

Hiermit werden die verschiedenen Abstände zwischen einer Art von Atomen berechnet. Das gibt Aussagen darüber, in welchem Abstand die einzelnen Atome zueinander stehen. Es lässt sich sagen, wie dicht der Kristall gepackt ist und an welcher Stelle sich die einzelnen Atome befinden. Eine Beugung der Röntgenstrahlung findet schließlich nur am Atom selbst statt.

NMR-Spektroskopie

Die NMR-Spektroskopie ist die häufigste Methode, mit der unbekannte Substanzen analysiert werden. Das gilt besonders für organische Verbindungen. Die Grundlage dafür ist das Verhalten der Atome in einem Magnetfeld. Währenddessen findet eine parallele oder antiparallele Ausrichtung statt. Der Energieunterschied zwischen beiden Ausrichtungen entspricht ungefähr der Strahlung im Frequenzbereich von Radiowellen (50-750 MHz).

Wenn man die Atome nun mit Radiowellen bestrahlt, wird ein Teil der Strahlung absorbiert. Dieses Absorptionsverhalten wird dann aufgezeichnet und ausgewertet.

Die Abbildung zeigt dir die Aufnahmen einer NMR-Spektroskopie. Dabei handelt es sich jedoch nur um die Aufnahme von Wasserstoffatomen. Dennoch tauchen unterschiedliche Signale auf. Das liegt daran, dass die umliegenden Atome den Wasserstoff abschirmen können. Die Absorption verändert sich und verschiebt sich auch in der Aufnahme. Dieser Effekt wird auch chemische Verschiebung genannt.

Infrarotspektroskopie

Mithilfe der Infrarotspektroskopie wird die Absorption eines Stoffes gegenüber infraroter Strahlung betrachtet. Die Moleküle werden aufgrund der Absorption des Lichts in Schwingung versetzt. Man unterscheidet dabei die Valenzschwingung entlang der Bindung oder die Deformationsschwingung, die senkrecht zur Bindung der Atome stattfindet.

Eine Analyse ist nun möglich, da jedes Atom eine Schwingung nur in einem bestimmten Frequenzbereich aufnimmt. Mithilfe einer Vergleichsmessung kann nun aufgenommen werden, in welchem Bereich die Strahlung absorbiert worden ist.

Mikrowellen-Spektroskopie

Auch bei dieser Art der Strukturaufklärung werden die einzelnen Atome in Schwingung versetzt. Hierfür gilt bei dieser Methode jedoch als Bedingung, dass es sich hierbei um Moleküle handeln muss, die einen Dipol besitzen oder deren Dipolmoment sich während der Schwingung verändert. Anschließend wird die Absorption der Wellen gemessen.

Diese Abbildung zeigt dir noch einmal, in welchem Bereich die verschiedenen Wellen ungefähr stattfinden. So haben Mikrowellen ungefähr eine Frequenz von 0,01m bzw. 1cm. Das sichtbare Licht, das wir wahrnehmen, befindet sich hingegen in einem Nanometer-Bereich. Allerdings haben Mikrowellen eine deutlich geringere Energie.

Problematisch bei dieser Methode ist jedoch die Wechselwirkung der Moleküle untereinander. Daher werden häufig Gase damit analysiert. Flüssigkeiten sind im Gegensatz zu Feststoffen ebenfalls noch möglich, allerdings deutlich komplizierter, weshalb diese Methode selten dafür angewendet wird.

Elektronenbeugung

Die Elektronenbeugung funktioniert beinah auf die gleiche Art und Weise wie die Röntgenbeugung. Statt Röntgenstrahlung werden in diesem Fall jedoch konzentrierte Elektronenstrahlen auf ein Medium geleitet. Dadurch entsteht ein Beugungsmuster, das auf die gleiche Art und Weise wie bei der Röntgenbeugung analysiert werden kann.

Markant an dieser Methode ist vor allem, dass sie im Vakuum stattfindet. Das erhöht die Interaktion zwischen der Probe und dem Elektronenstrahl.

Elektronenmikroskopie

Die Elektronenmikroskopie kennst du sicherlich aus der Biologie. Dennoch kann diese Methode auch in der Chemie verwendet werden. Der Vorteil der Elektronenmikroskopie besteht darin, dass sie auch Oberflächen analysiert und das in einem Bereich, in dem man ungefähr erahnen kann, wo sich die einzelnen Atome befinden.

Für die Chemie spielt es allerdings besonders eine Rolle, die Lage der einzelnen Einheiten in einem Molekül zu bestimmen und somit unter anderem auch Fehlern auf den Grund zu gehen.

Raster-Tunnelmikroskopie

Ähnliche Ergebnisse liefert die Rastertunnelmikroskopie. Allerdings ist es hiermit noch einmal deutlicher möglich, Atome zu erkennen. Das Rastertunnelmikroskop tastet die Oberfläche mithilfe einer extrem feinen Sonde ab, wodurch diese Strukturen entstehen, die dann durch einen Computer sichtbar gemacht werden. Einzig problematisch bei dieser Strukturaufklärung ist, dass sie nur für Feststoffe funktioniert und selbst da nur an der Oberfläche arbeiten kann.

Massenspektrometrie

Zur Vollständigkeit gehen wir auch auf die Massenspektrometrie kurz ein. Genauere Informationen zur Entwicklung und Verwendung findest du in dem entsprechenden Artikel.

Die Massenspektrometrie ist eine Methode, bei der die einzelnen Ionen beschleunigt werden. Mithilfe eines magnetischen und teilweise auch eines elektrischen Feldes werden sie abgelenkt und treffen dann auf eine Oberfläche auf. Die unterschiedlichen Treffer werden notiert und mithilfe eines Schreibers dann ausgegeben. Es entsteht ein Massenspektrum.

Mit diesem Wissen kennst du die wichtigsten Methoden, um herauszufinden, wie ein Molekül aufgebaut ist. Weiterhin gibt es natürlich verschiedene chemische Möglichkeiten, bei denen aufgrund von Reaktionen ein Bestandteil bestimmt werden kann. Häufig ist damit jedoch nicht klar, wo er sich befindet. Daher werden Methoden wie die NMR-Spektroskopie angewandt, um sich die entsprechenden Moleküle noch genauer anzuschauen.

Anwendung der Strukturaufklärung

Die Strukturaufklärung spielt nicht nur eine Rolle, wenn es um die chemische Betrachtung geht. Fachübergreifend ist sie auch für die Biologie essentiell. Damit können wie im Fall der NMR-Spektroskopie viele organische Substanzen analysiert werden. Mithilfe dieser Methoden lassen sich aber auch Abbildungen der DNA und der Proteine machen.

Grundsätzlich unterscheidet man dabei die Analyse von kleinen und großen Molekülen. Als kleine Moleküle betitelt man die Moleküle, die du von den alltäglichen chemischen Reaktionen kennst.

Dem gegenüber stehen die großen Moleküle, bei denen es sich um biologische Makromoleküle handelt. Dazu zählen unter anderem die DNA und die Proteine.

Abbildung 5: Das Corona-Virus unter dem Elektronenmikroskop

Aus aktuellem Anlass zeigt dir diese Aufnahme einmal das Corona-Virus unter dem Elektronenmikroskop. Natürlich ist diese Version farbig, um die einzelnen Bestandteile deutlicher zu machen. Nur durch solche Strukturaufklärungen ist es jedoch überhaupt erst möglich, das Corona-Virus zu bekämpfen.