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17.10.2021

11.10.2021

Komplexe Molekülstrukturen schneller und einfacher aufklären

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Dr. Julian Holstein und Prof. Guido Clever von der Fakultät für Chemie und Chemische Biologie der TU Dortmund etablieren zusammen mit Wissenschaftlern der Universität Wien eine Methode, mit der komplexe Molekülstrukturen schneller und einfacher aufgeklärt werden können. Dafür werden statt Röntgenphotonen - die normalerweise für die Bestimmung der Strukturen genutzt werden - Elektronen am Kristall gebeugt.

Dadurch können nun auch winzige Kristalle einer Substanz, die untersucht werden soll, genutzt werden. Das Forschungsprojekt wurde kürzlich als Titelstory in der renommierten Fachzeitschrift Nature Reviews Chemistry vorgestellt.

Molekulare Strukturen werden üblicherweise mittels Röntgenbeugung an Einkristallen aufgeklärt. Durch diese Methode können die dreidimensionale Struktur komplexer Substanzen im Kristallverband bestimmt und so vielfältige Informationen abgeleitet werden, z.B. zur räumlichen Anordnung der Atome und zu erwartender chemischer Reaktivität der Verbindung.

Die Röntgenbeugung gilt deswegen als Standard, um unbekannte Stoffe zu charakterisieren. Die Herausforderung dabei ist, dass die Kristalle der zu untersuchenden Substanzen eine geeignete Größe haben müssen. Daran scheitert die Strukturbestimmung aber oftmals noch.

Neue Methode reduziert Anforderungen an Probengröße

In der Elektronenkristallographie werden hingegen Elektronen statt Röntgenphotonen am Kristall gebeugt. "Das Besondere daran ist, dass wir hierbei schon winzig kleine, kristalline Partikel verwenden können, deren Größen im Bereich von 100-1000 Nanometer liegen", sagt Dr. Julian Holstein, der gemeinsam mit Dr. Tim Grüne von der Universität Wien Korrespondenzautor des Fachartikels ist. Dadurch werden bereits pulverkristalline Niederschläge, welche sich häufig sogar in noch verunreinigten Rohprodukten finden lassen, zugänglich. Diese Partikel sind weder mit dem bloßen Auge noch mit extrem leistungsstarken Lichtmikroskopen erkennbar.

"Sogar Proben, die aufgrund der geringen Kristallgröße selbst mit hochbrillanter Synchrotronstrahlung nicht zugänglich sind, können per Elektronenbeugung untersucht werden. Durch die geringeren Anforderungen an die Probengröße können auch die sehr zeitaufwendigen Kristallisationsansätze im Labor reduziert werden", ergänzt Dr. Julian Holstein. Die Methode sei deshalb auch für andere wissenschaftliche Bereiche wie die Materialwissenschaften oder Pharmazie interessant.

Wasserstoffatome können leichter erkannt werden

Die Elektronenbeugung bietet außerdem noch einen weiteren Vorteil. Dank ihr können sehr leichte Wasserstoffatome, denen sowohl in chemischen Reaktionen als auch in biologischen Prozessen häufig eine Schlüsselrolle zukommt, besonders gut detektiert werden. Darüber hinaus können auch Oxidationszustände bestimmter Elemente im Kristall experimentell bestimmt werden, was bisher so nicht möglich war. Damit eröffnen sich neue Forschungsmöglichkeiten im Bereich der Katalysatorforschung, Wasserstoffspeicherung und Medikamentenentwicklung.

Prof. Guido Clever, Professor für Bioanorganische Chemie an der TU Dortmund, und ebenfalls einer der Autoren der Perspektive sagt dazu: "Wir sind von den Ergebnissen der Messungen unserer Proben an der ETH Zürich und der Universität Wien begeistert. Wir sind überzeugt davon, dass diese Methode zu einer Vielzahl bislang nicht zugänglicher Ergebnisse in den Bereichen Funktionale Moleküle und Materialen, Solvation Science und Wirkstoffforschung führen kann."

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Quelle: Technische Universität Dortmund