Strukturaufklärung

Strukturaufklärung bezeichnet das systematische Bestimmen der Struktur chemischer Verbindungen, insbesondere der Verknüpfung der Atome (Konnektivität) sowie der räumlichen Anordnung der Atome (Stereochemie). Ziel ist es, aus experimentellen Daten eine eindeutige, reproduzierbare Struktur abzuleiten, auch wenn nur geringe Mengen vorliegen oder ungewöhnliche Isomere auftreten.

Zu den zentralen Methoden gehören Massenspektrometrie, Kernspinresonanz (NMR), Infrarot- und UV-Vis-Spektroskopie sowie Röntgenkristallographie. Hochauflösende Massenspektrometrie (HRMS) liefert exakte Molekularformeln und Fragmentierungsinformationen (MS/MS). NMR-Techniken wie 1H-, 13C-NMR und 2D-Experimente (COSY, HSQC, HMBC, NOESY) liefern Hinweise auf Verbindungsstruktur, funktionelle Gruppen und räumliche Nachbarschaften. IR und UV-Vis unterstützen die Identifikation von Funktionen und konjugierten Systemen. Röntgenkristallographie liefert bei geeigneten Kristallen oft eine direkte Bestimmung der absoluten Struktur.

Der Arbeitsablauf beginnt typischerweise mit der Bestimmung der Molekularformel (HRMS, ggf. Elementaranalyse) und der DBE-Zahl, gefolgt von der Aufklärung der Konnektivität durch NMR-Daten. Fragmentierungsmuster aus MS/MS helfen, Teilstrukturen zu prüfen. Falls möglich, werden Stereochemie und Konformation mit NOE-Experimenten, Kopplungskonstanten oder chiralem Vorgehen (z. B. ECD, Röntgenkristallographie) bestimmt. Computergestützte Hilfsmittel unterstützen Plausibilitätschecks, z. B. durch DFT-Verschiebungsvorhersagen oder Konformationssammlung.

Anwendungsgebiete liegen in der Naturstoffchemie, der Arzneimittelentwicklung, der Materialforschung und der Bestätigung von synthetischen Strukturen. Die Strukturaufklärung ist oft ein iterativer Prozess, der neue Experimente erfordert, insbesondere bei unvertrauten Molekülen, geringen Probenmengen oder instabilen Substanzen.