Genaue experimentelle Strukturbestimmungen ein unverzichtbarer Bestandteil vieler Forschungsprojekte. Viele Veröffentlichungen enthalten Darstellungen von experimentell bestimmten Molekülstrukturen, um die Beweisführung zu untermauern. Aus der Vielzahl von Strukturbestimmungsmethoden ragt (neben der NMR-Spektroskopie) die Röntgenstrukturanalyse heraus, die auf der Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallen beruht. Zwar muss dafür die untersuchte Verbindung zuvor kristallisiert werden, doch dies wird durch die von keiner anderen Methode erreichte Zuverlässigkeit und Genauigkeit wettgemacht. Ursache dafür ist eine Fülle an experimentellen Daten, die für ein ausgezeichnetes Daten/Parameter-Verhältnis sorgt. Insgesamt fast 30 Nobelpreisträger sprechen eine deutliche Sprache für die Bedeutung dieses Forschungsgebiets.

In der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Ernst Egert am Institut für Organische Chemie und Chemische Biologie der Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt werden Fälle betrachtet, in denen die etablierten Verfahren versagen (vor allem bei größeren Molekülen und kleinen Kristallen). Hier stellt die Lokalisierung eines bekannten Strukturfragments in der kristallographischen Elementarzelle eine leistungsfähige Alternative dar, da hier die a priori vorhandene chemische Information optimal ausgenutzt wird. Das dort entwickelte Programm PATSEE hat nicht nur viele Problemstrukturen gelöst, sondern ist auch erfolgreich eingesetzt worden, um Kristallstrukturen aus Pulverdaten zu bestimmen. Viele Verbindungen kristallisieren notorisch schlecht; bestenfalls erhält man ein kristallines Pulver, das beim Röntgenbeugungsexperiment kein dreidimensional aufgelöstes Muster, sondern die typischen Pulverringe ergibt - dies bedeutet letztendlich die Reduktion der Daten auf eine Dimension. Eine Strukturbestimmung mit einer solch geringen Datenmenge ist eine schwierige Aufgabe. Ist der Datenverlust durch die Kenntnis eines Molekülfragments kompensierbar? Ja - nach vielen Tests mit bekannten Strukturen ist die Lösungsstrategie jetzt so weit optimiert, dass die Bestimmung unbekannter Strukturen aus Pulverdaten gelingt.

Für den Einsatz dieser Methode müssen allerdings wesentliche Teile der dreidimensionalen Molekülstruktur bekannt sein. Neben Datenbanken, in denen experimentell bestimmte Strukturen gespeichert sind, liefern empirische Kraftfeld- oder Molekülmechanik-Rechnungen sehr schnell zuverlässige Molekülgeometrien. Das war der Anstoß, ein eigenes Kraftfeldprogramm (MOMO) zu entwickeln. MOMO soll die Basis für zukünftige methodische Entwicklungen sein. In den letzten zehn Jahren wurden verschiedene Strategien zur Konformationsanalyse flexibler Moleküle getestet, ein verbessertes Punktladungsmodell erarbeitet, Multipolmomente zur genaueren Beschreibung intermolekularer elektrostatischer Wechselwirkungen eingeführt, Algorithmen für die automatische Parametrisierung entwickelt und ein neuartiges Solvatationsmodell in Angriff genommen.

Diese Fortschritte führten insgesamt zu einer noch zuverlässigeren Berechnung von Molekülstrukturen. Eine ebenfalls in MOMO neu eingeführte Prozedur gibt die Möglichkeit, die Strukturen supramolekularer Komplexe vorherzusagen, auch wenn die einzelnen Komponenten mehrere Torsionsfreiheitsgrade besitzen. Nach der erfolgreichen Reproduzierung bekannter Beispiele steht die Beschaftigung mit dem Design neuer Komplexe, die durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden, an. Die Strukturen, die nach einem "Screening" mit MOMO vielversprechend aussehen, werden synthetisiert, kristallisiert und durch Röntgenstrukturanalyse experimentell verifiziert. Interessant sind besonders Moleküle, die bei der Komplexbildung ihre Konformation ändern. Ein einfaches Beispiel dafür sind Acetylhydrazone, die in Abhängigkeit von der Größe der Substituenten bevorzugt Dimere oder Polymere bilden. Diese Untersuchungen werden ausgedehnt auf Systeme, die aus verschiedenen Komponenten bestehen.

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Quelle: Aktuelle Wochenschau (04/2005)

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